第2章-1感知与认知-认知心理学I

感知和认知基础山东大学计算机学院2023/2/11人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术2内容摘要认知心理学概论人的感知认知过程与交互设计原则概念模型及对概念模型的认知分布式认知2023/2/11.相关背景

中国科学院脑科学卓越创新中心正式挂牌成立2014年1月20日下午，中国科学院脑科学卓越创新中心正式成立依托中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所，参与单位有中国科学院生物物理研究所、昆明动物研究所、自动化研究所、武汉物理与数学研究所、深圳先进技术研究院和中国科技大学蒲慕明院士担任中心主任，郭爱克院士担任中心首席科学家该中心将进一步聚焦脑科学的重要前沿方向，力争在脑科学前沿研究和技术发展方面取得国际领先的成果；凝聚并稳定支持脑科学领域最具创新活力的优秀人才，形成创新团队，成为我国脑科学研究领域杰出人才的聚集和培育基地建成国际一流的脑科学研究中心2023/2/13人机交互-原理与技术1.相关背景清华大学-IDG/麦戈文人脑科学研究院成立2013年11月24日，清华大学-IDG/麦戈文人脑科学研究院正式成立并举行了揭牌典礼，捐赠人美国国际数据集团（IDG）创始人兼董事长麦戈文（PatrickMcGovern）先生及夫人劳拉·麦戈文（LoreHarpMcGovern），MIT麦戈文人脑研究院院长RobertDesimone，IDG全球常务副总裁、大中华区董事长熊晓鸽先生，出席了研究院成立揭牌典礼。脑科学研究院将专注于研究脑功能和相关神经疾病，将最先进的技术手段应用到脑科学的研究中去，按照交叉学科的思路，联合医学院、生命学院、计算机系、和纳米中心等的人才与资源，对如何理解大脑、重造大脑、保护大脑进行前沿探索。2023/2/14人机交互-原理与技术1.相关背景清华大学-IDG/麦戈文人脑科学研究院成立2023/2/1人机交互-原理与技术51.相关背景2023/2/16人机交互-原理与技术北京大学获国际捐赠建IDG麦戈文脑科学研究所北京大学获得国际捐赠一千万美元建立脑科学研究机构：北京大学IDG麦戈文脑科学研究所。北京大学校长周其凤和美国国际数据集团(IDG)创始人兼董事长、麻省理工学院（MIT）麦戈文脑研究院创始人麦戈文先生（PatrickMcGovern）于2011年11月8日在北京大学临湖轩签署捐建协议。

出席签字仪式的有北京大学教育基金会、科研部、人事部、生命联合中心、心理系和生命科学学院等相关部门的领导，麦戈文先生及其夫人劳拉•哈普•麦戈文，IDG全球常务副总裁/大中华区董事长熊晓鸽等。1.相关背景2023/2/17人机交互-原理与技术北京大学IDG麦戈文脑科学研究所网址/?co=index&ac=index&catalog=cnidx1.相关背景北京师范大学成立IDG/麦戈文脑科学研究院2011年11月18日，精英集团董事长兼总裁翟志海先生应邀参加北京师范大学-IDG/麦戈文脑科学研究院签约仪式。美国IDG创始人兼董事长、麻省理工学院麦戈文人脑研究院创始人麦戈文与北京师范大学党委书记、教育基金会理事长刘川生、北京师范大学校长钟秉林共同签署捐建协议。教育部副部长郝平出席了签约仪式，并同与会嘉宾一起为北京师范大学-IDG/麦戈文脑科学研究院揭牌。目标是“成为世界一流的儿童青少年脑科学研究中心”，把“儿童青少年的心理发展、脑发育规律以及脑功能障碍”作为总体研究目标，汇聚心理学、教育学、认知神经科学、分子遗传学、神经生理学、神经影像学、神经计算科学等多个学科。2023/2/1人机交互-原理与技术81.相关背景2023/2/1人机交互-原理与技术91.相关背景脑科学研究掀起新热潮：“新的战争”？2012年以来，人脑科学研究在全球掀起新的热潮——2012年夏天，美国，6位科学家提出一项“人脑活动图谱”计划，受到政府高度重视，被列为国家级别的大科学计划，初步获得1亿美元研究预算，目前，一个规模更大的研究计划正在积极谋划中。2013年1月，欧洲，人脑工程进入欧盟“未来新兴旗舰技术项目”名单，并将在未来10年内获得10亿欧元的经费。在我国，几周前，多位高校专家低调进京咨询讨论，进一步完善相关领域长远布局，正在紧锣密鼓进行中。抢占脑科学研究的战略制高点，竞争火花四溅。当下，加紧探索这一人类认识的“最后疆域”，究竟意欲何为？人机交互-原理与技术102023/2/11.相关背景2023/2/1人机交互-原理与技术111.相关背景美国正式公布脑科学研究计划美国白宫2013年4月2日正式公布一项被认为可与人类基因组计划相媲美的脑科学研究计划（以下简称“脑计划”），以探索人类大脑工作机制、绘制脑活动全图、针对目前无法治愈的大脑疾病开发新疗法。这项计划有三大特点，即通过公私合作的方式完成，潜在影响力深远，同时面临艰巨挑战。2023/2/1人机交互-原理与技术121.相关背景“科学判官”魏坤琳博士深度解密“最强大脑”国内首档科学真人秀节目《最强大脑》自2014年1月3日开播。从“超级找茬王”郑才千，到“心算神童”葛韵霖，再到“中国雨人”周玮，他们超强的脑力让小伙伴们一次次惊掉了下巴。我们一起来听听“科学判官”魏博士的解秘。/show/bQ1r6FC2JmTHRYk.html2023/2/1人机交互-原理与技术131.相关背景韩国教授研究英语学习与脑科学关系欲革新教育方式中国网12月2日讯据韩国《朝鲜日报》网站12月1日报道，英语讲得很流利的人的大脑和因为努力学习而英语讲得好人的大脑相比是不同的。韩国人讲英语时的大脑和外国人讲英语时的大脑也是不同的。这是因为大脑兴奋的区域不同导致的。高丽大学南基春教授（51岁，心理系）说，“学习语言的过程中大脑会发生变化。”大脑中有不同的区域负责听、说、读、写。如果某个领域接受了强化训练，那么与之相对应的大脑区域就会变得活跃。南教授在5个月之前就开始了这项有趣的研究。研究的主题是“听力大脑项目”。此次研究以接受“帕尼克•斯为主的教育”(英文拼写和声音的规则性学习)的韩国人为研究对象,研究他们的大脑是如何发生变化的。2023/2/1人机交互-原理与技术141.相关背景2023/2/1人机交互-原理与技术151.相关背景大脑解码器：现实中的读心术JackGallant坐在自己位于美国加州大学伯克利分校的实验室里，聚精会神地盯着电脑屏幕，试图解码某个人的思维。2023/2/1人机交互-原理与技术161.相关背景电脑屏幕的左边是一些电影短片——Gallant在对研究参与者进行脑部扫描的同时，放映这些影片。而屏幕的右侧，计算机程序正在分析大脑扫描的数据，以推测参与者所看到的是哪一个影片。AnneHathaway的脸出现在了电影《新娘大战》的片段上，画面中她正与KateHudson热烈地交谈。计算程序明确地将这一场景与“女人”和“交谈”联系起来。另一个剪辑，是展现了水下野生生物生活场景的纪录片。在画面从第一个剪辑跳动到第二个剪辑时，该程序不断“挣扎”，最后不确定地提出了“鲸鱼”和“游泳”等文字。2023/2/1人机交互-原理与技术171.相关背景脑科学研究在全球兴起人脑工程产业“钱”途无量2023/2/1人机交互-原理与技术182.脑科学认知科学脑科学定义自70年代以来脑科学研究不断取得突破性的进展。先是斯佩里(Dr.RogerSperry)、波根(JosephBogen)、葛萨纳嘉(MichaelGazzanaga)三人进行的著名的“分脑手术”，发现了左、右脑结构与功能的区别，提出了左、右脑分工说广义的讲广义的定义是研究脑的结构和功能的科学，还包括认知神经科学等，我们今天主要介绍广义的脑科学狭义的讲就是神经科学，是为了了解神经系统内分子水平、细胞水平、细胞间的变化过程，以及这些过程在中枢功能控制系统内的整合作用而进行的研究2023/2/1人机交互-原理与技术192.脑科学认知科学脑的结构脑是动物最重要的器官，在进化过程中，自然界也给了脑最严密的保护这种慎密的结构既保护脑、又能营养脑以及排出脑代谢的产物。人的大脑位于颅腔内，大脑分为左右两半球。大脑半球被覆灰质，称大脑皮质，其深部为白质，或称为髓质。大脑两半球间由巨束纤维（胼胝体，corpuscallosum）相连。脑主要包括大脑、间脑、小脑、中脑、脑桥及延髓等六个部分。脑实质外的颅骨、脑膜、血管和血-脑屏障等构成了脑的物理、化学环境，正是这些理化环境的相对稳定才保证了脑的正常生理功能2023/2/1人机交互-原理与技术202.脑科学认知科学脑的表面结构2023/2/1人机交互-原理与技术212.脑科学认知科学大脑皮层功能分区2023/2/1人机交互-原理与技术222.脑科学认知科学2023/2/1人机交互-原理与技术232.脑科学认知科学大脑深部结构2023/2/1人机交互-原理与技术242.脑科学认知科学2023/2/1人机交互-原理与技术25TED视频演讲（三）：即时扫描大脑的技术2.脑科学认知科学2023/2/1人机交互-原理与技术26认知心理学概述认知心理学简介认知心理学是最新的心理学分支之一，从1950至1960年代间才发展出来的，到70年代成为西方心理学的主要流派。是作为人类行为基础的心理机制，其核心是输入和输出之间发生的内部心理过程。它与西方传统哲学也有一定联系，其主要特点是强调知识的作用，认为知识是决定人类行为的主要因素。2023/2/127人机交互-原理与技术认知心理学简介1956年被认为是认知心理学史上的重要年份这一年几项心理学研究都体现了心理学的信息加工观点。如Chomsky的语言理论和纽厄尔（AlanNewell）和西蒙（HerbertAlexandersimon）的“通用问题解决者”模型。认知心理取向的重点是认知的信息处理模式一种以心智处理来思考与推理的模式。因此，思考与推理在人类大脑中的运作便像电脑软件在电脑里运作相似。认知心理学理论时常谈到输入、表征、计算或处理，以及输出等概念。认知心理学奠基人乔治·米勒2023/2/128人机交互-原理与技术认知心理学简介认知心理学研究对象研究人的高级心理过程，主要是认知过程如注意、知觉、表象、记忆、思维和语言等。那些不能观察的内部机制和过程，如记忆的加工、存储、提取和记忆力的改变。信息加工心理学以信息加工观点研究认知过程是现代认知心理学的主流将人看作是一个信息加工的系统，认为认知就是信息加工，包括感觉输入的编码、贮存和提取的全过程。认知可以分解为一系列阶段，每个阶段是一个对输入的信息进行某些特定操作的单元，而反应则是这一系列阶段和操作的产物2023/2/129人机交互-原理与技术人脑的结构—神经元构成人脑是由大量的神经细胞构成的，估计约有150亿个。神经细胞是脑的结构单位，也是功能单位。因此，神经细胞又称为神经元。2023/2/130人机交互-原理与技术2023/2/131人机交互-原理与技术人脑的结构—功能区2023/2/132人机交互-原理与技术人脑的主要机能大脑的主要机能，是一个接受、分析、综合、储藏、发布各种信息的装置。大脑是左右对称的，一般地说，右脑负责较多的创造性和艺术性机能，而左脑有较多的逻辑推理机能。2023/2/133人机交互-原理与技术人类认知科学研究/“行为实验系统”和“认知与实验心理学实验系统”由ERP（多导联神经电生理分析定位系统（脑电仪））实验室、常规实验室、可用性实验室、人类行为观察室、眼动实验室、空间认知与增强现实实验室等多个体系组成以行为和认知神经科学为平台，研究人类基础和高级心理过程的行为和神经机制，以及认知的发展、成熟、和衰退过程。研究基本认知过程及其发生：主要研究包括视知觉、嗅知觉、视运动认知的神经基础、意识与无意识状态下的面部识别、注意和注意控制的脑机制、奖赏回报的脑机制、以及这些认知机理的应用等。

2023/2/134人机交互-原理与技术NeuroscanEEG/ERP多导联神经电生理分析定位系统（脑电仪）

2023/2/135人机交互-原理与技术人类认知科学研究可提供个体和群体行为观察、脑电记录与分析、眼动加工、心理测试等实验所需的场景和硬件，为人类行为与高级认知和情感活动研究提供支撑。从认知神经生理基础、感知觉基本过程、认知行为脑机制到认知心理应用多个层面探索心智奥秘。基于这4个实验系统，科学家可以从基因-神经-心理-行为层面出发，开展个体-群体-组织-社会等多个水平的基础研究和应用研究。2023/2/136人机交互-原理与技术虚拟现实实验系统

虚拟现实实验系统仪器简介：

1惯性/超声波6-自由度追踪

2可调精度&灵敏滤波器

3高至50ms预报

4先进的惯性MEMs成分

5小型化了超声波接收技术

6IS-900系统全部兼容

7标配电缆长度12.2m

功能用途：：能准确追踪模拟训练装置或室内虚拟实境场景。在浸入式展示系统下，仍可进行完整3D追踪。拥有传输精确与含盖范围广大等优点，没有头部、手部或其他物件阻碍等问题，适用于极精密的浸入式3D之应用。可运用于灾害逃生、心理治疗以及空间认知等领域的研究。2023/2/137人机交互-原理与技术互动型汽车驾驶模拟器仪器简介：互动型汽车驾驶模拟器将视景系统与汽车驾驶模拟座舱一体化设计，主要由视景系统、模拟驾驶专用软件、电控系统、模拟座舱、附属设备等五部分组成。

仪器主要功能：用于驾驶行为研究。可实现不同路况（城市道路、乡村道路、高速公路、山区道路等）、不同时间（白天、黑夜）、不同天气（晴天、雨天、雪天等）以及各种常见交通事故场景下的模拟驾驶。可实时记录驾驶人的多种操作绩效和驾驶绩效，为驾驶行为研究提供各种行为数据，也可与各种电生理仪结合使用，记录驾驶行为相关的生理指标。2023/2/138人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术39认知心理学认知心理学的主要研究内容人们如何获得外部世界信息信息在人脑内如何表示并转化为知识知识怎样存储又如何用来指导人们的注意和行为从认知神经生理基础、感知觉基本过程、认知行为脑机制到认知心理应用多个层面探索心智奥秘从基因-神经-心理-行为层面出发，开展个体-群体-组织-社会等多个水平的基础研究和应用研究2023/2/1人机交互-原理与技术40感知和认知人的感知即通过人体器官和组织进行人与外部世界的信息的交流和传递认知是人们在进行日常活动时发生于头脑中的事情，它涉及思维、记忆、学习、幻想、决策、看、读、写和交谈等感知和认知的关系感知是认知的基础，认知是将感知获取的信息综合运用认知分类经验认知和思维认知认知过程是相互联系的，单纯的一个认知过程是非常少见的2023/2/1感知通道五种基本感知的绝对阈限:“视觉:在黑暗而空气清新的夜晚,人们可以看到30英里(48000千米)外的一只烛光(1英里≈1.6千米)听觉:在安静的环境中,人能够听到20英尺远处的手表滴答声(1英尺=0.3米)嗅觉:人能嗅到1公升空气中散布的1/10万毫克的人造麝香的气味;味觉:人可尝出9升水中放一茶匙糖的甜味

触觉:人可感到蜂蜜翅膀距脸颊1厘米处落下2023/2/141人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术42视觉感知视觉是人与周围世界发生联系的最重要的感觉通道外界80%左右的信息都是通过视觉得到的视觉感知的两个阶段受到外部刺激接收信息解释信息视觉感知特点：一方面，眼睛和视觉系统的物理特性决定了人类无法看到某些事物；另一方面，视觉系统进行解释处理信息时可对不完全信息发挥一定的想象力。因此视觉显示是人机交互系统中用的最多的人机界面进行人机交互设计需要清楚这两个阶段及其影响，了解人类真正能够看到的信息。

2023/2/1眼睛的构造2023/2/143人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术44视觉过程和视觉系统视觉活动始于光，眼睛接收光线，转化为电信号。光能够被物体反射，并在眼睛的后部成像。眼睛的神经末梢将它转化为电信号，传递给大脑。2023/2/1人机交互-原理与技术45视干细胞和视锥细胞的功能区别视干细胞视锥细胞在低水平照明时（如夜间）起作用在高水平照明时（如白天）起作用区别黑白区别彩色对光谱中绿色部分最敏感，在远离视网膜中心处最多对光谱中黄色部分最敏感，在视网膜中部最多对极弱的刺激敏感主要在识别空间位置和要求敏锐地看物体时起作用

视网膜由视细胞组成，视细胞分为视干细胞和视锥细胞两种。它们是接收信息的主要细胞。2023/2/1人机交互-原理与技术46视角视角2023/2/1视敏度视敏度：指人眼对细节的感知能力，通常用被辨别物体最小间距所对应的视角的倒数表示。通常将能分辨出视角1′的视敏度定为1.0。视敏度受几个因素的影响，即光的强度、图象的颜色以及图象本身的复杂程度。一般人能够在2m的距离分辨2mm-20mm的间距，为我们设计界面时字符大小和间距提供了依据。2023/2/147人机交互-原理与技术颜色视觉另外，人们能感觉到不同的颜色，这是眼睛接受不同的波长的结果。各种波长的光是从带色的物体表面或有色光源反射出来的。正常的眼睛可感受到的光谱波长为400～700um。亮适应和暗适应2023/2/148人机交互-原理与技术图象识别

模板匹配（TemplateMatching）

识别某个图象，必须在过去的经验中有这个图形或东西的“记忆痕迹”或基本模型，这个模型又叫做“模板”。当前刺激如果与大脑中的模板符合，就能识别这个刺激。原型匹配理论（PrototyPeMatching）-格式塔心理学派这种理论认为眼前的一个字母A，不管它是什么形状，也不管把它放在什么地方，它都和过去知觉过的A有相似之处。2023/2/149人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术50感知物体大小、相对距离和深度利用视觉影像中的线索：覆盖关系：被覆盖的物体相对较远；大小比例：一般来讲，较大的物体距离较近；对物体的熟悉度：对非常熟悉物体，人们对物体的大小在头脑中事先有一个期望和预测，因此在判断物体距离时很容易和他看到的物体的大小联系起来

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感知亮度亮度是光线明亮程度的主观反映

增强亮度可以提高视敏度

随着亮度的增加，闪烁感也会增强。在高亮度时，光线变化低于50Hz，视觉系统就会感到闪烁在设计交互界面时，要考虑使用者对亮度和闪烁的感知，尽量避免使人疲劳的因素，创造一个舒适的交互环境。

2023/2/1人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术52感知色彩

人能感觉到不同的颜色，这是眼睛接受不同波长的光的结果。

颜色通常用三种属性表示：色度、强度和饱和度。色度是由光的波长决定的，正常的眼睛可感受到的光谱波长为400μm-700μm。

2023/2/1视觉行为的整体性格式塔心理学格式塔（Gestalt）心理学是西方现代心理学的主要流派之一，根据其原意也称为完形心理学，完形即整体的意思。具有两种涵义。一种涵义是指形状或形式，亦即物体的性质，在这个意义上说，格式塔意即“形式”。另一种涵义是指一个具体的实体和它具有一种特殊形状或形式的特征，它涉及物体本身，而不是物体的特殊形式，形式只是物体的属性之一。2023/2/153人机交互-原理与技术格式塔心理学

在这个意义上说，格式塔即任何分离的整体。格式塔这个术语起始于视觉领域的研究，但它又不限于视觉领域，甚至不限于整个感觉领域，其应用范围远远超过感觉经验的限度。

格式塔心理学家们用格式塔这个术语研究心理学的整个领域。2023/2/154人机交互-原理与技术视觉信息--蒙娜丽莎的微笑西班牙Alicante神经学院的专家LuisMartinezOtero视网膜中的不同细胞会传递给大脑不同的信息，他们包括物体的大小、远近、清晰度等，当某一些细胞的信息率先传递到大脑时，你可能就觉得蒙娜丽莎是在笑，而当另一些信息再次传递过来后，你可能就又觉得她没笑。/article/dn18019-mona-lisas-smile-a-mystery-no-more.html2023/2/155人机交互-原理与技术格式塔心理学

2023/2/156人机交互-原理与技术2023/2/157人机交互-原理与技术2023/2/158人机交互-原理与技术视网膜内负责中心视野(centrevision)的细胞便将其判断为微笑2023/2/159人机交互-原理与技术负责on-centre亮度的视网膜细胞来帮助判断，并将其判定为微笑。2023/2/160人机交互-原理与技术focus2023/2/161人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术62视错觉莱亚错觉2023/2/1视错觉2023/2/163人机交互-原理与技术视错觉厄任斯错觉正多边形有内凹感庞佐错觉矩形变为梯形奥比生错觉圆形有不圆感...面积大小

视错觉2023/2/164人机交互-原理与技术视错觉背景错觉2023/2/165人机交互-原理与技术视错觉2023/2/166人机交互-原理与技术视错觉2023/2/167人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术68视错觉物体的组合方式将影响观察者的感知方式）人们总会夸大水平线而缩短垂直线。视错觉同样会影响到显示页面的对称性。人们经常把对称页面的中心看得稍微偏上些，如果页面以实际中心为基准排版设计，人们就会感到页面上部比下部分要短，影响视觉效果。在实际设计过程中，设计者就会以视觉中心为基准设计图形界面。2023/2/1视觉受心理的影响2023/2/169人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术70阅读进行交互界面设计时，文字符号的处理，特别是文字的排版和显示，也要根据人们的视觉感知特点，找出其中一些规律。阅读分为几个阶段：页面上文字的形状被人眼感知，文字被编码成相关的内部语言表示，语言在人脑中被解释成有语法和语义的单词或句子成年人阅读是通过字的特征（如字的形状）加以识别。改变字的显示方式（如用大写字母，改变字体等），会影响到阅读的速度和准确性。2023/2/1人机交互-原理与技术71阅读9～12号的标准字体（英文）更易于识别，页面的宽度在58～132mm之间阅读效果最佳。在明亮的背景下显示灰暗的文字比在灰暗的背景下显示明亮的文字更能提高人的视敏度，增强文字的可读性。2023/2/12023/2/172人机交互-原理与技术2023/2/173人机交互-原理与技术颜色模型RGB颜色模型（加性原色系统）红绿蓝黄=红+绿青=绿+蓝白=红+绿+蓝品红=红+蓝RGB三原色混合效果蓝(0,0,1)品红(1,0,1)青(0,1,1)白(1,1,1)黑(0,0,0)红(1,0,0)黄(1,1,0)绿(0,1,0)RGB立方体2023/2/174人机交互-原理与技术CMYK颜色模型（减性原色系统）蓝=白-红-绿青=白-红绿=白-红-蓝黄=白-蓝黑=白-红-绿-蓝红=白-绿-蓝品红-白-绿CMYK原色的减色效果2023/2/175人机交互-原理与技术2023/2/176人机交互-原理与技术

HSV颜色模型HSV是指Hue(色调)、Saturation(饱和度)和Value(值或明度)设想从RGB沿立方体对角线的白色顶点向黑色顶点观察，就可以看到立方体的六边形外形。六边形边界表示色彩，水平轴表示纯度，明度沿垂直轴测量H参数表示色彩信息，即所处的光谱颜色的位置。该参数用一角度量来表示，红、绿、蓝分别相隔120度。互补色分别相差180度。

饱和度S为一比例值，范围从0到1，它表示成所选颜色的纯度和该颜色最大的饱和度之间的比率。S=0时，只有灰度。

V表示色彩的明亮程度，范围从0到1。有一点要注意：它和光强度之间并没有直接的联系。2023/2/177人机交互-原理与技术2023/2/178人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术79听觉听觉感知传递的信息仅次于视觉，可人们一般都低估了这些信息。人的听觉可以感知大量的信息，但被视觉关注掩盖了许多。听觉所涉及的问题和视觉一样，即接受刺激，把它的特性转化为神经兴奋，并对信息进行加工，然后传递到大脑。2023/2/1人机交互-原理与技术80声音的处理声波在空气中的振动传播的特性音调与声波的频率有关，低频能产生低调的声音，高频能产生高调的声音。响度指在频率一定的情况下声波的振幅。音色与发声的材料有关，不同的乐器可以产生相同频率和振幅的声波，但音色不同。人类能够听到频率在20Hz~20kHz之间的声音，其中在1000Hz~4000Hz范围内听觉的感受性最高。500Hz以下和5000Hz以上的声音，强度很大时才能被听到。响度超过140dB（分贝）时，所引起的不再是听觉而是痛觉。人可以辨认的语音频率范围是260~5600Hz。2023/2/1人机交互-原理与技术81

声音的解释听觉系统把输入分为三类：噪声和可以忽略的不重要的声音；被赋予意义的非语言声音，如动物的叫声；用来组成语言的有意义的声音。听觉系统就像视觉系统一样，利用以前的经验来解释输入。LindsayPH和NormanDA的“材料-驱动”（Data-Driven）和“概念-驱动”（Conceptually-Driven）过程。材料-驱动指的是对言语材料在感知水平上进行的加工过程，它是由下而上的分析过程。概念-驱动则是在理解水平上进行的加工过程，它是由上而下（从最高的结构概念开始）的分析过程。人类听觉系统对声音的解释可帮助设计人机交互界面中的语音界面2023/2/1人机交互-原理与技术82

触觉Touch或者Hapticperception触觉在交互中的作用是不可低估的，尤其对有能力缺陷的人，如盲人，是至关重要的触觉的感知机理与视觉和听觉的最大不同在于它的非局部性温度感受器-冷热伤害感受器-疼痛机械刺激感受器-压力实验表明，人的手指的触觉敏感度是前臂的触觉敏感度的10倍。对人身体各部位触觉敏感程度的了解有助于基于触觉的交互设备的设计。动觉的概念：对人的躯干和四肢的位置的感觉，主要由于人的关节处的感受器。

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认知过程与交互设计原则认知涉及到多个特定类型的过程，包括：感知和识别注意记忆学习阅读说话和聆听解题、规划、推理和决策许多认知过程是相互依赖的，一个活动可同时涉及多个不同的过程，只涉及一个过程的情况非常罕见，例如人们在选购商品时就涉及关注、感知、识别、说话、思考、决策等过程。2023/2/1人机交互-原理与技术84

注意注意就是在某个时刻，从众多可能的事物中选择一个，并把精力集中在这个事物上。

注意的不同类型视觉关注听觉关注注意相关的因素目标信息的表示形式2023/2/1人机交互-原理与技术85信息表示方法信息的显示方式对于人们能否快速捕捉到所需的信息片断有很大的影响。分类显示的信息就比较便于人们查找。2023/2/1人机交互-原理与技术86注意特点对界面设计的要求由人的关注特点，在设计人机交互界面时应做到。信息的显示应醒目，以便执行任务时使用，可使用动画图形、彩色、下划线，对条目及不同的信息进行排序，在条目之间使用间隔符等。避免在界面上安排过多的信息。尤其要谨慎使用色彩、声音和图像，人们倾向于使用过多的这类表示，而导致界面混杂，分散用户的注意力，让用户反感。朴实的界面更容易使用。2023/2/12023/2/187人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术88

感知和识别在结合不同的媒体时，应确保用户能够理解它们表示的复合信息。在结合使用声音和动画时，需要仔细协调，合理安排它们的调用次序。在设计虚拟人物时，就应该使其唇形与所说的话同步，两者之间的微小延迟都会使人难以忍受，这类似于给外文电影配音。用户应能不费力地区别图标或其他图形表示的不同含义。声音应足够响亮而且可辨识，以便用户理解它们的含义。用户应能够理解输出的语音及其含义。文字应清晰易读，且不受背景干扰如可以在黑色或蓝色背景上使用黄色文字，但不能在白色或绿色背景上使用黄色文字。在虚拟环境中使用触觉反馈时，用户应能识别各种触觉表示的含义。例如“紧握”的触感与“按下”的触感不同。

黄色黄色黄色黄色2023/2/1例子：人脸识别心理实验人类的面像识别机制是否是完全不同于其他一般物体的识别？观点一：有区别（a）当人脸是垂直方向时，它比其他物体更容易被人们所记得；（b）人脸识别能力缺失症患者的存在。患有此症的人可以正常的识别其他物体，甚至可以正确的识别鼻子眼睛和嘴巴等面部器官，但是就是不能认出熟悉的人脸，因此有理由怀疑其人脸识别功能区遭到了破坏。结论：建议机器人脸识别的研究人员要更多的利用人脸对象的特定领域知识以便达到更加可靠、鲁棒的识别。2023/2/189人机交互-原理与技术观点二：无区别人类大脑皮层中也不存在专门的人脸识别功能区，因此建议机器人脸识别的研究人员应该更强调一般的识别框架的研究，而不应该过多依赖于人脸自身的特定知识。目前的多数机器人脸识别算法都较多的利用了人脸模式的特定领域先验知识，形成特定的识别机制。2023/2/190人机交互-原理与技术人脸的感知是全局还是局部特征分析的结果一般认为全局和局部特征对人脸的感知和识别都是非常重要的，全局特征一般用来进行粗略的匹配，而局部特征则可以提供更为精细的确认。如果存在某种奇特的局部特征，则全局的特征描述可能就用不到了，此局部特征会首先被用来确定身份。2023/2/191人机交互-原理与技术人脸识别比其他物体识别需要更多的全局特征撒切尔夫人人脸倒转实验2023/2/192人机交互-原理与技术2023/2/193人机交互-原理与技术不同面部特征对识别的重要性分析一般认为头发，面部轮廓，眼睛和嘴巴对人脸的感知和记忆是比较重要的。而鼻子在侧面人脸识别中的重要性比眼睛和嘴巴等特征高，因为在侧面人脸中鼻子区域包含了若干个关键的特征点。2023/2/194人机交互-原理与技术2023/2/195人机交互-原理与技术2023/2/196人机交互-原理与技术2023/2/197人机交互-原理与技术不同面部特征对识别的重要性分析在识别已经见过但不熟悉的人脸时，外在和内在特征都是必要的，但内在特征占主导地位。2023/2/198人机交互-原理与技术不同面部特征对识别的重要性分析2023/2/199人机交互-原理与技术不同面部特征对识别的重要性分析2023/2/1100人机交互-原理与技术不同面部特征对识别的重要性分析人脸的上半区域对识别的重要性明显比下半区域高。对机器人脸识别的启示是：在设计人脸识别分类器时，不同的面部区域对最终的识别结果有不同的贡献。2023/2/1101人机交互-原理与技术人物面部漫画的启示一般来说，人物面部漫画都是刻意夸大面部中最为突出的个性化特征，这些特征能进一步加深我们对人物面部特征的认识，从而使得我们更容易记住这些人脸。画家的做法…2023/2/1102人机交互-原理与技术2023/2/1103人机交互-原理与技术人物面部漫画的启示给机器人脸识别的启示是：我们在设计识别算法时应该强调提取那些”与众不同”的个性化特征。例如，基于线性判别分析的人脸识别方法就是试图尽可能提取不同人脸之间的差别特征用于最终的识别。2023/2/1104人机交互-原理与技术特殊性对人脸识别的影响2023/2/1105人机交互-原理与技术特殊性对人脸识别的影响2023/2/1106人机交互-原理与技术特殊性对人脸识别的影响研究表明，那些独特的脸比一般的大众化脸更容易和更快地被记住和识别。当需要判断一个物体是否是人脸时，辨别一张独特的脸所需的时间比辨别一张大众化脸所需要的时间较少一些。2023/2/1107人机交互-原理与技术光照对人脸识别的影响光照的变化会大大影响人脸的外观，从而影响识别的性能。现代人脸识别技术的多项测试都表明光照变化仍是实用人脸识别系统的瓶颈之一。人们很早就注意到底片的人脸难以识别。而最近的研究则进一步表明：对于下方光源照明的人脸也存在识别困难。这很可能与人类很难见到这类人脸模式因而对他们的学习不足有关。2023/2/1108人机交互-原理与技术2023/2/1109人机交互-原理与技术2023/2/1110人机交互-原理与技术2023/2/1111人机交互-原理与技术2023/2/1112人机交互-原理与技术人脸识别是视角不变的识别过程吗？视觉物体识别的许多工作都可以归到一个理论框架中，即物体的不同视角的表观都是以一种视角不变的描述符进行分析的。但是，最近出现了一些争论，即物体识别是否真的是视角不变的？一些实验结果表明，人脸的记忆是高度依赖视角的。从一个侧面视角到另外一个侧面视角的推广效果很差，但是从一个3/4视角到另外一个3/4视角侧的推广效果却很好。在实际设计自动人脸识别算法时，人脸姿势的变化是一个很大的影响因素。这是目前人脸识别研究面临的另一个极具挑战性的问题。2023/2/1113人机交互-原理与技术2023/2/1114人机交互-原理与技术2023/2/1115人机交互-原理与技术人脸识别心理实验/identification/xlsy-2.htm2023/2/1116人机交互-原理与技术感知和识别感知通道的可靠性多通道感知的重要性2023/2/1117人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术118记忆

记忆就是回忆各种知识以便采取适当的行动。记忆过程中有三个环节：识记：相当于信息的输入和编码过程，也就是使不同感官输入的信息，经过编码而成为头脑可接受的形式；保持：相当于信息的贮存，即信息在头脑中被再加工整理，使其成为有序地组织结构，以便贮存；再认和回忆：再认和回忆相当于信息的提取，编码越完善、组织越有序，提取也就越容易，反之，提取越困难。

2023/2/1识记广告词设计味道好极了———雀巢咖啡让我们做得更好———菲力普我们一直在努力———爱多牛肉哪去了———某快餐店的汉堡食品维维豆奶,欢乐开怀———维维集团我的眼里只有你———娃哈哈纯净水送礼就送脑白金———脑白金2023/2/1119人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术120减轻记忆负担人的识别能力大于回忆能力图文界面替代命令界面安装过程的wizard回忆提示密码的提示语句2023/2/1Windowxp搜索界面信息检索的两大过程：定向回忆扫描识别人机交互-原理与技术1212023/2/1人机交互-原理与技术122交互设计原则综上所述，考虑人的记忆特点，进行交互设计时应该注意的问题有：应考虑用户的记忆能力，勿使用过于复杂的任务执行步骤。由于用户长于“识别”而短于“回忆”，所以在设计界面时，应使用菜单、图标，且它们的位置应保持一致。为用户提供多种电子信息（如文件、邮件、图像）的编码方式，并且通过颜色、标志、时间戳、图标等，帮助用户记住它们的存放位置。2023/2/1人机交互-原理与技术123问题解决问题解决的过程一般包括理解问题、制订计划、实施计划、检验结果四个步骤。要考虑做什么、有那些选择、执行某个活动会有什么结果？Eg:淘宝人的思维认知能力取决于在相关行业的经验以及对应用和技能的掌握程度。设计时应考虑在界面中隐藏着一些附加信息，专门供那些希望学习如何更有效地执行任务的用户访问。2023/2/1场依存性vs.场独立性

美国心理学家威特金（H．A．Witkin）--知觉研究：将人划分为场依存性和场独立性两种类型场依存性的人独立性差，并且容易受暗示；比较容易受当时环境中的其它事物（包括知觉者本身的状况）的影响，很难离析出知觉单元倾向于以外在参照（客观事物）作为信息加工的依据；场独立性的人有较大的独立性，并且不易受暗示；比较少受知觉当时的情境影响，比较易于离析出知觉单元倾向于更多地利用内在参照（主体感觉）2023/2/1124人机交互-原理与技术场依存性vs.场独立性大多数人处于场依存性和场独立性之间，或多或少地处于中间状态垂直知觉问题镶嵌图形测验2023/2/1125人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术126语言处理—阅读、说话、聆听许多人认为聆听要比阅读容易得多，但学习外语时，阅读要比聆听容易。以下是三种形式的不同之处：书面语言是永久性的，而聆听是暂时性的。若第一次阅读不理解，可以再读一遍，但对于广播消息，人们则无法做到这一点。阅读比听、说更快。人们可以快速扫描书面文字，但只能逐一听取其他人所说的词语。从认知的角度来看，听要比读和说更容易。儿童尤其喜欢观看基于多媒体或Web的叙述性学习材料，而不喜欢阅读在线文字材料。书面语言往往是合乎语法的，而口头语言常常不符合语法。2023/2/1人机交互-原理与技术127阅读、说话和聆听为了弥补人在某些方面的不足，开发了易于使用的系统。语音输出系统，如适合盲人使用的文－语转换系统，可输出人工合成的语音。认知辅助系统，用于帮助有阅读、书写和语言障碍的人。研究人员已开发了许多特殊的界面以帮助这些人员。接受用户语音指令的语音识别系统，如听写式字处理系统、声控家电产品等；帮助人们学习外语的交互式课本和基于Web的材料；各种输入、输出设备，用于协助残疾人士浏览互联网、使用文字处理器和其他软件包。2023/2/1人机交互-原理与技术128阅读、说话和聆听从方便用户阅读、说话和聆听的角度，在人机界面设计时应注意：尽量减少语音菜单、命令的数目。研究表明：人们很难掌握超过三四个语音选项的菜单的使用方法，人们也很难记住含有多个部分的语音指令。应重视人工合成语音的语调，因为合成语音要比自然语音难以理解。应允许使用和自由放大文字，同时不影响格式，以方便难以阅读小字体的用户。2023/2/1人机交互-原理与技术129影响认知的因素1---情感的影响人的行为非常复杂，情感因素会影响人的感知和认知能力如积极的情感会使人的思考更有创造性、解决复杂问题的能力更强；而消极的情感使人的思考更加片面，还会影响其他方面的感知和认知能力；当一个人处于放松状态时，推理、判断能力会比较强；而当他紧张、受到挫折或感到害怕时，正常的推理、判断能力就会受到影响。当一个人处于积极的情感状态时，对系统中的交互设计缺陷可能不会太在意，但这决不能成为可以设计一个较差的交互系统的理由；一个差的交互系统，会反过来影响一个人的情绪，从而影响他解决问题的能力；一个好的交互系统，应该能够充分考虑人在各种情感状态下的认知特点，有针对性地进行交互的设计。2023/2/1影响认知的因素1---情感的影响人的行为非常复杂，情感因素会影响人的感知和认知能力避免使人产生疲劳的界面：视觉画面带来的眼睛的疲劳，反复的动作产生的身体和脑力的疲劳等；异常行为的判断：如用户快速敲击鼠标；关键动作时的有意识的提醒：真的要这样做吗？情感计算和交流2023/2/1130人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术131影响认知的因素2---个体的差异进行交互系统设计时还不应该忘记人是存在个性差异的。长期的，如性别、体力和智力水平；短期的，如压力和情感因素对人的影响；随时间变化的，如人的年龄等。人的个性的差异应该在进行人机交互设计时被充分考虑。明确地排除某类人作为系统的用户是极端的，如现有的强调图形界面的交互设计实际上排除了那些有视力缺陷的人，因此系统应考虑提供其他的感知通道。儿童界面的程序（金山画王）考虑针对女性的界面，老年人的界面，智障人士的用户界面特点2023/2/12023/2/1132人机交互-原理与技术人机交互-原理与技术133概念模型及对概念模型的认知概念模型指的是一种用户能够理解的系统描述，它使用一组集成的构思和概念，描述系统做什么、如何运作、外观如何等。设计开发一个概念模型的关键过程有两个阶段首先是了解用户任务需求；然后选择交互方式，并决定采用何种交互形式是使用菜单系统是使用语音输入命令式的系统2023/2/1人机交互-原理与技术134

概念模型的迭代开发过程一个完整的概念模型也是一步步充实起来的，可以使用各种方法，通过不断的与用户交流，逐步完善交互系统的概念模型，主要包括如下几个步骤草拟构思；情节串联法；描述可能的场景；设计原型系统。2023/2/1人机交互-原理与技术135对概念模型的认知Norman提出了一个用于说明“设计概念模型”与“用户理解模型”之间关系的框架

设计模型——设计师设想的模型，说明系统如何运作

系统映像——系统实际上如何运作

用户模型——用户如何理解系统的运作2023/2/1人机交互-原理与技术136几种认知概念框架

从人们不同的认知特点，讨论用户如何理解系统概念模型，它们是思维模型信息处理模型外部认知模型分布式认知模型2023/2/1人机交互-原理与技术137思维模型思维模型人们在学习和使用系统的过程中，积累了有关如何使用系统的知识在一定程度上，也积累了有关系统如何工作的知识在认知心理学中，思维模型被认为是外部世界的某些因素在人脑中的反映掌握和运用思维模型使人们能够进行推测和推理思维模型牵涉到两个过程—“构建”和“运用”人们