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復(fù)雜信息系統(tǒng)環(huán)境中人機界面的信息容量巨大、結(jié)構(gòu)關(guān)系錯綜復(fù)雜,容易造成界面信息編碼與人類認(rèn)知機理之間的不平衡。復(fù)雜信息系統(tǒng)中的超視距全局態(tài)勢顯示人機界面是系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。而擺脫了硬件表盤限制的設(shè)計師,可以通過以數(shù)字界面為基礎(chǔ)的多通道交互方式,為界面設(shè)計打開創(chuàng)意的大門。本書以復(fù)雜信息系統(tǒng)人機界面需求為導(dǎo)向,以均衡認(rèn)知負(fù)荷為研究目的,通過設(shè)計編碼手段及實驗驗證,提出了提高人機交互效率、降低人為失誤的設(shè)計方法和理論。

實現(xiàn)人機界面認(rèn)知負(fù)荷的均衡需要注意的是:認(rèn)知負(fù)荷的過高或過低都會對人的信息加工能力造成負(fù)面的影響,降低操作者的反應(yīng)速度和正確性,乃至系統(tǒng)任務(wù)的效率。針對上述兩大方向的問題,本書在分析國內(nèi)外人機界面認(rèn)知負(fù)荷問題及研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,運用理論研究、實驗觀察、原型開發(fā)和實例驗證相結(jié)合的方法,圍繞均衡認(rèn)知負(fù)荷的理論基礎(chǔ)、方法和優(yōu)化策略展開研究。首先,通過研究人機界面信息編碼的設(shè)計信息編碼和大腦信息解碼兩階段過程,找到大腦信息解碼與認(rèn)知負(fù)荷的關(guān)系；綜合人機界面中認(rèn)知負(fù)荷的來源、分類、資源消耗和層次結(jié)構(gòu),構(gòu)建認(rèn)知負(fù)荷與設(shè)計元素的關(guān)聯(lián)；以工作記憶為突破口,最終提出均衡認(rèn)知負(fù)荷的結(jié)構(gòu)及關(guān)系框架,為論文后述的方法研究提供了理論依據(jù)。其次,根據(jù)均衡認(rèn)知負(fù)荷的結(jié)構(gòu)及關(guān)系框架模型,從工作記憶容量、客體工作記憶和空間工作記憶能力三部分內(nèi)容出發(fā),尋找均衡認(rèn)知負(fù)荷的信息編碼規(guī)律。一方面,基于復(fù)雜信息系統(tǒng)的任務(wù)特征及視覺認(rèn)知特點,實驗獲取不同時間壓力的水平等級；結(jié)果應(yīng)用于認(rèn)知容量實驗,獲得不同時間壓力下的顏色、形狀編碼閾值,建立不同時間壓力下的信息編碼原則。另一方面,針對覺察和分辨負(fù)荷,對于顏色和形狀編碼,利用時間相關(guān)性原理、注意捕獲理論和辨別任務(wù)實驗,建立視覺感知層次性的客體信息編碼原則；針對理解、獲取和預(yù)測負(fù)荷,對于布局和可視化結(jié)構(gòu)編碼,利用時空接近性原理、空間構(gòu)型原則和背景線索效應(yīng)的視覺搜索眼動實驗,建立視覺感知次序性的空間信息編碼原則。最后,綜合系統(tǒng)設(shè)計、以活動為中心的設(shè)計、感知層次和感知次序編碼理論方法,構(gòu)建人機界面的信息編碼層次結(jié)構(gòu)、均衡認(rèn)知負(fù)荷的編碼原則和方法；從提高認(rèn)知能力和績效方面考慮,應(yīng)用顏色感知分層原則進(jìn)行了計算機輔助設(shè)計原型開發(fā)；根據(jù)提出的信息編碼結(jié)構(gòu)、流程、原則和方法,進(jìn)行專題界面的設(shè)計和認(rèn)知負(fù)荷評估實驗,通過眼動實驗結(jié)果驗證了本書提出的信息編碼方法和框架的有效性和可行性。

本書從降低認(rèn)知負(fù)荷過載所帶來的事故風(fēng)險和減少認(rèn)知負(fù)荷過低所導(dǎo)致的人因失誤兩個方面,提出了均衡認(rèn)知負(fù)荷水平的設(shè)計元素的選取和編碼的定量和定性的原則,為復(fù)雜信息系統(tǒng)人機交互領(lǐng)域解決認(rèn)知負(fù)荷問題提供了信息編碼方法和實驗方法,為認(rèn)知負(fù)荷失衡的人機界面問題提供了有效的研究思路和方向。從設(shè)計角度為提升我國復(fù)雜信息系統(tǒng)多維數(shù)字化人機交互環(huán)境下的人員認(rèn)知能力和決策判斷的可靠性做出了積極的貢獻(xiàn)。

感謝薛澄岐老師、王海燕老師、徐江老師在我學(xué)習(xí)、課題研究及論文寫作過程中,給予的關(guān)心、指導(dǎo)與鼓勵。謹(jǐn)向各位恩師致以最誠摯的感謝和最崇高的敬意,感謝各位恩師在學(xué)習(xí)上誨人不倦的教導(dǎo)與鼓勵,在生活上無微不至的關(guān)懷與照顧。感謝實驗室已經(jīng)畢業(yè)的各位學(xué)長學(xué)姐,同級的陳默、吳曉莉、牛亞峰、沈張帆、邵將,以及學(xué)弟學(xué)妹們給予我學(xué)習(xí)與生活中的支持與幫助。

著者2018年3月

1緒論(1)

1.1研究背景及意義(1)

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀(4)

1.3課題研究內(nèi)容(10)

1.4本書撰寫安排(12)

1.5本書結(jié)構(gòu)(13)

本章小結(jié)(14)

2基于認(rèn)知負(fù)荷的信息編碼機理分析(15)

2.1信息編碼研究(15)

2.1.1信息編碼過程(15)

2.1.2設(shè)計信息編碼(16)

2.1.3大腦信息解碼(18)

2.2認(rèn)知負(fù)荷的產(chǎn)生原因及原理(22)

2.2.1概念的提出(22)

2.2.2認(rèn)知負(fù)荷的影響因素(23)

2.2.3認(rèn)知負(fù)荷的分類及特性(24)

2.3人機界面認(rèn)知負(fù)荷的結(jié)構(gòu)(25)

2.3.1注意和記憶與認(rèn)知負(fù)荷的關(guān)系(25)

2.3.2基于認(rèn)知階段資源消耗的認(rèn)知負(fù)荷(26)

2.3.3人機界面認(rèn)知負(fù)荷的層次結(jié)構(gòu)(27)

2.3.4人機界面認(rèn)知負(fù)荷與設(shè)計元素的關(guān)系(28)

2.4現(xiàn)有控制認(rèn)知負(fù)荷的信息編碼手段(32)

2.4.1信源編碼(33)

2.4.2設(shè)計層信道編碼(33)

2.4.3顯示層信道編碼(33)

2.4.4大腦層信道編碼(33)

2.4.5信宿編碼(34)

2.5認(rèn)知負(fù)荷的均衡策略(34)

2.5.1人機界面認(rèn)知負(fù)荷失衡問題(34)

2.5.2認(rèn)知負(fù)荷的均衡基礎(chǔ)和原理(37)

2.5.3均衡認(rèn)知負(fù)荷的信息編碼方法(38)

2.5.4均衡認(rèn)知負(fù)荷的信息編碼總體架構(gòu)(42)

本章小結(jié)(44)

3基于時間壓力的信息編碼研究(45)

3.1概述(45)

3.2時間壓力(47)

3.2.1時間壓力的影響(47)

3.2.2時間壓力的水平(47)

3.3時間壓力的獲取(48)

3.3.1傳統(tǒng)的時間壓力獲取方法(48)

3.3.2生理技術(shù)獲取方法(48)

3.3.3獲取時間壓力水平的實驗研究(49)

3.4均衡時間壓力的認(rèn)知容量實驗(51)

3.4.1視覺認(rèn)知容量的研究現(xiàn)狀(51)

3.4.2實驗方法(51)

3.4.3實驗材料(52)

3.4.4實驗程序(53)

3.5實驗結(jié)果和分析(54)

3.5.1視覺認(rèn)知績效和反應(yīng)時分(54)

3.5.2視覺認(rèn)知容量分析(55)

3.5.3編碼方式與視覺認(rèn)知容量/速度之間的關(guān)系(56)

3.5.4實驗結(jié)果驗證分析(57)

3.5.5實驗結(jié)論(58)

本章小結(jié)(58)

4基于感知分層的信息編碼研究(59)

4.1概述(59)

4.2感知分層方法的理論基礎(chǔ)(59)

4.2.1時間相關(guān)性原理(59)

4.2.2注意捕獲理論(60)

4.2.3辨別任務(wù)范式(61)

4.3信息編碼與視覺感知分層(61)

4.3.1顏色編碼與視覺感知分層(61)

4.3.2形狀編碼與視覺感知分層(63)

4.4顏色編碼的層次性感知實驗(64)

4.4.1實驗方法(64)

4.4.2實驗內(nèi)容(65)

4.4.3實驗程序(65)

4.4.4實驗結(jié)果和分析(67)

4.4.5驗證實驗(71)

4.4.6實驗結(jié)論(72)

4.5形狀編碼的注意捕獲實驗(73)

4.5.1實驗方法(73)

4.5.2實驗內(nèi)容(73)

4.5.3實驗程序(76)

4.5.4實驗結(jié)果和分析(77)

4.5.5實驗討論(86)

4.5.6實驗結(jié)論(88)

本章小結(jié)(89)

5基于感知次序的信息編碼研究(90)

5.1概述(90)

5.2感知次序方法的理論基礎(chǔ)(91)

5.2.1時空接近性原理(91)

5.2.2空間構(gòu)型原則(91)

5.2.3背景線索效應(yīng)的視覺搜索范式(92)

5.3信息編碼與視覺感知次序(93)

5.3.1布局編碼與視覺感知次序(93)

5.3.2可視化結(jié)構(gòu)編碼與感知次序(94)

5.4布局編碼的感知實驗(96)

5.4.1實驗方法(96)

5.4.2實驗?zāi)繕?biāo)(97)

5.4.3實驗內(nèi)容(97)

5.4.4實驗數(shù)據(jù)分析(100)

5.4.5實驗討論和結(jié)論(110)

5.5可視化結(jié)構(gòu)編碼的感知實驗(115)

5.5.1實驗方法(115)

5.5.2實驗?zāi)繕?biāo)(116)

5.5.3實驗內(nèi)容(117)

5.5.4實驗數(shù)據(jù)分析(118)

5.5.5實驗討論和結(jié)論(127)

本章小結(jié)(129)

6均衡認(rèn)知負(fù)荷的信息編碼方法(130)

6.1均衡認(rèn)知負(fù)荷的信息編碼層次結(jié)構(gòu)(130)

6.2均衡認(rèn)知負(fù)荷的信息編碼原則(131)

6.2.1信息過濾原則(132)

6.2.2信息凸顯原則(132)

6.2.3構(gòu)建視覺感知的結(jié)構(gòu)化和層次化(133)

6.2.4構(gòu)建視覺感知的次序化和整體化(134)

6.3視覺感知分層編碼方法(135)

6.3.1方法原理(135)

6.3.2層次性認(rèn)知和層次化意義(136)

6.4視覺感知次序編碼方法(137)

6.4.1方法原理(137)

6.4.2一致性認(rèn)知和次序化意義(138)

6.5基于感知分層的人機界面顏色輔助設(shè)計原型開發(fā)(139)

6.5.1色彩的感知分層(140)

6.5.2系統(tǒng)功能分析(140)

6.5.3系統(tǒng)應(yīng)用分析(141)

6.5.4程序技術(shù)平臺(142)

6.5.5原型系統(tǒng)的操作步驟(145)

本章小結(jié)(150)

7專題界面設(shè)計與眼動實驗分析(152)

7.1概述(152)

7.2專題界面設(shè)計(152)

7.2.1概念層次特征及任務(wù)流程(152)

7.2.2信息層的信息架構(gòu)模式(154)

7.2.3信息層到視覺層的映射(156)

7.2.4視覺層導(dǎo)航結(jié)構(gòu)設(shè)計(158)

7.2.5界面設(shè)計方案(160)

7.3專題界面眼動評估實驗(162)

7.3.1實驗設(shè)備及環(huán)境(162)

7.3.2實驗材料及被試(162)

7.3.3實驗任務(wù)(163)

7.3.4實驗程序(164)

7.3.5實驗1數(shù)據(jù)處理和分析(165)

7.3.6實驗2數(shù)據(jù)處理和分析(169)

7.3.7實驗結(jié)論(172)

本章小結(jié)(174)

8總結(jié)和展望(175)

8.1總結(jié)(175)

8.2后續(xù)工作展望(177)

附錄A華東四省一市汽車4S店GIS軟件監(jiān)控系統(tǒng)原型設(shè)計方案(178)

附錄B實驗數(shù)據(jù)(188)

附錄CAesthete人機界面顏色輔助設(shè)計軟件說明書(204)

參考文獻(xiàn)(206)