基于视觉认知理论的头盔显示界面信息编码方法研究

摘要

随着近年来航空航天技术和计算技术的飞速发展，战机的航电系统交互界面已经从传统的模式控制进入了数字化显示的视觉信息界面。尤其是战机头盔显示系统(Helmet MountedDisplay System，HMDs)界面的应用，对未来战机系统人机交互提出了更高的要求。HMDs界面不同于传统航电界面，界面的透视增强、头盔的跟踪显示、信息的动态呈现、目标的符号标注等方面对界面信息编码呈现和人机交互提出了极高的设计要求。美国等发达国家在相关领域已经积累了一定的研究基础，而我国在航电系统界面的认知问题研究、HMDs界面的信息编码设计与之存在巨大差距，而基于视觉认知的HMDs界面信息编码方法研究更是设计领域、工程领域和心理学领域交叉研究的空白点。基于该问题的重要性以及相关研究匮乏的考虑，本论文以HMDs界面为研究对象，以飞行员视知觉理论为基础，针对界面的图标符号编码、信息布局编码、色彩编码等重点问题开展以下研究工作:
　　(1)提出了HMDs界面可视性的基本原则。总结HMDs界面信息编码的显示系统设计参数，重点包括显示方式、出射光瞳、眼距、视场等。并从飞行员视知觉认知的角度，提出图标、亮度/对比度、分辨率、字符符号、色彩等方面的HMDs界面信息可视性的基本原则。
　　(2)建立了从飞行员视觉认知到HMDs界面要素的映射关联方法。根据Shannon信息通讯系统模型、Wickens视觉搜索模型、Endsley的SA理论模型等视知觉分析方法，从界面信息编码和大脑信息解码的角度，重点分析信息传递过程中所涉及的态势感知、选择性注意、认知负荷等认知问题，总结HMDs界面设计元素信息编码与认知机理之间的层次关系。
　　(3)提出了针对HMDs界面图标特征、信息布局、界面色彩应用的信息编码方法和设计原则。全面系统地对不同飞行任务阶段飞行员信息需求进行层次划分。根据本文提出的视觉认知到设计元素的映射关联理论，采用单探测变化检测、析因检测等实验范式开展了界面图标特征、告警信息布局、色彩应用等实验研究。根据实验结果获取、总结、提出了关于HMDs界面图标特征、信息布局、色彩应用的编码方法和设计原则。
　　(4)基于本文所提出的由视觉认知到界面信息特征映射的HMDs界面编码方法，对界面中的高度指示、速度指示、航向指示和姿态指示等信息要素进行了全新编码设计，重点优化了HMDs界面图标标注、信息结构布局、背景色彩处理和告警提示方式等。开展了针对设计方案的认知负荷评估实验，通过眼动跟踪实验结果，验证了本文提出的编码方法和设计原则的有效性和可行性。
　　本文的研究为HMDs界面设计提供了信息编码方法和实验方法，为HMDs人机交互问题提供了创造性的研究思路。从设计学的角度为提高我国战机航电系统界面设计水平、增强飞行员认知能力、提高飞行员决策判断的准确性做出了突出贡献。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究对象与背景

1．1．1 研究对象

1．1．2 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 HMDs设备发展综述

1．2．2 HMDs等航电系统界面编码研究综述

1．2．3 航电系统界面设计中的认知问题研究综述

1．3 课题研究意义和研究内容

1．4 论文撰写安排

第2章 HMDs显示界面设计基础理论概述

2．1 引言

2．2 战机航电系统界面发展概述

2．2．1 航电系统界面的发展

2．2．2 HUD显示界面特征

2．2．3 HMDs显示界面和HUD显示界面对比分析

2．3 HMDs显示系统概述

2．3．1 HMDs显示光学系统

2．3．2 HMDs显示界面设计参数

2．4 HMDs界面的飞行员视知觉基础

2．4．1 视知觉系统

2．4．2 视知觉参数

2．4．3 视知觉特征

2．4．4 HMDs界面可视性设计的基本原则

本章小结

第3章 HMDs界面信息编码的设计认知机理分析

3．1 引言

3．2 界面信息编码

3．2．1 信息编码过程

3．2．2 HMDs界面设计的信息界定

3．2．3 信息解码

3．3 信息编码与态势感知一

3．3．1 态势感知定义

3．3．2 态势感知特征

3．3．3 态势感知要素

3．3．4 HMDs界面编码中的态势感知问题

3．4 信息编码与选择性注意

3．4．1 注意的知觉选择模型

3．4．2 注意的反应选择模型

3．4．3 HMDs界面编码中的选择性注意问题

3．5 信息编码与认知负荷

3．5．1 认知负荷概念

3．5．2 认知负荷影响因素

3．5．3 认知负荷分类及特征

3．5．4 HMDs界面编码中的认知负荷问题

本章小结

第4章 基于认知的HMDs界面图标特征编码研究

4．1 引言

4．2 HMDs界面中现实层和增强层的要素划分

4．2．1 HMDs界面中现实层的环境分析

4．2．2 HMDs界面中增强显示层的视觉要素细分

4．2．3 HMDs界面中增强层与现实层叠加的基本原则

4．3 HMDs界面中图标符号尺寸编码

4．4 HMDs界面图标特征编码方式实验研究

4．4．1 实验目的

4．4．2 实验方法

4．4．3 实验程序

4．4．4 实验结论与分析

本章小结

第5章 基于飞行任务和视觉认知的HMDs信息布局研究

5．1 引言

5．2 战机通用显示信息分类和典型飞行任务分析

5．2．1 战机通用显示信息分类

5．2．2 战机典型飞行状态与飞行任务分析

5．3 HMDs界面信息布局划分

5．3．1 飞行员视觉功效区分析

5．3．2 HMDs界面信息布局划分

5．4 HMDs界面告警信息显示布局实验研究

5．4．1 实验目的

5．4．2 实验方法

5．4．3 实验程序

5．4．4 实验数据讨论与分析

5．4．5 实验结论

本章小结

第6章 基于认知的HMDs界面色彩编码研究

6．1 引言

6．2 HMDs界面色彩编码研究基础

6．2．1 界面色彩设计理论基础

6．2．2 HMDs界面色彩元素分析与编码

6．3 HMDs界面视敏度测量级数实验研究

6．3．1 实验目的

6．3．2 实验方法

6．3．3 实验程序

6．3．4 实验结论与分析

6．4 HMDs界面色彩编码和显示元素辨识度实验研究

6．4．1 实验目的

6．4．2 实验方法

6．4．3 实验程序

6．4．4 实验结论与分析

本章小结

第7章 HMDs界面设计与实验分析

7．1 引言

7．2 HMDs界面设计

7．2．1 界面布局编码分析

7．2．2 界面背景色彩编码分析

7．2．3 高度指示信息编码分析

7．2．4 空速指示信息编码分析

7．2．5 航向指示信息编码分析

7．2．6 姿态指示信息编码分析

7．2．7 瞄准指示信息编码分析

7．2．8 目标标记提示信息编码分析

7．3 界面设计呈现

7．3．1 自动巡航状态界面信息编码设计

7．3．2 常规状态HMDs界面信息编码设计

7．3．3 瞄准战斗状态HMDs界面信息编码设计

7．3．4 HMDs界面告警信息编码设计

7．4 界面眼动评估实验

7．4．1 实验设备与环境

7．4．2 实验材料与被试

7．4．3 实验任务

7．4．4 实验数据处理和分析

7．4．5 实验结论

本章小结

第8章 总结与展望

8．1 总结

8．2 后续研究展望

致谢

攻读博士学位期间科研成果

参考文献