第5章 视觉和显示界面的设计

5.1 视觉系统及其机能

5.1.1 视觉

在人们认知世界的过程中，80%以上的信息是通过视觉系统获得的，因此，视觉系统是人与外界联系的最主要的途径。

视觉是指由进入眼睛的辐射所产生的光感觉而获得对于外界的认识，即眼睛在光线的作用下，对物体明暗（光觉）、形状（形态觉）、颜色（色觉）、运动（动态觉）和远近深浅（立体知觉）等的综合感觉，是物体的影像刺激视网膜所产生的感觉。人的视觉是由光刺激、眼睛、神经纤维和视觉中枢共同作用的结果。

1.视觉刺激

1）光觉

人眼视觉功能中最重要的是光觉。人眼能感受到可见光的波长为380～780nm之间的电磁波。光波具有波长和振幅两个基本特性，光的能量（振幅）大小表现为人对光的明暗（明度）感觉；光波的长短表现为人对光的颜色感觉。不同波长单色光混合，既能改变色调感觉，又会影响色调的纯度—饱和度。人的视觉只能分辨明度、色调和饱和度3种颜色性质。

2）间歇光刺激

视觉器官对间歇光刺激的时间辨别，主要表现为对稳定光刺激和不同频率的闪光刺激的分辨能力。当光刺激的闪动频率较低时，容易看成闪光。随着闪动频率的增加，观察者感觉的闪光连续，进而产生稳定光的感觉。刚刚能引起稳定光感觉时的闪光频率称为闪光融合频率。人眼的闪光融合频率（临界频率）受刺激的强度、刺激面积、波长等因素的制约及个体因素的影响。人对闪光频率的绝对辨认能力较低，只能分辨4种不同的闪光频率。闪光频率高而产生稳定光的感觉是由“视觉暂留”引起的，外界的形象刺激消失后，在一定时间内形象感觉依然存在，这种现象也称残像。

2.色觉

1）人眼对色的感受

不同波长的光能引起不同的颜色感觉。光波波长只相差3nm，人眼即可分辨，人眼可分辨出180多种颜色。各种颜色的波长见表5-1。

2）色盲和色弱

对红、绿、蓝三原色辨认的缺陷称为色觉缺陷。缺乏辨别某种颜色的能力称为色盲（红色盲、绿色盲、蓝色盲、全色盲）；辨别某种颜色的能力较弱则称为色弱。

由于各种颜色对人眼的刺激不同，人眼对不同颜色的色觉视野也不同。

3.视觉适应

人眼的感受性随环境光亮度的变化而发生变化的过程称为视觉适应。

1）暗适应

人由明亮环境转入黑暗环境时，开始时视觉感受性很低，随后逐渐提高，约30min后趋于稳定，这个过程称为完全暗适应过程。整个暗适应过渡过程较长。

2）明适应

人从黑暗环境转入光亮环境时，视觉感受性迅速下降，经1min后完成明适应，明适应过程较短。

3）明暗适应引起的眼疲劳

人眼在明暗急剧变化的环境中，因受适应性的限制，视力会出现短暂下降。若频繁出现这种情况，则会产生视觉疲劳，并容易引发事故。为此，在需要频繁改变亮度的场所，可采用缓和照明或戴一段时间有色眼镜，以避免眼睛频繁地适应亮度变化，而引起视力下降和视觉过早疲劳。

4.视觉过程

当物体发出的光射入眼睛后，由于眼睛的折光作用而在视网膜上形成物像，视网膜上的感受细胞使光能转换为生物电能，产生电脉冲信息，经视神经纤维传送到大脑的视觉域进行综合处理后，形成视觉映像。这些映像一部分将存储在脑细胞中，另一部分则消失或刺激其他脑细胞，引起某种行为。在此过程中，眼睛为了看清位于给定距离处的目标而改变聚焦，即眼睛自动地进行视觉调节（调视）。

5.视觉特征

（1）眼睛沿水平方向扫视比沿垂直方向要快，而且不易疲劳，幅度也宽，一般先看到水平方向的物体，后看到垂直方向的物体。因此，很多仪表外形都设计成横向长方形，面板上元器件喜欢采用水平方向排列。

（2）视线习惯于从左到右、从上到下和顺时针方向运动。所以，仪表的刻度方向设计应遵循这一规律。

（3）人眼对水平方向的尺寸和比例的估计比对垂直方向的尺寸和比例的估计要准确得多，因而水平式仪表的误读率（28%）比垂直式仪表的误读率（35%）低。

（4）当眼睛偏离视中心时，在偏离距离相等的情况下，人眼对左上象限的观察最优，依次为右上象限、左下象限，而右下象限最差。视区内的仪表布置必须考虑这一特点。

（5）两眼的运动总是协调的、同步的，在正常情况不可能一只眼睛转动而另一只眼睛不动；在一般操作中，不可能一只眼睛视物，而另一只眼睛不视物。因而，通常都以双眼视野作为设计依据。

（6）人眼对直线轮廓比对曲线轮廓更易于接收，因而面板用的拉丁文字采用大写印刷体，汉字则不宜采用行书。

（7）颜色对比与人眼辨色能力有一定关系。当人从远处辨认前方的多种不同颜色时，其易辨认的顺序是红、绿、黄、白，即红色最先被看到。所以，停车、危险等信号标志都采用红色。当两种颜色配在一起时，则易辨认的顺序是黄底黑字、黑底白字、蓝底白字、白底黑字等。因而，公路两旁的交通标志常用黄底黑字（或黑色图形）。

6.双眼视觉和立体视觉

双眼视觉的意义在于，双眼视野有很大部分重叠，可补偿单眼视野的部分盲区；可扩大平面视野，增加深度感，产生立体视觉。当用单眼视物时，只能看到物体的平面（高度和宽度）；当用双眼视物时，则具有分辨物体深浅、远近等相对位置的能力，形成立体视觉。

立体视觉的效果并不全靠双眼视觉，如物体表面的光线反射情况和阴影等，均会加强立体视觉的效果。此外，生活经验对感受立体视觉也有作用，例如，近物色调鲜明，远物色调变淡，极远物似乎是蓝灰色。工业造型设计与工艺美术中许多平面造型设计颇具立体感，即源于生活经验。

7.中央视觉和周围视觉（边缘视觉）

视网膜中央部位的视锥细胞感色力强，并能清晰地分辨物体，用这个部位视物的称为中央视觉。视网膜上视杆细胞多的边缘部位感受色彩能力较差或不能感受，分辨物体的能力差。但由于这部分的视野范围广，可用于观察空间范围和正在运动的物体，称为周围视觉或边缘视觉。

在一般情况下，既要求操作者的中央视觉良好，同时又要求其周围视觉正常。对视野各方面都缩小到10°以内者称为工业盲。两眼中心视力正常而有工业盲视野缺陷者，不宜从事对视野范围有较大要求的工作。

5.1.2 视线和视野

1.视线

视线指眼睛中最敏锐的聚焦点（黄斑中心）与注视点之间的连线。几种常用的典型视线如图5-1所示，这几种视线的特征及应用见表5-2。

1）水平视线

水平视线为头部保持垂直状态、双眼平视时的视线。水平视线是人体矢状面内的基准视线，见图5-1（a）。在水平视线状态下，头部与眼睛均处于一种比较紧张的状态。

2）正常视线

正常视线为头部保持垂直状态、双眼处于放松状态时的视线，如图5-1（b）所示。正常视线在水平视线之下约15°（-15°）。

3）自然视线

自然视线为头部和双眼都处于放松状态时的视线，如图5-1（c）所示。自然视线在水平视线之下约30°（-30°）。

4）坐姿操作视线

坐姿操作视线为坐姿作业中双眼、头部和背部均处于放松状态时的视线，如图5-1（d）所示。坐姿操作视线在水平视线之下约40°（-40°）。

2.视野

头部和眼睛在规定的条件下，人眼可觉察到的水平面与垂直面内所有的空间范围称为视野。

当头部和双眼静止不动时，人眼可觉察到的水平面与垂直面内所有的空间范围称为双眼的直接视野（自然视线状态），如图5-2所示。

3.眼动视野

头部保持在固定的位置，眼睛为了注视目标而移动时，能依次地觉察到的水平面与垂直面内所有的空间范围称为眼动视野，可分为单眼与双眼眼动视野。实际上，眼动视野是在上述姿势下转动眼球所可能观察到的注视点的范围，叠加以注视点为中心的相应直接视野而构成的空间范围。双眼的眼动视野（自然视线状态）如图5-3所示。

4.观察视野

身体保持在固定的位置，头部与眼睛转动注视目标时，能依次地觉察到的水平面与垂直面内所有的空间范围称为观察视野，可分为单眼与双眼观察视野。实际上，观察视野是在上述姿势下所可能观察到的注视点的范围，叠加以注视点为中心的相应直接视野而构成的空间范围。双眼的观察视野如图5-4所示。

5.1.3 视角、视距和视力

1.视角

视角是由瞳孔中心到被观察对象两端所张开的角度。如图5-5所示，视角α（用“′”表示）与视距L及被观察对象的两端点直线距离D有关，即

α=2arctan（D/2L）

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′，定义此视角为最小视角。此时视网膜上所形成的物像相当于一个视锥细胞的直径。当视角小于1′时，人眼对观察对象就难以分辨了。不过，如果物体很亮，或者当物体与背景的对比极为明显时，则能看清被观察对象的最小视角可略小于1′；而如果照明不良，即使视角为1′或略大于1′也不易看见。显然，人眼辨别物体细部的能力是随着照度及物体与背景的对比度的增加而增大的。

人正确识别物体的视角为10′～15′。

2.视距

视距为识别对象与操作者眼睛之间的距离或距离范围，如图5-5中所示的L。而能正确地识别观察对象的视距称为识别视距。实际上，是否能正确识别观察对象的决定条件是视角。当观察距离增大时，应增大相应字符的尺寸。一般来说，设计视距在560mm处较为适宜，小于380mm会发生目眩，超过760mm时细节会看不清。视距过远或过近都会影响认读的速度和准确性，而且视距与工作的精确程度密切相关，应根据具体任务的要求来选择最佳视距。

3.视力（视敏度）

1）视力的概念

视力是指眼睛辨认物体的能力，其定义为临界视角的倒数：视力=1/临界视角。

在实用上是指识别非常接近的两点的能力，若两点处在刚能识别与不能识别的临界状态，此时所视的两点与人眼之间连线所构成的夹角即为临界视角，其倒数即等于视力。

人眼的视力也可用字母“E”的开口方向进行测定。按标准规定，人站在离视力检查表5m处，观看表中第十行“E”字，若能分辨清楚，则视力为1.0，即视力正常，此时临界视角为1′。视力高达1.5时，临界视角则仅为0.67′。

2）影响视力的主要因素

（1）照明对视力的影响。视力随观察对象的亮度、背景的亮度及两者之间的亮度对比度等条件的变化而变化。照度越小，所要求的分辨视角越大，照度越大，则所需的分辨视角越小。

（2）运动速度对视力的影响。观察者与目标间的相对运动会引起视力的下降。目标速度越快，所需分辨的视角越大。

（3）年龄对视力的影响。随着年龄的增长，人眼的瞳孔孔径变小，晶状体的透明度减弱，因而视力逐渐下降。所以，作业环境的照明应考虑工作者年龄的特点。

5.1.4 各视觉器官机能要素间的相互关系

1.注视点、视线与视野的关系

注视点是指需观察的目标。直接视野、眼动视野及视区划分等均是以这些观察目标（注视点）为中心展开的。在一个控制台或一个控制室的显示屏上可有若干个主要观察目标，在确定注视点时，应考虑相应的视野或视区范围。例如，主要视觉信号（主要观察目标）应置于相关视觉信号的中心位置。

在视野内，仅在围绕注视点的一个很狭窄的范围内视觉信号是清晰的。随着与注视点偏离距离的增加，视觉信号的觉察效果逐渐减弱，若在注视点处对图像的视敏度（视力）为1.0，在偏离注视点2.5°处则可能仅为0.5。在视野边缘上，人只能模糊地觉察到是否有信号存在，而不可能进行识别。

在本节中，视线是水平方向和垂直方向的视野（直接视野、眼动视野）或视区（良好视区、有效视区）的中线。如把这些视野或视区近似地视作以视线为中心线的圆锥体，则视线移向何处，这个圆锥体也随之移向何处。

图5-6所示为操作者在注视一个主要目标（主要显示器）的同时，也可粗略地观察到围绕注视线约30°的圆锥体（最佳直接视野）内相关显示器的变化。

对于一个包括模拟屏和控制台在内的显示系统，操作者需面对众多的显示器。在一般情况下，可将30°的锥角覆盖于大部分显示器上，进行一般性的、全面的、持续的观察。此时的视觉中心只是一个名义上的注视点，而可能没有实质性的内容，人的注意力不是在某一“点”上，而是在整个“面”上，如图5-7所示。

2.视线、视野与坐姿的关系

视线、视野（或视区）还与坐姿有关，它们与3种典型坐姿的关系如下。

（1）正直坐姿：躯干线笔直，臀角为85°～90°的一种坐姿（见图5-1），其状态与坐姿工作及写字时的姿势基本吻合。

（2）前倾坐姿：躯干线前倾，臀角小于85°的一种坐姿。当用手操作前方远处（在手功能可及范围之外）的控制器或进行精确监视时，就会暂时出现这种前倾坐姿。前倾坐姿对视野及视区不产生显著影响。

（3）后倾坐姿：躯干线后倾，臀角为100°～105°的一种坐姿，它与身体在放松状态下观察周围事物时所采取的坐姿相吻合。在头部与身体相对位置不变的情况下，当由正直坐姿改为后倾坐姿时，视线随之上旋，所观察到的视野（或视区）范围也随视线上移。

控制室中立式屏上的显示信号的位置大多高于水平视线，常采用后倾坐姿进行监视；在坐姿工作台作业中，人们也常采用间歇性的后倾坐姿，来改善长时间正直坐姿所带来的疲劳。

3.眼动视野、观察视野与直接视野的关系

视野（包括直接视野、眼动视野、观察视野）为人眼能觉察到信号的空间范围，反映人的视觉生理机能。直接视野为眼球本身能直接觉察到信号的空间范围；眼动视野为人观察事物的基本方式；只有在不得已时，才辅以转动头部去观察事物，此时能觉察到信号的空间范围就是观察视野。直接视野是视野的基础；眼动视野和观察视野为直接视野叠加眼球和头部转动后，所能观察到的空间范围。