均衡认知负荷的人机界面信息编码方法

发布时间：2017-05-12 07:10

  本文关键词：均衡认知负荷的人机界面信息编码方法，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：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。本文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考虑的是：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考虑,本文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。一万面,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文提出的信息编码方法和框架的有效性和可行性。论文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。
【关键词】：人机界面 信息编码 认知负荷 均衡 感知分层化 感知次序化 编码方法
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN911.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-16
• 第1章 绪论16-26
• 1.1 研究背景及意义16-18
• 1.2 国内外研究现状18-22
• 1.3 课题研究内容22-23
• 1.4 论文撰写安排23-24
• 1.5 论文结构24-25
• 本章小结25-26
• 第2章 基于认知负荷的信息编码机理分析26-49
• 2.1 信息编码研究26-31
• 2.1.1 信息编码过程26-27
• 2.1.2 设计信息编码27-28
• 2.1.3 大脑信息解码28-31
• 2.2 认知负荷产生原因及原理31-34
• 2.2.1 概念的提出31-32
• 2.2.2 认知负荷的影响因素32-33
• 2.2.3 认知负荷的分类及特性33-34
• 2.3 人机界面认知负荷的结构34-39
• 2.3.1 注意和记忆与认知负荷的关系34
• 2.3.2 基于认知阶段资源消耗的认知负荷34-35
• 2.3.3 人机界面认知负荷的层次结构35-36
• 2.3.4 人机界面认知负荷与设计元素的关系36-39
• 2.4 现有控制认知负荷的信息编码手段39-41
• 2.4.1 信源编码39-40
• 2.4.2 设计层信道编码40
• 2.4.3 显示层信道编码40
• 2.4.4 大脑层信道编码40
• 2.4.5 信宿编码40-41
• 2.5 认知负荷的均衡策略41-48
• 2.5.1 人机界面认知负荷失衡问题41-43
• 2.5.2 认知负荷的均衡基础和原理43-44
• 2.5.3 均衡认知负荷的信息编码方法44-47
• 2.5.4 均衡认知负荷的信息编码总体架构47-48
• 本章小结48-49
• 第3章 基于时间压力的信息编码研究49-60
• 3.1 概述49-50
• 3.2 时间压力50-51
• 3.2.1 时间压力的影响50
• 3.2.2 时间压力的水平50-51
• 3.3 时间压力的获取51-53
• 3.3.1 传统的时间压力获取方法51
• 3.3.2 生理技术获取方法51-52
• 3.3.3 获取时间压力水平的实验研究52-53
• 3.4 均衡时间压力的认知容量实验53-55
• 3.4.1 视觉认知容量的研究现状53
• 3.4.2 实验方法53-54
• 3.4.3 实验材料54-55
• 3.4.4 实验程序55
• 3.5 实验结果和分析55-59
• 3.5.1 视觉认知绩效和反应时分析55-57
• 3.5.2 视觉认知容量分析57
• 3.5.3 编码方式与视觉认知容量/速度之间的关系57-58
• 3.5.4 实验结果验证分析58
• 3.5.5 实验结论58-59
• 本章小结59-60
• 第4章 基于感知分层的信息编码研究60-83
• 4.1 概述60
• 4.2 感知分层方法的理论基础60-61
• 4.2.1 时间相关性原理60-61
• 4.2.2 注意捕获理论61
• 4.2.3 辨别任务范式61
• 4.3 信息编码与视觉感知分层61-63
• 4.3.1 颜色编码与视觉感知分层61-62
• 4.3.2 形状编码与视觉感知分层62-63
• 4.4 颜色编码的层次性感知实验63-70
• 4.4.1 实验方法63-64
• 4.4.2 实验内容64-65
• 4.4.3 实验程序65
• 4.4.4 实验结果和分析65-69
• 4.4.5 验证实验69-70
• 4.4.6 实验结论70
• 4.5 形状编码的注意捕获实验70-82
• 4.5.1 实验方法70
• 4.5.2 实验内容70-72
• 4.5.3 实验程序72-73
• 4.5.4 实验结果和分析73-80
• 4.5.5 实验讨论80-82
• 4.5.6 实验结论82
• 本章小结82-83
• 第5章 基于感知次序的信息编码研究83-113
• 5.1 概述83
• 5.2 感知次序方法的理论基础83-85
• 5.2.1 时空接近性原理83-84
• 5.2.2 空间构型原则84
• 5.2.3 背景线索效应的视觉搜索范式84-85
• 5.3 信息编码与视觉感知次序85-87
• 5.3.1 布局编码与视觉感知次序85-86
• 5.3.2 可视化结构编码与感知次序86-87
• 5.4 布局编码的感知实验87-101
• 5.4.1 实验方法87-88
• 5.4.2 实验目标88
• 5.4.3 实验内容88-90
• 5.4.4 实验数据分析90-97
• 5.4.5 实验讨论和结论97-101
• 5.5 可视化结构编码的感知实验101-112
• 5.5.1 实验方法101-102
• 5.5.2 实验目标102
• 5.5.3 实验内容102-103
• 5.5.4 实验数据分析103-110
• 5.5.5 实验讨论和结论110-112
• 本章小结112-113
• 第6章 均衡认知负荷的信息编码方法113-130
• 6.1 均衡认知负荷的信息编码层次结构113-114
• 6.2 均衡认知负荷的信息编码原则114-116
• 6.2.1 信息过滤原则114
• 6.2.2 信息凸显原则114-115
• 6.2.3 构建视觉感知的结构化和层次化115
• 6.2.4 构建视觉感知的次序化和整体化115-116
• 6.3 视觉感知分层编码方法116-118
• 6.3.1 方法原理116-118
• 6.3.2 层次性认知和层次化意义118
• 6.4 视觉感知次序编码方法118-120
• 6.4.1 方法原理118-119
• 6.4.2 一致性认知和次序化意义119-120
• 6.5 基于感知分层的人机界面颜色辅助设计原型开发120-129
• 6.5.1 色彩的感知分层120-121
• 6.5.2 系统功能分析121
• 6.5.3 系统应用分析121-122
• 6.5.4 程序技术平台122-125
• 6.5.5 原型系统操作步骤125-129
• 本章小结129-130
• 第7章 专题界面设计与眼动实验分析130-148
• 7.1 概述130
• 7.2 专题界面设计130-137
• 7.2.1 概念层次特征及任务流程130-132
• 7.2.2 信息层的信息架构模式132-133
• 7.2.3 信息层到视觉层的映射133-135
• 7.2.4 视觉层导航结构设计135-136
• 7.2.5 界面设计方案136-137
• 7.3 专题界面眼动评估实验137-147
• 7.3.1 实验设备及环境137
• 7.3.2 实验材料及被试137-138
• 7.3.3 实验任务138-139
• 7.3.4 实验程序139-140
• 7.3.5 实验一数据处理和分析140-143
• 7.3.6 实验二数据处理和分析143-146
• 7.3.7 实验结论146-147
• 本章小结147-148
• 第8章 总结和展望148-150
• 8.1 总结148-149
• 8.2 后续工作展望149-150
• 致谢150-151
• 攻读博士学位期间发表的论文及专利151-152
• 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152-161
• 附录B 实验数据161-170
• 附录C Aesthete人机界面颜色辅助设计软件说明书170-172
• 参考文献172-181

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本文编号：359123