人机交互基础教程第2章

第2章感知和认知基础重点大学计算机专业系列教材人的感知认知过程与交互设计原则概念模型及对概念模型的认知分布式认知认知心理学是二十世纪50年代中期在西方兴起的一种心理学思潮，其核心是输入和输出之间发生的内部心理过程。但是人们不能直接观察内部心理过程，只能通过观察输入和输出的东西来加以推测。所以，认知心理学家所用的方法就是从可观察到的现象来推测观察不到的心理过程。控制论、信息论、计算机科学对认知心理学的发展具有深远的影响。计算机科学与心理学相结合，产生了一门边缘学科:人工智能。人工智能与认知心理学关系极为密切，计算机的出现使人们找到了分析人的内部心理过程和状态的新途径。人类主要通过感知与外界交流，进行信息的接收和发送，认知世界。感知和认知是人机交互的基础。视觉◦视觉是人与周围世界发生联系的最重要的感觉通道。外界80%的信息都是通过视觉得到的，因此视觉显示是人机交互系统中用的最多的人机界面。◦视觉感知可以分为两个阶段：受到外部刺激接收信息阶段和解释信息阶段。◦视觉感知特点：一方面，眼睛和视觉系统的物理特性决定了人类无法看到某些事物；另一方面，视觉系统进行解释处理信息时可对不完全信息发挥一定的想象力。进行人机交互设计需要清楚这两个阶段及其影响，了解人类真正能够看到的信息。视网膜是视觉的核心，它是一片平面的薄膜，获得的物象是平板而缺乏立体感的。所以知觉需要组织起其它信息，才能做出对深度的感知。人类的眼球天生便有辨别立体深度和距离的本能，因为人类是用双目平排而视。同时通过外物在视野范围中所形成的物象大小，以及排列或表现的状态，认知该物与我们的距离。甚至可通过形状及色彩获得有关距离的资料。视觉的感知特点：1大小、深度和相对距离眼睛里有三种不同的锥细胞，分别对红、绿、蓝三种波长的光线敏感，当不同波长的光波进入眼睛并投映在视网膜上时，大脑就通过分析由各个锥细胞输入的信息去感知景物的颜色。正常人眼可分辨大约七百万种不同颜色，人眼不同区域对颜色有不同的敏感度，眼睛中央对颜色和动态十分敏感，但眼睛边缘的颜色敏感度则较差。不同颜色当中，人对红，绿和黄色则比对蓝色敏锐，这种特性对视象传意有很大的影响由于我们对物体颜色的感知是来自物体表面反射来自光源的光线，因此物体本身和光源对我们的感知同样重要，光源如果缺乏某些波长成份，我们所看到的物体颜色亦会缺少对应的颜色。人的眼睛拥有极高的分辨相邻两种近似色的能力，在浅色的范围肉眼的敏感度尤胜于仪器，而且人的色彩感知还有一个特点，就是对色彩移位的适应性，这种特性令我们可以减除光源的颜色转变的影响。视错觉就是当人观察物体时，基于经验主义或不当的参照形成的错误的判断和感知。3视错觉阅读是从视觉材料中获取信息的过程。视觉材料主要是文字和图片，也包括符号、公式、图表等。首先是把视觉材料变成内部语言，最后语言在人脑中被解释成有语法和语义的单词或句子，后达到对视觉材料的理解。4阅读人眼的视力问题远视和近视远视和近视的形成，就是眼球中的水晶体，未能把外界影像的光线聚焦在视网膜上。有些人只能看清近距离的对象，而看不清远距离的物件;因为他们眼球内的睫状肌不能拉平水晶体，以致未能把远距离的光线聚焦于视网膜，这现像称为近视。另外有些人，能清楚看见远距离的物象，但看不清近距离的，因为他们眼球内的睫状肌不能令水晶体拱凸，把近距离入射的光线聚焦在视网膜上，这现像称为远视。这两种视力问题都很常见，并且可透过配带眼镜来解决。色盲色盲的形成，是因为视网膜上的锥状细胞不能分辨颜色。大部分人天生具有正常色觉，他们可辨认由三原色调配出来的不同颜色。但亦有人是二色视者，他们只可看见光学三原色中的二种。二色视者又称色弱，他们仍能看见颜色，只是他们看不见其中一种三原色，他们会混淆某些颜色，例如会看不出黄黑条纹颜色，不过可以会出对比大的色样，所以我们设计人机界面的时候，应考虑这一点。但亦有人是全色盲的，他们完全不能分辨颜色，在他们的眼中，世界是全黑白灰的。所谓颜色模型就是指某个三维颜色空间中的一个可见光子集，它包含某个颜色域的所有颜色。颜色模型主要有HSV、RGB、HSI、CHL、LAB、CMYK等。它们在不同的行业各有所指，但在计算机技术方面运用最为广泛。RGBRGB色彩模式是工业界的一种颜色标准，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的，RGB即是代表红、绿、蓝三个通道的颜色，这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是目前运用最广的颜色系统之一。在电脑中，RGB的所谓“多少”就是指亮度，并使用整数来表示。通常情况下，RGB各有256级亮度，用数字表示为从0、1、2...直到255。注意虽然数字最高是255，但0也是数值之一，因此共256级。256级的RGB色彩总共能组合出约1678万种色彩，即256×256×256=16777216。通常也被简称为1600万色或千万色。也称为24位色(2的24次方)。CMYKCMYK也称作印刷色彩模式，顾名思义就是用来印刷的。它和RGB相比有一个很大的不同：RGB模式是一种发光的色彩模式，你在一间黑暗的房间内仍然可以看见屏幕上的内容；CMYK是一种依靠反光的色彩模式，我们是怎样阅读报纸的内容呢？是由阳光或灯光照射到报纸上，再反射到我们的眼中，才看到内容。它需要有外界光源，如果你在黑暗房间内是无法阅读报纸的。只要在屏幕上显示的图像，就是RGB模式表现的。只要是在印刷品上看到的图像，就是CMYK模式表现的。比如期刊、杂志、报纸、宣传画等，都是印刷出来的，那么就是CMYK模式的了。HSV是根据颜色的直观特性由A.R.Smith在1978年创建的一种颜色空间,也称六角锥体模型(HexconeModel)。这个模型中颜色的参数分别是：色调（H），饱和度（S），亮度（V）。CIECIE(国际照明委员会)颜色模型包括一系列颜色模型，这些颜色模型是由国际照明委员会提出的，是基于人的眼睛对RGB的反应，被用于精确表示对色彩的接收。这些颜色模型用于定义独立于设备的颜色。CIE模型包括CIEXYZ，CIEL*a*b和CIEYUV。听觉◦听觉感知传递的信息仅次于视觉，可人们一般都低估了这些信息。人的听觉可以感知大量的信息，但被视觉关注掩盖了许多。◦听觉所涉及的问题和视觉一样，即接受刺激，把它的特性转化为神经兴奋，并对信息进行加工，然后传递到大脑。◦人类听觉系统对声音的解释可帮助设计人机交互界面中的语音界面。声音是由物体振动产生的声波。是通过介质（空气或固体、液体）传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。最初发出振动（震动）的物体叫声源。声音以波的形式振动（震动）传播。声音是声波通过任何物质传播形成的运动。频率在20Hz~20kHz之间的声音是可以被人耳识别的。音调与声波的频率有关，频率越低，音调越低，频率越高，音调越高。响度指的是声波的振幅。音色与发声的材料有关。触觉◦Touch或者Hapticperception◦触觉在交互中的作用是不可低估的，尤其对有能力缺陷的人，如盲人，是至关重要的◦触觉的感知机理与视觉和听觉的最大不同在于它的非局部性温度感受器-冷热伤害感受器-疼痛机械刺激感受器-压力◦实验表明，人的手指的触觉敏感度是前臂的触觉敏感度的10倍。对人身体各部位触觉敏感程度的了解有助于基于触觉的交互设备的设计。认知是人们在进行日常活动时发生于头脑中的事情，它涉及认知处理，如思维、记忆、学习、幻想、决策、看、读、写和交谈等。Norman把认知划分为两个模式◦经验认知：有效、轻松地观察、操作和响应周围的事件，它要求具备某些专门知识并达到一定的熟练程度，如使用Word字处理系统编辑文档等。◦思维认知：涉及思考、比较和决策，是发明创造的来源，如设计创作等。感知和识别◦人们可以使用感官从环境中获取信息，并把它转变为对物品、事件、声音和味觉的体验。◦根据人的关注特点，在设计人机交互界面时具体应该注意的问题有：◦1用户应能不费力的区别图标或其他图形表示的不同含义◦2文字应清晰易读不受背景干扰◦3声音应足够响亮而且可辨识，应使用户理解输出的语音及其含义◦4在使用触觉反馈时，反馈应可辨识，以便用户能识别各种触觉表示的含义注意◦注意通常是指选择性注意，即注意是有选择的加工某些刺激而忽视其他刺激的倾向。注意的功能：选择功能、保持功能、调节和监督功能注意的品质：注意的广度、注意的稳定性、注意的分配、注意的转移根据注意的特点，在设计人机交互界面时应做到：（1）信息的显示应醒目，如使用彩色、下划线进行强调（2）避免在界面上安排过多的信息，容易分散用户的注意力。（3）界面要朴实，朴实的界面更易使用记忆◦记忆就是回忆各种知识以便采取适当的行动。◦记忆的基本过程是由识记、保持、回忆和再认三个环节组成的。识记是记忆过程的开端，是对事物的识别和记住，并形成一定印象的过程。保持是对识记内容的一种强化过程，使之能更好地成为人的经验。回忆和再认是对过去经验的两种不同再现形式。记忆过程中的这三个环节是相互联系、相互制约的。识记是保持的前提，没有保持也就没有回忆和再认，而回忆和再认又是检验识记和保持效果好坏的指标。根据记忆的内容，可以把记忆分成四种：1．形象记忆以感知过的事物形象为内容的记忆叫形象记忆。这些具体形象可以是视觉的，也可以是听觉的、嗅觉的、触觉的或味觉的形象，如人们对看过的一幅画，听过的一首乐曲的记忆就是形象记忆。这类记忆的显著特点是保存事物的感性特征，具有典型的直观性。2．情绪记忆是以过去体验过的情绪或情感为内容的记忆。如学生对接到大学录取通知书时的愉快心情的记忆等。情绪记忆往往是一次形成而经久不忘的，对人的行为具有较大的影响作用。情绪记忆的映象有时比其他形式的记忆映象更持久，即使人们对引起某种情绪体验的事实早已忘记，但情绪体验仍然保持着。3．逻辑记忆是以思想、概念或命题等形式为内容的记忆。如对数学定理、公式、哲学命题等内容的记忆。这类记忆是以抽象逻辑思维为基础的，具有概括性、理解性和逻辑性等特点。4．动作记忆（运动记忆）是以人们过去的操作性行为为内容的记忆。凡是人们头脑里所保持的做过的动作及动作模式，都属于动作记忆。如上体育课时的体操动作、武术套路，上实验课时的操作过程等都会在头脑中留下一定的痕迹。这类记忆对于人们动作的连贯性、精确性等具有重要意义，是动作技能形成的基础。根据记忆内容保存时间的长短，可以把记忆分成瞬时记忆、短时记忆和长时记忆。由于在不同时间对记忆内容的加工形式不同，这三类记忆又被看作是三种记忆系统。1．瞬时记忆瞬时记忆又叫感觉记忆，这种记忆是指作用于人们的剌激停止后，剌激信息在感觉通道内的短暂保留。信息的保存时间很短，一般在0.25～2秒之间。瞬时记忆的内容只有经过注意才能被意识到，进入短时记忆。2．短时记忆短时记忆是保持时间大约在1分钟之内的记忆。据L·R·彼得逊和M·J·彼得逊的实验研究，在没有复述的情况下，18秒后回忆的正确率就下降到10%左右。如不经复述大约在1分钟之内就会衰退或消失。有人认为，短时记忆也是工作记忆，是一种为当前动作而服务的记忆，即人在工作状态下所需记忆内容的短暂提取与保留。短时记忆有三个特点：①记忆容量有限，据米勒的研究为7±2个组块。“组块”就是记忆单位，组块的大小因人的知识经验等的不同而有所不同。组块可以是一个字、一个词、一个数字，也可以是一个短语、句子、字表等。②短时记忆以听觉编码为主，兼有视觉编码。③短时记忆的内容一般要经过复述才能进入长时记忆。3．长时记忆长时记忆指信息经过充分的和有一定深度的加工后，在头脑中长时间保留下来的记忆。从时间上看，凡是在头脑中保留时间超过1分钟的记忆都是长时记忆。长时记忆的容量很大，所存贮的信息也都经过意义编码。我们平时常说的记忆好坏，主要是指长时记忆。记忆术1．定位法定位法即所谓传统记忆术，是将记忆项目与熟悉的地点位置相匹配，使地点位置作为恢复各个项目的线索。这种记忆术来