人机交互与可视化第二单元.pdf

1人机交互技术第2讲计算机学院计算机学院20082008年秋季课程年秋季课程2Review Introduction Whats the HCI?History of HCI Importance of HCI Question How to deduce this formula?Rs=1Rs=1-（1 1-R1R1）*（1 1-R2R2）*（1 1-R3R3）*（1 1-RnRn）32.2 人机系统可靠性与人的差错 可靠性可靠性一般用成功的概率或用差错、故障发生的平均时间来表示。人机系统的可靠性人机系统的可靠性，不仅取决于构成系统的人和机的可靠性，而且也依赖于人机联结方式。人机连接方式有串联、并联、串并混合。42.2 人机系统可靠性与人的差错 串联式人机系统中，人或机任何一环失灵都会使整个系统的工作陷于停顿 Rs=R1*R2*R3*Rn 串连系统的可靠性必然小于其构成部件的可靠性人机1机n输入输出52.2 人机系统可靠性与人的差错 并联式人机系统Rs=1-（1-R1）*（1-R2）*（1-R3）*（1-Rn）并联式人机系统的可靠性大于系统中的人或机的可靠性人机机输入输出62.2 人机系统可靠性与人的差错 人机系统的误差人机系统的误差 准确性或精度是评价人机系统的又一个重要指标。准确性一般用误差来衡量。分常误与变误。常误是由稳定因素引起的，若一个系统由n个部件组成，各部件的常误分别为则系统的常误为：1nsiiEE12,.nE EEsE72.2 人机系统可靠性与人的差错 变误是由偶然的或不稳定的因素引起的误差。变误一般用误差测量的标准表示（方差）。若一个系统由n个部件组成，各部件的变误分别为，则系统的变误由下式表示：12,.n s2232221ns82.2 人机系统可靠性与人的差错 系统的变误在很大程度上取决于变误大的部件。若一个系统由、两部分组成。、的变误分别是20 和10，则系统的变误为22.36。若完全消除了的变误时，系统变误只降低了2.36。若把的变误从20降到10，则系统变误就降到14.51，降低了7.87。人较易受各种偶然因素的影响而发生误差。研究人的操作误差对提高系统的精度有重要的作用。研究人的操作误差对提高系统的精度有重要的作用。92.2 人机系统可靠性与人的差错 在人机系统中，人的操作或行为超越或违反系统所容许的范围时就发生人的差错。信息输入差错表现为感知觉的错误。中枢加工过程发生的差错主要表现为记忆错误和决策错误。错误决策自然会导致错误的反应，但有时决策的正确，仍可能做出错误的反应。102.2 人机系统可靠性与人的差错 人的差错有无意差错与有意差错的区别。有意差错分不得已和明知故犯两种情形 无意差错也有两种情形：及时察觉与不察觉 人的差错率与工作性质及工作条件有很大关系。例如，视觉阅读作业与手工作业的差错率有所区别。112.2 人机系统可靠性与人的差错 设计中应采取措施防止错误的发生 设计要充分考虑人的因素，符合人的认知模型与行动特性。数据输入系统，必须有错误检验与出错信息提示，给操作者改正与编辑的机会。禁止某些错误操作，如有的菜单项变灰色使选择无效，电器插头和插座只能在单方向相配合。通过规范某些操作方式而防止错误。122.3 用户认知心理学入门 2.3.1 人的信息加工模型 2.3.2 人的感觉功能和信息接收 2.3.3 人的信息处理及输出特性 2.3.4 注意与疲劳 2.3.5 时间节律性 2.3.6 年龄的影响132.3.1 人的信息加工模型刺激刺激反馈反馈长时记忆长时记忆短时记忆短时记忆感觉储存感觉储存知觉知觉决策和反应的决策和反应的选择选择反应的执行反应的执行注意资源注意资源142.3.1 人的信息加工模型 感觉贮存(感觉记忆或瞬时记忆):它贮存输入感觉器官的刺激信息，保持极短时间的记忆。知觉编码:当外界刺激输入后，在注意的参与下进行编码，头脑中已贮存的与刚输入的信息有关的知识经验，甚至有组织的结构图式被激活。记忆与决策152.3.1 人的信息加工模型 反应执行：支配效应器官作出相应的动作。反馈：人借助于反馈信息，加强或者抑制信息的再输出，从而更为有效地调节效应器官的活动。注意资源162.3.2 人的感觉功能和信息接收 感觉系统是指具有感觉功能的感觉器官，感觉器官包括一些特指的感受器及有关的附属结构。人的感觉过程包括三个问题：接受外界刺激，如光、声音等 真实地把刺激转化为神经冲动 给刺激赋予意义172.3.2 人的感觉功能和信息接收 Stevens 定律 描述了心理反应量S与物理刺激量I的关系：S=b*Iaa,b 为各种常数。对不同的感觉通道，指数a有很大的差别，如图所示182.3.2 人的感觉功能和信息接收 感官的绝对感觉阈限 刚能使感官神经兴奋引起感觉的最小信号刺激能量称为该感官的绝对感觉阈限下限 刚能引起感官不适或产生不正常感觉的最大信号刺激能量称为感官的绝对感觉阈限上限 设计时，应应尽可能使机器信源发出的信号能设计时，应应尽可能使机器信源发出的信号能量值远离绝对感觉阈限的上下限量值远离绝对感觉阈限的上下限192.3.2 人的感觉功能和信息接收 差别感觉阈限 当信号刺激的能量分布落在绝对感觉阈值的上下限之间时，人不仅可觉察到信号的存在，还能觉察到信号刺激的能量分布差异。刚能引起差别感觉的刺激间的最小差别称为差别感觉阈限，也叫最小可觉差别。202.3.2 人的感觉功能和信息接收 韦伯定律 各种感官的差别感觉阈限不是一个固定值，它随最初刺激能量大小而变化。其关系称为韦伯定律：I/I=K 式中I为最初刺激的能量值,I为刚引起差别感觉的刺激能量增量。K为常数，称为韦伯分数。212.3.2 人的感觉功能和信息接收 韦伯定律（续）韦伯定律只适用于中等强度的刺激 刺激I的强度较低时，微小的刺激变化就能引起察觉；但当刺激很强时，微小的增量不易被察觉。举例 黑暗黑暗/明亮房间中的一支蜡烛明亮房间中的一支蜡烛222.3.2 人的感觉功能和信息接收 视觉通道最为重要，它接受90%以上的外界信息。视功能是视觉器官对事物识别能力的统称，它包括中心视力、周边视力（或称视野）、夜视力、色觉、调节功能、立体视力、辐辏功能（看近物时的视轴调整能力)等。232.3.2 人的感觉功能和信息接收 视力（也称视敏度，缩写为VA）是眼睛辨别物体细节特征的能力。影响视敏度的因素 1 良好的亮度 2 适当的亮度对比度对比度 C=(Bt-Bb)/Bb其中Bt为目标亮度,Bb为背景亮度242.3.2 人的感觉功能和信息接收 影响视敏度的因素（续）3 眩光使瞳孔变小，对比度减弱 4 曝光时间长可提高视敏度 5 运动使视敏度下降 6 主体因素：年龄、眼疾等 7 颜色不恰当影响辨认252.3.2 人的感觉功能和信息接收 人对声音的感受范围 人可以听到频率为16-24KHz范围内的声音 年龄的差异会造成可听频率范围的不同，年轻人可听频率可高达20KHz，中年人只有12KHz-16KHz 听觉（声强）阈下限：0db；听觉阈上限：约120db，超过140db时会感到不舒服、发痒。26272.3.2 人的感觉功能和信息接收 特点 易引起人们的不随意注意 不受照明影响 人对声音的反应速度快（约为120-150ms，较光信息快30-50ms）282.3.2 人的感觉功能和信息接收 适宜用于 信号源本身是声音 视觉通道负荷过重 需及时采取行动（如警报）视觉条件受限等场合292.3.2 人的感觉功能和信息接收 触觉感受器容易适应外界刺激，而且记忆中存储触觉的机理又较复杂，因而妨碍了它的应用。在计算机输入用的键盘上，按键的触感对人的舒适使用很重要，对按键的弹性需精心设计。302.3.2 人的感觉功能和信息接收 通过肌肉、关节等活动所发出的信息可监视人体的运动情况。如三维输入装置数据手套、数据衣服等均期望能准确判定身体所处位置及姿势的变化。312.3.3 人的信息处理及输出特性 人的信息传输 人的信息传输速率并不是固定不变的，它与刺激物的性质和类型有关。例如，阅读书报时的信息传输速率约为43bit/s，在电视屏上为70 bit/s。人的感觉系统对于外界的刺激有采样和提取有用信息的过程。人具有主动搜索的特点，即主动搜索信息量最丰富的区域。322.3.3 人的信息处理及输出特性 人的记忆与学习特性 记忆可分为三种类型：感觉记忆、短时记忆和长时记忆。短时记忆（工作记忆）可达几十秒，类似于计算机中的RAM，数量也有限。长时记忆比短时记忆长的记忆。容量几乎无限，它储存着大量的知识（事实与规则），是人脑学习功能的基础。332.3.3 人的信息处理及输出特性 人的记忆与学习特性（续）感觉记忆感觉信息的短暂储存。它们是人体的输入输出缓冲器，存储图象、声音等。感觉信息在储存过程中很快消失，仅存几分之一秒。储存的数量很有限。例如，同时显示一群字母，被试者只能“看清”5个左右。34352.3.3 人的信息处理及输出特性 短时记忆的特点 读/写存取时间快 短时记忆的容量极限约为72个项目，以信息组块的形式存储。组块从简单的字体到复杂的概念和图象。输入时被干扰（分心），20秒内就会丢失一部分信息。362.3.3 人的信息处理及输出特性 短时记忆的特点（续）通过对原始数据分组和抽取特性能够增加存储容量。如0571-88809-321 使存储量从12块减少到3块。对项目的图象和文字一起回忆比单独回忆其中一种要好。人们是沿着输入的反方向来做短期回忆的（30s），即后进先出。372.3.3 人的信息处理及输出特性 短期记忆的准则 在执行任务和记忆期间要减少分心 当心短时记忆超负荷，包括信息的数量和保持的时间间隔 将信息组块有助于记忆 图像有利于记忆，但要附上文字382.3.3 人的信息处理及输出特性 长时记忆的特点 长时记忆可分为语义记忆和情景记忆。前者是指对知识和分类的记忆，具有层次网络的特点，网络中的物体按照其分类和性质相互联系；后者是指与具体情景相联系的记忆。长时记忆存取较慢。感知到的信息不能直接进入长时记忆，只有工作记忆中的信息才能进入长期记忆。392.3.3 人的信息处理及输出特性 长时记忆的特点（续）长时记忆提取的难易取决于记忆中与提取线索有关材料的多少。各组块间会互相干扰，因此材料越多越难提。长时记忆中的项目能经久不衰，其遗忘机制主要来自干扰。对图片的回忆较好，因此对配以图形的文字的学习和回忆比单独文字要好。402.3.3 人的信息处理及输出特性 记忆技巧 推理和理解有助于记忆 信息结构化有助于推理和记忆 增加额外的回忆线索 配以图形的文字有助于学习和记忆 事物及联系的一致性能产生好的网络关系，有助于记忆。技巧412.3.3 人的信息处理及输出特性 人的反应时间 操作者在操纵、监视设备时，从出现信息刺激到采取相应动作，存在一个反应时间。反应量是人类感觉器官对感觉的反应值，它是外界物理量、化学量对人感觉器官刺激的量化表示。422.3.3 人的信息处理及输出特性 人的反应时间（续）反应时间的长短与反应量有关，反应时间还与人大脑对感觉信息的传输、处理快慢有关，与操作者动作的力学特性有关。反应时间：tk=tQ+tY432.3.3 人的信息处理及输出特性 人的反应时间（续）tQ为反应的潜伏时间，它表示从出现信息刺激到大脑传输、处理感觉信息为止。这一时间与设备信息的状态和信息强度及人的大脑处理速度有关。tY为运动时间，它表示操作者实现预想动作的延迟时间，也称运动时间，它和操作者的生物力学特性、操作机构的外型、颜色有关。442.3.3 人的信息处理及输出特性 影响反应时间的因素 不同刺激通道的影响：触觉和听觉的反应时间最短，其次是视觉。因此报警经常用听觉。刺激的性质与强度的影响：为安全可靠起见，在一些危险场合，经常是光信号和声信号同时使用，以增大刺激强度，加快反应速度。452.3.3 人的信息处理及输出特性 影响反应时间的因素（续）操作者的状况：如年龄、个体差异等。刺激-反应的兼容状况：兼容性愈高，反应愈快。如对视觉刺激，手控反应较快；对听觉刺激，言语反应较快。462.3.4 注意与疲劳特性 注意力 人体信息处理模型基本上可描述为一个顺序机器。多个输入/输出通道会争夺认知处理器和它的短时记忆资源。人同时完成两个以上心理任务的能力很差。472.3.4 注意与疲劳特性 注意力（续）尽管人的注意是顺序的，但仍有相当大的同时处理能力。比如一边驾车，一边谈话。并行的N种活动中，必须有（N-1）种是熟练的、自动完成的动作(称为技巧)。技巧的动作顺序存在长时记忆中，需要时作为动作指令顺序取出输出到动作处理器中。482.3.4 注意与疲劳特性 注意力（续）注意是人的心理活动对一定对象的指向。它的基本功能是对信息进行集中和选择。人在一定的时间内，只能在众多的信源中选择所需要的信源进行信息加工。人在每瞬间选择某个对象，而忽略另一些对象。如看戏时只注意舞台上的表演，对四周的观众视而不见。492.3.4 注意与疲劳特性 影响注意选择的因素 信源刺激的物理特点：如刺激的数量、强度、作用方式，以及信源所处的环境条件等，是影响注意选择的客观因素。那些位于视野中央的、明亮的、响亮的、新颖醒目的、动态的或具有其他突出特点的刺激，一般容易引人注意，容易成为注意选择的对象。502.3.4 注意与疲劳特性 影响注意选择的因素（续）稳定状态的刺激不易引起注意 听觉与触觉对人具有较大强制接受的作用，如报警信号 若视觉刺激与听觉刺激同时出现，并且提供具有同样重要性的信息时，视觉刺激就会在注意取样中被优先地选择。512.3.4 注意与疲劳特性 影响注意选择的因素（续）应激与觉醒水平对注意选择有一定的影响。人处在高应激或高度觉醒状态时，会引起注意范围的缩小及注意选择对象的减少。设计时应使操作员在高度应激状态下能够注意到一切有关信息。522.3.4 注意与疲劳特性 影响注意选择的因素（续）任务的难度、个体的动机、兴趣、知识经验等因素也都能对注意发生影响。较困难的任务比单调乏味的任务更能吸引人的注意。在人机界面设计中，必须对需要用户特别注意的信息进行强化处理；区分主次，避免对注意力过多竞争，否则导致超出认知处理器的处理能力，引起差错。532.3.4 注意与疲劳特性 疲劳生理疲劳 疲劳与人的心理、生理及工作性质等均有关系。生理性疲劳一般有局部肌肉、器官的疲劳；脑力疲劳，特点是头昏脑胀、全身乏力等；体力疲劳，指全身肌肉酸痛、无力；技巧作业疲劳，指某类技巧性工作造成的疲劳。配备合适的座椅，做到舒适、动作不受限制配备合适的座椅，做到舒适、动作不受限制542.3.4 注意与疲劳特性 疲劳心理疲劳 心理性疲劳受周围环境影响很大，精神面貌和工作动机对它的影响更为明显。心理性疲劳表现为感觉体力不支，心情不安，产生退缩感，自觉疲倦。552.3.4 注意与疲劳特性 疲劳影响心理疲劳的因素 劳动内容单调 执行十分困难的脑力劳动使精神高度集中 强的刺激，如强光、大的噪声、明亮的颜色都能引起感官超负荷在执行长时期的连续任务间要适当休息在执行长时期的连续任务间要适当休息良好的心态良好的心态562.3.5 时间节律性（生物钟）明暗交替的昼夜规律，对人体生理功能影响最为重要。对于夜班工作者，要为他们创造良好的生活、生产环境，白天应让他们有较好的睡眠环境；在工作时要防止疲劳困乏，要注意劳动安全。572.3.6 年龄的影响 随着年龄的增长，人的感觉器官的功能将逐渐减退，记忆力差，反应慢。应避免让老年人担负反应快、操作复杂、需要大体位变化的工作；尽量缩短他们学习的持续时间、减少记忆内容，避免要求建立与原有习惯相反的新习惯。582.3.6 年龄的影响 更为重要的是要充分发挥老年人经验丰富，遇事稳重可靠，考虑周全等长处。对于个体差异不同的老年人应区别对待。59课程实践 要求 分组完成，每组最多4人，题目在给定的范围中选择，但不限于此，如自定题目，需要确认；实践内容的出处需明确给出，上机时间会进行分阶段检查，给出每个阶段的评估分数；根据得分情况，选出优秀作品；凡优秀作品者，需做汇报表演，限时10分钟，但不限人次。资源：图书馆、60课程实践 主题1：课件制作 人机交互技术：昨天、今天与未来 用户认知心理：研究什么？进展如何？未来的发展？人的感觉（视觉、听觉、触觉、嗅觉）记忆：记忆的分类、记忆的特性、记忆的方法 用户界面的测试与评估 可用性设计61课程实践 主题2：文献查阅 生物特征识别（人脸识别、步态识别、语音识别、手写识别、唇读识别、印刷体汉字识别）知识表示：综述 虚拟现实技术：综述、三维场景的重建、可视化工具（要有实例演示）计算机视觉：综述均以论文的形式提交，论文的格式按毕业设计均以论文的形式提交，论文的格式按毕业设计论文的格式撰写论文的格式撰写62GOALS I wish you can get Confidence Search Writing Speech English I give you chance,but gain is up to your efforts.