人机工程学讲义3

人体感知与信息处理感觉与感觉特性感觉是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物的反映，因此既具客观性又具主观性。人的主要感觉器官包括眼、耳、鼻、舌、皮肤，对应的感觉分别是视觉、听觉、嗅觉、味觉和肤觉。此外，人对自身也有感觉、称为内部感觉。视觉光作用于视觉器官，使其感受细胞兴奋，其信息经视觉神经系统加工后便产生视觉。其形成过程为：光线一角膜一瞳孔一晶状体(折射光线)—玻璃体(固定眼球)—视网膜（形成物像)--视神经(传导视觉信息一大脑视觉中枢(形成视觉)。通过视觉，人可以感知外界事物的大小、形状、明暗、颜色、动静。视觉是人最重要的感觉，至少有80%以上的外界信息经视觉获得。视觉的优势是：可在短时间内获取大量信息；可利用颜色和形状传递性质不同的信息；对信息敏感，反应速度快；感试范围广，分辨率高；不容易残留以前刺激的影响。但也存在容易发生错视和容易疲劳等缺点。视觉机能视觉机能是视觉器官毒客观事物识in能力的总称·包括视角、视力、视野、对比感度、颜色辨认等(1)视角视角是观察物体时。从物体两端(上、下或左、右)引出的光线在射入眼球时的相交角度，视角a的大小与观察距离L和被看物体上两端点的直线距离D有关。眼睛能分辨被看物体最近两点的视角，称为临界视角，正常眼的临界视角约为1'。(2)视力是指分辨细小的或遥远的物体及细微部分的视觉能力。临床医学上将能区分两点的最小距离称为视力。在眼前一定距离内(5m)能够分辨两点之间距离越小，说明视力越好。应用国际标准视力表远视力表检测，司际正常视力标准规定为1.0(用标准对数视力表检查时为5.0)，即临界视角为1'。视力随着照度、背景亮度和物体与背景的对比度的增加而增大，随年龄的增加而下降。(3)视野视野即眼球向正前方注视时，所能看到的空间范围。视野按眼球的工作状态可分为静视野、注视野和动视野3类。静视野是指在头部固定、眼球静止不动的状态下自然可见的范围。注视野是指在头部固定、而转动眼球注视某一中心点时所见的范围。动视野是指头部固定而自由转动眼球时的可见范围。在人的3种视野中，注视野范围最小，动视野范围最大。人机工程设计中，一般以静视野为依据设计视觉显示器等有关部件、以减少人眼的疲劳。不同颜色对眼的刺激能引起感觉的范围也不同，称为颜色视野，白色的视野最大，其次是黄、蓝、红、绿等(图2.14)。（小字）在垂直平面的视野是：假定标准视线是水平的，定为0°，则最大视区为视平线以上50°和视平线以下70°。颜色辨别界限为视平线以上30°，视平线以下40°。实际上人的自然视线是低标准视线的，在一般状态下，站立时自然视线低于水平线10°，坐着时低于水平线15°；在很松弛的状态中，站着和坐着的自然视线偏离标准视线分别为30°和38°。观看展示物的最佳视区在低于标准视线30°的区域里。在水平面内的视野是：双眼视区大约在左右60°以内的区域，在这个区域里还包括字、字母和颜色的辨别范围，辨别字的视线角度为10°~20°，辨别字母的视线角度为5°-30°，在各自的视线范围以外，宇和字母趋于消失。对于特定的颜色的辨别、视线角度为30°一60°，人的最敏锐的视力是在标准视线每侧1°的范围内；单眼视野界限为标准视线每侧94°_104°。(4)视距视距是指人眼与被观察物之间的距离。视距的远近直接影响若认知的速度和准确性，适宜一般操作的视距为380～760mm，其中以560mm为佳。不同性质的操作对最佳视距的要求也有不同。不同产品、场所和国家对视距的要求也有一些具体规范，例如家用电视的最佳视距，根据网际无线电咨询委员会(CCIR)的定义，当观看距离为屏幕高度的3倍时，高清晰度电视系统(如液品和等离子电视)显示效果应该等于或接近于一名正常视力者在观看原视景物或演示时的临场感觉，而纯平面CRT电视的最佳观看距离是屏面高度的5倍，即标称屏幅50英寸的16：9宽屏电视，实际屏幕高度约为610mm。其最佳视距为1830～3050mm。而汽车驾驶员认读车内仪表的视距，根据美国标准的推荐值，轿车最大视距为711mm，最小视距为450mm，最佳视距为550mm；卡车视距为700～880mm。（图表）调节是视觉适应观察距离的能力。当观察近距离的物体时，眼球睫状肌收缩，使晶状体有更大曲率；在对准很远的某一点时、调节是借助于晶状体曲率的缩小来达到的。由于晶状体曲率可以在一定范围内调节，在看得清楚的目标不断向近处移动时，开始感到不清楚的位置称为调节近点。注视目标越接近这一点，愈易引起视疲劳。因此，视觉工作距离不应短于3/2调节近点。眼睛从远处向近处瞄准目标时，需0.5～1.5s。对频繁改变观察距离、不断变换瞄准目标的作业、改善照明条件有助于扩大调节范围，提高调节的准确性，提高不同距离上的辨认速度，并且能使作业片减少疲劳。对视觉紧张作业，常从近处向远处瞄准，也会减轻视疲劳。(5)对比感度物体与背景的颜色或亮度之间有一定对比度时，人眼才能分辨其形状。人辨别颜色的能力叫色觉，即视网膜对不同波长光的感受特性，只要可见光波长相差3-5nrn，人眼即可分辨。亮度对比指当背景亮度由0增加到100cd/m2时，视力呈线性增加，而超过600后再增加背景亮度，对视力的影响较小。人眼刚能辨别物体时，背景与物体之间最小的亮度差称为临界亮度差；临界亮度差与背景亮度之比称为临界对比。临界对比的倒数称为对比感度。对比感度通常因人而异，是利好的人，其对比感度可以达到100，能够辨别微小的亮度对比。（如最强大脑有一个女孩挑战51度灰，是分辨灰度，该项目将装有等容量特调溶液的51个容器依次排开，按顺序在51个容器中滴入0.01ml等梯度容量差别墨汁，形成51度灰，现场将由嘉宾随机抽掉2个容器，减掉2度灰。挑战者要通过观察，正确复原这两个容器的位置。）(6)颜色辨认人眼对色彩的感觉有色调、亮度、色彩度(饱和度)3种性质，正常人色觉光谱的范围为约400nm(紫色)一约760nm(红色)，其间大约可以区别出16个色相。在明视条件下，人眼最敏感的波长是555nm(黄色);在暗视条件下，人眼最敏感的波长是507nm(绿色)。而色觉异常者，对于这些色调就或多或少不能感觉。根据三原色学说，可见光谱内任何颜色都可由红、绿、蓝三色组成。如能辨认三原色都为正常人，有一种原色不能辨认称二色视，主要为红色肓与绿色肓；三种原色均不能辨认称全色盲，辨认任何一种颜色的能力降低者称色弱，主要有红色弱和绿色弱。色盲能够遗传，通常男多于女。色弱不宜从事以颜色波长作为严格技术标准的化学类、化工与制药类、生物科学类、公安技术类等行业，色盲不宜从事上述以外的美术、艺术设计、摄影、交通运输等行业。（辨色图）(7)立体视觉人用单眼视物时，只能看到物体的平面，即只能看到物体的高度和宽度。当双眼同时注视物体、双眼视线交叉于一点(注视点)时，人两眼之间的距离造成两眼看到的影像略有差异，这两点将信号转入大脑视中枢合成一个物体完整的像，便可以感觉到物体的空间方位。包括距离、深浅、凸凹、前后、高低等相对位置，形成立体视觉，又称双眼深度觉。能引起深度感知的最小视差称为立体视锐度，通常用秒角(”)表示。立体视觉是后天获得的，是双眼视觉的最高形式，是人类从事各种精细工作不可缺少的重要条件之一。立体视觉的效果还可以因为物体表面的光线反射情况和阴影等面得到加强，生活经验也可以起到一定作用，如近物色调鲜明、远物色凋变淡，在平面中营造立体视觉的效果即可借助这些经验。视觉现象人的视觉还有一些常见现象，如视觉适应、视觉残留、眩光现象等。视觉适应(visualadaptation)视觉适应是指在先后呈现的各种亮度、光谱分布、视角的刺激下,视觉系统状态的变化过程。当人从亮处突然走进暗室时，眼前会呈现黑黝黝的一片，一段时间内什么也看不清、经过相当长时间后又逐步开始恢复清晰的视觉，这种现象叫做暗适应(darkadaptation)；反之，当人从暗处走向亮处时、在瞬间内也会感到耀眼发眩，但经过几秒钟后，视觉又恢复正常，这种现象叫明适应(lightadaptation)。眼睛在暗适应过程中，瞳孔直径扩大，使进眼球的光线增加10～20倍，视网膜上的视杆细胞的感受性迅速兴奋、灵敏度不断提高，从而获得清晰的视觉，完成视觉暗适应的过程大约需要20～30min。明适应是视网膜在光刺激由弱到强的过程中，视锥细胞和视杆细胞的功能需要迅速转换，适应时间比暗适应短得多，大约只需要几秒到几分钟。因此在两个相邻的环境中，照明的光源亮度对比最好不要超过20倍。当人戴上有色眼镜观察外界景物时，开始一切景物似乎都带有镜片的颜色，经过相当一段时间后，镜片的颜色在感觉中会自然消失，外界的景物会受色彩经验的影响又恢复成近似原来生活中的颜色，但突然摘下有色眼镜后，景物的颜色又会感觉失真。这种视觉现象称为颜色适应(coloradaptation)。对鲜明颜色，长时间持续注视，色彩的感受性会降低，觉得颜色不再鲜艳，对灰暗的颜色长时间注视，色彩的感受性会提高，觉得颜色变的较亮较鲜。这些都属于颜色适应的表现。人眼中的水晶体能够自动改变厚度，使映像准确地投射到视网膜上。水晶体相当于相机的透镜，起到调节焦距的作用。眼睛看清对象细节的本领不仅取决于物体大小，更取决于观察物体的距离，人眼调节聚焦远近的过程，称为距离适应。（小字）普通绘画和摄影作品，包括电脑制作的三维动画，只是运用了人眼对光影、明暗、虚实的感觉得到立体的感觉。而没有利用双眼的立体视觉、单眼看和双眼看都是一样的平面。三维立体画是利用人眼立体视觉现象制作的绘画作品，观看时把视点落在立体面后面合适的位置，使左眼看到的画面与右眼错开一个单位块。左右眼也就看到不同的图案，经大脑合成后形成立体视觉。视觉暂留(persistenceofvision)人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称后像(afterimage)，视觉的这一现象则被称为视觉暂留。视觉后像有两种：当视觉神经兴奋尚未达到高峰，由于视觉惯性作用残留的后像叫正后像(positiveafterimaw)；由于视觉神经兴奋过度而产生疲劳并诱导出相反的结果叫负后像(negativeafterimaw)。眩光现象(glare)当人们观察某一视觉对象时，如果视场中有一耀眼的发光点，就会影响观察效果，而且会使人感到不舒适，这就是眩光现象。产生眩光的光源(或反射面)被称为眩光源。它是评价照明质量的一个重要方面。光源或反射面亮度太大或者光源与背景之间亮度比太大时，都会引起眩光，如夜晚汽车开大灯、晴天强日光照射、室内灯光直接射人眼内等。根据眩光对人的影响不同，可以分为不舒适眩光、失能眩光和失明眩光3类。眩光可使人眼感到不舒服，使可见度下降，并引起视力的明显下降。眩光造成的有害影响主要有：使暗适应破坏，产生视觉后像；降低视网膜上的照度；减弱观察物体与背景的对比度；观察物体时产生模糊感觉等。这些都将影响作业者的正常作业。视觉特性(1)人的水平视野比垂直视野要大得多，眼睛沿水平方向运动比沿垂直方向运动快而且不易疲劳；一般先看到水平方向的物体，后看到垂直方向的物体，人眼对水平方向尺寸和比例的估计比对垂直方向尺寸和比例的估计要准确得多。因此，很多仪表、显示器都设计成横长方形。(2)视线的变化习惯于从左到右、从上到下和顺时针方向运动。所以，仪表的刻度方向设计应遵循这一规律。(3)当眼睛偏离视中心时，在偏离距离相等的情况下，人眼对左上限的观察最优，依次为右上限、左下限，而右下限最差。视区内的仪表布置应遵循这一规律。(4)两眼的运动总是协调的、同步的，在正常情况下不可能一只眼睛转动而另一只眼睛不动，一只眼睛视物而另一只眼睛不视物。因此通常都以双眼视野为设计依据。(5)人眼对直线轮廓比对曲线轮廓更易于接受。(6)颜色对比与人眼辨色能力有一定关系。当人从远处辨认前方的多种不同颜色时，其易辨认的顺序是红、绿、黄、白、即红色最先被看到(所以，停车、危险等信号都采用红色)。当两种颜色相配在一起时，网易辨认的顺序是黄底黑字、黑底白字、蓝底白字、白底黑字等(因而公路两旁的交通标志