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人機介面 人類的視覺與記憶系統

人機介面 人類的視覺與記憶系統. 授課 教師 : 廖文宏 開課 單位 : 政大資科系. Outline. 人類的視覺系統 (Human visual system) 認知模型 Models of human performance (MHP) Memory ( 記憶模型 ). 研究動機. 必須了解人機介面中 ” 人 ” 的特性與極限，才能設計出最適用的產品 本單元將討論人的視覺系統及記憶模型。 視覺系統中的顏色感知，在界面設計中扮演重要的角色，是討論的重點之一。

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Presentation Transcript

  1. 人機介面人類的視覺與記憶系統 • 授課教師:廖文宏 • 開課單位:政大資科系

  2. Outline • 人類的視覺系統 (Human visual system) • 認知模型 Models of human performance (MHP) • Memory(記憶模型)

  3. 研究動機 • 必須了解人機介面中”人”的特性與極限，才能設計出最適用的產品 • 本單元將討論人的視覺系統及記憶模型。 • 視覺系統中的顏色感知，在界面設計中扮演重要的角色，是討論的重點之一。 • Model Human Processor (MHP)認知模型與其運作方式，是本單元的另一項重點主題。

  4. 可見光頻譜 Visible Spectrum

  5. 眼球剖面圖 • 光線穿透過水晶體(lens)，聚焦在視網膜 (retina)

  6. 視網膜 (Retina) • 視網膜上佈滿了感光的接收器 (photo receptors) • Rods(柱狀體) • 分辨灰階，但無法分辨色彩 • 感應動作與夜間視覺 • 對較大範圍頻譜的光有所感應 • Cones(錐狀體) • 感應顏色

  7. 分布情形 • 視網膜的中心有許多的錐狀體 (視線中心範圍有較佳的敏銳度, acuity) • 柱狀體分布在除了中心部分的其他範圍(可以用眼睛餘光偵測周遭動靜)

  8. 色彩視覺感知 • 色彩視覺是透過光色素 (photopigments) 的感測作用 • 共有三類，分別對短、中與長波敏感的椎狀光色素(S-cone, M-cone, L-cone)，感應最靈敏的波長約在420nm(藍色), 530nm(綠色) 與560nm(紅色，其實是比較接近黃色) • 每種光色素各有其作用範圍，集合起來的結果就變成眼中看到的顏色

  9. 色彩敏感度

  10. 光色素細胞的分布狀況 • S,M,L 這三類的光色素細胞並非均勻分布。 • Scone (藍色的感光細胞) 比例 <10%, 分布於非視網膜中心區域(outside fovea，中央凹之外)，表示人類對對短波長的光較不敏感。 • 隨著年齡增長，水晶體黃化， 吸收更多短波長的光線(亦即藍色光範圍)，又減弱了藍光的吸收程度。 • 用色建議:字體或物件很小時，勿使用藍色。

  11. RGBto Gray 轉換公式 gray= 0.299*R+ 0.587*G + 0.114*B • 上述公式顯示，如果兩個顏色差異在藍色部分，轉成灰階時，效果將被減弱。 • 舉例:C1= (100, 0, 200), C2= (100, 0, 100), C3=(100,100,200) • RGB color difference: drgb(C1,C2)=100, drgb(C1,C3)=100 • Gray level difference: dgray(C1,C2)=11.4, dgray(C1,C3)=58.7.

  12. 對焦 • 不同波長的光會聚焦在離眼球水晶體不同距離的位置 • 當影像中有不同顏色組合，需要不斷調整焦距，可能導致眼睛的疲累 • 飽和色(saturated) 比非飽和色(desaturated)更需調焦 • 用色建議: 使用者介面設計中盡量少採用飽和色，除非要讓該物件十分醒目(如警告標誌)

  13. 色盲 Color Deficiency • 又稱 color blindness:指無法分辨某些顏色,嚴重者甚至無法辨識任何顏色 • 只有極少人是完全的色盲，因此也有些人建議使用 “色弱”這個名詞 • 色盲影響8%的男性及0.04%的女性 • 紅-綠色盲最為常見 • 用色建議:介面設計在用色時需考慮有色弱的使用者，因此不要僅使用單一顏色的差異來標示不同屬性的物件。

  14. 色盲測試

  15. 和諧色模型 • Hue histogram 分布符合以下類型

  16. 用色建議:小結 • 須考量眼睛對不同波長範圍的光線有不同的敏感度問題 • 須考量年長使用者對光線亮度的需求 • 物件邊緣差異如僅有顏色部分，效果較不顯著 • 須考量一般人對藍色光範圍較不敏感的現象 • 須考量使用飽和色時須不斷調整焦距的問題 • 須考慮若干使用者有色盲或色弱的狀況

  17. Why Model Human Performance? • 理解認知過程 • 預測新科技的影響

  18. Long-term Memory Working Memory sensory buffers Visual Image Store Auditory Image Store Eyes Motor Processor Cognitive Processor Perceptual Processor Ears Fingers, etc. The Model Human Processor • 由Card, Moran, & Newell (1983) 提出 • based on empirical data

  19. MHP 基礎概念 • 運作方式有時是序列式(serial)，有時是平行處理。(parallel) • 舉例: • 根據刺激按燈號反應 (serial) • 邊開車，邊注意路上號誌，邊聽音樂 (parallel) • 參數Parameters • 處理器的周期時間 (cycle time): 大約100-200 ms • 記憶有其容量、衰減期與類別

  20. MHP 沒有納入的部分 • 觸覺記憶 (Haptic memory) • 如何從sensory memory 搬移至 WM • 透過 attention filters stimuli & passes to WM • 如何從 WM 搬移至to LTM • Elaboration(反覆演練)

  21. 記憶 • 工作(短期) 記憶 Working memory (short term) • 容量小 (7 ± 2 “chunks”) • 0229393091 vs. (02) 2939-3091 • DECIBMGMC vs. DEC IBM GMC • 存取速度較快 (~ 70ms)，相對地，衰減也快 (~200 ms) • 若持續取用的將會被pass 到 Long Term Memory • 長期記憶 (Long-term memory) • 容量大 (if not “unlimited”) • 存取速度較慢(~100 ms)，但衰減也較慢

  22. MHP 運作原理 • 認知-行動循環 (Recognize-Act Cycle) • 每個循環中， 在工作記憶體的內容會根據其與長期記憶的連結而啟動相關行動 • 這些行動進而改工作記憶體的內容，依此循環。 • Discrimination Principle: • 存取記憶的難易度和 線索(retrieval cue)有直接的關係 • 當有一個以上的強烈線索，兩者會互相干擾(請見下頁實驗)

  23. 簡單實驗(一) • 找一個自願者 • 看到下一頁投影片中出現的文字時，依序念出這些字的顏色(越快越好) • 結束時喊停 • 其他同學幫忙計時

  24. 紙張 家庭 電腦 書籍 螢幕 改變

  25. 簡單實驗(二) • 用下一頁的投影片，重複一次實驗，比較與第一次實驗所花的時間。

  26. 黃色 白色 黑色 藍色 紅色 綠色

  27. 費茲定律 (Fitts’ Law) • 公式定義如下: T = a + blog2 (D/S + 1) 其中 T 為移動所需時間，D是移動起點至目標物的距離，S是目標物大小， a 和 b是兩個常數。 • D/S 被看成是相對精確度 (relative precision )，也就是移動所需時間由相對精確度來決定。

  28. 費茲定律 (Fitts’ Law)的實驗 • http://jareddonovan.com/programming/fitts_law/index.html

  29. Pop-up Linear Menu Pop-up Pie Menu Today Sunday Monday Tuesday Wednesday Thursday Friday Saturday Fitts’ Law 的實例討論(一) • 根據Fitt’s law，哪一個menu選項較有效率?

  30. Fitts’ Law 的實例討論(二) • Windows /Mac 作業系統的工作列，均放置在視窗的底部或側邊，何故? • 因滑鼠(或其他 pointing device)移到底部或側邊時就不能再移動，可以把該target 視為無限延伸，即Sinfinity

  31. Perception感知 • 發生在同一感知處理循環(Perceptual Processor cycle)的刺激會被融合成一個單一概念 • 舉例: 電影的frame rate 最低要多少，看起來才會有真實(連續)感? • time for 1 frame < Tp (100 msec) -> 10 frame/sec.(至少每秒 10個畫格)

  32. 知覺因果(Perceptual Causality) • 兩個不同的刺激可以被融合在一起，假設前個事件是觸發後者的原因 • 前提是這兩個必須發在同一個 cycle (兩個 事件發生時間不能距離太久)

  33. Perceptual Causality 實例解說 • 母球撞擊到紅球後，紅球至少要在多少時間內移動，才會被解讀成是白球造成紅球移動? • 答案:Tp (100 msec) 之內

  34. Sensory Image Store Working Memory Long Term Memory maintenance rehearsal chunking / elaboration decay, displacement decay decay? interference? 記憶階段理論 (Stage Theory) • Working memory 空間有限、衰減快 • 透過 Maintenance rehearsal – rote repetition 可以將內容從 WM 轉移到 LTM，但是效果有限 • 透過Chunking / elaboration，有組織化地將資訊轉移至LTM(和已知的項目作連結，效果較佳)

  35. Design UIs for Recognition over Recall • Recall(記憶) • 必須記得指令，使用不便。 • Recognition(辨識) • 列舉選項，供使用者選擇 • 使用者較容易根據過去經驗，進行項目的選擇。

  36. Human Abilities 總結 • 顏色在人機介面設計中扮演重要角色，須注意: • 顏色組合(和諧色) • 人類的視覺系統特性與限制 • 色弱的使用者 • Model Human Processor • 包含perceptual, motor, cognitive processors + memory • MHP 模型協助我們作預測 • 記憶(Memory) • 三大類型: sensor, WM, & LTM • 線索互相干擾時，存取 LTM會變慢 • WM 有正確的線索時，取得LTM資訊變得較容易。

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