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1、第第3 3章章 人体感知与信息处理人体感知与信息处理3.1 3.1 人在系统中的功能人在系统中的功能3.1.1 人是系统中的重要“环节” 把操作者作为人机系统中的一个“环节”来研究，人与外界发生联系的主要是三个子系统，即感觉系统、神经系统、运动系统，见图3-1。3.1.2 3.1.2 人的感知与反应机能人的感知与反应机能1. 反射弧 反射是神经系统调节肌体活动的一种基本形成。反射活动的全部结构组成反射弧；反射弧具有五个基本环节，即感受器 传入神经元 中间神经元 传出神经元 放应器，见图3-2（a）。 2. 信息链 人机系统的信息在人的神经系统中的循环过程形成信息链，见图3-2（b）。3.1.3
2、 感觉通道与信息的协调 人机系统中的最常用的感觉通道是视觉通道、听觉通道和触觉通道。其适用场合参阅表3-1。3.2 3.2 视觉机能及其特征视觉机能及其特征3.2.1 视觉刺激 视觉的适宜刺激是光。人的两眼可以感受到的光波只占整个电磁光谱的一小部分，其波长为380780nm，见图3-3。3.2.2 视觉系统 视觉是由眼睛、视神经和视觉中枢的共同活动完成的，见图3-4 。 眼睛是视觉的感受器官，人眼是直径为2125mm的球体，其基本构造与照相机类似，见图3-5 。 视网膜最外层细胞包括视杆细胞和视锥细胞，它们是接受信息的主要细胞。3.2.3 3.2.3 视觉机能视觉机能 1. 1.视角与视力视角
3、与视力 视角：确定被看物尺寸范围的两端点光线射入眼球视角：确定被看物尺寸范围的两端点光线射入眼球的相交角度。的相交角度。 =2arctg(D/2L)=2arctg(D/2L) 视角；视角； DD被看物体上两端点的直线距离；被看物体上两端点的直线距离； LL眼睛到被看物体的距离；眼睛到被看物体的距离； 视力：眼睛分辨物体细微结构能力的一个生理尺度，视力：眼睛分辨物体细微结构能力的一个生理尺度，以临界视角的倒数来表示。以临界视角的倒数来表示。 视力视力=1/=1/能够分辨的最小物体的视角能够分辨的最小物体的视角2. 2. 视野与视距视野与视距 视野：指人的头部和眼球固定不动的情况下，眼视野：指人的
4、头部和眼球固定不动的情况下，眼睛观看正前方物体时所能看得见的空间范围，常以角度睛观看正前方物体时所能看得见的空间范围，常以角度来表示。分水平视野（单视野来表示。分水平视野（单视野/ /双视野）和垂直视野，双视野）和垂直视野，见见图图3-63-6。 视距：指人在操作系统中正常的观察距离，几种视距：指人在操作系统中正常的观察距离，几种工作视距推荐值参阅表工作视距推荐值参阅表3-23-2。3. 3. 中央视觉和周围视觉中央视觉和周围视觉 中央视觉中央视觉视维细胞（感色能力强、能清晰分辨视维细胞（感色能力强、能清晰分辨物体）。物体）。 周围视觉周围视觉视杆细胞（观察空间范围和正在运动视杆细胞（观察空间
5、范围和正在运动的物体）。的物体）。4. 4. 双眼视觉和立体视觉，双眼视物时，具有分辨物双眼视觉和立体视觉，双眼视物时，具有分辨物体深浅、远近等相对位置的能力，形成立体视觉。体深浅、远近等相对位置的能力，形成立体视觉。5. 5. 色觉和色视野，见色觉和色视野，见图图3-73-7。6. 6. 暗适应和明适应，见暗适应和明适应，见图图3-83-8。 视觉特征：视觉特征：1.1.疲劳程度：水平优于垂直。疲劳程度：水平优于垂直。2.2.视线变化习惯：左视线变化习惯：左右，上右，上下，顺时针。下，顺时针。3. 3. 准确性：水平尺寸和比例的估计更准确。准确性：水平尺寸和比例的估计更准确。4.4.观察情况
6、的优先性：左上观察情况的优先性：左上右上右上左下左下右下。视区右下。视区 内的仪表布置必须考虑这一点。内的仪表布置必须考虑这一点。5.5.设计依据：以双眼视野为设计依据。设计依据：以双眼视野为设计依据。6 .6 .接受程度：直线轮廓优于曲线轮廓。接受程度：直线轮廓优于曲线轮廓。7.7.颜色的易辨认顺序：红、绿、黄、白；颜色的易辨认顺序：红、绿、黄、白； 颜色相配时的易辨认顺序：黄底黑字、黑底白字、蓝底颜色相配时的易辨认顺序：黄底黑字、黑底白字、蓝底 白字、白底黑字。白字、白底黑字。 据上述特征，适用视觉的原则参阅表据上述特征，适用视觉的原则参阅表3-23-2。3.3 3.3 听觉机能及其特征听
7、觉机能及其特征3.3.1 3.3.1 听觉刺激听觉刺激 听觉的适宜刺激是声音，声音的声源是振动的物体，人的听感范围：听觉的适宜刺激是声音，声音的声源是振动的物体，人的听感范围：2020000HZ2020000HZ。3.3.2 3.3.2 听觉系统听觉系统 起主要作用的部位：内耳耳蜗起主要作用的部位：内耳耳蜗 起辅助作用的部位：外耳、中耳、内耳的其它部分，见起辅助作用的部位：外耳、中耳、内耳的其它部分，见图图3-93-9。3.3.3 3.3.3 听觉的物理特性听觉的物理特性 1 .1 .频率响应（感受性）频率响应（感受性） 人耳能听闻的频率比为人耳能听闻的频率比为fmin/fmax=1fmin/
8、fmax=1：10001000； 频率感受的上限随着年龄的增长而逐年连续下降，见频率感受的上限随着年龄的增长而逐年连续下降，见图图3-103-10； 听觉的频率响应特性对听觉传示装置的设计是很重要的。听觉的频率响应特性对听觉传示装置的设计是很重要的。2. 2. 动态范围（声音的强度）动态范围（声音的强度） 听觉声强的动态范围听觉声强的动态范围= =正好可忍受的声强正好可忍受的声强 / / 正好能听见的正好能听见的声强。声强。 （1 1）听阈：在最佳的听闻频率范围内，一个听力正常的人）听阈：在最佳的听闻频率范围内，一个听力正常的人刚刚能听到给定各频率的正弦式纯音的最低声强刚刚能听到给定各频率的正
9、弦式纯音的最低声强I Iminmin。 （2 2）痛阈：对于感受给定各频率的正弦式纯音，开始产生）痛阈：对于感受给定各频率的正弦式纯音，开始产生疼痛感的极限声强疼痛感的极限声强I Imaxmax。 （1 1）与（）与（2 2）都与频率有关系，是在某一频率下的听阈值）都与频率有关系，是在某一频率下的听阈值或痛阈值。或痛阈值。 （3 3）听觉范围：由听阈和痛阈两曲线所包围的听觉区）听觉范围：由听阈和痛阈两曲线所包围的听觉区, ,见见图图3-113-11。3.3.方向敏感度（双耳效应）方向敏感度（双耳效应） （1 1）时差：）时差：t=t=声源到两耳的时间差。人耳可觉察到的声声源到两耳的时间差。人耳
10、可觉察到的声 信号入射的最小偏角为信号入射的最小偏角为33。 （2 2）人耳对不同频率、不同方向的声音的感受能力不同，）人耳对不同频率、不同方向的声音的感受能力不同，见见图图3-123-12。由于头部的掩蔽效应，造成声音频谱的改变。由于头部的掩蔽效应，造成声音频谱的改变。4.4.掩蔽效应掩蔽效应 掩蔽：一个声音被另一个声音所掩盖的现象。掩蔽：一个声音被另一个声音所掩盖的现象。 掩蔽效应：一个声音的听阈因另一个声音的掩蔽作用而提掩蔽效应：一个声音的听阈因另一个声音的掩蔽作用而提高的效应。高的效应。3.4 3.4 其他感觉机能及其特征其他感觉机能及其特征3.4.1 3.4.1 肤觉肤觉 肤觉是仅仅
11、次于听觉的一种感觉，可感受多种外界刺肤觉是仅仅次于听觉的一种感觉，可感受多种外界刺激，形成多种感觉。激，形成多种感觉。 1. 1. 触觉触觉 2. 2. 温度觉温度觉 3. 3. 痛觉痛觉3.4.2 3.4.2 本体感觉本体感觉 本体感觉系统包括耳前庭系统和运动觉系统，可感本体感觉系统包括耳前庭系统和运动觉系统，可感受身体和四肢所在位置的信息。受身体和四肢所在位置的信息。3.5 3.5 神经系统机能及其特征神经系统机能及其特征3.5.1 3.5.1 神经系统神经系统 1. 1. 中枢神经系统，包括脑和脊髓。中枢神经系统，包括脑和脊髓。 2. 2. 周围神经系统，中枢神经以外全部神经的总周围神经
12、系统，中枢神经以外全部神经的总称，见称，见图图3-133-13。3.5.2 3.5.2 大脑皮质功能定位大脑皮质功能定位 1. 1. 躯体感觉区，见躯体感觉区，见图图3-143-14（a a） 2. 2. 躯体运动区，见躯体运动区，见图图3-143-14（b b） 3. 3. 其他功能区其他功能区3.6 3.6 人的信息处理系统人的信息处理系统3.6.1 3.6.1 人的信号处理系统模型人的信号处理系统模型 人在人机系统中特定操作活动中的作用，可类比为一种信息传递和处人在人机系统中特定操作活动中的作用，可类比为一种信息传递和处理过程，见理过程，见图图3-153-15。3.6.2 3.6.2 信
13、息计量信息计量 信息：对数据加工后所得的结果。信息：对数据加工后所得的结果。 信息可以严格定量，信息量用信息可以严格定量，信息量用bitbit为基本单位。为基本单位。 定义定义H=logH=log2 22 2n n。 其中：其中：HH信息量信息量 nn某信号中所含的二进制码的个数某信号中所含的二进制码的个数用概率定义，若出现用概率定义，若出现“0”0”的概率不是的概率不是1/21/2，而是，而是P P，出现，出现“1”1”的概率是的概率是1-P1-P，则该信息量可由下式计算：，则该信息量可由下式计算： H=-PlogH=-Plog2 2P-(1-P)logP-(1-P)log2 2(1-P)(
14、1-P)； 注：当注：当P=1/2P=1/2时，恰好时，恰好H=-logH=-log2 2(1/2)=log(1/2)=log2 22 2 若信号源若信号源S S中有中有n n个相互独立的不同信号，某个信号个相互独立的不同信号，某个信号j j出出现的概率为现的概率为Pj,Pj,且且PjPj之和为之和为1 1，j j信号应出现信号应出现nPjnPj次，则所有信次，则所有信号的平均信息量为：号的平均信息量为： H=H=（-nP-nP1 1loglog2 2P P1 1-nP-nP2 2loglog2 2P P2 2-nP-nPn nloglog2 2P Pn n）/n/n =-P =-Pj jlo
15、glog2 2P Pj j (j=1n)(j=1n) 显然，当显然，当Pj=1/nPj=1/n时时,H,H达到最大达到最大 H Hmaxmax=(1/n)*log=(1/n)*log2 2n=logn=log2 2n n 当当n=2n=2时时, ,即与一位二进制编码表达的最大信息量一致即与一位二进制编码表达的最大信息量一致 H=logH=log2 22 21 1=log=log2 22 2 H Hmaxmax=log=log2 22 23.6.33.6.3感觉的信息处理感觉的信息处理 人的反应时间与感觉刺激物的刺激量有关。人的反应时间与感觉刺激物的刺激量有关。 1.1.信息传输速度信息传输速度
16、 C=H/TC=H/T 其中：其中：CC信息传输速率；信息传输速率； HH传输的信息量；传输的信息量；TT传输的时间传输的时间 人的感觉通道的信息传输速率见人的感觉通道的信息传输速率见图图3-163-16。 2.2.采样采样 采样间隔取决于刺激的频率。采样间隔取决于刺激的频率。 若刺激的变化频率为若刺激的变化频率为F F，则，则T=1/2FT=1/2F，由此可，由此可见，采样频率降低，则采样周期延长。见，采样频率降低，则采样周期延长。 3.3.编码编码 辨认工作辨认工作数码、字母、斜线数码、字母、斜线 搜索定位搜索定位颜色、数码、形状颜色、数码、形状 计数工作计数工作数码、颜色、形状数码、颜色
17、、形状 比较或验证比较或验证各方法几乎没有区别各方法几乎没有区别 编码方式的优劣参阅表编码方式的优劣参阅表3-33-3。3.6.43.6.4中枢信息处理中枢信息处理 记忆是各种信息处理活动的基础，一般分为记忆是各种信息处理活动的基础，一般分为三种形式：三种形式： 1. 1. 感觉信息储存感觉信息储存 2. 2. 短时记忆短时记忆 3. 3. 长时记忆，记忆曲线见长时记忆，记忆曲线见图图3-173-17。附录附录第第3 3章所附插图章所附插图图图3-13-1返回返回图图3-23-2返回返回图图3-33-3返回返回图图3-43-4返回返回图图3-53-5返回返回图图3-63-6返回返回图图3-73-7返回返回图图3-83-8返回返回图图3-93-9返回返回图图3-103-10返回返回图图3-113-11返回返回图图3-123-12返回返回图图3-133-13返回返回图图3-143-14返回返回图图3-153-15返回返回图图3-163-16返回返回图图3-173-17返回返回
