人机界面设计之认知心理学

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1、人 机 界 面 设 计 Human-Machine Interface Design 罗 仕 鉴 浙江大学计算机学院 上上设计 人机界面设计 第二章 用户认知心理学 感觉信号的检测 人脑 视觉 听觉 记忆和学习 人的特性 认知心理学中的人机比较 上上设计 人机界面设计 认知心理学是 20世纪 50年代中期在西方兴起的 一种心理学思潮， 20世纪 70年代成为西方心理 学的一个主要研究方向。它研究人的高级心理 过程，主要是认识过程，如注意、知觉、表象、 记忆、思维和语言等。 认知心理学 上上设计 人机界面设计 以信息加工观点研究认知过程是现代认知心 理学的主流，可以说认知心理学相当于信息 加工心

2、理学。它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 入的变换、简约、加工、存储和使用的全过 程。 认知心理学 上上设计 人机界面设计 控制论、信息论、计算机科学对认知心理学 的发展具有深远的影响。计算机科学与心理 学相结合，产生了一门边缘学科人工智能。 人工智能与认知心理学关系极为密切，计算 机的出现使人们找到了分析人的内部心理过 程和状态的新途径。 人工智能 上上设计 人机界面设计 图灵于 30年代发表后来称为 “ 图灵机 ” 的数学系 统 ， 对心理学也发生了影响 。 数量逻辑和图灵机 使人们想到 ， 人类的认知系统也可以视为符号运 用系统 。 人类的某些观念可以用符

3、号来代表 ， 而 且这些符号可以通过确定的符号运算过程加以变 换 。 这些思想不仅在理论上而且在具体研究上对 认知心理学都有重要的作用 。 计算机类比 上上设计 人机界面设计 认知心理学的一个基本观点是可以用计算机来类比人 的内部心理过程 。 计算机接受符号输入 ， 进行编码 ， 对编码输入加以决策 、 存储 、 并给出符号输出 。 这可 以类比于人如何接受信息 ， 如何编码和记忆 ， 如何决 策 ， 如何变换内部认知状态 ， 如何把这种状态编译成 行为输出 。 计算机与认知过程的这种类比 ， 只是一种 水平上的类比 ， 即在计算机程序水平上描述内部心理 过程 ， 它主要涉及的是人和计算机的逻

4、辑能力 ， 而不 是计算机硬件和人脑的类比 。 计算机类比 上上设计 人机界面设计 人的感觉器官 （ 视觉 、 听觉 ） 是如何接受信息的 人脑的结构与功能 ， 知道它是怎样理解处理信息的 人的学习记忆有哪些过程 ， 是如何进行推理的 了解并遵循用户认知心理学的原理是进行人机界面设 计的基础。 目的： 尽量使设计适应于人的自然特性，满足用户的要求。 上上设计 人机界面设计 刺激能 感觉系统 转能作用 感觉检测 视像/声像“储存” 短时和 长时记忆 反 应 2.1 感觉信号的检测 上上设计 人机界面设计 2.2 作为用户的人 2.2.1 人脑的结构 人脑是由大量的神经细 胞构成的，估计约有 15

5、0 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。 上上设计 人机界面设计 神经冲动图 上上设计 人机界面设计 2.2.2 人脑的功能 上上设计 人机界面设计 2.2.2 人脑的功能 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 。 上上设计 人机界面设计 2.3 视觉 2 . 3.1 视觉 系统 上上设计 人机界面设计 2.3 视觉过程和视觉系统 上上设计 人机界面设计 2.3.2 视敏度和颜色视觉 视敏度是指

6、能够看到细微事物的能力 。 它受几个因 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 。 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。 上上设计 人机界面设计 视敏度受几个因素的影响： 图像本身的复杂程度 光的强度 图像的颜色 背景光等。 上上设计 人机界面设计 视 杆 细 胞 视 锥 细 胞 在低水平照明时（如夜间） 起作用区别黑白对光谱中 绿色部分最敏感，在视网 膜远离中心处最多对极弱 的刺激敏感 在高水平照明时（如白天） 起作用

7、区别色彩对光谱中 黄色部分最敏感，在视网 膜中部最多主要在识别空 间位置和要求敏锐地看物 体时起作用 2.3.2 亮适应和暗适应 上上设计 人机界面设计 格式塔（ Gestalt）心理学 （ 1）接近性原则：某些距离较短或互相 接近的部分，容易组成整体。 2.3.3 视觉模式识别 上上设计 人机界面设计 （ 1）相似性原则：人们容易将看起来相 似的物体看成一个整体。 上上设计 人机界面设计 （ 3）连续性原则：连续性是指对线条的一 种知觉倾向 上上设计 人机界面设计 （ 4）完整和闭合性原则：彼此相属的部分，容易组 合成整体；反之，彼此不相属的部分，则容易被隔 离开来。 上上设计 人机界面设计

8、 （ 5）对称性原则 上上设计 人机界面设计 模板匹配 （ Template Matching） 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 （ PrototyPe Matching） 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 。 上上设计 人机界面设计 特征分析 特征分析是模板匹配理论和原型匹配理论的发展，它 认为刺激是一些基本特征的结合物。例如，对于英文 字

9、母，特征可能包括水平线、垂直线，大约 45角的线 以及曲线。这样，大写的字母 A便能被看成两条 45角 的线（ ）和一条水平线（ ）。字母 A的模式由这些 线条加上它们结合在一起的形式组成。在进行模式识 别时，个体把知觉对象的基本特征与存贮于记忆中的 特征相匹配以作出肯定或者否定的决定。 上上设计 人机界面设计 从特征分析的角度来解释图象的识别 。 该理论把图 象识别过程分为不同的层次 ， 每一层次都有承担不 同职责的特征分析机制 ， 在此被称为魔鬼 （ demon） 。 它们依次进行工作 ， 最终完成对图象的识别 。 由于 有许许多多特征分析机制 （ 魔鬼 ） 在起作用 ， 因此 该模型叫做

10、 “ 泛魔 ” 识别模型或泛魔系统 。 上上设计 人机界面设计 “ 鬼域 ” 假说 上上设计 人机界面设计 第一层： “ 映象鬼 ” （ image demon） ， 它只是记录外界的原始 形象 ， 正和视网膜获得外界刺激的映象一样 。 第二层： “ 特征鬼 ” （ feature demon） 进一步分析这个映象 。 在分析过程中每个特征鬼都去寻找与自己有关的图形特征 。 例 如在识别字母时 ， 每个特征鬼负责报告字母的一种特征及其数 量 ， 象垂直线 、 水平线 、 斜线 、 直角 、 锐角 、 曲线等等 。 “ 认 知鬼 ” （ cognitive demon） 接受特征鬼的反应 。 每

11、个认知鬼只 负责识别一个图形 ， 一个认知鬼识别 A， 而另一个识别 B等等 。 A认知鬼寻找与 A图形有关的特征鬼的反应 ， 当它发现这种特征 时 ， 便开始喊叫 。 它发现的特征越多 ， 喊叫声就越大 。 第三层： “ 决策鬼 ” （ decision demon） 根据许多认知鬼喊叫声 大小 ， 选择叫声最大的认知鬼作为所要识别的图象 。 上上设计 人机界面设计 视错觉 视错觉的产生原因主要有两个：一是人的生理特 征所致，即它与眼的视觉通道的构造有关，以及 与观察不同的物体而发生的变化因素有关；二是 由心理的知觉所致，是知觉恒常性的颠倒，从而 形成“受骗”的现象。 上上设计 人机界面设计

12、 上上设计 人机界面设计 2.4 听觉 2.4.1 听觉刺激和听觉系统 上上设计 人机界面设计 2.4.2音高 、 响度和音色 听觉的主观体验：音高 、 响度和音色分别 对应于物理上声音的三个基本量度：频率 、 强度和振动形式 。 上上设计 人机界面设计 2.4.3 声音的解释 声音的解释与语言的理解完全联系在一起 ， 两种功 能都是在大脑的听觉皮层中完成的 。 为了解释声音 ， 听觉系统必须把输入分成三类： 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 以及用来组成语言的有意义的声音 。 上上设计 人机界面设计 2.4.3 声音的解释 “ 材料一驱动 ” （ dat

13、a driven） ： 对言语材料在感 知水平上进行的加工过程 ， 它是由下而上 （ 从最低的感 觉材料开始 ） 的分析过程 。 概念驱动负责对将出现的材 料 （ 词 、 短语 、 句子 ） 进行预测 ， 使分析过程进行得顺 利； “ 概念一驱动 ” （ conceptually driven） ： 概念一驱 动则相反 ， 它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 。 材料的 驱动则提供据以预测的具体对象 ， 并对预测的错误加以 纠正 。 上上设计 人机界面设计 2.5 记忆和学习 2.5.1 记忆的分类 感觉记忆 短时记忆 长时记忆 上上设

14、计 人机界面设计 在这个阶段中 ， 关于刺激的一定信息就以真实的形 式 （ 即与原初呈现的刺激几乎相同的形式 ） 短暂地 记录在感觉记忆中 。 接着 ， 刺激转化为新的形式 （ 通过模式识别过程 ） ， 并传递到系统的另一个成 分 。 刺激的信息停留在寄存器中 ， 会自动地迅速 “ 衰变 ” ， 保留的时间很短暂 ， 大约秒钟左右； 另一方面 ， 原有的刺激信息也会由于新的刺激信息 进入感觉寄存器而被掩蔽和抹掉 。 感觉记忆 上上设计 人机界面设计 （ 1） 短时记忆的能力是相当有限的 ， 一般为 7 2个 项目 ， 保持的时间一般为 30秒左右 。 短时记忆的信 息容量为 7彼特 。 （ 2

15、） 短时记忆中信息是以信息组块的形式存储的 ， 这些组块包括从简单的字母和数字到复杂的概念和 图像 。 例如记忆 536436326这个数字很难 ， 但如果按 其读音规律分为 536 436 326这样 3组就好记得多； 短时记忆 上上设计 人机界面设计 （ 3）记忆内容的系列位置对短时记忆也有影响。如 果记忆的内容是 7个字母，例如在抄写、读数、计算 机输入等作业中，出现错误的可能性较大的系列位置 是第 5个字母。 （ 4）短时记忆会借助于“复述”的过程，把信息 “长时间”地保存下来 . （ 5）听觉材料的开头和结尾部分比较容易记忆，而 视觉材料的前面部分较之后面部分容易记忆。 上上设计 人

16、机界面设计 长时记忆实际上是一个有关知识的永久性的仓库。 一方面，进入系统的刺激被识别而传递到短时记 忆以后，再转移到长时记忆中，长期地保留在人 的头脑里面，成为我们关于世界的永久性指示； 另一方面，系统在进行加工活动时，要从长时记 忆中提取（检索）有关知识（包括数据和程序）， 以供加工和活动使用。 长时记忆 上上设计 人机界面设计 感觉记忆 模式识别 短时记忆 长时记忆 刺 激 信 息 遗 忘 遗 忘 遗 忘 遗 忘 反 复 提 取 匹 配 认 知 过 程 上上设计 人机界面设计 控制系统 神 经 解 剖 视觉 听觉 触觉 嗅觉 味觉 物 理 世 界 知 识 的 存 储 长时记忆短时记忆感觉

17、记忆检测系统 反应产生 器和输出 行 为 图2.9 人类信息处理模型 上上设计 人机界面设计 记忆 系统 操作的时间 能 力 编码类型 遗忘机制 感觉 记忆 一秒钟的几 分之几 只限于 感受器 所接受 的 瞬时形象记 忆和声象记 忆（直接编 码） 消极的衰 退 短时 记忆 少于一分钟 只有 5-9 个项目 间接编码 消极的衰 退 长时 记忆 一分钟以上 到许多年 很大， 几乎无 限 复杂的编码 干扰、压 抑和遗忘 图 2.10三种记忆形式的特性比较 上上设计 人机界面设计 长时记忆较普遍的分类 （ 塔尔文 ） ： 语义记忆：指对一般知识和规律的记忆 ， 它们与一定的 概念的内涵意义有关 ， 具

18、有层次网络的特点 ， 它在提取时 是以激活态在网络通道上扩散而实现的 。 情节记忆：与一定的时间 、 地点以及事件的具体情景相 联系的记忆 ， 它的信息来自外在的信息源 ， 但是它要被储 存在长时记忆中又需要有一定编码的过程 ， 因而情节记忆 的痕迹是内外信息源相互作用的混合物 ， 需要语词代码和 意象代码的参加 。 所以情节记忆信息的提取是一个较复杂 的过程 ， 是一种基于信息模式的相似性匹配的记忆和再认 知的过程 。 上上设计 人机界面设计 界面设计 尽量减少必须学习的信息总量 。 当学习是无法避免 时 ， 用记忆线索来帮助回忆 。 第二个人机交互的原理是一致性 ， 它对记忆和学习 是很重

19、要的 。 某事物的一致性越好 ， 就越容易感知事物 内部的组成模式 ， 因而越容易学习它的结构和特性 。 人 是一个很好的模式识别和联想的机器 ， 任何事物只要有 助于建立模式就能够帮助减轻记忆负荷 。 上上设计 人机界面设计 2.6 人脑信息处理的某些特征 有选择性：有实验证明 ， 在十分之一秒时间内 ， 成人 一般能注意到 8个左右的黑色圆点或 4 6个没有联系的外 文字母 。 另外 ， 通常我们很难同时完成两个或两个以上的 心理任务 。 顺序性：资源分配 人的注意力除了受外界刺激物的特点 、 人的精神状态 影响之外 ， 还受任务的难度 、 个人的兴趣和动机的影响 。 2.6.1 注意 上

20、上设计 人机界面设计 2.6.2 学习迁移 （ 1）先学的干扰 （ 2）后学的干扰 上上设计 人机界面设计 计算机信息系统 人的信息系统 存储器 寄存器（ register） 主存储器（ RAM） 外存储器（ disk tape等） 感觉记忆 短时记忆 长时记忆 书本、图片 输入设备 键盘 触屏 声音识别设备 鼠标 眼睛 耳朵 感觉器官 输出设备 显示器 声音设备 打印机 绘图仪 手 声音 眼动 姿势 处理器 操作系统 编译器 应用程序 可执行的控制单元 模式识别 知识和技能 计算机系统与人的信息系统比较 上上设计 人机界面设计 2.6.3人的易出错性 信号太弱； 人没有执行人机系统中分配给他

21、的功能； 人由于识别错误而执行了分配给他的功能； 按错误的顺序或时间执行了分配给他的功能； 执行了未分配给他的功能。 上上设计 人机界面设计 我们可以在主 、 客观两方面采取措施 。 主观方面 ， 增强人的责任心 、 增加训练 、 提高人员素质 。 客观 方面 ， 可以在人 、 机 、 环境及管理上加以改善 。 （ 1） 人方面：处理好人际关系 ， 明确分工； （ 2） 机器方面：提供优良的人机界面 ， 例如配置 适合于用户操作 、 使用 、 管理的显示器和操作器等； （ 3） 环境：提供适宜的温度 、 湿度 、 照明 、 无噪 声等的作业环境 ， 合理安排忙作业期内操作人员的 休息等； （

22、4） 管理：对人机系统及整个作业的安全管理 。 避免出错 上上设计 人机界面设计 把注意力引向用户需要的信息和要采取的行动上 避免同时对注意力过多竞争的设计 ， 否则会超出认知 处理器的处理能力 ， 从而导致人体机器的失灵和故障 。 通 常它是由于紧张和任务失败所造成的 ， 界面设计者的任务 就是不要使计算机系统成为引起紧张的因素 。 家庭生活 、 社会关系 、 经济问题等等 。 界面设计 上上设计 人机界面设计 2.6.2 疲劳 （ Fatigue） （ 1） 注意失调 。 即注意容易分散 、 怠慢 、 少动；或者正相 反 ， 产生杂乱无章 、 好动 、 游移不定 。 （ 2） 感觉失调：参

23、与活动的感觉器官的却能紊乱 。 如果一 个人不间歇地长时间读书 ， 会感到眼前的文字变得模糊不清 。 又例如 ， 手的工作时间过长 ， 会导致触觉和运动知觉敏感性 的减弱 。 （ 3） 动觉紊乱：动作节律失调 ， 动作滞缓或者忙乱 ， 动作 不准确 、 不协调 ， 动作自动化程度减低 。 （ 4） 记忆和思维故障：忘记与工作有关的操作规程 ， 而对 与工作无关的东西则熟记不忘 ， 理解能力降低 ， 头脑不够清 醒 。 （ 5） 意志衰退：人的决心 、 耐性和自我控制能力减退 ， 缺 乏坚持不懈的精神 。 上上设计 人机界面设计 日本学者桥本邦卫将大脑觉醒水平分为 5个等级， 其研究资料表明：人

24、在精力充沛状况下，大脑处于 常态而清醒，有随机处理和准确决策能力，其工作 可靠度在 0.999999以上；当机体出现疲劳、困倦和 轻睡状态时，大脑处于常态以下意识模糊，此时极 易失误、出事故，其工作可靠度在 0.9以下。 上上设计 人机界面设计 疲劳状态的神经生理模型 上上设计 人机界面设计 疲劳的测定 （ 1） 完成作业的数量和质量 。 （ 2） 疲劳的主观感觉 。 （ 3） 脑电图 。 （ 4） 闪光融合频率 。 （ 5） 手眼协调 。 （ 6） 脑力 。 上上设计 人机界面设计 作 业 效 能 低 觉醒状态 高 高 觉醒-效能曲线 上上设计 人机界面设计 界面设计 保证在执行长时间的连续

25、任务期间有适当的休息间 隔 ， 使用户的心理疲劳得以恢复 。 避免单调乏味的 、 无刺激性的任务 ， 如果无法避免 ， 则应采取高频率的休息间隙 ， 从而缓解因被迫完成无 兴趣的任务而引起的精神紧张 。 疲劳还有可能是因为感觉因素而引起的 。 强刺激 ， 如强光 、 艳丽的色彩 、 强噪音都能引起感官的超负荷 ， 从而产生疲劳 ， 所以人机界面设计者应该避免使用太 多的强刺激 。 上上设计 人机界面设计 2.7 认知心理学中的人机比较 如要让计算机模拟人的认知活动 ， 即要能够 做到把人的认识活动规律写成计算机能接受的 程序 ， 则必须是要么认知活动本身就是规则十 分严格 、 能够用符号和数学

26、方式表达的 ， 要么 只好把认知活动的规则简单化 、 形式化 、 符号 化 。 上上设计 人机界面设计 IBM的 “ 深蓝 ” 能能否打败卡斯帕罗夫 ？ 2.7 认知心理学中的人机比较 国际象棋 2步 150万种 7步 3514种国际 围 棋 2步 16亿种 7步 20014种 我国中科院计算所推出的曙光 2000-I超级服务器 ， 其峰值运算速度达到每秒 200亿次浮点运算 。 7步 ： 时间 T 20014/20000000000/3600/365=259766615930999年 上上设计 人机界面设计 用计算机完全来模拟人的心里行为 ， 目前 还十分困难 。 2.7 认知心理学中的人机比较