第3章人体感知与运动特征

第3章 人体感知与信息处理西安建筑科技大学 1.人在系统中的功能 3.听觉机能及其特征 4.其他感觉机能及其特征 5.人的信息处理系统 2.视觉机能及其特征 6.课后练习主要内容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。人是系统中的重要“环节”人是系统中的重要“环节”1.反射弧（反射的生理结构基础）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）。人的感知与反应机能图图3-23-2反射弧和信息链反射弧和信息链人的感知与反应机能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）。人的感知与反应机能 人机系统中的最常用的感觉通道是视觉通道（80%）、听觉通道（14%）和触觉和其他通道（6%）。其适用场合参阅表3-1。感觉通道与适用的信息感觉通道适用场合视觉通道传递比较复杂或抽象的信息传递比较长或需要延迟的信息传递的信息以后还要引用传递的信息与空间方位、空间位置有关听觉通道传递比较简单的信息传递比较短或无需延迟的信息传递的信息以后不需要引用传递的信息与时间有关触觉通道传递非常简明的、要求快速传递的信息经常要用手接触机器或装置的场合其他感觉通道已经过载的场合不同感觉通道的适用场合视觉机能及其特征视觉机能及其特征视觉概述视觉系统视觉特征视觉机能视觉刺激视觉概述视觉概述视觉概述在人们认知世界的过程中，大约有80%80%的信息是通过视觉系统获得的，14%14%来自耳朵，6%6%来自其他器官。因此，视觉系统是人与外界相互联系的最主要途径。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。视觉刺激视觉刺激可见光的范围：380780nm 视觉系统由眼睛、视神经和视觉中枢的共同活动视觉系统由眼睛、视神经和视觉中枢的共同活动组成。组成。见图见图3-4 3-4。眼睛是视觉的感受器官，人眼是直径为眼睛是视觉的感受器官，人眼是直径为21212525mmmm的球体，其基本构造与照相机类似，的球体，其基本构造与照相机类似，见图见图3-5 3-5。视网膜最外层细胞包括视杆细胞和视锥细胞，它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。们是接受信息的主要细胞。如表如表B1B1。视觉系统视觉系统右视野左视野处理文字的能力较强处理数字的能力较强数字文字视觉系统：眼球结构视觉系统：眼球结构视觉系统：眼睛结构示意图视觉系统：眼睛结构示意图视觉系统：视网膜视觉系统：视网膜视网膜由三层神经细胞组成，最外层是最重要的，其中包括视杆细胞和视锥细胞，他们是接受信息的主要细胞。视觉机能视觉机能视角与视力视野与视距色觉与色视野双眼视觉和立体视觉中央视觉和周围视觉暗适应与明适应视角与视力（一）视角与视力（一）视角视角是确定被看物尺寸范围的两端点光线射入眼球的相交角度如右图（由瞳孔中心到观察对象两端所张开的角度）。LDarctg22视角的大小与观察距离及被看物体上两端点的直线距离有关，可用下式表示：a-视角，用（）表示，即1/600D被看物体上两端点的直线距离；L眼睛到被看物体的距离。视角与视力（二）视角与视力（二）眼睛能分辨被看物体最近两点的视角，称为临界临界视角视角。视角能够分辨的最小物体的视力1按标准规定，人站在离视力检查表5m远处观看表中第十行“E”字，若能分辨清楚，视力为1.0即视力正常，此时的临界视角=1。视力视力是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。即：视角与视力（三）视角与视力（三）视野与视距（一）视野与视距（一）视野视野是指人的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，常以角度来表示。水平视野水平视野垂直视野垂直视野视野的大小和形状与视网膜上感觉细胞的分布状况有关，可以用视野计来测定视野的范围。正常人两眼的视野：水平视野水平视野双眼视区大约在左右60以内的区域。在标 准 视 线 左 右 各1020视野内可以辨别字。在标准视线左右各530视野内可以辨别字母，在标准视线右3060范围是颜色视野，人最敏锐的视力是在标准视线两侧各10的视野内。垂直视野垂直视野最大视区为水平线上方50，下方70，在一般状态下，站立时自然视线低于水平线100，坐着时低于水平线150；在很松弛的状态中，站着和坐着的自然视线偏离标准线分别为300和380。观看展示物的最佳视区在低于标准视线300的区域里。视野与视距（二）视野与视距（二）视距是指人在操作系统中正常的观察距离。一般操作的视距范围在3876cm之间。视距过远或过近都会影响认读的速度和准确性，而且观察距离与工作的精确程度密切相关。因而应根据具体任务的要求来选择最佳的视距。表3一2几种工作任务的视距的推荐值。任务要求举例视距离(眼至视觉对象)单位cm固 定 视野 直 径单位cm备注最精细的工作安装最小部件（表、电子元件）12252040完全坐着，部分地依靠视觉辅助手段（小型放大镜、显微镜）精细工作安装收音机、电视机25354060坐着或站着中等粗活在印刷机、钻井机床旁工作50以下至80坐或站粗活包装、粗磨5015030250多为站着远看黑板、开汽车150以上250坐或站 3.中央视觉和周围视觉 中央视觉（明视觉）视维细胞（感色能力强、能清晰分辨物体）。周围视觉（暗视觉）视杆细胞（观察空间范围和正在运动的物体）。操作者在进行作业时，除要注视操作对象外，还要求看到周围情况。如果视野很小或缺损，将会对工作效率产生影响，甚至造成工作事故。因而，在选择车、船驾驶员时，必须检查其正常视野范围。如果各方面的视野都缩小10以内者称为工业盲。双眼视觉和立体视觉（一）双眼视觉和立体视觉（一）当用单眼视物时，只能看到物体的平面，即只能看到物体的高度和宽度。若用双眼视物时，具有分辨物体深浅、远近等相对位置的能力，形成所谓立立体视觉体视觉。双眼视觉和立体视觉（二）双眼视觉和立体视觉（二）三维立体画是利用人眼立体视觉现象制作的绘画作品。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。双眼视觉和立体视觉（三）双眼视觉和立体视觉（三）双眼视觉和立体视觉（四）双眼视觉和立体视觉（四）立体视觉的效果并不全靠双眼视觉，如物体表面的光线反射情况和阴影等，都会加强立体视觉的效果。此外，生活经验在产生立体视觉效果上也起一定作用。例如，近物色调鲜明，远物色调变淡，极远物似乎是兰灰色。工业设计与工艺美术中的许多平面造型设计颇有立体就是运用这种生活经验的结果。色觉与色视野（一）色觉与色视野（一）三原色学说色觉与色视野（二）色觉与色视野（二）色盲测定图色觉与色视野（三）色觉与色视野（三）色觉视野：是指颜色对眼的刺激能引起感觉的范围。不同的颜色对人眼的刺激不同，所以视野也不同。180 白白。120 黄黄100 蓝蓝。60 绿红绿红。40。130。白白95黄黄80。蓝蓝45。红红绿绿水平方向的色觉视野垂直方向的色觉视野暗适应与明适应（一）暗适应与明适应（一）当人从亮处进入暗处时，刚开始看不清物体，而需要经过一段适应的时间后，才能看清物体，这种适应过程称为暗适应暗适应。暗适应过程开始时，瞳孔逐渐放大，进入眼睛的光通量增加。同时对弱刺激敏感的视杆细胞也逐渐转入工作状态，由于视杆细胞转入工作状态的过程较慢，因而整个暗适应过程大约需30min30min左右才能趋于完成。暗适应与明适应（二）暗适应与明适应（二）当人从暗亮处进入明处时，最初感到一片强光耀眼，几乎看不清物体，过一段时间后才能看清物体，这种适应过程称为明适应明适应。明适应过程开始时，瞳孔缩小，使进人眼中的光通量减少，同时转入工作状态的视锥细胞数量迅速增加，因为对较强刺激敏感的视锥细胞反应较快，因而明适应过程一开始，人眼感受性迅速降低，30S后变化很缓慢，大约1min1min后明适应过程就趋于完成。视觉特征（一）视觉特征（一）1.眼睛沿水平方向运动比沿垂直方向运动？2.视线的变化习惯？快快慢慢从左到右从左到右从右到左从右到左从上到下从上到下从下到上从下到上顺时针顺时针逆时针逆时针视觉特征（二）视觉特征（二）3、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，因而水平式仪表的误读率(28）比垂直式仪表的误读率(35）低。视觉特征（二）视觉特征（二）4、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。视区内的仪表布置必须考虑这一特点。右上限右上限左上限左上限左下左下限限右下限右下限视觉特征（三）视觉特征（三）5、两眼的运动总是协调的、同步的，因而通常都以双眼视野为设计依据。6、颜色对比与人眼辨色能力有一定关系。7、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：绿绿红红黄黄白白颜色的易辨认顺序：红、绿、黄、白；视觉特征（四）视觉特征（四）绿绿红红黄黄白白当两种颜色相配在一起时，则易辨认的顺序是？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、白底红字听觉机能及其特征听觉机能及其特征听觉概述听觉系统频率响应动态范围方向敏感度掩蔽效应听觉的物理特性声音的度量听觉概述听觉概述听觉听觉是仅次于视觉的重要感觉，其适宜的刺激是声音。对于人来说，只有频率为20-20000Hz20-20000Hz的振动，才能产生声音的感觉。次声和超声人耳都听不见。听觉系统听觉系统声音的度量：物理声音的度量：物理 物体的振动有强有弱，所以人耳听到的声音就有大有小，可用声压声压或声强声强来反映声音的大小。A、声压与声压级 B、声强声压与声压级声压与声压级 声波在介质中传播时引起介质中压力的变化。介质中的压力与静压之差称为声压声压，用p表示，单位pa(1pa=1N/平方米)。0lg200PPlp 正常人耳可听声的声压变化范围为210-5-20pa，为了计量和使用方便，及符合人的生理特点，在实践中常用声压的相对值声压级声压级来表示，单位Db。其数学表达式为：式中p声压（pa）；p0参考基准声压（210-5pa）。声强声强在垂直于声波传播方向上，单位时间内通过单位面积的平均声能，称为声强声强。用表示，单位为W/m2。一般人耳可听声的声强变化范围为10-12102 W/m2。声音的度量：主观声音的度量：主观声音给人的主观感觉，最主要的是声音的大小。一般来说，声压或声强越大，声音就越响，但并不成正比关系。如两个喇叭的声压级完全相同均为70dB，但人们听起来感觉高音嗽响的声音要比低音喇叭响得多。因此，为了描述人耳对声音的主观感觉，就引出了响度和响度级主观度量指标。响度响度响度是表示人耳对声音的强弱的主观感觉量，用N表示，单位为“宋”。一个1000HZ的纯音在绝对阈限以上40dB的响度定义为1宋。其它声音听起来比这一声音大几倍，就说该声音的响度为几“宋”。响度级响度级 响度级(LN)：响度级是建立在两个声音主观比较的基础上，选择1000Hz的纯音作基准音，若某一声音听起来与该纯音一样响，则该声音的响度级在数值上就等于这个纯音的声压级（dB）。响度级用LN表示，单位是“方”。如果某声音听起来与声压级为80dB，频率为1000Hz的纯音一样响，则该声音的响度级就是80方。不同声音的响度级可从ISO等响曲线上查出来。频率响应频率响应听觉频率范围12-25岁：16-20 000Hz一般人：20-20 000Hz人耳能听闻的频率比为fmin/fmax=1：1000；频率感受的上限随着年龄的增长而逐年连续下降，听觉的频率响应特性对听觉传示装置的设计是很重要的。动态范围：听阈动态范围：听阈2.动态范围（声音的强度）听觉声强的动态范围=正好可忍受的声强/正好能听见的声强（1）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种频率的正弦式纯音的最低声强Imin。动态范围：听阈动态范围：听阈a、在800-1500Hz频率范围内，听阈无明显变化；b、低于800Hz，可听声音的强度随着频率的降低而明显增大；c、在3000-4000Hz之间，听觉灵敏度最高；d、超过6000Hz时，灵敏度再次下降。动态范围：痛阈动态范围：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Imax，称为相应频率“痛阈值痛阈值”。可根据各频率f与极限声强Imax绘出标准痛阈曲线，见图3-15。动态范围：听觉区域动态范围：听觉区域听觉范围：由听阈和痛阈两曲线所包围的听觉区，由人耳的感音机构所决定的这个“听觉区”中包括了标有“音乐”与“语言”标志的两个区域。（1）时差：t=声音到两耳的时间差。人耳可觉察到的声音信号入射的最小偏角为3，t=30us。（2）由于头部的掩蔽效应，造成声音频谱的改变。（3）人耳对不同频率、来自不同方向的声音的感受能力不同。见图3-12。图图3-12 听觉的方向敏感度听觉的方向敏感度掩蔽效应掩蔽效应一个声音被另一个声音所掩盖的现象称为掩蔽。一个声音的听阈因另一个声音的掩蔽作用而提高的效应，称为掩蔽效应。由于人的听阈的复原需要经历一段时间，掩蔽声去掉以后，掩蔽效应并不立即消除，这个现象称为残余掩蔽或听觉残留。其他感觉机能及其特征其他感觉机能及其特征1、肤觉 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。1）触觉 触觉也称压觉或触压觉，是皮肤表面承受物体压力或触及物体时，所产生的一种感觉。(1)触觉的敏感性：图3-13 (2)触觉的定位能力：图3-14 (3)两点阈限 2.温度觉 高温作业：高于25度 GB4200-1997 高温作业分级 GB953-1989 高温作业允许持续接触时间限制 低温作业：低于5度；冷水作业：水温低于12度 GB/T14439-93冷水作业分级 GB/T14440-93低温作业分级 图图3-13 男性身体各部分的触觉敏感性男性身体各部分的触觉敏感性图图3-14 男性身体各部位刺激点定位的能力男性身体各部位刺激点定位的能力 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。1.平衡觉：人对自己头部位置的各种变化及身体平衡状态的感觉。影响平衡觉的因素：酒、年龄、恐惧、突然的运动、紧迫、不常有的姿势等。：人对自己身体各部位的位置及其运动状态的一种感觉。运动觉涉及人体的每一个动作，是仅次于视、听觉的感觉。人的各种操作技能的形成更有赖于运动觉信息的反馈调节。1、神经系统神经系统机能及其特征神经系统机能及其特征大脑皮质功能定位神经系统神经系统中枢神经中枢神经周围神经周围神经脑：脑：延髓；脑髓；中脑；间脑；延髓；脑髓；中脑；间脑；小脑；大脑小脑；大脑脊髓脊髓按解剖分按解剖分脑神经；脊神经脑神经；脊神经按功能分按功能分感觉（传入）神经感觉（传入）神经运动神经运动神经（传出）（传出）躯体运动神经躯体运动神经（支配骨骼肌）（支配骨骼肌）植物性神经植物性神经（支配内脏器官）（支配内脏器官）a、神经系统是机体的主导系统：全身各器官、系统均在神经系统的统一控制和调节下，互相影响、互相协调，保证机体的整体统一及其与外界环境的相对平衡。在此过程中，首先是借助于感受器官接受体内外环境的各种信息，通过脑和脊髓各级中枢神经的整合，最后经周围神经控制和调节各个系统的活动，从而使机体得以反应多变的外环境，同时也调节着机体内环境的平衡。研究神经系统的意研究神经系统的意义义b、神经系统是心理现象的物质基础：从心理学角度看，人的一切心理和意识活动也是通过神经系统的活动来实现的。3.5.2 大脑皮质功能定位大脑皮质功能定位1.1.躯体感觉区躯体感觉区 见图见图3-163-16（a a）2.2.躯体运动区躯体运动区 见图见图3-163-16（b b）3.3.其他功能区其他功能区躯体感觉区躯体感觉区躯体运动区躯体运动区图图3-16 躯体感觉区和运动区躯体感觉区和运动区大脑皮质功能定位大脑皮质功能定位人的信息处理系统人的信息处理系统人的信息处理系统模型信息计量中枢信息处理感觉的信息处理 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和处理过程，可以把人视为一个单通道的有限容量的信息处理系统。见图3-17。感觉 信号处理 反应 输入 系统 输出 3.6 人的信息处理系统人的信息处理系统人的信息处理系统模型人的信息处理系统模型信息计量（一）信息计量（一）在人机系统中所讨论的信息是指人类特有的信息，它是客观存在的一切事物通过物质载体所发出的消息、情报、指令、数据、信号和标志等所包含的一切传递与交换的知识内容，是表现事物特征的一种普遍的形式。信息计量（二）信息计量（二）信息是可以严格定量的，也就是消息（或信号等）中所包含的信息量。信息量以计算机的“位”（bitbit)为基本单位，称为比特。个比特信息量的定义是：在两个均等的可能事件中需要区别的信息量。H=log22n 其中：H信息量,n某信号中所含的二进制码的个数。信息计量（三）信息计量（三）用概率定义，若出现“0”的概率不是1/2，而是P，出现“1”的概率是1-P，则该信息量可由下式计算：H=-Plog2P-(1-P)log2(1-P)；注：当P=1/2时，恰好H=-log2(1/2)=log22感觉的信息处理：传输速度感觉的信息处理：传输速度人的信息处理系统功能有一定的限度，这些限度主要表现在数量方面，并用感觉通道的信息传输率来描述。信息传输率是指信息通道中单位时间内所能传输的信息量，即 C=H/TC=H/T式中:C信息传输速率 H传输的信息量 T传输的时间。C-C-反映人的感觉通道传输信息的客观能力。反映人的感觉通道传输信息的客观能力。A、刺激的维数 B、刺激的速率与负荷 C、背景噪音 D、分时输入与处理 E、剩余感觉通道的利用 F、刺激与响应之间的协调性 G、感觉通道的选择 H、人的生理和心理状态 I、人的技术熟练程度 感觉的信息处理：传输速度图感觉的信息处理：传输速度图感觉的信息处理：传输速度感觉的信息处理：传输速度 人体不存在一个固定不变的信息传输速率数据，它随刺激物的不同性质、维数和不同工作类型而变化。例如：人在典型实验条件下（视觉动作），2.7-7.5 2.7-7.5 bit/sbit/s左右；人在阅读工作43bit/s43bit/s；人在判读电视屏上图象，70bit/s70bit/s,根据生物电指标估算人的色觉，70bit/s70bit/s。感觉的信息处理：采样感觉的信息处理：采样人的信息处理系统的一个重要特点，是能对外界信息进行主动搜索主动搜索。采样间隔取决于刺激的频率。若刺激的变化频率为F，则T=1/2F，由此可见，采样频率降低，则采样周期延长。感觉的信息处理：编码感觉的信息处理：编码辨认工作数码、字母、斜线搜索定位颜色、数码、形状计数工作数码、颜色、形状比较或验证各方法几乎没有区别 编码方式的优劣参阅表3-4（P58P58页页）中枢信息处理中枢信息处理人的大脑皮层所能处理的信息只是感觉器官接受的信息量的很小一部分。大脑中枢信息处理过程中记忆机制具有特殊的意义记忆曲线见图3-19记忆曲线记忆曲线课后练习课后练习1.明适应和暗适应的定义并解析其过程。2.简述视觉特征？3.骨杠杆的形式并举例说明？