在設計設備時，最重要的是要充分考慮這樣一個事實，即人類操作員在處理信息方面既有能力又有局限性，這些能力和局限性各不相同，並且存在於各個層面。 實際工作條件下的性能在很大程度上取決於設計在多大程度上關注或忽略了這些潛力及其限制。 下面將簡要介紹一些主要問題。 將參考本卷的其他貢獻，其中將更詳細地討論一個問題。
在人類信息處理的分析中，通常區分三個主要層次，即 知覺水平是， 決策層 和 運動水平. 知覺水平進一步細分為三個層次，涉及感覺處理、特徵提取和知覺識別。 在決策層面，操作員接收感知信息並選擇對其做出反應，最終在運動層面進行編程和實現。 這僅描述了最簡單的選擇反應情況下的信息流。 然而，很明顯，感知信息可能會在引發行動之前積累、組合和診斷。 同樣，可能需要考慮到感知過載來選擇信息。 最後，當有多個選項時，其中一些可能比其他選項更合適，選擇適當的操作就變得更成問題。 在目前的討論中，重點將放在信息處理的感知和決策因素上。
感知能力和限制
感官限制
第一類加工限制是感官的。 它們與信息處理的相關性是顯而易見的，因為隨著信息接近閾值限制，處理變得不那麼可靠。 這似乎是一個相當微不足道的陳述，但儘管如此，感官問題並不總是在設計中被清楚地識別出來。 例如，標誌張貼系統中的字母數字字符應該足夠大，以便在與採取適當行動的需要相一致的距離內清晰可辨。 反過來，易讀性不僅取決於字母數字的絕對大小，還取決於對比度，並且考慮到橫向抑制，還取決於標誌上的信息總量。 特別是，在能見度低的情況下（例如，在駕駛或飛行期間下雨或起霧），易讀性是一個需要採取額外措施的相當大的問題。 最近開發的交通路標和路標通常設計精良，但建築物附近和建築物內的路標通常難以辨認。 視覺顯示單元是另一個例子，其中大小、對比度和信息量的感官限制起著重要作用。 在聽覺領域，一些主要的感官問題與理解嘈雜環境或低質量音頻傳輸系統中的語音有關。
特徵提取
提供足夠的感官信息，下一組信息處理問題涉及從呈現的信息中提取特徵。 最近的研究表明，有充分的證據表明，對特徵的分析先於對有意義的整體的感知。 特徵分析對於在許多其他對像中定位一個特殊的異常對象特別有用。 例如，包含許多值的顯示器上的基本值可能由單一的異常顏色或尺寸表示，然後該特徵立即引起注意或“彈出”。 從理論上講，對於不同的顏色、大小、形式和其他物理特徵，存在“特徵圖”的共同假設。 特徵的注意力值取決於屬於同一類的特徵圖的激活差異，例如顏色。 因此，特徵圖的激活取決於異常特徵的可辨別性。 這意味著當屏幕上有許多顏色的幾個實例時，大多數顏色特徵圖都被大致相同地激活，這具有不會彈出任何顏色的效果。
以同樣的方式彈出一個移動廣告，但當視野中有多個移動刺激時，這種效果就會完全消失。 在對齊指示理想參數值的指針時，也應用了不同激活特徵圖的原理。 指針的偏差由可快速檢測到的偏差斜率指示。 如果這不可能實現，則可能會通過顏色變化來指示危險的偏差。 因此，設計的一般規則是在屏幕上只使用極少數異常特徵，並只為最重要的信息保留它們。 在特徵連詞的情況下，搜索相關信息變得很麻煩。 例如，很難在小的紅色物體和大小不一的綠色物體中找到一個大的紅色物體。 如果可能，在嘗試設計高效搜索時應避免連詞。
可分離與整體尺寸
當可以更改特徵而不影響對對像其他特徵的感知時，特徵是可分離的。 直方圖的線長就是一個很好的例子。 另一方面，整體特徵是指當特徵發生變化時，會改變對象的整體外觀。 例如，在不改變圖片的整體外觀的情況下，不能在面部示意圖中改變嘴部特徵。 同樣，顏色和亮度是不可或缺的，因為一個人不能在不同時改變亮度印象的情況下改變顏色。 可分離和整體特徵的原理，以及從對象的單個特徵的變化演變而來的湧現屬性的原理，被應用於所謂的 集成 or 診斷 顯示。 這些顯示的基本原理是，不是顯示單獨的參數，而是將不同的參數集成到單個顯示中，其總組成表明系統可能實際存在的問題。
控制室中的數據顯示仍然經常被每個單獨的措施都應該有自己的指標的理念所主導。 措施的零散呈現意味著操作員的任務是整合來自各種單獨顯示的證據，以便診斷潛在問題。 在美國三哩島核電站出現問題時，大約有 XNUMX 到 XNUMX 個顯示器出現某種形式的紊亂。 因此，操作員的任務是通過整合來自無數顯示器的信息來診斷實際出了什麼問題。 綜合顯示可能有助於診斷錯誤類型，因為它們將各種措施組合成一個模式。 然後，集成顯示器的不同模式可以針對特定錯誤進行診斷。
圖 1 顯示了為核控制室提出的診斷顯示的經典示例。它將許多測量值顯示為等長的輻條，因此正多邊形始終代表正常條件，而不同的扭曲可能被連接在這個過程中遇到不同類型的問題。
圖 1. 在正常情況下，所有參數值都相等，形成一個六邊形。 在偏差中，一些值發生了變化，產生了特定的失真。
並非所有積分顯示器都具有同等可辨別性。 為了說明這個問題，矩形的兩個維度之間的正相關會在表面上產生差異，同時保持相同的形狀。 或者，負相關會在保持相等表面的同時產生形狀差異。 整體尺寸的變化產生新形狀的情況被稱為揭示圖案的湧現特性，這增加了操作員辨別圖案的能力。 緊急屬性取決於部件的身份和排列，但不能用任何單個部件來識別。
對象和配置顯示並不總是有益的。 它們是不可或缺的這一事實意味著單個變量的特徵更難被感知。 關鍵是，根據定義，整體維度是相互依賴的，因此會混淆它們各自的組成部分。 在某些情況下，這是不可接受的，而人們可能仍希望從對象顯示的典型診斷模式屬性中獲益。 一種妥協可能是傳統的條形圖顯示。 一方面，條形圖是完全可分離的。 然而，當位於足夠近的附近時，條的不同長度可以一起構成可以很好地服務於診斷目的的類似物體的圖案。
一些診斷顯示優於其他顯示。 它們的質量取決於顯示器對應的程度 心理模型 的任務。 例如，如圖 1 所示，基於正多邊形變形的故障診斷可能仍然與域語義或發電廠過程操作員的概念關係不大。 因此，多邊形的各種類型的偏差並不明顯指的是工廠中的特定問題。 因此，最合適的配置顯示的設計是與任務的特定心智模型相對應的。 因此需要強調的是，當長度和寬度的乘積是感興趣的變量時，矩形的表面只是一個有用的對象顯示！
有趣的對象顯示源於三維表示。 例如，空中交通的三維表示——而不是傳統的二維雷達表示——可以為飛行員提供對其他交通的更好的“態勢感知”。 三維顯示已被證明比二維顯示要好得多，因為它的符號可以指示另一架飛機是在自己的上方還是下方。
退化條件
在各種條件下都會出現觀看效果下降的情況。 出於某些目的，如偽裝，物體被故意降級以防止它們被識別。 在其他情況下，例如在亮度放大時，特徵可能變得過於模糊以致於無法識別物體。 一個研究問題涉及屏幕上所需的最少“行”數或避免退化所需的“細節量”。 不幸的是，這種提高圖像質量的方法並沒有產生明確的結果。 問題在於識別退化刺激（例如，偽裝的裝甲車）在很大程度上取決於是否存在次要的特定對象細節。 結果是無法制定關於線密度的一般規定，除了隨密度增加而降低的微不足道的陳述。
字母數字符號的特點
特徵提取過程中的一個主要問題涉及共同定義刺激的特徵的實際數量。 因此，由於有許多冗餘曲線，像哥特字母這樣的華麗字符的可讀性很差。 為了避免混淆，具有非常相似特徵的字母之間的區別——比如 i 和 l和 c 和 e——應該強調。 出於同樣的原因，建議使升部和降部的筆劃和尾部長度至少佔字母總高度的 40%。
很明顯，字母之間的區別主要取決於它們不共享的特徵數量。 這些主要由直線和圓段組成，它們可能具有水平、垂直和傾斜方向，並且可能大小不同，如小寫和大寫字母。
很明顯，即使字母數字很好區分，它們也很容易在與其他項組合時失去該屬性。 因此，數字 4 和 7 僅共享幾個特徵，但在更大的其他相同組的情況下它們表現不佳（例如， 384 與 387) 有一致的證據表明閱讀小寫文本比大寫文本更快。 這通常歸因於小寫字母具有更明顯的特徵（例如， 狗, 貓 與 DOG, 貓). 小寫字母的優越性不僅適用於閱讀文本，也適用於路標，例如高速公路出口處用於指示城鎮的路標。
鑑定
最後的知覺過程與知覺的識別和解釋有關。 在這個層面上出現的人類限制通常與歧視和找到對感知的適當解釋有關。 視覺辨別研究的應用是多方面的，涉及字母數字模式以及更一般的刺激識別。 汽車剎車燈的設計將作為最後一類的例子。 追尾事故在交通事故中佔了相當大的比例，部分原因是剎車燈傳統位置靠近尾燈，難以辨別，因此延長了駕駛員的反應時間。 作為替代方案，已經開發出似乎可以降低事故率的單一燈。 它安裝在後窗中央，大約與眼睛水平。 在道路上的實驗研究中，當受試者意識到研究的目的時，中央剎車燈的影響似乎較小，這表明當受試者專注於任務時，傳統配置中的刺激識別會得到改善。 儘管孤立的剎車燈有積極的作用，但通過使剎車燈更有意義，給它一個感嘆號、“！”，甚至一個圖標的形式，它的識別性可能仍會進一步提高。
絕對判斷
在對物理尺寸進行絕對判斷的情況下，會出現非常嚴格且通常違反直覺的性能限制。 示例與對象的顏色編碼和聽覺呼叫系統中音調的使用有關。 關鍵是相對判斷遠優於絕對判斷。 絕對判斷的問題是代碼要翻譯成另外一個類。 因此，特定的顏色可以與電阻值相關聯，或者特定的音調可以用於後續消息所針對的人。 因此，事實上，問題不在於感知識別，而在於反應選擇，這將在本文後面討論。 在這一點上，只要注意不要使用超過四種或五種顏色或間距就足夠了，以免出錯。 當需要更多選擇時，可以添加額外的維度，如響度、持續時間和音調成分。
單詞閱讀
閱讀傳統印刷品中單獨的單詞單元的相關性已被各種廣泛經驗的證據證明，例如當省略空格時閱讀會受到很大阻礙，印刷錯誤通常未被發現，並且在交替情況下很難閱讀單詞（例如， 交替). 一些研究者強調了詞形在閱讀詞單位中的作用，並建議空間頻率分析儀可能與識別詞形有關。 在這種觀點下，意義將來自整個單詞的形狀，而不是通過逐個字母的分析。 然而，詞形分析的貢獻可能僅限於小的常用詞——冠詞和詞尾——這與小詞和詞尾中的打印錯誤檢測概率相對較低的發現一致。
小寫文本比大寫文本有優勢，這是因為大寫文本的特徵丟失了。 然而，在搜索單個單詞時，小寫單詞的優勢不存在，甚至可能被逆轉。 可能是字母大小和字母大小寫的因素在搜索中混淆了：較大尺寸的字母被更快地檢測到，這可能抵消了特徵不明顯的缺點。 因此，單個單詞在大寫和小寫下的可讀性大致相同，而連續的文本在小寫下閱讀速度更快。 在許多小寫單詞中檢測單個大寫單詞非常有效，因為它會引起彈出。 通過在 無所畏懼，在這種情況下，結合了彈出式和更具特色的優點。
編碼特徵在閱讀中的作用也從舊的低分辨率視覺顯示單元屏幕的易讀性受損中顯而易見，這些屏幕由相當粗糙的點陣組成，只能將字母數字描繪成直線。 共同的發現是，在低分辨率顯示器上閱讀文本或進行搜索比在紙質印刷品上閱讀或搜索要慢得多。 使用當今更高分辨率的屏幕，該問題已基本消失。 除了字母形式之外，紙質閱讀和屏幕閱讀之間還有許多其他差異。 行間距、字符大小、字體、字符與背景之間的對比度、觀看距離、閃爍量以及通過滾動在屏幕上切換頁面的事實都是一些例子。 人們普遍發現，在電腦屏幕上閱讀速度較慢——儘管理解力似乎差不多——可能是由於這些因素的某種組合。 當今的文本處理器通常在字體、大小、顏色、格式和样式方面提供多種選擇； 這樣的選擇可能給人一種錯覺，即個人品味是主要原因。
圖標與文字
在一些研究中，發現受試者命名印刷文字所花費的時間比命名相應圖標所花費的時間要快，而在其他研究中，這兩種時間都差不多快。 有人建議，文字比圖標閱讀速度更快，因為它們不那麼模糊。 即使是一個相當簡單的圖標，如房子，也可能會在受試者之間引起不同的反應，從而導致反應衝突，從而降低反應速度。 如果通過使用真正明確的圖標來避免響應衝突，則響應速度的差異可能會消失。 有趣的是，作為交通標誌，圖標通常比文字優越得多，即使在理解語言問題不被視為問題的情況下也是如此。 這種悖論可能是由於交通標誌的易讀性在很大程度上取決於 距離 在其中可以識別標誌。 如果設計得當，這個距離對於符號比對於文字更大，因為圖片可以提供相當大的形狀差異並且包含比文字更少的精細細節。 那麼，圖片的優勢在於識別字母需要大約十到十二分鐘的弧度，而特徵檢測是識別的初始先決條件。 同時很明顯，只有在以下情況下才能保證符號的優越性：(1) 它們確實包含很少的細節，(2) 它們在形狀上足夠明顯，並且 (3) 它們是明確的。
決策的能力和限制
一旦一條規則被識別和解釋，它可能會要求採取行動。 在這種情況下，討論將僅限於確定性刺激-反應關係，或者換句話說，僅限於每種刺激都有其固定反應的條件。 在這種情況下，設備設計的主要問題來自兼容性問題，即確定的刺激及其相關反應在多大程度上具有“自然”或良好實踐的關係。 在某些情況下，最佳關係會被故意中止，例如縮寫的情況。 通常收縮像 阿柏亭 比截斷更糟糕 縮寫. 從理論上講，這是由於單詞中連續字母的冗餘增加，這允許在前面的字母的基礎上“填充”最後一個字母； 截斷詞可以從這一原則中獲益，而縮略詞則不能。
心理模型和兼容性
在大多數兼容性問題中，存在來自廣義心智模型的刻板反應。 在圓形顯示中選擇零位就是一個很好的例子。 12 點鐘和 9 點鐘位置似乎比 6 點鐘和 3 點鐘位置更正得更快。 原因可能是顯示屏上部的順時針偏差和移動被視為“增加”，需要降低值的響應。 在 3 點鐘和 6 點鐘的位置，這兩個原則相互衝突，因此處理它們的效率可能較低。 在鎖上或打開汽車的後門時會發現類似的刻板印象。 大多數人都按照鎖定需要順時針方向移動的刻板印象行事。 如果鎖的設計方式相反，則最有可能導致在嘗試鎖門時不斷出錯和受挫。
關於控制運動，著名的 Warrick 兼容性原則描述了控制旋鈕的位置與顯示器上的運動方向之間的關係。 如果控制旋鈕位於顯示屏的右側，則順時針移動應該會將刻度標記向上移動。 或者考慮移動窗口顯示。 根據大多數人的心理模型，移動顯示的向上方向表明數值上升的方式與溫度計中溫度升高由更高的水銀柱指示的方式相同。 使用“固定指針移動刻度”指示器來實現此原則存在問題。 當此類指標的刻度向下移動時，其值旨在增加。 因此，與常見的刻板印象發生了衝突。 如果值是倒置的，則低值位於標度的頂部，這也與大多數刻板印象相反。
術語 鄰近兼容性 是指符號表示與人們對系統內功能甚至空間關係的心智模型的對應。 隨著情境的心智模型更加原始、全球化或扭曲，鄰近兼容性問題更加緊迫。 因此，複雜的自動化工業過程的流程圖通常是基於技術模型顯示的，而該技術模型可能與過程的心智模型根本不一致。 特別是，當過程的心智模型不完整或扭曲時，進展的技術表示對發展或糾正它幾乎沒有幫助。 鄰近兼容性差的日常生活示例是建築物的建築地圖，該地圖旨在用於查看者定位或顯示火災逃生路線。 這些地圖通常是完全不合適的——充滿了無關緊要的細節——尤其是對於那些只對建築物有一個全局心理模型的人來說。 地圖閱讀和方向之間的這種融合接近於所謂的“態勢感知”，這在空中飛行期間在三維空間中尤為重要。 三維對象顯示最近有一些有趣的發展，代表了在該領域實現最佳鄰近兼容性的嘗試。
刺激反應相容性
刺激-響應 (SR) 兼容性的一個例子通常出現在大多數文本處理程序的情況下，這些程序假定操作員知道命令如何對應於特定的組合鍵。 問題在於命令及其對應的組合鍵通常沒有任何預先存在的關係，這意味著必須通過配對關聯學習的艱苦過程來學習 SR 關係。 結果是，即使掌握了技能，任務仍然容易出錯。 該程序的內部模型仍然不完整，因為較少練習的操作很容易被遺忘，因此操作員根本無法做出適當的響應。 此外，屏幕上生成的文本通常在所有方面都與最終出現在打印頁面上的內容不一致，這是鄰近兼容性較差的另一個例子。 只有少數程序使用與刺激-響應關係相關的定型空間內部模型來控制命令。
已經正確地論證了空間刺激和手動反應之間存在更好的預先存在的關係——比如指向反應和空間位置之間的關係，或者像語言刺激和聲音反應之間的關係。 有充分的證據表明，空間表徵和語言表徵是相對獨立的認知範疇，它們之間幾乎沒有相互干擾，但也幾乎沒有相互對應。 因此，空間任務，如格式化文本，最容易通過空間鼠標類型的移動來執行，從而將鍵盤留給口頭命令。
這並不意味著鍵盤是執行口頭命令的理想選擇。 打字仍然是手動操作任意空間位置的問題，這基本上與處理字母不兼容。 這實際上是另一個高度不相容的任務的例子，只有通過廣泛的練習才能掌握，如果不不斷練習，技能很容易丟失。 對於速記寫作也可以提出類似的論點，速記寫作也包括將任意書寫符號與口頭刺激聯繫起來。 另一種鍵盤操作方法的有趣示例是和弦鍵盤。
操作員操作兩個鍵盤（一個用於左手，一個用於右手），這兩個鍵盤均由六個鍵組成。 字母表中的每個字母對應一個和弦響應，即鍵的組合。 對這種鍵盤的研究結果表明，獲得打字技能所需的時間顯著節省。 電機限制限制了和弦技術的最大速度，但是，一旦學會，操作員的表現仍然非常接近傳統技術的速度。
空間兼容性效應的一個經典示例涉及爐灶燃燒器控件的傳統佈置：2 ´ 2 矩陣中的四個燃燒器，控件在水平行中。 在這個配置中，burner 和 control 之間的關係並不明顯，學習也很差。 然而，儘管有很多錯誤，但在給定時間的情況下，通常可以解決爐子生火的問題。 當面臨未定義的顯示-控制關係時，情況會更糟。 在攝像機、錄像機和電視機的顯示控制關係中發現了 SR 兼容性差的其他示例。 結果是許多選項從未使用過或必須在每次新試驗中重新研究。 “手冊中已全部解釋”的說法雖然屬實，但沒有用，因為在實踐中，大多數手冊對普通用戶來說是難以理解的，尤其是當他們試圖使用不相容的語言術語來描述操作時。
刺激-刺激 (SS) 和反應-反應 (RR) 兼容性
最初 SS 和 RR 兼容性區別於 SR 兼容性。 SS 兼容性的一個經典例證涉及 XNUMX 年代後期嘗試通過視覺顯示支持聽覺聲納以增強信號檢測。 在水平光束中尋求一種解決方案，垂直擾動從左到右傳播並反映聽覺背景噪聲和潛在信號的視覺轉換。 信號由稍大的垂直擾動組成。 實驗表明，聽覺和視覺顯示的組合併沒有比單一的聽覺顯示更好。 原因在於 SS 兼容性差：聽覺信號被感知為響度變化； 因此，當以亮度變化的形式提供時，視覺支持應該最對應，因為這是響度變化的兼容視覺模擬。
有趣的是，SS 兼容性的程度直接對應於受試者在跨模態匹配中的熟練程度。 在跨模態匹配中，可能會要求受試者指出哪個聽覺響度對應於特定亮度或特定重量； 這種方法在縮放感官維度的研究中很受歡迎，因為它可以避免將感官刺激映射到數字。 RR 兼容性指的是同時運動和連續運動的對應。 有些動作比其他動作更容易協調，這為最有效地完成一系列動作（例如，連續操作控件）的方式提供了明確的約束。
上面的例子清楚地顯示了兼容性問題是如何遍及所有用戶機界面的。 問題在於相容性差的影響通常會因長期練習而減弱，因此可能仍未引起注意或被低估。 然而，即使不兼容的顯示控制關係得到很好的實踐並且似乎不影響性能，仍然存在較大錯誤概率的點。 不正確的兼容響應仍然是正確的不兼容響應的競爭者，並且可能偶爾會通過，具有明顯的事故風險。 此外，掌握不相容的 SR 關係所需的練習量巨大且浪費時間。
電機編程和執行的限制
在關於 RR 兼容性的評論中已經簡要提到了電機編程的一個限制。 人類操作員在執行不一致的運動序列時存在明顯的問題，特別是，很難完成從一個不一致的序列到另一個不一致的序列的改變。 運動協調研究的結果與雙手活動的控制設計有關。 然而，在這方面，練習可以克服很多困難，正如令人驚訝的雜技技巧水平所表明的那樣。
控制設計中的許多通用原則都源自電機編程。 它們包括在控件中加入阻力，並提供表明控件已正確運行的反饋。 準備運動狀態是反應時間的高度相關決定因素。 對意想不到的突然刺激做出反應可能需要多花一秒鐘左右的時間，這在需要快速反應時是相當可觀的——就像對領頭汽車的剎車燈做出反應一樣。 未準備好的反應可能是鏈碰撞的主要原因。 預警信號有利於防止此類碰撞。 運動執行研究的一個主要應用涉及費特定律，它與運動、距離和瞄準目標的大小有關。 這條定律似乎很普遍，同樣適用於操作桿、操縱桿、鼠標或光筆。 其中，它已被用於估計在計算機屏幕上進行更正所需的時間。
顯然，除了上述粗略的評論之外，還有更多要說的。 例如，討論幾乎完全局限於簡單選擇反應層面的信息流問題。 除了選擇反應之外的問題沒有被觸及，也沒有觸及在信息和運動活動的持續監測中反饋和前饋的問題。 提到的許多問題與記憶問題和行為計劃問題密切相關，這些問題也沒有得到解決。 例如，在 Wickens (1992) 中可以找到更廣泛的討論。