人机工程学讲义第三章下

1第三章人体的机能特性（下）授课教师：清华大学汽车系袁泉2006年3月[e-mail]《人机工程学》课件2本章主要内容概述概述第一节人的神经系统第一节人的神经系统第三节人的感知觉特性第三节人的感知觉特性第二节人的信息传递理论第二节人的信息传递理论第四节人的视觉特性第四节第四节人的视觉特性人的视觉特性第五节人的听觉、皮肤感觉及本体感觉第五节第五节人的听觉、皮肤感觉人的听觉、皮肤感觉及本体感觉及本体感觉第六节人体的力学特性第六节第六节人体的力学特性人体的力学特性第七节人的心理学特性第七节第七节人的心理学特性人的心理学特性23引子：视觉特性在车身人机工程设计中的应用1.人的视力差别2.晶状体混浊度3.眩光的防止第四节人的视觉特性4一、视觉器官1.视觉器官的功能识别视野内发光物体或反光物体的轮廓、形状、大小、远近、颜色和表面细节等情况。人脑获得的全部信息约有95%以上来自视觉输入。2.人眼的基本结构除了控制眼球运动的眼外肌和起保护、营养作用的巩膜、脉络膜等结构外，眼内同视觉传入信息的产生直接有关的主要是位于眼球正中线上的折光系统和后部的视网膜。由角膜经房水、水晶体、玻璃体直至视网膜的表面，都是一些透明而无血管分布的组织，它们构成了眼内的折光系统，使来自眼外的光线发生折射，最后成像在视网膜上。35角膜虹膜结膜巩膜静脉窦睫状肌直肌睫睫状小带睫状上皮终缘视轴玻璃体光轴玻璃体管视网膜视盘晶状体后间隙睫状突晶状体前房后房缘带睫状体巩膜脉络膜筛板神经末梢黄斑一、视觉器官2.人眼的基本结构从前向后——角膜：凸而透明,神经末梢前房：营养、形成内压虹膜：调节瞳孔大小晶状体：类似透镜玻璃体：支撑视网膜视网膜：接受视觉信息从外向内——外膜：1/6角膜、巩膜中膜：虹膜、睫状体内膜：2/3透明薄膜,0.3mm6块肌肉:转动眼球眼球转动中心在角膜顶点向后约13.6mm处，范围约为43°。6一、视觉器官2.人眼的基本结构——视网膜„视网膜覆盖在眼底约2/3的内表面上，厚度约为0.3mm透明膜，具有像神经组织一样的复杂结构。其上分布着视锥细胞（区别颜色）和视杆细胞（区别阴暗），对光刺激高度敏感，将其中包含的视觉信息转变为神经信息完成感光换能作用，由神经纤维以动作电位形式传往大脑。„视网膜各部位的感光灵敏度：中央部位的感光灵敏度较高，越到边缘越低落在中央部位的映像清晰可辨，落在边缘部位则不甚清晰。47一、视觉器官2.人眼的基本结构„两眼同时视物，可得到在两眼中间同时产生的映像，反映出物体与环境间的相对空间位置，从而分辨出三维空间映像。„视觉内部器官包括神经纤维束和大脑。从眼睛后部引出的约3mm粗的束状视神经，由约100万条神经纤维构成，末端与大脑相通。从左右眼球后部引出的两支视神经形成左右视路，经交叉后分别连到左右脑半球外侧的视神经皮层上。„视神经的交叉作用83.视觉形成的机理z光觉z光谱光效率评价人眼的光觉灵敏度555nm黄绿光（峰值波长）z两种细胞工作制¾视杆细胞¾视锥细胞z人眼明暗视觉的两种“工作制”——光谱光效能—最大光谱光效能593.视觉形成的机理（续）z简化眼模型折光效果相同的等效光学系统AB/Bn=ab/bnz视觉的全过程物体发光射入眼睛后，由于眼的折光作用而在视网膜上形成物像，在物像所及部位，由感受细胞吸收光能而发生化学反应，使感受细胞产生一系列电脉冲信息；经视神经纤维传送到大脑的视觉域进行综合处理后，形成视觉映象。与照相机相比：可调光圈、透镜、感光胶片——虹膜、晶状体、视网膜10二、视觉特性1.视角瞳孔中心到被观察对象两端所张开的角度α=2tg-1(D/2L)式中：α—视角，以分(′)为单位表示；D—被观察对象上下两端点的直线距离；L—眼睛至被观察对象的距离。2.视力（规定条件下的视敏度）对相邻目标或目标细节的分辩能力视力=1/临界视角（临界视角（′））视力(视标明度)与视线方向的偏差611二、视觉特性（续）3.视野人的眼睛观看正前方物体所能看得见的空间范围常以角度来表示。z一般视野直接视野（静视野）头部固定、眼球静止不动的状态下自然可见的范围(水平/铅垂);眼动视野（注视野）头部固定而转动眼球注视某目标时所见的范围；观察视野（动视野）身体固定，头部与眼睛转动时的可见范围参见GB/T12984-1991123.视野z正常视线头部和两眼放松状态头部与眼睛轴线夹角105～110°时的视线在水平视线之下约25～35°三种视野的简单关系：眼动视野最佳值＝直接视野最佳值＋眼球可轻松偏转角度(头不动)观察视野最佳值＝眼动视野最佳值＋头部可轻松偏转角度(体不动)思考：水平视野是左右对称，铅垂视野是否上下对称？直接视野眼动视野观察视野713二、视觉特性（续）3.视野z色觉视野不同颜色对人眼的刺激有所不同，所以视野也不同。z不同颜色的视野范围z黑色背景上的色觉视野14二、视觉特性（续）4.视距指眼睛至被观察对象的距离。最佳视距：380～760mm之间5.双眼视觉与立体视觉立体视觉原理双眼视觉与立体视觉的关系两眼视物产生一个视觉形象的条件6.对比感度人眼刚能辨别被观察对象时，被观察对象与背景的最小亮度对比度，称为临界对比度对比感度：临界对比度的倒数。理想值：临界对比度：100，对比感度：0.01影响因素（被观察对象的大小、观察距离、照度及眼睛的适应情况）815二、视觉特性（续）7.暗适应与明适应„人眼对光亮程度的变化具有适应性。¾暗适应¾明适应„暗适应时，瞳孔放大，进入眼睛的光通量增加；„明适应时，瞳孔缩小，进入眼睛的光通量减少。„暗适应时间较长，要经过4～6min才能基本适应，要在暗处停留30min左右才能完全适应。„明适应时间较短，lmin左右便可完全适应。16二、视觉特性（续）7.暗适应与明适应（续）„引起人眼光感觉的最小亮度随暗适应时间而变化的曲线。„原理：暗适应曲线表示视网膜上参加工作的视锥细胞与视杆细胞数量的转变过程，即转入工作的视杆细胞逐渐增加。视杆细胞转人工作状态的过程较慢，因而暗适应过程较长。明适应时，视杆细胞退出工作，视锥细胞数量迅速增加，明适应时间较短。917二、视觉特性（续）7.暗适应与明适应（续）应用：预防交通事故，保障行车安全„预防视觉疲劳¾例如，在隧道人口处常采用一段缓和照明。由于明适应的时间很短，在隧道出口处可不作其他处理。„人眼的适应性对车辆的行驶安全性影响。¾例如，公路隧道出入口设计。¾又如夜间行车会车。188.眩光物体表面产生刺眼和耀眼的强烈光线，称为眩光。„分类：直接眩光、反射眩光„危害——导致不舒适的视觉条件：¾使瞳孔缩小，在亮度一定的条件下降低了视网膜上的照度。¾眩光在眼球媒质内散射，减弱了被看对象与背景间的对比度。¾视觉细胞受强光刺激，引起大脑皮层细胞间产生相互作用，使得对被看对象的观察呈现模糊。„减少直接眩光的方法：减少引起眩光的高亮度面积、增大视线与眩光源之间的角度、提高眩光源周围区域的亮度等。„减少反射眩光的方法：降低光源的亮度、改变光源的位置或改变作业对象的位置、使反射眩光避开观察者的眼睛、改变刺眼物体表间的性质，使之不反射或少反射、提高周围环境的照度，以减弱反射物与背景间的亮度对比等。„眩光的利用——照明（富丽堂皇、流光异彩）1019二、视觉特性（续）9.视错觉人观察外界物体的形状、大小、位置和颜色时，所得印象与实际情况的差异，称为视错觉。„视错觉的原理：视网膜诱导场的存在¾当视网膜受到光刺激时，光线会在横向产生扩大范围的影响，这在生理学范畴称为视网膜诱导场。¾诱导场的存在使视物时得到的视觉映象与物体的实际状态存在差异，产生视错觉现象。„基本分类：¾形状错觉¾色彩错觉¾物体运动错觉20二、视觉特性（续）9.视错觉形状错觉——线段长短错觉、面积大小错觉、方位错觉、对比错觉、分割错觉、方向错觉、远近错觉及透视错觉等；色彩错觉——对比错觉、大小错觉、温度错觉、重量错觉、距离错觉及疲劳错觉等。„视错觉的应用：¾交通工具空间设计¾视错觉的避免色彩的疲劳错觉1121二、视觉特性（续）10.颜色视觉光的能量和波长不同，光的能量大小表现为人对光的明暗感觉；光波的长短表现为人对光的颜色感觉。22二、视觉特性（续）10.颜色视觉（续）„颜色视觉(简称色觉)是一种复杂的物理-心理现象。人的色觉随各种外界条件和内部条件的变化而变化。„引起色觉变化的外因：照度、亮度、时间、低压、烟雾、距离，背景、周围状况等。„引起色觉变化的内因：年龄、药物、疲劳、色盲、色弱、色适应性等。„色觉异常是指人缺乏色觉（色盲），或辨色能力低（色弱）。¾色弱是色觉感受系统的一种病变，辨别红、绿、蓝能力低下¾色盲分为全色盲和部分色盲。全色盲表现为只能分辨明暗，呈单色视觉，极为少见。常见的主要是红、绿色盲或蓝色盲。¾红、绿色盲是由于缺乏感红或感绿视锥细胞而引起的。1223二、视觉特性（续）11.视觉的运动规律„眼睛的水平运动比垂直运动快，往往先看到沿眼睛水平运动方向放置的物体，后看到沿眼睛垂直运动方向放置的物体；眼睛沿水平方向运动也比沿垂直方向运动更不易疲劳。很多机器的仪表板外形设计成横向长方形就是这个道理。„视线的移动习惯于从左到右、从上往下和顺时针方向运动。„人的眼睛对水平方向的尺寸和比例的估计比对垂直方向的尺寸和比例的估计要准确得多。„当眼睛偏离视中心时，在偏距相等的情况下，人眼对左上象限的观察最优，其次为右上、左下，右下象限。„两眼的运动总是协调的、同步的。2412.视觉辨认能力的特点„人眼对直线轮廓比对曲线轮廓更易辨别。„颜色对比与人的辨认能力有一定关系。当不同颜色物体一起出现时，从远处辨认的顺序是：红、绿、黄、白。红色最先。故停车、危险等信号都用红色。若两种颜色一起，辨认顺序为：黄底黑字、白底绿字、白底红字、蓝底白字。„物体的颜色在有色光线的照射下会发生变化，显现的颜色与物体本色、照射光线的颜色如下表。1325二、视觉特性（续）12.视觉辨认能力的特点（续）„水平方向的视区分布情况：10°以内为最优视区，其中以1.5°～3°为特优视区。10°～20°为瞬息区，人能在很短时间内看清物体。20°～30°以外为有效区，需集中注意力方能辨认物体。头部不动时，120°为最大视区，处于120°边缘的物体，一般看起来模糊不清。若头部转动，则最大视区可达到220°。„垂直方向的视区分布情况：视水平线以下约10°为最优视线，该10°范围为最优视区。在视水平线以上10°内与以下10°～30°范围为有效视区，视水平线以上60°和以下70°为最大视区。„人眼直视方向上的最小可分辨角(指眼睛在标准距离内能分辨清楚物体最近两点对眼球的张角，以分为单位表示)及分辨颜色的情况，随环境照度的不同而不同。若被看对象不在人眼直视方向上，则其最小可分辨角将显著增大。26二、视觉特性（续）13.视觉损伤与视觉疲劳„强光或有害光也会造成对眼的伤害。„研究表明，眼睛能承受可见光的最大亮度值约为106cd/m2，若越过此值，人眼的视网膜就会受到损伤。300nm以下的短波紫外线会引起紫外线性眼炎。紫外线照射4～5小时后眼睛便会充血，10～12小时后会使眼睛剧痛而不能睁眼。大多可以治愈。常受红外线照射会引起白内障。„直视高亮度光源(如激光、太阳光等)，会引起黄斑烧伤，有可能造成无法恢复的视力减退。„低照度或低质量的光环境会引起眼的折光缺陷或提早形成老花„眩光或照度剧烈而频繁变化的光会引起视觉机能的降低。1427二、视觉特性（续）13.视觉损伤与视觉疲劳（续）„长期从事近距离和精细作业者，长时间观看近物或细小物体，睫状肌必须持续收缩以增加晶状体的曲度，将引起视觉疲劳，甚至导致睫状肌萎缩，使其调节能力降低。„由于光线刺激，视网膜引起兴奋将信息传送到中枢神经系统。能振奋整个机体的活动，高级神经系统的活动也因而加强。当照度不足时，视觉活动开始缓慢，视觉效率显著下降，极易引起视觉疲劳，整个神经中枢系统和机体活动也将受到抑制。长期在劣质光照下工作，会引起眼睛局部疲劳和全身性疲劳。„全身疲劳表现为疲倦、食欲不振、肩上肌肉僵硬发麻等自律神经失调症状；眼睛局部疲劳表现为眼痛、头痛、视