人机工程学

人机工程学 人机工程学安全工程系

第四章　显示装置设计　　　　

第四章　显示装置设计主要内容 人的感觉知觉特性显示装置的类型与设计显示仪表的设计（高起专了解）信号显示设计（高起专了解）图形符号设计听觉传示设计（高起专了解）中国地质大学安全工程系

本章重难点介绍 　　本章重点在于了解掌握显示仪表设计的基本知识、基本原则，以及简单的显示仪表设计。　　其中，以下内容是要求掌握的重点：人的感觉知觉特性、显示装置的类型与设计、图形符号设计。　　其余的几部分，显示仪表的设计、信号显示设计、听觉传示设计由于涉及过深，对于高起专而言只要求了解。中国地质大学安全工程系

第一节　人的感觉知觉特性 主要内容感觉与知觉感觉器官与感觉类型感觉的基本特征知觉的基本特征视觉机制视觉特征听觉特性中国地质大学安全工程系

1.1　感觉与知觉基本定义 基本定义：　　感觉是有机体对客观事物的个别属性的反映，是感觉器官受到外界的光波、声波、气味、温度、硬度等物理与化学刺激作用而得到的主观经验。　　知觉是人对事物的各个属性、各个部分及其相互关系的综合的整体的反映。中国地质大学安全工程系

1.2　人的感知响应过程 　　人的感知响应过程　　感知响应过程的顺序，依次由以下部分组成和起作用：中国地质大学安全工程系

1.3　人的神经系统结构图 人的神经系统结构中国地质大学安全工程系

1.4　感觉器官与感觉类型 　　人依靠感觉器官时时刻刻接受外界环境中的和人体自身状况的信息。　　各种外界信息以不同类型的物理量呈现，心理学中把呈现的各种物理量称为刺激。中国地质大学安全工程系

1.5　人体感觉类型与感觉器官表 中国地质大学安全工程系

1.6　感觉的基本特征----感受性和感觉阈限 　　从人的感觉阈限来看，刺激本身必须达到一定强度才能对感受器官发生作用。　　一种感受器官只能接受一种刺激和识别某一种特征。中国地质大学安全工程系

1.6.1　感受性和感觉阈限 　　同时有多种视觉信息或多种听觉信息，或视觉与听觉信息同时输入时，人们往往倾向于注意一个而忽视其它信鼬果同时输入的是两个强度相同的听觉信息，则对要听的那个信息的辨别能力将下降50%，并且只能辨别最先输入的或是强度校大的信息。　　感觉器官经过连续刺激一段时间后，敏感性会降低，产生适应现象。中国地质大学安全工程系

1.7　知觉的基本特征 　　人的知觉一般分为空间知觉，时间知觉，运动知觉与社会知觉等，它们有如下共同特征：　　　　　　　知觉的整体性　　　　　　　知觉的理解性　　　　　　　知觉的恒常性　　　　　　　知觉的选择性中国地质大学安全工程系

1.8　视觉机制（1） 　产生视觉的视网膜是由杆状和锥状两种感光细胞构成的。　与视轴对应的视网膜称为黄斑，黄斑处锥状细胞的密度最高。在视网膜周围，锥体细胞的密度则较少，而杆状细胞的数量却较多。中国地质大学安全工程系

1.8　视觉机制（2） 　　起暗视作用的杆状细胞，只在低照度下起作用，但不能感受颜色。而起明视作用的锥状细胞，不但能感受颜色，且有较高的视觉的敏感性，即能表现出精细的视觉，但在低照度下却不起作用。　　黄斑处具有最高的分辨细微物体的能力和色觉能力。人在注视物体时，会本能地转动眼睛，其目的就在于使物像落在黄斑散上，以便于识别。中国地质大学安全工程系

1.8　人眼球的基本结构图(3) 人眼球的基本结构中国地质大学安全工程系

1.9　视觉机制 主要视觉机制：波长和强度效应强度效应视角视力视野视距色觉中国地质大学安全工程系

1.9.1　波长 　　波长和强度效应　　视觉是电磁波刺激人眼视网膜细胞时引起的。一般光源都包含多种波长的电磁波，称为多色光。将不同波长的光混合起来，可以产生各种不同颜色，所有不同波长的可见光混合起来则产生白色。人眼可分辨的光色约有120多种。中国地质大学安全工程系

1.9.2　强度效应 　　所谓强度效应是指光的刺激强度只有达到一定数量才能引起视感觉的特性。因此，可见光不仅可以用波长来表示，也可以用强度来表示。光的强度可用照射在某平面上的光通量，即照度来表示，其单位是勒克司。中国地质大学安全工程系

1.9.3　视角 　　视角　　视角是由瞳孔中心到被观察物体两端所张开的角度。在一般照明条件下，正常人眼能辨别5m远处两点间的最小距离，其相应的视角为1，即能够分辨的最小物体的视角定义该视角为最小视角。人眼辨别物体细部分的能力是随着照度及物体与背景的对比度的增加而增加。中国地质大学安全工程系

1.9.4　视力 　　视力　　视力是表征人眼对物体细部识别能力的一个生理尺度，以最小视角的倒数表示。　　检查人眼视力的标准规定，最小视角为1时，视力等于1.0，此时视力为正常。随着年龄的增加，视力会逐渐下降，所以作业环境的照明设计应考虑工作者年龄的特点。中国地质大学安全工程系

1.9.5　视野分类 视野视野是指人眼能观察到的范围，一般以角度表示。视野按眼球的工作状态可分为： ①静视野——在头部固定、眼球静止不动的状态下自然可见的范围； ②注视野——在头部固定，而转动眼球注视某一中心点时所见的范围； ③动视野——头部固定而自由转动眼球时的可见范围。中国地质大学安全工程系

1.9.5.1　三种视野 　　视野　　在人的三种视野中，注视范围最小，动视野范围最大。　　动视野最佳值=静视野最佳值+眼球可轻松偏转的角度(头部不动) 　　注视野最佳值=动视野最佳值+头部可轻松偏转的角度(躯干不动) 中国地质大学安全工程系

1.9.5.2　视野 　　视野　　在视野边缘上，人只能模糊的看到有无物体存在，但辨不清其详细形状。能够清楚辨认物体形状的视野为有效视野。静视野的有效视野是以视中心线为轴，上30度，下40度，左右各为15度～20度；其中在中心3度以内为最佳视野区。　　人眼在不同颜色刺激下的色觉视野是不同的，称为色觉视野。人眼对白色视野最大，对黄、蓝、红色依次减小，而对绿色视野最小。中国地质大学安全工程系

1.9.5.3　最佳静视野图 静视野最佳静视野 a)最佳的水平直接视野（双眼） b)最佳的垂直直接视野中国地质大学安全工程系

1.9.5.4　最佳动视野图 动视野最佳动视野 a)最佳的水平动视野(双眼) b)最佳的垂直动视野中国地质大学安全工程系

1.9.5.5　最佳注视野图 注视野 • 最佳注视野 • a)最佳的水平注视野(双眼) b)最佳的垂直注视野中国地质大学安全工程系

1.9.6　视距 　　视距　　视距是指人在控制系统中正常的观察距离。观察各种显示仪表时，若视距过远或过近，对认读速度和准确性都不利，一般应根据观察物体的大小和形状在380～760mm之间选择最佳视距。中国地质大学安全工程系

1.9.7　色觉 　　色觉　　色觉是一种复杂的生理心理现象。人们能感受到达各种不同的颜色，是由于可见光中不同波长的光线作用于人眼视网膜上，并在大脑中引起主观印象的缘故。　　一种颜色可以由一种波长光线作用而引起，如红、绿、蓝等，称为原色。也可由两种或多种波长的光线混合作用而引起。中国地质大学安全工程系

1.10　视觉特征 人眼视觉特征：暗适应与明适应眩光视错觉视觉损伤视觉疲劳视觉的运动规律中国地质大学安全工程系

1.10.1　明暗适应 　　人眼视觉特征：　　暗适应与明适应　　暗适应——暗适应是指人从光亮处进入黑暗处时，开始时一切都看不见，需要经过一定时间以后才能逐渐看清被视物的轮廓。暗适应的过渡时间较长，约需要30min才能完全适应。　　明适应——明适应是指人从暗处进入亮处时，能够看清视物的适应过程，这个过渡时间很短，约需1min，明适应过程即趋于完成。中国地质大学安全工程系

1.10.2　眩光(1) 　　眩光　　当人的视野中有极强的亮度对比时，由光源直射出或由光滑表面的反射出的刺激或耀眼的强烈光线，称为眩光。眩光可使人眼感到不舒服，使可见度下降，并引起视力的明显下降。　　眩光造成的有害影响主要有：使暗适应破坏，产生视觉后象；降低视网膜上的照度；减弱观察物体与背景的对比度；观察物体时产生模糊感觉等，这些都将影响操作者的正常作业。中国地质大学安全工程系

1.10.2　眩光引起因素(2) 　　引起眩光的物理因素主要有：　　周围的环境较暗；光源表面或灯光反射面的亮度高；光源距视线太近；光源位于视轴上下左右30度范围内；在视野范围内，光源面积大、数目多；工作物光滑表面（如电镀、抛光、有光漆等表面）的反射光；强光源（如太阳光）直射照射；亮度对比度过大等。中国地质大学安全工程系

1.10.3　视错觉(1) 　　视错觉　　人在观察物体时，由于视网膜受到光线的刺激，光线不仅使神经系统产生反应，而且会在横向产生扩大范围的影响，使得视觉印象与物体的实际大小、形状存在差异，这种现象称为视错觉。中国地质大学安全工程系

1.10.3　常见视错觉(2) 　　视错觉　　常见的形状错觉有长短错觉、方向错觉、对比错觉、大小错觉、远近错觉及透视错觉等。　　色彩错觉的对比错觉、大小错觉、温度错觉、距离错觉及疲劳错觉等。中国地质大学安全工程系

1.10.4　视觉损伤 　　在生产过程中，除切屑粒、火花、飞沫、热气流、烟雾、化学物质等有形物质会造成对眼的伤害之外，强光或有害光也会造成对眼的伤害。　　眼睛能承受的可见光的最大亮度值约为106cd/m2,如越过此值，人眼视网膜就会受到伤。　　低照度或低质量的光环境，会引起各种眼的折光缺陷或提早形成老花。眩光或照度剧烈而频繁变化的光可引起视觉机能的降低。中国地质大学安全工程系

1.10.5　视觉疲劳—定义(1) 　　长期从事近距离工作和精细作业的工作者，由于时间看近物或细小物体，睫状肌必须持续地收缩以增加晶状体的曲度，这将引起视觉疲劳，甚至导致睫状萎缩，使其节能力降低。中国地质大学安全工程系

1.10.5　视觉疲劳症状(2) 　　当照度不足时，视觉活动过程即开始缓慢，视觉效率便显著下降，这极易引起视觉疲劳，而且整个神经中枢系统和机体活动也将受到抑制。　　因此，长期在劣质光照环境下工作，会引起眼睛局部疲劳表现为眼痛、头痛、视力下降等症状。此外，作为眼睛调节筋的睫状肌的疲劳，还可能形成近视。中国地质大学安全工程系

1.10.6　视觉运动规律（1） 1）眼睛的水平运动比垂直运动快，即先看到水平方向的东西，后看到垂直方向的东西。所以，一般机器的外形常设计成横向长方形。 2）视线运动的顺序习惯于从左到右，从上至下，顺时针进行。中国地质大学安全工程系

1.10.6.1　视觉运动规律（2） 3）对物体尺寸和比例的估计，水平方向比垂直方向准确、迅速、且不易疲劳。 4）当眼睛偏离视中心时，在偏离距离相同的情况下，观察率优先的顺序是左上、右上、左下、右下中国地质大学安全工程系

1.10.6.2　视觉运动规律（3） 5）在视线突然转移的过程中，约有3%的视觉能看清目标，其余97%的视觉都是不真实的，所以在工作时，不应有突然转移的要求，否则会降低视觉的准确性。如需要人的视线突然转动时，也应要求慢一些才能引起视觉注意。为此，应给出一定标志，如利用箭头或颜色预先引起人的注意，以便把视线转移放慢。或者采用有节奏的结构。中国地质大学安全工程系

1.10.6.3　视觉运动规律（4） 6）对于运动一目标，只有当角速度大于1～2度/s时，且双眼的焦点同时集中在同一个目标上，才能监别也其运动状态。 7）人眼看一个目标要得到视觉印象，电最短的注视时间为0.07～0.3s，这里与照明的亮度有关。人眼视觉的暂停时间平均需要0.17s。中国地质大学安全工程系

1.11　听觉机制 　　物体振动导致周围介质（如空气）的振动，而分子的振动能引起人耳鼓膜的振动。进而引起耳蜗中淋巴液及其底膜的振动，使基底膜表面的科蒂氏器中的毛细胞产生兴奋，听神经纤维就分布在毛细胞下面的基底膜中，机械能形式的声波就在此处转变为听神经纤维上的神经冲动，并以神经冲动的不同频率和组合形式对声音信号进行编码，然后被传送到大脑皮层听觉中枢，从而产生了听觉，即人耳听到了声音。　　引起听觉的刺激就是物体振动发出的声波，而该振动物体就是声源。中国地质大学安全工程系

1.11.1　声波基本物理量 　　声波的三个基本物理量：频率、波长和声速　　频率——物体每秒钟振动的次数，称为频率，用f表示，单位为HZ，物体振动时发出的声音，只有频率在20～20000HZ范围内的声音人耳才能感觉到，即才能引起听觉。　　波长——振动介质在一个周期内所经过的距离，称为波长，用表示，单位为m。波长与频率成反比。　　声速——声波传播的速度称为声速，用c表示，单位为m/s。声速随介质的弹性、密度、温度不同而变化。中国地质大学安全工程系

1.11.2　听觉绝对阈限 　　听觉绝对阈限　　听觉的绝对阈限是人的听觉系统感受到最弱声音和痛觉声音的强度。它与频率和声压有关。　　在阈限以外的声音，人耳感受性降低，以致不能产生听觉。　　声波刺激作用的时间对听觉阈值有重要的影响，一般识别声音所需的最短持续时间为20～50ms。中国地质大学安全工程系

1.11.3　听觉绝对阈限分类 　　听觉的绝对阈限包括频率阈限、声压阈限和声强阈限。　　频率20HZ、声压2×10-5pa、声强声10-12W/m2的声音为听阈。低于这些值的声音不能产生听觉。　　而痛阈声音的频率为20000HZ、声压20pa、声强10W/m2，人耳的可听范围就是听阈与痛阈之间的所有声音。中国地质大学安全工程系

1.11.4　听觉辨别阈限 　　人耳具有区分不同频率和不同强度声音的能力。　　辨别阈限是指听觉系统能分辨出两个声音的最小差异辨别阈限与声音的频率和强度都有关系。　　人耳对频率的感觉最灵敏，常常能感觉出频率微小的变化，而对强度的感觉次之，不如对频率的感觉灵敏。　　不过二者都是在低频、低强度时，辨别阈限较高。另外，在频率500HZ以上的声频及声强辨别阈限大体上趋于一个常数。中国地质大学安全工程系

1.11.5　辨别声音的方向和距离(1) 　　正常情况下，人的两耳的听力是一致的，因此，根据声音到达两耳的强度和时间先后之差可以判断声源的方向。　　例如，声源在右侧时，距左耳稍远，声波到达左耳所需时间就稍长。声源与两耳间的距离每相差1cm，传播时间就相差0.029ms。这个时间差足以给判断声源的方位提供有效的信息。中国地质大学安全工程系

1.11.5　辨别声音的方向和距离(2) 　　另外，由于头部的屏蔽作用及距离之差会使两耳感受到声强的差别，以此，同样可以判断声源的方位。如果声源在听者的上下方或前后方，就较难确定其方位。这时通过转动头部，经获得较明显的时差及声强差，加之头部转过的角度可判断其方位。　　在危险情况下，除了听到警戒声之外，如能识别出声源的方向，往往会避免事故发生。中国地质大学安全工程系

1.11.6　听觉的掩蔽效应(1) 　　不同的声音传到人耳时，只能听到最强的声音，而较弱的声音就听不到了，即弱声被掩盖了。　　这种一个声音被其它声音的干扰而听觉发生困难，只有提高该声音的强度才能产生听觉，这种现象称为声音的掩蔽。　　被掩蔽声音的听阈提高的现象，称为掩蔽效应。中国地质大学安全工程系

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