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复杂信息系统环境中人机界面的信息容量巨大、结构关系错综复杂,容易造成界面信息编码与人类认知机理之间的不平衡。复杂信息系统中的超视距全局态势显示人机界面是系统正常运转的关键技术领域。而摆脱了硬件表盘限制的设计师,可以通过以数字界面为基础的多通道交互方式,为界面设计打开创意的大门。本书以复杂信息系统人机界面需求为导向,以均衡认知负荷为研究目的,通过设计编码手段及实验验证,提出了提高人机交互效率、降低人为失误的设计方法和理论。

实现人机界面认知负荷的均衡需要注意的是:认知负荷的过高或过低都会对人的信息加工能力造成负面的影响,降低操作者的反应速度和正确性,乃至系统任务的效率。针对上述两大方向的问题,本书在分析国内外人机界面认知负荷问题及研究现状的基础上,运用理论研究、实验观察、原型开发和实例验证相结合的方法,围绕均衡认知负荷的理论基础、方法和优化策略展开研究。首先,通过研究人机界面信息编码的设计信息编码和大脑信息解码两阶段过程,找到大脑信息解码与认知负荷的关系；综合人机界面中认知负荷的来源、分类、资源消耗和层次结构,构建认知负荷与设计元素的关联；以工作记忆为突破口,最终提出均衡认知负荷的结构及关系框架,为论文后述的方法研究提供了理论依据。其次,根据均衡认知负荷的结构及关系框架模型,从工作记忆容量、客体工作记忆和空间工作记忆能力三部分内容出发,寻找均衡认知负荷的信息编码规律。一方面,基于复杂信息系统的任务特征及视觉认知特点,实验获取不同时间压力的水平等级；结果应用于认知容量实验,获得不同时间压力下的颜色、形状编码阈值,建立不同时间压力下的信息编码原则。另一方面,针对觉察和分辨负荷,对于颜色和形状编码,利用时间相关性原理、注意捕获理论和辨别任务实验,建立视觉感知层次性的客体信息编码原则；针对理解、获取和预测负荷,对于布局和可视化结构编码,利用时空接近性原理、空间构型原则和背景线索效应的视觉搜索眼动实验,建立视觉感知次序性的空间信息编码原则。最后,综合系统设计、以活动为中心的设计、感知层次和感知次序编码理论方法,构建人机界面的信息编码层次结构、均衡认知负荷的编码原则和方法；从提高认知能力和绩效方面考虑,应用颜色感知分层原则进行了计算机辅助设计原型开发；根据提出的信息编码结构、流程、原则和方法,进行专题界面的设计和认知负荷评估实验,通过眼动实验结果验证了本书提出的信息编码方法和框架的有效性和可行性。

本书从降低认知负荷过载所带来的事故风险和减少认知负荷过低所导致的人因失误两个方面,提出了均衡认知负荷水平的设计元素的选取和编码的定量和定性的原则,为复杂信息系统人机交互领域解决认知负荷问题提供了信息编码方法和实验方法,为认知负荷失衡的人机界面问题提供了有效的研究思路和方向。从设计角度为提升我国复杂信息系统多维数字化人机交互环境下的人员认知能力和决策判断的可靠性做出了积极的贡献。

感谢薛澄岐老师、王海燕老师、徐江老师在我学习、课题研究及论文写作过程中,给予的关心、指导与鼓励。谨向各位恩师致以最诚挚的感谢和最崇高的敬意,感谢各位恩师在学习上诲人不倦的教导与鼓励,在生活上无微不至的关怀与照顾。感谢实验室已经毕业的各位学长学姐,同级的陈默、吴晓莉、牛亚峰、沈张帆、邵将,以及学弟学妹们给予我学习与生活中的支持与帮助。

著者2018年3月

1绪论(1)

1.1研究背景及意义(1)

1.2国内外研究现状(4)

1.3课题研究内容(10)

1.4本书撰写安排(12)

1.5本书结构(13)

本章小结(14)

2基于认知负荷的信息编码机理分析(15)

2.1信息编码研究(15)

2.1.1信息编码过程(15)

2.1.2设计信息编码(16)

2.1.3大脑信息解码(18)

2.2认知负荷的产生原因及原理(22)

2.2.1概念的提出(22)

2.2.2认知负荷的影响因素(23)

2.2.3认知负荷的分类及特性(24)

2.3人机界面认知负荷的结构(25)

2.3.1注意和记忆与认知负荷的关系(25)

2.3.2基于认知阶段资源消耗的认知负荷(26)

2.3.3人机界面认知负荷的层次结构(27)

2.3.4人机界面认知负荷与设计元素的关系(28)

2.4现有控制认知负荷的信息编码手段(32)

2.4.1信源编码(33)

2.4.2设计层信道编码(33)

2.4.3显示层信道编码(33)

2.4.4大脑层信道编码(33)

2.4.5信宿编码(34)

2.5认知负荷的均衡策略(34)

2.5.1人机界面认知负荷失衡问题(34)

2.5.2认知负荷的均衡基础和原理(37)

2.5.3均衡认知负荷的信息编码方法(38)

2.5.4均衡认知负荷的信息编码总体架构(42)

本章小结(44)

3基于时间压力的信息编码研究(45)

3.1概述(45)

3.2时间压力(47)

3.2.1时间压力的影响(47)

3.2.2时间压力的水平(47)

3.3时间压力的获取(48)

3.3.1传统的时间压力获取方法(48)

3.3.2生理技术获取方法(48)

3.3.3获取时间压力水平的实验研究(49)

3.4均衡时间压力的认知容量实验(51)

3.4.1视觉认知容量的研究现状(51)

3.4.2实验方法(51)

3.4.3实验材料(52)

3.4.4实验程序(53)

3.5实验结果和分析(54)

3.5.1视觉认知绩效和反应时分(54)

3.5.2视觉认知容量分析(55)

3.5.3编码方式与视觉认知容量/速度之间的关系(56)

3.5.4实验结果验证分析(57)

3.5.5实验结论(58)

本章小结(58)

4基于感知分层的信息编码研究(59)

4.1概述(59)

4.2感知分层方法的理论基础(59)

4.2.1时间相关性原理(59)

4.2.2注意捕获理论(60)

4.2.3辨别任务范式(61)

4.3信息编码与视觉感知分层(61)

4.3.1颜色编码与视觉感知分层(61)

4.3.2形状编码与视觉感知分层(63)

4.4颜色编码的层次性感知实验(64)

4.4.1实验方法(64)

4.4.2实验内容(65)

4.4.3实验程序(65)

4.4.4实验结果和分析(67)

4.4.5验证实验(71)

4.4.6实验结论(72)

4.5形状编码的注意捕获实验(73)

4.5.1实验方法(73)

4.5.2实验内容(73)

4.5.3实验程序(76)

4.5.4实验结果和分析(77)

4.5.5实验讨论(86)

4.5.6实验结论(88)

本章小结(89)

5基于感知次序的信息编码研究(90)

5.1概述(90)

5.2感知次序方法的理论基础(91)

5.2.1时空接近性原理(91)

5.2.2空间构型原则(91)

5.2.3背景线索效应的视觉搜索范式(92)

5.3信息编码与视觉感知次序(93)

5.3.1布局编码与视觉感知次序(93)

5.3.2可视化结构编码与感知次序(94)

5.4布局编码的感知实验(96)

5.4.1实验方法(96)

5.4.2实验目标(97)

5.4.3实验内容(97)

5.4.4实验数据分析(100)

5.4.5实验讨论和结论(110)

5.5可视化结构编码的感知实验(115)

5.5.1实验方法(115)

5.5.2实验目标(116)

5.5.3实验内容(117)

5.5.4实验数据分析(118)

5.5.5实验讨论和结论(127)

本章小结(129)

6均衡认知负荷的信息编码方法(130)

6.1均衡认知负荷的信息编码层次结构(130)

6.2均衡认知负荷的信息编码原则(131)

6.2.1信息过滤原则(132)

6.2.2信息凸显原则(132)

6.2.3构建视觉感知的结构化和层次化(133)

6.2.4构建视觉感知的次序化和整体化(134)

6.3视觉感知分层编码方法(135)

6.3.1方法原理(135)

6.3.2层次性认知和层次化意义(136)

6.4视觉感知次序编码方法(137)

6.4.1方法原理(137)

6.4.2一致性认知和次序化意义(138)

6.5基于感知分层的人机界面颜色辅助设计原型开发(139)

6.5.1色彩的感知分层(140)

6.5.2系统功能分析(140)

6.5.3系统应用分析(141)

6.5.4程序技术平台(142)

6.5.5原型系统的操作步骤(145)

本章小结(150)

7专题界面设计与眼动实验分析(152)

7.1概述(152)

7.2专题界面设计(152)

7.2.1概念层次特征及任务流程(152)

7.2.2信息层的信息架构模式(154)

7.2.3信息层到视觉层的映射(156)

7.2.4视觉层导航结构设计(158)

7.2.5界面设计方案(160)

7.3专题界面眼动评估实验(162)

7.3.1实验设备及环境(162)

7.3.2实验材料及被试(162)

7.3.3实验任务(163)

7.3.4实验程序(164)

7.3.5实验1数据处理和分析(165)

7.3.6实验2数据处理和分析(169)

7.3.7实验结论(172)

本章小结(174)

8总结和展望(175)

8.1总结(175)

8.2后续工作展望(177)

附录A华东四省一市汽车4S店GIS软件监控系统原型设计方案(178)

附录B实验数据(188)

附录CAesthete人机界面颜色辅助设计软件说明书(204)

参考文献(206)