人机工程学 -显示装置

第四章显示装置第一节人的视觉与听觉特性一、感觉器官与感觉类型1．人体的主要感觉器官与感觉类型作用于人感觉器官的外界物理量在心理学中称为刺激。1表4-1人的感觉类型与感觉器官感觉类型感觉器官刺激类型感觉、识别的信息视觉眼睛一定频率范围的电磁波形状、位置、色彩、明暗听觉耳朵一定频率范围的声波声音的强弱、高低、音色嗅觉鼻子某些挥发或飞散的物质微粒香、臭、酸、焦等味觉舌头某些被唾液溶解的物质甜、咸、酸、苦、辣等皮肤觉皮肤及皮下组织温度、湿度、对皮肤的触压、某些物质对皮肤的作用冷热、干湿、触压、疼、光滑或粗糙等平衡觉半规管肌体的直线加速度、旋转加速度人体的旋转、直线加速度运动觉肌体神经及关节肌体的转动、移动和位置变化人体的运动、姿势、重力等2视觉信息在外界刺激中比例最大，听觉次之，皮肤觉（温度、触压、干湿）再次之。显示装置也有这几种刺激类型。2．人的感知响应过程人接受外界信息（刺激）而作出反应的过程称为感知响应过程。感知响应过程：感觉器官→传入神经→大脑皮层→传出神经→运动器官。3图4-1人的感知响应过程与人机系统二、视觉器官与视觉机制1．视觉器官——眼睛的构造图4-2眼球的构造5前后依次为：①角膜；②前房；③虹膜；④晶状体；⑤玻璃体；⑥视网膜。眼球壁从外向里依次为：①外膜；②中膜；③内膜，即视网膜。眼球周围还有6块肌肉可使眼球转动。62．视觉机制可见光在电磁波频谱中只占很小的范围。图4-3电磁波频谱中的可见光视网膜内壁上有视杆细胞和视锥细胞，功能互相不同。人眼能“即时”看清的区域很小。眼球转动依次看清较大范围叫目光的巡视。3．视觉系统眼睛、视神经和视觉中枢组成了视觉系统。两眼视神经交叉交迭，分左、右两支到达大脑而使人获立体感。72．视觉机制可见光在电磁波频谱中只占很小的范围。图4-3电磁波频谱中的可见光视网膜内壁上有视杆细胞和视锥细胞，功能互相不同。人眼能“即时”看清的区域很小。眼球转动依次看清较大范围叫目光的巡视。8三、人的视觉特性（一）视野及视区亦称视场，基本定义是：头部和眼睛在规定的条件下，人眼可观察到的水平面与铅垂面内的空间范围。分为直接视野、眼动视野和观察视野。（1）直接视野当头部和两眼静止不动时，人眼可观察到的水平面与铅垂面内的空间范围。（2）眼动视野头部保持在固定位置，眼睛为了注视目标而移动时，能依次注视到的水平面与铅垂面内的空间范围。又分单眼和双眼眼动视野。（3）观察视野保持身体在固定位置，头部与眼睛转动注视目标时，能依次注视到的水平面与铅垂面内的空间范围。1．视野9在铅垂面内，水平线下的视野大于水平面上的视野。（4）正常视线头部和两眼放松状态，水平视线下25°～35°的视线。10图4-4正常视线图4-5最佳的直接视野11图4-6最佳的眼动视野图4-7最佳的观察视野12色觉视野（色视野）：白色最大，黄色、蓝色，红色依次递减，绿色视野最小。图4-8色视野132．视区按辨认清晰度和速度，分4个。表4-2不同视区的空间范围及辨认效果中心视区很小，在水平和铅垂两个方向上都只有1.5°～3°。要看清更大的范围靠目光的“巡视”。14（二）视角及视敏度1．视角与视距D为物体的尺寸，L为视距，α为视角，三者关系是：图4-9视距与视角D＝（α/3438）L。上式中，视角α的单位是“分”：1′＝（1/60）°。152.视敏度临界视角眼睛对目标细节刚能区分状态下的视角。视敏度临界视角（以分为单位）的倒数，即视敏度＝1/临界视角（临界视角单位：分）规定照度下，视距L＝5000mm，用白底黑环的“缺口圆环视标”测试，所得视敏度称为视力。16图中D＝1.5mm，代入上式，1.5＝（α/3438）×5000，∴α＝1′。其视敏度即人的视力＝1/α＝1。图4-10缺口圆环视标（三）明暗适应人眼从看亮物体到能看清暗物体的过程称为暗适应；反之为明适应。在反复且较大强度的明、暗适应中，易发生观察错误，使眼睛疲劳甚至伤害。图4-11暗适应和明适应18（四）目光巡视特性（视觉运动特性）①习惯方向水平：左→右；铅垂：上→下；旋转：顺时针。运动为跳跃如袋鼠、而非如蛇行。②水平运动快于铅垂方向，且不易疲劳；水平方向上尺寸与比例的估测较准确。③两眼同时注视一处，设计应依据双眼视野。④对不同区域的视觉感知快慢不同。19（五）视错觉视错觉有形状错觉、色彩错觉和物体运动错觉。图4-13视错觉的一些例子20设计中有时要避免视错觉的发生，有时又利用视错觉来达到一定目标。图4-14视错觉在设计中应用的例子电子天平和天平（陈慎任沈熊键马海波设计）21（一）人耳的听觉范围影响听觉的因素有声波的频率和强度。四、人的听觉特性常用声压级（dB，分贝）度量声波强度。除个体差异外，影响听觉的因素主要是年龄。年龄增大，对高频声波的感受衰减。听觉能感受的最弱、最强限值为听阈、痛阈。成年人能感受的频率为20～20000Hz；最敏感的是1000～3000Hz，人们讲话的频率基本在此范围内。22图4-15听觉的频率和声压级范围听觉能感受的频率和声压级范围见图4-15。（二）方向敏感性两耳听觉的微小差异，使人辨别声音方向，称为“双耳效应”。23频率越高，声波波长越短，辨别声音方向越容易。右耳的方向敏感性与频率的关系见图4-16。图4-16听觉方向敏感性（右耳）与频率的关系24（三）遮蔽效应一个声音（主体声）被另一个声音（遮蔽声）掩盖的现象，称为遮蔽。遮蔽的效应，与遮蔽声、主体声的相对频率和相对强度有关，对听觉传达和语言通讯的设计关系甚大。第二节显示装置的类型、设计与布置一、显示装置的类型与性能特点显示是有目的的信息传递。显示设计的基本要求是将信息分配给合适的信息通道，使之顺利通过人机界面。兼顾传递信息能产生情感或审美上的愉悦。显示装置有：视觉、听觉、触觉显示装置。视觉显示应用最广，听觉显示次之，触觉显示只用于辅助显示。26视觉显示的优点：能传示数字、文字、图形图表、公式等复杂信息，便于延时保留和储存，受环境干扰小。听觉显示的优点：即时性警示性强，能向所有方向传示且不易受到阻隔，但与环境间的相互干扰较大。显示装置按形式可分为：仪表显示、信号显示（信号灯、听觉信号、触觉信号）、荧光屏显示等。显示仪表的常见类型有：刻度指针式仪表和数字式显示仪表。27表4-3刻度指针式仪表与数字式仪表的性能对比对比内容刻度指针式仪表数字式仪表信息①读数不够快捷准确②显示形象化、直观，能反映显示值在全量程范围内所处的位置③形象化地显示动态信息的变化趋势①认读简单、迅速、准确②不能反映显示值在全量程范围内所处的位置③反映动态信息的变化趋势不直观跟踪调节①难以完成很精确的调节②跟踪调节较为得心应手①能进行精确的调节控制②跟踪调节困难其他①易受冲击和振动的影响②占用面积较大，要求照明条件占用面积小，常不需另设照明28二、显示仪表设计的人机学因素（一）仪表刻度盘1．仪表刻度盘的形式图4-17刻度指针式仪表的形式a）开窗式b）半圆形c）圆形d）水平直线形e）铅垂直线形f）、g）、h）非整圆形对比数字式仪表，刻度指针式仪表的人机学因素更加丰富。29图4-18几种仪表刻度盘的形式与误读率302．仪表刻度盘的尺寸在基本保证清晰分辨刻度条件下，宜选取较小的直径。刻度盘外轮廓对应的视角，一般α＝（2.5°～5°）。同时考虑刻度线的数量、光照条件、空间限制等因素的影响。刻度盘外轮廓尺寸D与视距L的关系如下：D＝（L/23）～（L/11）。即刻度盘外轮廓尺寸宜在视距L的（1/23～1/11）间选取。31表4-4刻度盘最小尺寸、标记数量与视距的关系仪表盘外边缘的宽窄、颜色深浅，以能“拢”住视线，又不过于“抢眼”、不干扰认读为佳。（二）数码与字符因素有：①尺寸大小；②字符宽高比和笔画粗细；③字体选择；④数码、字符主体色与背景色的搭配等。数码字符对应的视角为α＝10′～30′。由此算出字符尺寸D与视距L的关系：D==（L/350）～（L/110）影响因素还有：光照强弱、字符与背景的明度色彩对比、认读快慢要求等。33中等光照及通常条件下，D≈L/250。表4-5仪表盘上字符的高度与视距34（三）刻度及刻度线1．刻度标值只在长刻度线上标注整数，按左到右、从到下，顺时针方向递增。a）适宜b）不适宜图4-19适宜与不适宜的刻度标值示例2．刻度间距刻度太小，分辨困难；过大，则认读速度降低。一般照明下，刻度对应的视角取α＝5′～11′。刻度间距D与视距L应有关系：D≈（L/700）～（L/300）。3．刻度线短、中、长三级刻度线的宽度、长度示例见图4-22、图4-23。图4-20三级长度的刻度线图4-21三级刻度线的宽度长度36表4-6刻度线长度与视距的关系（四）有关仪表结构因素的举例1．指针与盘面指针形状应有鲜明的指向性。图4-22指针造型的指向性示例为避免读数误差，指针旋转平面与刻度线盘面在同一平面上。图4-23指针旋转与刻度线在同一平面上的方案示例38392.盘面结构与字符数码的立位字符与数码的上下朝向称为立位。立位的选择与指针盘面的相对运动有关。图4-24刻度盘结构与字符数码的立位两种情况，左图、右图，哪个合理？40三、显示仪表的布置一般原则如下：①所在平面与人的正常视线接近垂直。图4-25显示装置平面与视线尽量垂直41②布置应紧凑，按重要性和观视频度分别布置在合适的视区内。图4-26显示装置布置区域及认读效果的示例a）仪表板的尺寸（mm）与分区：Ⅰ—最佳认读区，Ⅱ—一般认读区b）不同区域的正确认读时间：1—认读右半部，2—认读左半部42显示装置较多时，仪表板改为弧围或折弯形。a）弧围形b）折弯形图4-27弧围形、折弯形仪表板43③按从左到右、从上到下、按顺时针方向布置。④按“功能分区”的原则布置。图4-28美国SAEJ209号标准推荐的仪表功能分区布置44⑤检查类、警戒类仪表的“零位”和辅助线。⑥显示与被显示对象有容易理解的一一对应关系。图4-30显示与被显示对象对应关系正确与否的示例图4-29检查类仪表的零位选择和辅助线的应用45第四节信号显示设计一、信号显示的类型与特点信号显示有视觉、听觉、触觉信号3种类型。各类型都可以是有源、或无源信号。表4-7视觉、听觉和触觉的有源和无源信号的示例461．视觉信号由稳光、或闪光的信号灯构成。①远距离信息显示常用，主要优点：刺激持久、明确、醒目；闪光信号灯刺激强度更高。②易于管理维护，便于自动控制。③缺点是不适于传达复杂信息。2．听觉信号①铃、蜂鸣器、哨笛、语言等听觉信号的即时性、警示性强；尤其语言能传达复杂信息。主要应用于报警、提示。②听觉信号侵扰无关人群，不宜持续提供。③听觉信号多需要人员守护管理。48表4-8听觉信号功能参数和应用场合装置类型声压级范围/dB（距装置2.5m处）主频率/Hz适用条件、应用场合举例低音蜂鸣器50～60≈200低噪声、小区域的提示信号高音蜂鸣器1～3in的铃60～70400～1000低噪声、小区域内的报警60～651200～800电话铃、门铃，低噪声、小区域内的报警4～10in的铃65～90800～300学校、企业上下班铃，哨笛、汽笛90～1105000～7000不大区域内的报警噪杂的、大区域中的报警3．触觉信号近身传递信息的辅助方法。49图4-31仅用触觉可识别形状的示例二、信号灯（一）信号灯的视距与亮度1．信号灯与背景的亮度及亮度比亮度比应大于2。为避免过亮的“眩光”刺激，背景亮度应较低。2．信号灯的亮度与视距由环境、气象、警戒级别等因素决定，参照相关技术资料。（二）信号灯的颜色与图形符号颜色的使用规则相同，例如：红色警戒、禁止、停顿等；黄色提请注意；蓝色指令；绿色安全或正常；白色无特定含义，等。51表4-9险情信号颜色分类表52（三）稳光与闪光信号的闪频闪光信号灯造成紧迫感，用于警示，险情警示及紧急警告等。一般警示，如路障警示等，可用1Hz以下的低闪频；紧急、重大险情，用高闪频，并与声信号结合，如消防车、急救车等。53（四）信号灯的形状、组合和编码信号灯与图形符号结合，增加其信息含量，已被广泛应用。例如：用箭头“←”、“→”、“↖”、“↗表示前进方向；用“×”、“\