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人机界面设计Human-MachineInterfaceDesign罗仕鉴浙江大学计算机学院[e-mail]数字化人机工程第三章人机工程学人机界面设计与认知心理学相比，人机工程学（Ergonomics）更多地从人本身和系统的角度出发，研究人机关系。第三章人机工程学人机界面设计◆人机工程学的名称humanengineering，humanfactorsengineering，humanfactors，ergonomics，人间工学，工效学◆人机工程学所下的定义人机工程学是研究人与机相互关系的合理方案，对人的信息接受、操纵控制、人机系统的设计及其布置等进行有效的研究，其目的在于获得最高效率，使操作者操作简便、准确，作业时感到安全和舒适。3.1引言第三章人机工程学人机界面设计◆经验人机工程学美国Tailor首创的管理方法（铁锹实验）；心理学家◆科学人机工程学二战（工程知识、生理学、心理学、人体测量学、生物力学等）◆现代人机工程学控制论、信息论、系统论（三论）；着眼于机械设计与人的关系；与实际相结合，加强实验性；多学科人员协同等。第三章人机工程学人机界面设计人机工程学的发展人机工程学和相关学科之间的关系第三章人机工程学人机界面设计人机工程学管理科学动作研究时间研究社会学安全工程人的可靠性劳动科学心理学实验心理学应用心理学工业心理学生理学环境卫生劳动医学医学人体测量人体解剖生物学生物力学系统工程图3.1人机工程学和相关学科的关系第三章人机工程学人机界面设计人机工程学着重研究以下问题：（1）研究人的基本生理特征；（2）研究人与机之间的分工与配合；（3）研究机具如何能更适合于人的操作和使用，以提高人的工作效率，减轻人的疲劳和劳动强度；（4）研究人机系统的工作环境对操作者的影响，目标是要使工作环境安全、舒适；（5）研究人机之间的界面，信息传递以及控制器和显示器的设计；（6）总的任务是在人-机-环境之间实现最优配合。◆为人机界面设计中考虑“人的因素”提供人体尺度参数◆为人机界面设计中“机”的功能合理性提供科学依据◆为人机界面设计中考虑“环境因素”提供设计准则◆为进行人－机－环境系统设计提供理论依据3.2人机工程与人机界面第三章人机工程学人机界面设计◆系统用户应该始终知道下一步该做什么◆所有类型的信息、说明、消息等都在同一个总的显示区域内显示。◆简化复杂的功能，减少输入命令而采用功能键。◆缺省值和需要用户输入的值要说明清楚。◆告诉用户可能的错误操作，设置中间或者最终提醒过程。人机工程学原理在计算机人机界面中无处不在第三章人机工程学人机界面设计◆显示性能3.3显示界面设计第三章人机工程学人机界面设计3.3.1数量型显示界面指针移动式显示界面第三章人机工程学人机界面设计刻度标记的数量在两种视距下的刻度盘的最小直径／mm500mm900mm38507010015020030025.425.425.436.454.472.8109.025.432.545.564.398.0129.6196.0表3.2刻度盘的最小直径与标记数量和视距的关系第三章人机工程学人机界面设计◆刻度单位：试验a）正常照明b）低照明第三章人机工程学人机界面设计3.3.2性状型显示界面性状型显示界面设计第三章人机工程学人机界面设计3.3.3警报与信号显示界面（1）何时发出警报？（2）多少个警报？（一般只采用一个）（3）闪动或静止？（闪光报警只用于危险情况）（4）警报位置？（操作者30°视野内）（5）颜色？（一般采用红色）第三章人机工程学人机界面设计3.3.4再现型显示界面地平线固定地平线转动第三章人机工程学人机界面设计3.3.6符号设计1.符号设计原则（1）图形－背景：符号设计应保证图形与背景的稳定与清晰。（2）图形轮廓：图形轮廓应采用粗实且对比明显的轮廓。由几个图形元素组合成的符号，应按一定次序强调重要的图形元素：表示运动方向的图形元素采用实体图形，表示运动的元素采用轮廓线。（3）图形的简化：符号应采用简化抽象形式表现对象。（4）图形的封闭性：符号应是自身封闭的图形。（5）图形的整体性：构成单个符号的各个图形元素应相互联系，形成协调统一的整体。3.3.7指针设计（1）指针的形状要简洁、明快、有明显的指示性形状。（2）一般来说，针尖的宽度应与刻度标记的宽度相同。如果大、中、小三级刻度标记的宽度不相等时，针尖应与小刻度标记的宽度相等。尤其是，针尖宽度不得小于小刻度标记的宽度。（3）针尖与仪表刻度面间必须有一定的间隙，这个间隙要尽量小，以减少不垂直观察时所形成的投影误差。（4）对于指针不应该遮挡刻度标记的表盘界面，针尖应离开刻度标记2mm左右；对于覆盖刻度标记的窄条形指针，其长度不应该超过大刻度标记。第三章人机工程学人机界面设计第三章人机工程学人机界面设计3.4控制界面设计3.4.1编码设计（形状编码、材料编码、位置编码、色彩编码、标注编码）第三章人机工程学人机界面设计3.4.2控制的基本特性1、控制的C／R比值与操纵第三章人机工程学人机界面设计3、误操作第三章人机工程学人机界面设计3.5显控协调性设计第三章人机工程学人机界面设计3.5运动协调性设计第三章人机工程学人机界面设计3.8习惯模式第三章人机工程学人机界面设计3.6集中控制中的显控界面设计第三章人机工程学人机界面设计1.重要性原则把最重要的控制与显示布局在操作者视野和控制区的最佳位置上。如警报信号灯和紧急刹车按钮应布局在操作者的最佳视野和最佳控制区。2.操作频率原则操作越频繁的显示和控制应布局在操作者的最佳视野和最佳控制区。3.功能分组原则将功能相关的显示与控制构成若干“功能组”，然后分区布局。例如，温度指示器与温度调节器可分成一个组，布置在一个区域内。4.操作次序原则如果显示和控制在操作程序上有次序，则可以顺其次序进行布局设计。集中显示与控制的布局原则第三章人机工程学人机界面设计3.7人机系统及其界面设计3.7.l人机系统的组成和人机系统基本框架人机界面机子系统人子系统环境图3.2人机系统及其环境第三章人机工程学人机界面设计3.7.2人与机的功能比较及分析比较项目机的特性人的特性检测物理量检测范围广，可正确检测象电磁波这样人不易检测的物理量具有与认知直接联系的高级检测能力，缺少标准，会出偏差，具有味觉、嗅觉、触觉操作在速度、精度、力度、操作范围、耐久性等方面比人优越，能处理液体、气体、粉状体等物手空间自由度高，协调性好，可在三维空间进行多种运动信息处理能力在事先编成的情况下可进行高级、准确的数据处理，记忆准确、持久，调出速度快具有特征抽取、综合、归纳、模式识别、联想、发明创造等高级思维能力及丰富的经验耐久性、持续性、可维护性由成本决定；需维护保养，可进行单调的反复作业，不会疲劳易疲劳，需要适当休息、保健、娱乐，很难长时间保持紧张状态，不适应从事刺激小、单调乏味的作业可靠性由成本决定；对事先设计的作业有高可靠性，对预料之外的事件无能为力。一个零件的损坏，可导致整机失灵；特性能保持不变。容易出差错；如果有时间和精力，可以处理意外事件，自我维护力强。通信只能用预定方式通信人与人之间很容易进行信息交流。效率需外加功率；简单作业速度快、准确，新机械从设计、制造到运转需要时间；即使坏了也不要紧耗费能源小，但要吃饭，需要教育和训练，必须采取绝对的安全措施成本需要购置费，运转、保养费；机械不使用仅失去机械本身的价值需要人工费用、工资等；如果发生意外，会危及生命。第三章人机工程学人机界面设计人机工程学在解决系统中人的问题上，主要有两条途径：★使机器、环境适合于人；★通过最佳训练方法，使人适应于机器和环境。第三章人机工程学人机界面设计★在经济合理的前提下，总是尽可能让机去更多地取代人的工作强度一般以下工作可由机来完成：（1）枯燥、单调、笨重的作业；（2）危险性大的作业或会影响人体健康的作业；（3）高阶运算，快速操作；（4）可靠性、高精度的和程序固定的作业。而以下工作则由人来完成：（1）程序设计；（2）意外事件处理（3）变化频繁的作业；（4）探索性工作或需要作出决策的工作。人、机之间进行合理的分工第三章人机工程学人机界面设计3.7.3人机界面人机界面是人机之间传送信息的媒介，它主要包括三部分：★机上显示器与人的信息通道的界面；★机上操作器与人的运动器官的界面；★人机系统与环境之间的界面。第三章人机工程学人机界面设计人机界面的研究重点是：◆使显示器能提供易于为人识别、理解的信息，该信息能反映机内工作状态，而且又对人安全、可靠、无害；◆使操作器能易于由人控制、操作，所提供的操作或信息要易于为机所识别，且灵敏、可靠；◆正确设计显示器和操作器的布局，有利于人的操作和使用。◆当然人机界面除上述硬件设备外，还应该包括操作规程、维护手册等软件。第三章人机工程学人机界面设计3.74人机系统设计人机系统应该能满足以下要求。◆能达到预定的目的，完成预定的任务；◆人和机都能发挥各自的作用并协调一致地工作；◆系统提供接受输入和完成输出的功能，并具备调节功能；◆系统设计应考虑环境因素影响，例如厂房结构、工作场地布局照明、温度、湿度、噪声等；◆人机系统应充分适应人的特性，让人能容易学习、操作、使用系统、充分发挥系统效能。人机系统设计要求第三章人机工程学人机界面设计3.7.5人机系统设计应考虑的问题（1）为了满足系统设计目标必须提供什么输入和输出？（2）为产生系统输出需要什么操作？在邮递系统中需要的操作是分类邮件和传送邮件。（3）人机之间的功能分工；（4）人要完成操作需要什么样的训练和技能？构成的人机系统提供那些材料帮助人接受训练和获得技能；第三章人机工程学人机界面设计（5）需要系统完成的任务能否与人的能力相容？要避免人在过负荷或欠负荷状态下的操作；（6）人要完成作业需要什么样的设备接口？这是考虑人的因素的最重要问题。需要有最佳的显示设备和操作设备，以及操作规程和信息诊断能力；（7）人机子系统工作能否协调？是相互帮助还是相互妨碍？例如人一计算机系统中，计算机操作比人快得多，因此要求机子系统要等待人做出决定和完成操作。第三章人机工程学人机界面设计3.7.6人机系统设计步骤（1）需求分析阶段：（2）系统分析规划阶段：（3）系统设计阶段：（4）测试阶段：（5）人机系统生产制造及提交使用。第三章人机工程学人机界面设计3.8视觉显示终端作业的人机界面设计第三章人机工程学人机界面设计3.9数字化人机工程人机工程咨询系统：人机工程仿真系统：人机工程评价系统：第三章人机工程学人机界面设计VITUS-3D人体扫描仪：VITUSsmart使用光线条纹扫描方法，8个三角形的探头能够在10秒内扫描到1mx1m和2.1m高的区域，而辨率可以达到0.5mm第三章人机工程学人机界面设计Cyberware全身3D扫描仪：它最初是由斯坦福大学MarcLevoy研制的。Cyberware数字化仪由平台（载体）、传感器（光学系统）、计算机工作站、Cyberware标准接口（SCSI）及CYSURF处理软件构成。平台一般有3个自由度（X、Y、Z），伺服电机驱动，典型的分辨率为0.5mm。第三章人机工程学人机界面设计Cyberware全身3D扫描仪：Cyberware软件包包括了各种软件，如CySurfSurfacingSoftware（将采集的图像生成NURBS曲面）；DecimatePolygonReductionSoftware（删除非基本顶点，将多边形网格减少98%，所有Cyberware数字化测量仪都配有该软件），EchoDigitizingSoftware及CyScanNT（分别是SGI工作站和基于WindowsNTPC机上用于控制扫描平台运动和确定三维范围及数据处理的软件）。第三章人机工程学人机界面设计人体数