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

實現(xiàn)人機界面認知負荷的均衡需要注意的是:認知負荷的過高或過低都會對人的信息加工能力造成負面的影響,降低操作者的反應速度和正確性,乃至系統(tǒng)任務的效率。針對上述兩大方向的問題,本書在分析國內(nèi)外人機界面認知負荷問題及研究現(xiàn)狀的基礎上,運用理論研究、實驗觀察、原型開發(fā)和實例驗證相結合的方法,圍繞均衡認知負荷的理論基礎、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知負荷的關系；綜合人機界面中認知負荷的來源、分類、資源消耗和層次結構,構建認知負荷與設計元素的關聯(lián)；以工作記憶為突破口,最終提出均衡認知負荷的結構及關系框架,為論文后述的方法研究提供了理論依據(jù)。其次,根據(jù)均衡認知負荷的結構及關系框架模型,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),尋找均衡認知負荷的信息編碼規(guī)律。一方面,基于復雜信息系統(tǒng)的任務特征及視覺認知特點,實驗獲取不同時間壓力的水平等級；結果應用于認知容量實驗,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,針對覺察和分辨負荷,對于顏色和形狀編碼,利用時間相關性原理、注意捕獲理論和辨別任務實驗,建立視覺感知層次性的客體信息編碼原則；針對理解、獲取和預測負荷,對于布局和可視化結構編碼,利用時空接近性原理、空間構型原則和背景線索效應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)設計、以活動為中心的設計、感知層次和感知次序編碼理論方法,構建人機界面的信息編碼層次結構、均衡認知負荷的編碼原則和方法；從提高認知能力和績效方面考慮,應用顏色感知分層原則進行了計算機輔助設計原型開發(fā)；根據(jù)提出的信息編碼結構、流程、原則和方法,進行專題界面的設計和認知負荷評估實驗,通過眼動實驗結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。

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

感謝薛澄岐老師、王海燕老師、徐江老師在我學習、課題研究及論文寫作過程中,給予的關心、指導與鼓勵。謹向各位恩師致以最誠摯的感謝和最崇高的敬意,感謝各位恩師在學習上誨人不倦的教導與鼓勵,在生活上無微不至的關懷與照顧。感謝實驗室已經(jīng)畢業(yè)的各位學長學姐,同級的陳默、吳曉莉、牛亞峰、沈張帆、邵將,以及學弟學妹們給予我學習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本書結構(13)

本章小結(14)

2基于認知負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設計信息編碼(16)

2.1.3大腦信息解碼(18)

2.2認知負荷的產(chǎn)生原因及原理(22)

2.2.1概念的提出(22)

2.2.2認知負荷的影響因素(23)

2.2.3認知負荷的分類及特性(24)

2.3人機界面認知負荷的結構(25)

2.3.1注意和記憶與認知負荷的關系(25)

2.3.2基于認知階段資源消耗的認知負荷(26)

2.3.3人機界面認知負荷的層次結構(27)

2.3.4人機界面認知負荷與設計元素的關系(28)

2.4現(xiàn)有控制認知負荷的信息編碼手段(32)

2.4.1信源編碼(33)

2.4.2設計層信道編碼(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認知負荷的均衡策略(34)

2.5.1人機界面認知負荷失衡問題(34)

2.5.2認知負荷的均衡基礎和原理(37)

2.5.3均衡認知負荷的信息編碼方法(38)

2.5.4均衡認知負荷的信息編碼總體架構(42)

本章小結(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均衡時間壓力的認知容量實驗(51)

3.4.1視覺認知容量的研究現(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實驗結果和分析(54)

3.5.1視覺認知績效和反應時分(54)

3.5.2視覺認知容量分析(55)

3.5.3編碼方式與視覺認知容量/速度之間的關系(56)

3.5.4實驗結果驗證分析(57)

3.5.5實驗結論(58)

本章小結(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(59)

4.2.1時間相關性原理(59)

4.2.2注意捕獲理論(60)

4.2.3辨別任務范式(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實驗結果和分析(67)

4.4.5驗證實驗(71)

4.4.6實驗結論(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實驗結果和分析(77)

4.5.5實驗討論(86)

4.5.6實驗結論(88)

本章小結(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(91)

5.2.1時空接近性原理(91)

5.2.2空間構型原則(91)

5.2.3背景線索效應的視覺搜索范式(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可視化結構編碼與感知次序(94)

5.4布局編碼的感知實驗(96)

5.4.1實驗方法(96)

5.4.2實驗目標(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實驗討論和結論(110)

5.5可視化結構編碼的感知實驗(115)

5.5.1實驗方法(115)

5.5.2實驗目標(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實驗討論和結論(127)

本章小結(129)

6均衡認知負荷的信息編碼方法(130)

6.1均衡認知負荷的信息編碼層次結構(130)

6.2均衡認知負荷的信息編碼原則(131)

6.2.1信息過濾原則(132)

6.2.2信息凸顯原則(132)

6.2.3構建視覺感知的結構化和層次化(133)

6.2.4構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)應用分析(141)

6.5.4程序技術平臺(142)

6.5.5原型系統(tǒng)的操作步驟(145)

本章小結(150)

7專題界面設計與眼動實驗分析(152)

7.1概述(152)

7.2專題界面設計(152)

7.2.1概念層次特征及任務流程(152)

7.2.2信息層的信息架構模式(154)

7.2.3信息層到視覺層的映射(156)

7.2.4視覺層導航結構設計(158)

7.2.5界面設計方案(160)

7.3專題界面眼動評估實驗(162)

7.3.1實驗設備及環(huán)境(162)

7.3.2實驗材料及被試(162)

7.3.3實驗任務(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實驗結論(172)

本章小結(174)

8總結和展望(175)

8.1總結(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計軟件說明書(204)

參考文獻(206)