人因工程 廖建桥课件第五章 信息显示设计

第五章

信息显示设计本章学习目的认识信息显示在人因工程中的重要性掌握信息显示设计的基本原则了解不同信息显示方式的优缺点及适用范围初步掌握信息显示的设计和应用了解信息显示研究的最新动向5.1信息的显示信息显示的人机系统信息显示器的分类信息显示设计的基本原则对信息显示的要求第一，鲜明醒目，可感知。第二，清晰可辨，可鉴别。第三，明确易懂，可理解。信息显示的人机系统的组成部分机器显示部分人体知觉部分人体意识部分人体肌体部分

机器输入部分机器设备部分环境信息显示设计的基本原则与感知相关的原则与智力模型相关的原则与注意力相关的原则与记忆力相关的原则与感知相关的原则让显示清晰易读（听）避免绝对判断的限制从上到下的处理冗余的好处可辨别性带有色彩度量的海洋表面温度变化彩色图与智力模型相关的原则图形现实的原则:一个显示应该看起来像它所代表的变量(也就是说变量的一种图形化的描述)。运动部分的原则:动态信息显示中的运动部分应该与它所代表的元素在实际世界中的空间运动模式和方向兼容。运动显示实例

与注意力相关的原则最小化信息的获取成本相近兼容原则多来源原则图5-4速度表和转速表有相同刻度的速度表和转速表易混淆（左）；有不同刻度的转速表和速度表，易区别（右）与记忆力相关的原则用视觉信息代替记忆：预见性辅助设计原则一致性原则图5-5一个被建议的预测性船舶交通控制显示5.2视觉信息的显示概述静态视觉显示动态视觉显示5.2.1概述视觉提供给我们最大的获取和处理信息的能力。因此，大多数信息显示是为视觉设计的。其他为听觉系统，触觉系统和嗅觉系统设计的显示，可统称为非视觉信息显示。5.2.2静态视觉信息的显示文字和字符符号和图标表和图导航显示和地图文字和字符文字和字符:虽然图形正在被越来越多地使用在显示中，大多数信息仍然通过文字以一种独立的模式或者用来标注符号、图标、图形等形式来传达。文字和字符的特性为有效地把文字融入到视觉信息显示中，下列文字的特性应该被考虑：对比度：文字和背景的亮度对比大小：高度、高度与宽度比率、笔划宽度与高度比率、字符间距、字（单词）间距和行间距字体：字符形状颜色：文字、背景的颜色选择、颜色的编码。选择恰当的文字和字符特性将取决于使用人群：谁将使用这个显示？使用者的视觉特点是什么：年龄、视觉敏锐度、视觉远近的调节性能、颜色视觉等？应用场合：显示会怎样地被使用？目的是什么？用户需要什么样的信息？信息需要以多快的速度和什么样的形式来传递？预期的观看角度和距离是多大？外界环境：环境亮度如何？显示被使用在办公室里，空中交通控制塔上，飞机驾驶舱中，设备维护区域或者设备保存处?文字和字符的大小对于文字的可读性，字符大小是最重要的决定因素之一，特别是对电子显示来说。对于怎样选择适当的字体大小，我们有一些指导性的参数。比如，对于动态的或者关键的显示元素，字符和符号应该至少在眼里形成20弧分的角度，最优在20到22弧分之间。作为一个粗略的估计，字符的大小应该是两百分之一的视距。对于字符和符号的高度，当符号的高度小于18弧分的时候，可读性开始减弱。应避免字符和符号在眼中呈现的角度小于16弧分。文字和字符的宽高比率字符的高与宽是一个基本的文字大小测量。对于最佳的可读性，英文字符的宽高比应为1（对汉字而言，应大约为三分之二），但宽高比率在0.6到1之间也是可以接受的。对于一些关键的信息，应采用较宽的符号；对于冗余线索来说，随着有助于可读性的可替换或者冗余线索的减少，应使用较宽的字符；对于动态字符，建议使用比静态字符（比如图例）更大的宽高比。笔划的宽高比率笔划的宽度和笔划宽与字符高的比率也是重要的影响可读性的字体特性[38]。对英文字母的研究发现，一般来讲，应采用小一点的比率，而对于黑字白底，最小为1比6的比率，对于白字黑底，最小为1比8的比率。对于浅字深底和深字浅底的优化的比率要求不一样的原因是因为放射效果。也就是说，浅色的字符或者符号容易扩散或者融入到附近的深色背景中去。为了适应这种不同，建议的笔划宽与字符高比率是：正图像（深字浅底）为1比6到1比8；负图像（浅字深底）为1比8到1比10（见图5-6）。对于强亮度的显示和当用户在光线黑暗适应期时，放射效果会被放大。图5-6不同的比划宽与字符高比率的字母和数字字符和行间距字符间距对于可读性来讲也很重要。如果间距太小，每个字符就难以区分，特别是在电子显示屏上。在计算机显示器上，特别是浅字深底时，字符和符号倾向于互相融入。因此，较宽的间距是需要的，但不要超过0.25比1。如果字母分得太开，那么单词或者条目就不大容易被看成一个整体。为了改进小文字的可读性，采用一个比字体大小大3到4个点的行高，也就是说，如果字体大小为8点，那么建议选择11或12点的行间距。为了改进那些有相对大的字符高度的字体的可读性，比如sansseriffonts，应增加行间距。同时，当浅字深底时，也应增加行间距。字体的选择从已进行的研究来看，有下面一些指导原则可以遵循：根据应用的环境来选择字体符合计算机显示的字体大小写和间距使用均匀的间距。均匀间距是更加清晰的，帮助单词的识别。当成行的结构需要时，比如数字的表格，使用等间距是恰当的。为了清楚起见，等间距也可用在单行输入区域。大小写。大写的单词比小写的单词更难认。小写的字母之间有更明显的不同，这一点有助于通过形状来感知单词。大写字母应该仅适用于名称，标题，或者标志等需要凸现的东西。混合大小写会使阅读变得更容易。当混合大小写或者小写字体中有大写时，搜寻大写单词的时间会减少。斜体。避免在电子显示上使用斜体。阅读斜体通常较困难，特别是一长段文字。一个原因就是显示并不能很好的呈现斜线，相比于垂直线来说，斜线显得是波纹状的。

符号和图标符号和图标是标志的一种。标志的目的是去毫不含糊地传达某个物体的身份和功能。标志通常是印刷的文字，但也有符号和图标的形式。一个符号和它所代表的目标或者项目没有直接的关系，只不过按惯例，大家同意使用它。它的含义必须经过学习后，才能理解。图标是目标的一个图形化描述，不需要文字或者标识说明，就能容易地识别。

符号和图标示意图5-7符号和图标

图标：飞机场；符号：医院(Hospital)；图标：当心扎脚；符号：小心激光使用符号和图标的优点图标比文字在视觉上更明显我们会记住的一个联系于视觉化符号的名字或者称呼，因此符号既视觉化地，也语言化地存储在人们的记忆中，而文字的标志则只以语言的形式储存视觉化的图像以几个形式存储起来，并且互相之间紧密地联系在一起图5-8两种指示行人过街的信号灯

图标的构成边缘。使用边缘可以增加一组图标的一致性，有助于澄清它的含义，提供这个图标一个开始和结束点。然而，图标可利用的空间通常非常宝贵。边缘需要更多的空间，有可能限制了可使用图像的大小，从而让这个图标不那么明显。因此，在边缘的使用上，一定要在整体设计上小心考虑。背景。一个恰当的背景能够强调这个符号或者图形，从而增加它的可见度和理解度。背景能够使用来分组图标，或者显示这个图标的状态。不过，要小心地设计背景，不要让背景淹没了中心图像，甚至与其冲突。文字标示。如果图标的含义不是对所有的用户都那么明显，可以增加一个文字的标示。研究表明，除了图形再加一个文字标示，可以帮助理解，减少反应时间，减少错误。图5-9图标的构成四个关键的标志设计标准可见易读。这个标准直接和对比敏感度有关。文字或者图标的笔划的线宽，以及与背景的对比度必须足够，以至于即使在可能的最差视觉条件下，形状也能够看得清楚。可辨别。这个标准要求，使一个标志区别于另一个在那个背景下可能出现的标志的特征应该被清晰地，显著地强调出来。含义准确清楚。即使文字或者标志清晰可辨，也不一定能够保证被正确地理解。在可能的情况下，尽量避免使用只有图标和简缩写的标志。位置。最后一个明显的，但也容易被遗忘的标志特征就是它们应该放在靠近它们所标志的物体的周围，并明确的联系于这个物体。图5-10相近兼容原则的应用-标示和接口的匹配符号和图标的选择考虑用户群体考虑应用场合选择含义清晰的如果适当，选用标准符号使用简单，不拥挤混乱的设计不使用相同的符号代表不同的含义选择前，在目标用户人群中进行测试

表和图选择表还是图？

第一个要做出的选择就是采用表格的形式还是图的形式。像我们前面提到的关于动态数据的显示，到底是选择数字形式还是模拟形式？一个标准就是我们需要多精确的读数。如果需要高精度的数据，那么表格是个明智的选择。而且不像动态数字显示，表格没有因为数据变化而造成读数困难的问题。然而，表格不能很好地表达数据的变化状态，也就是说数值增加或者减少的趋势不像在直线图中那样容易辨别。表格也不能支持对趋势改变速率的认知（加速或者减速），以及对两个变量变化趋势间的比较（两个变量间的交互），而在直线图中，这种交互能很容易地从图中线条间的分开或者走近的趋势看出来。选择什么样的图如果不要求绝对的精确度，而趋势信息的察觉和认知却很重要，使用图形显然是一个好的选择。选择应该遵循的简单原则。可读性拥挤接近性形式拥挤性图5-11

具有不同数据－笔墨比率的例子a图：不必要地采用了三维图形；b图：最小化了数据-笔墨比率，但也失去了一些信息；c图：最佳地平衡了两者。接近性图5-12

运用接近兼容原则到图表中a图：把图例放到线条的旁边，高接近兼容性，好的设计；b图：低接近兼容性，差的设计；c图：把需要比较的线条放在一个图中，高接近兼容性，好的设计；d图：低的接近兼容性，差的设计图5-13

透视墙透视墙适合于观看和浏览大型的、线性结构的信息，它让观看者能在保持一个清醒的对自身位置和相关背景的意识的同时，集中注意力观看某个区域的数据。导航显示和地图地图是一个大家最为熟悉的一个导航显示的例子。导航显示应该服务于四个基本的不同类型的任务：

第一，提供到达目的地的方向；

第二，帮助计划；

第三，如果旅行者迷路了，可用来帮助找回方向感；

第四，保持对一般物体相对位置的情景意识

。路线列表和指令显示最简单的导航显示就是路线列表或者说指令显示。为了有效地导航，当发出指令时，指令显示必须知道旅行者的当前位置，从而使每条指令在恰当的时间和地点发出。相对比的是，按空间设定的地图能更好地支持这些任务。地图的设计可读性拥挤和重叠位置代表地图的方位拥挤和重叠首先，有效的颜色编码可以用不同的颜色显示不同类型的信息。第二，对于电子地图来说，用户可以选择性地突出或者说增强需要的那类信息，而把其他信息弱化到背景中去

。第三，突出强调所需信息的一个极端就是暂时地关闭那些不需要的信息

。图5-14“你在这”（YouAreHere,YAH）地图5.2.3动态视觉信息的显示监视器的设计多重显示1、监视器的设计监视器的应用监视器设计的指导原则监视器的应用监视器显示潜在的可变定量数据，通常通过模拟数据或者序列数据来表达，比如通道频率、速度、温度、噪声水平或者变化的工作状态。基于这些信息，不同任务才能完成。监视器可用于设置，比如当无线频道接收到一个恰当的频率波时；监视器可用于观察，比如某个值（定量显示）或者某个状态（定性显示）达到后，应该采取某个行动；监视器可用于跟踪，比如根据所监视变量的变化去操纵另一个变量。监视器设计的指导原则可读性数字与模拟显示：大多数被监视的变量是连续变化的，因此，根据图形化原则，最好使用连续的模拟显示去代表变化的变量。模拟显示的形式和方向：如果模拟显示被选择了，那么图形化的原则应得到贯彻，也就是说，显示刻度盘的形状和方向应该和用户头脑中的智力模型一致。直线显示的刻度限制采用移动刻度盘。使用圆形的移动指针显示采用混合的频率分开的概念预测与延迟控制应该基于操作人员对于未来状态的预期，而不是当前的条件。像我们前面提到的，人们不是很善于预测未来，特别是在有压力的情况下，因此，好的预测性显示能够帮助人们完成监视和控制任务。２、多重显示设计布局的原则抬头显示头戴式显示器图形式显示多重显示的原则频繁性：频繁使用的显示应该靠近主视区重要性：这个原则要求重要的信息，即使不常被使用，也应该采用一种易引起操作人员的注意的显示方式。相关性：这个原则要求经常接连使用的显示应该放在一起。一致性：如果一个显示总是一致地把相同的仪表放在同样的空间位置，那么关于位置的记忆可以帮助我们容易地、自动地选择注意我们所需要的显示。有组织的分组：当显示数量较多时，应根据过程的功能和测量的种类来分成若干组，而且组与组之间要有明显界限。

图5-17显示组织的不同程度a图高，b图低。每个组内的显示有很高的显示相近性，作为有效的显示，它们也应该有智力上的相近性，也就是，为了某个目的，互相是关联在一起的。抬头显示我们知道一个重要的显示布局设计原则就是把重要信息放近到主视区，这种方法的一个极端例子就是把显示的信息重叠到主视区上，叫作抬头显示。抬头显示的优点假定飞行员或者驾驶员大多数时间需要直视向外观察，那么重叠的抬头显示图像允许远处的环境和近处的仪器可以同时得到监视，而几乎没有信息存取成本。特别对于飞机上的抬头显示来说，我们可以重叠图像在远处环境与之有直接空间配对的物体上。因为许多抬头显示是通过平行图像投影的，这种方法重新平行地定向图像光线，而让图像对于人眼来说显得像在一个适应调解了的光学上的无限远距离。这样的好处就是，人眼适应性调节到更远的距离，而不是近处的挡风玻璃。从而避免了人眼在近处仪器和远处观察间的反复适应性调节。

图5-19

赛车上的抬头显示赛车上的抬头显示可投影消息到驾驶员的主视区头戴式显示器类似于抬头显示器，头戴式显示器是把显示装配到头上，从而无论人的头部或者身体像那个方向，显示器总在人的主视区内。相比于抬头显示器，这样做的好处可以允许用户在一个更大的远处场景范围内看到重叠的图像。在飞机或者直升飞机中，头戴式显示器允许飞行员在全方位扫描外部世界监视可能危险的同时，仍然可以看到飞行仪表。对于其他移动的操作人员来说，头戴式显示器可用来最小化信息存取成本，而同时允许从事其他操作。图形式显示有时，一个变量的多重显示能够在空间和形式上巧妙地部署，以至于某个相关于监视任务的特征能够从单个变量的数值的集成中直接地呈现出来。比如在病人的呼吸监视显示器中，可以用长方形的高度来显示病人每次呼吸的深度或者说呼吸量，宽度来显示呼吸快慢或者说呼吸速率。因为呼吸量等于深度乘以速率，而长方形面积等于高乘以宽，所以长方形的面积就代表了病人呼吸的氧气量和呼吸器加以的氧气量。这样，这个显示被图形化而产生了一个自然浮现的特征，也就是说，单独的变量（比如说深度和速率）图形化后而产生的一个特性呈现在显示上，表达了一个重要的，与任务相关的，综合的变量（比如说长方形的面积或者说呼吸的氧气量）。

呼吸率氧气饱和度输液血压脉搏率温度排尿神经观察

图5-20一个医疗设备的图形化参数显示图5-21图形化的一组读数查核仪表在第一排，在仪表间，甚至有延长的直线，这有助于发现偏离正常值的仪表5.3非视觉信息的显示听觉显示触觉、嗅觉等其他显示类型冗余显示5.3.1听觉显示听觉显示的优劣势听觉显示设计的基本原则警示显示的设计

听觉显示的优势和劣势声音是环绕的，全方位的。听觉不依赖于光线的存在，因此不受差的可视环境的影响。声音是非常突出的，需要立即的注意力。我们的听觉系统能够过滤声音，使我们能够在嘈杂或有声的背景下定位和专注于特定的声音。听觉使用的范围（1）信号来源本身是声音（汽车喇叭）。（2）消息简单短小（火警）。（3）稍后不再需要这个消息（救护车的警报器）。（4）消息涉及当时的事件（博物馆里引导你参观的录音播放）。（5）当发出警报时或者消息需要立即的处理（烟雾警报器）。（6）视觉通道负担过重（空中交通控制）。（7）视觉通道不可获得（闹钟）。（8）当语音反应需要时（服务台）。（10）照明条件或者对黑暗的适应限制了视觉的使用（飞行舱）。（11）消息的接收者在执行工作时不得不移动位置（电力厂）。听觉的劣势吃惊反应定位困难对抽象声音的有限记忆被其他声音所掩盖对声音/噪声的适应听觉显示设计经常存在的问题声音太大过于频繁发生太多听觉显示所传达信息太含糊听觉显示设计原则限制声音警示的数量。对不同场合使用的听觉信号应尽可能标准化。采用声音的强度、频率、持续时间等维度作信息代码时，应避免使用极端值。对言语警报来说：字词长短要合适，字、词、语句间距要适当，语句太长会浪费时间，太短又含义明。应根据与人生存安全关系的大小和操作员参与程度确定不同级别的显示(如应急告警、告警、注意与提示)。由于噪声的掩蔽作用会使信号的觉察阈限升高，所以只有将信号的响度提高到足以抵消掩蔽效应的水平，才能正确觉察信号。要保证100%的可探测性，信号必须要高于环境和背景噪声15分贝。对于要求快速反应的信号，信号必须要高于环境和背景噪声15分贝。信号必须在频率上区别于背景噪声听觉显示设计原则（续）信号必须要足够地不一样，以便一个不被另一个掩盖。不同的声音信号应尽量分时呈现，时间间隔不宜短于1秒。信号必须在50到5000HZ之间，包含至少4个显著的频率成分，每一个在1000到4000HZ之间。信号应该由有规则的，和谐的频率成分构成（比如可感知的音调顺序），而不是不和谐的成分（比如噪声）。信号的基本频率中的快速（100ms）消失，能抓住注意力并传递紧急状况的信息。为引起注意，尽量使用间歇或可变的声音信号，比如使用间断的嘟嘟声或者一升一降的音调（1-3周期/秒）。使用时间模式去增加信号的可侦探性和可辨别性。必须在1000英尺外听到的信号应该低于1000HZ，因为低频声音传得更远。必须穿透隔离物或绕过障碍物而被听见的声音应该低于500HZ，因为低频声音能通过障碍物传播使用冗余的视觉指示器。在未来应用环境中进行测试，以确保有效性。警示显示的设计由于人对突然发生的声音具有特殊的反应能力，听觉显示经常用来吸引和导向用户的注意力。一般来讲，根据不遵从警示的后果的严重性，警示显示被分为四个水平：

第一，警报：一个危险的事件正在发生，需要立即反应。

第二，警告：如果不作出反应，一个危险的事件马上就会发生。

第三，警惕：如果事态进一步发展，一个危险的事件可能会发生。

第四，劝告：建议做出反应，否则危险事件在未来可能发生。警示显示设计注意事项一般来讲，劝告性的警示并不需要声音信号，纯粹的视觉信号就足够了。警报和警告是很严重的警示（比如说有生命危险的紧急情况），应该通过显著的声音信号来表达。警惕性的警示（是危险性小的警示）可通过不大显著的声音信号来传达（比如柔和的声音信号）。必须小心地选择音调，分贝数和警示的频率。作为一个强大的“注意力抓取者”，声音也能是一个“任务干扰者”和令人讨厌的东西。因此，除非是真正紧急危险的情况，应该尽量少地使用声音警示。通常情况下，声音警示可以通过视觉信号来增强，比如采用闪烁灯来提供冗余的感官编码，这些用来显示危险或紧急状态的信号灯称为警告灯。生产设备上易发生故障或危险性较大的区域，应配置声、光或声、光组合的报警装置。事故信号，宜能显示故障的位置和种类。危险信号，应具有足够强度并与其他信号有明显区别，其强度应明显高于生产设备使用现场其他声、光信号的强度。由于闪烁灯的一开一关能引起注意（每次的一开一关本身也是信号的冗余），因此，警告灯宜用闪光灯。闪光速度不宜过低或过高，以3—10次/秒的闪光速度为宜。警告灯处于视野中不同的位置时具有不同的视察效果，最重要的警告灯应安置在视野中央3度的范围内，所有警告灯不宜超出视野30度的范围。5.3.2触觉，嗅觉等其他显示类型除了视觉和听觉显示，还有利用触觉和嗅觉。当环境妨碍或者排除了视觉或者听觉的使用，我们就不得不使用这些感官来显示信息了。这些不利于视觉和听觉的条件包括：视觉和听觉通道已经超负荷，环境太暗太亮，或视觉被阻断，或环境太嘈杂。触觉显示利用用户的接触觉的显示叫做接触觉显示。接触觉显示是利用人的皮肤受到触压刺激后产生感觉，而向人传递信息的一种方式。触觉显示以提供接触觉和肌肉动觉/力反馈为特点。大多数接触觉和触觉显示是设计给手或者手指的，因为这些身体部分有最多的和最敏感的触觉接受器。接触觉和触觉显示接受和处理机械能量，不同于视觉系统的光能，听觉系统的声能以及嗅觉和味觉系统的化学成分。图5-22高速公路两边的凸凹纹通过震动和声音来提醒偏离车道的驾驶员触觉显示的未来关于感觉显示在商业和军事飞机中的应用研究一直在进行之中。美国国家宇航局和美国海军已经开发出来了一个装备有微型触觉激发器的马甲，通过感觉器的震荡，来传递空间的方向。这种带有触觉情形意识系统的衣服，可以提供空间定位和触觉信息，比如威胁，目标僚机驾驶员的位置和飞机的姿势，海拔高度，飞行速度等。俄亥俄州立大学已经实验性地研制出了一种装备有感觉器的手腕带，用来支持飞行员克服在监视自动飞行状态中的视觉信息的超负荷。在模拟实验中，这些触觉显示被确信有助于增加飞行员的关于状态变化的意识和减少反应时间。

感觉显示是远程操作和远程机器人的一个基本组成部分。在远程操作中，用户或者说操作员远程地驱动一个电子机械设备去执行一项任务。为了成功地操作一个远程的目标，给操作员的力反馈是必要的。这些系统的应用范围包括，清理有辐射的场所，处理炸弹，外空行星的探索等。另外一些新兴的使用感觉显示的应用包括，机器人手术和远程手术。嗅觉显示不同于视觉和听觉是能源波以光和声波的形式被察觉和处理的结果，嗅觉是一个化学感觉。因为气味分子在构成和形状方面的广泛多样性，不可能开发一个类似光波长和声压力水平的“嗅觉度量”。我们能够察觉超过一万种的气味，能够识别一些浓度小到只有十亿分之一的气味。我们的嗅觉已经进化成为一个重要的“生存线索”，可以警告我们环境中发生的变化，比如，火灾的发生。它也可以警告我们可能有毒的食品的特性，比如奇怪的气味或者腐臭味。嗅觉也是一个有效的记忆刺激，可以唤起强烈的情绪反应。嗅觉显示有以下优势：空气中的气味分子能传递很远的距离。味觉系统在不需要有意识的注意力的情况下工作在背景中，直到环境中发生某个改变。味觉可以使用在当视觉和听觉系统超负荷时。人类可以在绝对判断的情况下，识别15-32种一般气味。气味是一个比其他感觉更好的可记忆线索。气味能增强学习和回忆能力。气味可以产生一种沉浸或者存在于一个人造环境中的感觉。嗅觉显示也有以下劣势：不同的人对气味有很大不同的敏感性。至少百分之一的人有嗅觉或者味觉的疾病。对气味的敏感度随着年龄的增加会减弱。对气味的敏感度也依赖于性别，女人对气味有更大的敏感度。敏感度会暂时的减弱由于感冒，流感或者过敏等原因。人类能很快的适应气味，甚至是恶心的，恶臭的气味，因此在一个短时间的暴露于气味中后，这种气味也就不再被感知到了。相对于绝对判断来说，人类更善于相对地判断气味。气味的扩散很难控制。对一些人来说，一些气味会引起过敏反应，恶心和头疼。使用气味来传达个人信息，不适合使用在有多人的场景。嗅觉显示的应用例子到目前为止，气味已经经常地被应用在信息显示中。大多数情况下，我们是利用了嗅觉系