顯示裝置設(shè)計

第三章顯示裝置設(shè)計在人機(jī)系統(tǒng)中，顯示裝置是將設(shè)備的信息傳遞給操作者，使之能做出正確判斷和決策，進(jìn)行合理操作的裝置。人們根據(jù)顯示信息了解和掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況，從而控制和操作設(shè)備正常運(yùn)行。它的特征是能夠把設(shè)備的有關(guān)信息以人能接收的形式顯示給人。在顯示裝置中，處理要確切的反映設(shè)備的狀況外，還應(yīng)根據(jù)人的感覺器官的生理特征來確定其結(jié)構(gòu)，使人于顯示裝置之間能夠充分協(xié)調(diào)。也就是說顯示裝置的形狀、大小分度、標(biāo)記、空間布局、顏色、照明等因素，都必須使人能很好地接受信息并進(jìn)行處理，使人能迅速接受顯示的信息，信息的分辯率要高，而且可靠。在進(jìn)行顯示裝置的造型設(shè)計時，還必須從系統(tǒng)整體出發(fā)，即要考慮到人的生理、心理特征，又要考慮到系統(tǒng)整體的需要和美觀。按人接受信息的感覺器官的不同，可將顯示裝置分為視覺顯示、聽覺傳示和觸覺傳遞裝置。觸覺傳遞是利用人的皮膚受到觸壓刺激后產(chǎn)生感覺而向人們傳遞信息，一般很少使用。聽覺傳示是利用人的聲音信號的感知時間比對光信號的感知時間短，所以，聽覺傳示作為報警裝置比視覺顯示具有更大的優(yōu)越性。視覺顯示是由于人的視覺能接受長的和復(fù)雜的信息，而且視覺信號比聽覺信號容易記錄和存儲，所以應(yīng)用更廣泛。第一節(jié)儀表顯示設(shè)計儀表顯示的類型與特征（一）按顯示功能分類讀數(shù)用儀表適用于要求提供準(zhǔn)確的測量值、計量值和變化值的場合。此種儀表刻度的具體數(shù)值顯示設(shè)備的狀態(tài)和參數(shù)，供操作者讀出數(shù)值之用。如：汽車的時速表、飛機(jī)的高度表和家庭的水表、電度表、煤氣表等。檢查用儀表這種儀表用了顯示設(shè)備或系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)偏離正常值的情況。它們大部分有數(shù)字指示，一般無需讀出確切數(shù)值，只是為了檢查儀表指針的指示是否偏離正常位置。當(dāng)發(fā)現(xiàn)偏離正常位置時，應(yīng)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀況，使儀表讀數(shù)回到正常位置。警戒用儀表這種儀表用來顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否處于正常范圍之內(nèi)。它們的指示范圍一般分為三個區(qū)域，即正常區(qū)、警戒區(qū)和危險區(qū)。當(dāng)儀表指示進(jìn)入警戒危險區(qū)時，要及時進(jìn)行處理。在顯示裝置上可用不同顏色或不同圖形符號將三個區(qū)域明顯區(qū)別開來，如用綠、黃、紅三種不同顏色分別表示正常區(qū)、警戒區(qū)、危險區(qū)。追蹤用儀表在動態(tài)控制系統(tǒng)中，追蹤操縱根據(jù)顯示裝置提供的信息進(jìn)行，以便使設(shè)備按照人所要求的動態(tài)過程工作，或者按照客觀環(huán)境的某種動態(tài)過程工作。因此，這類裝置必須顯示實際狀態(tài)與需要達(dá)到狀態(tài)之間的差距及其變化趨勢，如追蹤和瞄準(zhǔn)飛行中的目標(biāo)。調(diào)節(jié)用儀表這類儀表只是用來指示操縱裝置的調(diào)節(jié)值，而不指示系統(tǒng)運(yùn)行的動態(tài)過程。如收音機(jī)上顯示電臺頻率的儀表就是調(diào)節(jié)用儀表。這類儀表通常采用由操縱者直接控制指針或刻度盤運(yùn)動的結(jié)構(gòu)形式。（二）按顯示形式分類數(shù)字式顯示儀表這是直接用數(shù)字和字符顯示參數(shù)或工作狀態(tài)的顯示裝置，特點是:認(rèn)讀過程簡單直觀，只對單一數(shù)字串和字符進(jìn)行辨認(rèn)，認(rèn)讀速度快、精確度高，無插補(bǔ)誤差，而且過載能力強(qiáng)，易于計算機(jī)連用，也可顯示各種參數(shù)的具體數(shù)值，顯示的信息與人的語言信息必較接近。所以，這1類儀表適合人的生理和心理特征，不易產(chǎn)生視覺疲勞。其局限性是顯示易跳動和失效。數(shù)字式顯示儀表基本形式由兩種，一種是以顯示數(shù)字為主并有少量字符的顯示儀表（多為開窗式，如液晶顯示、數(shù)碼管顯示等）另一種是以參數(shù)、表格、模擬曲線以及數(shù)量較多的各種字符為主的顯示儀表，多為屏幕式，如各種監(jiān)視器。發(fā)展趨勢是采用大規(guī)模的集成電路，以提高可靠性，并發(fā)展智能化顯示。模擬式顯示儀表這是用標(biāo)定在刻度上的指針顯示設(shè)備的參數(shù)和狀態(tài)的顯示裝置。這類顯示裝置的特點是顯示的信息形象化，能直觀地反映信息的變化趨勢，使人對模擬值在全量程范圍內(nèi)所處的位置看得非常清楚，并能給出偏差量，可靠性與穩(wěn)定性好，其局限性是顯示速度較慢，易受振動的影響，過載能力差，質(zhì)量控制困難。它的發(fā)展趨勢是提高精度和速度，采用模擬與數(shù)字混合型顯示儀表。模擬式顯示最常見的如手表、電壓表、電流表等。這類顯示儀表式樣繁多，有指針動或表盤動。設(shè)計中人機(jī)工程因素與設(shè)計原則（一）設(shè)計中人機(jī)工程因素人接受信息的特性操作著應(yīng)能根據(jù)任何顯示儀表顯示的信息迅速準(zhǔn)確地得出結(jié)論。所以，儀表設(shè)計應(yīng)把人接受信息時的視覺特性作為必要的因素考慮。與儀表顯示有關(guān)的視覺特性有下列幾方面：1）人的視覺水平運(yùn)動比垂直運(yùn)動快，且眼睛沿垂直方向運(yùn)動比沿水平方向運(yùn)動容易引起疲勞。所以盡量采用水平式顯示效率高差錯率低。2）人們的視線習(xí)慣從左到右或從上到下運(yùn)動，順時針方向，所以各種形式的顯示儀表和多個儀表的排列順序，一般應(yīng)遵循這一特點進(jìn)行設(shè)計。3） 在偏離視覺中心相同情況下，人眼對左上角的觀察效率優(yōu)于右上角，其次左下、右下。這是顯示儀表板面合理布局的依據(jù)。4） 人對視野最佳范圍內(nèi)的目標(biāo)，認(rèn)讀迅速而準(zhǔn)確；對視野有效范圍內(nèi)的目標(biāo)，不易引起視覺疲勞、因此，重要的顯示儀表應(yīng)布置在最佳視野范圍內(nèi)，而視野最大范圍內(nèi)不應(yīng)布置顯示儀表，或只布置不經(jīng)常認(rèn)讀的儀表。5） 在特殊條件下，人的視覺特性會發(fā)生變化。如在過分搖晃或振動嚴(yán)重的情況下，人的視覺能力會受到損害，影響視覺顯示信號的認(rèn)讀；又如在缺氧的條件下，人的視覺機(jī)能減弱。所以，在設(shè)計時要考慮環(huán)境對視覺機(jī)能的影響。人的信息傳遞能力一般情況下，同樣的參數(shù)盡量采用同一種顯示方式，而單位時間內(nèi)顯示的信息數(shù)量不得超過人的感覺通道傳遞信息能力的生理限度。在試驗條件下，人的視覺通道信息的傳遞率一般在3?10比特/s之間，在經(jīng)常性的操作中，人在單位時間內(nèi)傳遞的信息量應(yīng)在這個范圍之內(nèi)。人對信息的反應(yīng)視覺隨信息量增加而延長儀表顯示與人的反應(yīng)相協(xié)調(diào)人的感覺與人的反應(yīng)之間有適宜的關(guān)系。某些信號對某些反應(yīng)方式有利，而某些信號則對某些反應(yīng)方式不利。當(dāng)對應(yīng)與某種顯示方式而采用某種反應(yīng)方式最為合適時，這種對應(yīng)關(guān)系稱為顯示一反應(yīng)通道相協(xié)調(diào)。對于一般儀表的顯示，口頭讀數(shù)時的反應(yīng)比手動動作時的反應(yīng)（按開關(guān)）要快；對于不同空間位置的信號燈作定位反應(yīng)，則手動作反應(yīng)（按下對應(yīng)位置的按鈕）比口頭報告方式要快；對于連續(xù)變化的信號作追蹤反應(yīng)（如汽車駕駛員）以采用操縱桿和足蹬等連續(xù)操作為最2佳。顯示一反應(yīng)通道協(xié)調(diào)性好的系統(tǒng)，其操作效率高，人為差錯率低。如：顯示儀表的指針運(yùn)動方向與操縱器運(yùn)動方向一致，可以減少人對信息加工的復(fù)雜處理。一般所說的顯示與控制相和性指操作者面向顯示儀表的情況。作業(yè)環(huán)境因素人的感管、運(yùn)動器官和大腦思維的敏銳程度都會受到作業(yè)環(huán)境（溫度、濕度、強(qiáng)光、噪聲、振動以及有毒氣體的影響。因此，在設(shè)計和選擇顯示儀表時，應(yīng)考慮顯示信號的強(qiáng)度、形式、數(shù)值大小、信噪比等，使其突出與其它視覺或聽覺背景，以利于操作者正確理解、接受和判斷及反應(yīng)。（二）儀表顯示設(shè)計的基本原則儀表顯示設(shè)計應(yīng)以上節(jié)所述的人接受信息的視覺特征為依據(jù)，以保證操作者迅速二正確的獲得需要的信息。顯示精度應(yīng)與人的視覺辨認(rèn)特性和系統(tǒng)要求相適應(yīng)。儀表顯示信息的種類和數(shù)目不能過多，同樣的參數(shù)應(yīng)盡量采用同一種顯示方式。顯示的信息數(shù)量應(yīng)限制在人的視覺通道容量所允許的范圍內(nèi)，使之處于最佳信息條件下。顯示的格式應(yīng)簡單明了，顯示的意義應(yīng)明確易懂，以利于操作者迅速接受信息，正確理解和判斷信息。儀表的指針、刻度、標(biāo)記、字符等與刻度盤之間，在形狀、顏色、亮度等方面應(yīng)保持對比關(guān)系，以使目標(biāo)清晰可辨。一般目標(biāo)應(yīng)有確定的形狀、較強(qiáng)的亮度和鮮明的顏色。相對于目標(biāo)而言，背景亮度應(yīng)低些，顏色應(yīng)暗些。同時，也要考慮與其它感覺器官的配合。儀表顯示應(yīng)在空間關(guān)系、運(yùn)動關(guān)系和概念上與系統(tǒng)中其它顯示裝置、操縱裝置兼容、顯示裝置的編碼應(yīng)與相關(guān)操縱裝置的編碼一致，運(yùn)動方向應(yīng)相同。三、模擬式顯示儀表設(shè)計模擬式顯示儀表的設(shè)計要求是選擇好刻度盤、指針、字符，并使顏色匹配，使它們之間相互協(xié)調(diào)，以符合人對信息的感受，從而使人能迅速而準(zhǔn)確地接受信息。同時，要求儀表造型美觀耐用。（一）刻度盤的設(shè)計刻度盤的形狀和大小設(shè)計1） 刻度盤的形狀開窗式一圓形（半圓形）一水平直線式一垂直直線式2） 儀表刻度盤的大小儀表刻度盤的大小對儀表的認(rèn)讀速度和準(zhǔn)確性有很大影響，并直接影響認(rèn)讀效果。它與刻度盤上刻度標(biāo)記的數(shù)量和觀察距離有密切關(guān)系。當(dāng)刻度盤的直徑在25?35mm時，認(rèn)讀效果隨直徑增大而提高；當(dāng)刻度盤直徑為35?70mm時，認(rèn)讀效果趨于穩(wěn)定；當(dāng)刻度盤直徑超過70mm時，認(rèn)讀效果反而下降。直徑小于17.5mm時，無錯認(rèn)讀速度大為下降。過小的刻度盤刻度標(biāo)記、數(shù)碼等細(xì)小而密集，難以辨認(rèn)，從而影響認(rèn)讀速度和準(zhǔn)確性。過大，使人的眼睛的中心視力分散，掃描路徑變長，視敏度降低，影響認(rèn)讀速度和準(zhǔn)確性。試驗證明使觀察者的視角為2.5~5度時的刻度盤直徑最佳。在空間受限制時，為了保證儀表具有良好的可讀性，必須按刻度盤上的刻度標(biāo)記的數(shù)量和觀察距離來選擇刻度盤的最小直徑。表3-2圓形刻度盤最小直徑與標(biāo)記數(shù)量和觀察距離的關(guān)系?？潭鹊脑O(shè)計刻度盤上兩個最小刻度標(biāo)記（刻度線）間的距離和刻度標(biāo)記統(tǒng)稱為刻度。認(rèn)讀速度和認(rèn)讀準(zhǔn)確性與刻度間距、刻度標(biāo)記、刻度標(biāo)數(shù)有關(guān)。1）刻度間距指兩個最小刻度標(biāo)記的間隔距離，它與人眼睛的分辯能力和距離大小有關(guān)。儀表認(rèn)讀效率隨刻度間距的增大而提高。在達(dá)到臨界值后，認(rèn)讀效率下降。臨界間距3一般在視角為10分（弧度）附近。在視距為750mm時，大體上相當(dāng)于刻度間距1?2。5mm。所以刻度間距最小尺寸一般在1?2。5之間選取。在觀察時間很短（如0。5?0。25s）的情況下，可選取2。3?3。8mm間距，而不宜過小。當(dāng)采用放大鏡時間距可取1/Xmm（X為放大倍數(shù)）.此外，亥U度間距因刻度盤的材料不同也有差異。2） 刻度標(biāo)記即刻度線，每一刻度標(biāo)記代表一定的讀數(shù)單位。為便于認(rèn)讀和記憶，刻度標(biāo)記一般分長、中、短標(biāo)記三類。各類刻度標(biāo)記尺寸的設(shè)計應(yīng)以短刻度標(biāo)記為基準(zhǔn)。短刻度標(biāo)記的尺寸應(yīng)根據(jù)人的視覺分辯能力、觀察距離以及照明水平等因素確定?？潭葮?biāo)記的長度及標(biāo)注在刻度盤上的文字或數(shù)字高度數(shù)值見表3-3.刻度標(biāo)記的寬度以占刻度間距的1/5~1/20為宜。圖3-7示出長、中、短三類刻度標(biāo)記的間距和刻度標(biāo)記寬度的最小值。近幾年發(fā)展了一種寬線標(biāo)記的刻度，其標(biāo)記的寬度等于兩刻度標(biāo)記間的距離。這個寬度按人觀察時的最小視角設(shè)計，增加了刻度標(biāo)記與背景的對比度，使認(rèn)讀迅速而準(zhǔn)確。主要應(yīng)用于動態(tài)和瞬間認(rèn)讀儀表。3） 刻度方向刻度方向是指刻度盤上刻度值的遞增方向和認(rèn)讀方向。其設(shè)計必須遵循視覺運(yùn)動規(guī)律，而形式可依刻度盤的不同而不同。4） 刻度單位刻度單位是定量顯示數(shù)值的表示方式，每一刻度值所代表的測量值為單位值。為了避免認(rèn)讀換算，單位值應(yīng)盡量取整數(shù)，最好為1、2、5個單位值，或1、2、5的10n倍個單位值，而不宜代表其它值。5） 刻度標(biāo)數(shù)和數(shù)字立位最小的刻度一般不標(biāo)數(shù)，最大的刻度必須標(biāo)數(shù)。數(shù)字的立位必須和指針相垂直，在任何情況下都應(yīng)正對著操作者，以利于認(rèn)讀。指針在儀表內(nèi)時，若儀表表面的空間足夠大，則數(shù)字置于刻度的外測，可避免被指針擋住。開窗式儀表的窗口大小應(yīng)至少顯示出被指示數(shù)字及其上下兩側(cè)的兩個數(shù)，以便看清指示運(yùn)動的方向和趨勢。亥U度標(biāo)數(shù)進(jìn)級是指指標(biāo)尺上不同刻度標(biāo)記指示的數(shù)值關(guān)系。一般以相鄰的刻度標(biāo)記所指示的數(shù)值差表示。當(dāng)標(biāo)尺上的長、中、短三類刻度都要標(biāo)記時，各類刻度的標(biāo)數(shù)進(jìn)級系統(tǒng)應(yīng)相互兼容。如長、中、短三類刻度分別用0、10203040和05101520以及01234的標(biāo)數(shù)進(jìn)級系統(tǒng)。對同時使用的功能相同的多個儀表，刻度標(biāo)數(shù)進(jìn)級系統(tǒng)應(yīng)一致。字符的設(shè)計儀表中印刻的數(shù)字、字母、漢字等統(tǒng)稱為字符。1） 字符的形狀應(yīng)該簡明、易讀、醒目，多用直角與尖角形，以突出各個字符的形狀特征，避免字的相似性與其之間的混淆。漢字推薦用宋體或黑體印刷體。2） 字符的大小字符應(yīng)盡量大些，通常其高度約為視距的1/200或見表3-3。字符的高度與寬度至比取5：3。5=0。7，這種比例在正常照度下易于認(rèn)讀。若在暗光下采用發(fā)光字符宜用1：1。字符筆劃寬度與字高比一般為：1：6?1：8。表3-5不同照明條件和對比度下字符的筆劃寬。（二）指針的設(shè)計指針是模擬式儀表的重要組成部分，它指示儀表所要顯示的信息。因此，指針的設(shè)計是否符合人的視覺特性，將直接影響儀表的認(rèn)讀速度和準(zhǔn)確度.指針可分為運(yùn)動指針和固定指針，其要求是相同的。指針的形狀指針的形狀應(yīng)該力求簡潔、明快、不加任何裝飾，具有明顯的指示性形狀。指針由針尖、針體和針尾三部分構(gòu)成，一般以針尖尖、尾部平、中間等寬或狹長三角形為好。指針的寬度與長度指針的寬度設(shè)計，最重要的是確定針尖的寬度。一般來說，針尖的寬度應(yīng)與刻度標(biāo)記的寬度相對應(yīng)，可與短刻度線等寬，也可為刻度間距的10-n倍（n為整數(shù)）。應(yīng)注意，針尖寬度不得小于短刻度標(biāo)記的寬度，否則不易看清。針體的寬度一般不受限制，視結(jié)構(gòu)因素而定。針尾主要起平衡重量作用，其寬度由平衡要求而定。指針的長度應(yīng)以與刻度線間留有1?2mm4的間隙為好，不可覆蓋刻度標(biāo)記。此外，指針設(shè)計應(yīng)充分考慮造型美觀的要求。指針與刻度盤面的關(guān)系由于刻度盤面和指針間有相對運(yùn)動，它們之間的間隙要盡可能小，其指針表面應(yīng)與刻度盤面處于相互靠近的平行面內(nèi)，以免觀察視線不垂直表盤時產(chǎn)生視覺誤差。設(shè)計雙指針時，上面的指針可稍長一些，且使指針尖部彎向刻度盤平面?？潭缺P運(yùn)動型儀表，其指針是不動的，為使指針鮮明醒目，將其設(shè)計成著色三角形。^4.指針的零點位置儀表指針零點位置大都置于時鐘12點上，追蹤儀表有時置于9點位置。（三）儀表的色彩設(shè)計儀表的色彩設(shè)計是指刻度盤面、刻度標(biāo)記、指針以及字符的顏色和它們之間顏色的匹配。它對儀表的認(rèn)讀、造型是否適用、美觀有很大影響，也是儀表設(shè)計中不可忽視的。顏色的搭配儀表是靠指針指示刻度和數(shù)字表示信息的，所以表盤面、刻度、指針和數(shù)字的顏色選擇應(yīng)使顯示的信息認(rèn)讀清晰醒目而又不易引起疲勞。因此彼此之間應(yīng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，其顏色的搭配須符合規(guī)律。表3-6是經(jīng)科學(xué)測定的顏色搭配規(guī)律，其中最清晰的是黑與黃，最模糊的搭配是黑與籃，其余的搭配介于之間。儀表的用色還應(yīng)注意搭配醒目色，因為醒目色是與周圍色調(diào)特別不同的顏色，能突出醒目色代表的含義，適用于作儀表警戒部分或危險信號部分的顏色，但不能大面積使用。儀表的色彩設(shè)計試驗研究表明，墨綠色的刻度盤配以白色的刻度標(biāo)記或淡黃色的刻度盤配以黑色的刻度標(biāo)記，誤差率最小，即色彩搭配最好。指針的顏色應(yīng)與刻度盤的顏色有鮮明的對比，而與刻度標(biāo)記以及字符的顏色盡可能保持一致。在一般情況下，黑白兩種顏色的明度對比最高，而且符合儀表習(xí)慣用色。在不需要暗適應(yīng)的條件下，以亮地暗字為佳；當(dāng)儀表在暗處，而觀察者在明處，以暗底亮字為好。四.數(shù)字式顯示儀表設(shè)計數(shù)字式顯示儀表是直接用數(shù)字和字符等顯示設(shè)備運(yùn)行過程中的有關(guān)參數(shù)或狀態(tài)的儀表。它在顯示速度、精度等方面比模擬式顯示儀表高，并且具有數(shù)字清晰、醒目、便于較遠(yuǎn)距離視讀。（一）機(jī)械式數(shù)字顯示儀表機(jī)械式數(shù)字顯示儀表依靠機(jī)械裝置實現(xiàn)數(shù)字顯示。它將數(shù)字印刷在滾筒上或金屬片上，通過滾筒的轉(zhuǎn)動或金屬片的移動，顯示數(shù)字及其變化。機(jī)械式數(shù)字顯示儀表的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，缺點是有可能在顯示窗口只顯示半個字形，引起讀數(shù)錯誤，也容易出現(xiàn)阻卡現(xiàn)象。機(jī)械式數(shù)字顯示中的字符設(shè)計，如字體高度、寬度等可參考模擬式顯示儀表的字符設(shè)計。但由于數(shù)字式顯示儀表是以顯示數(shù)字為主要目的，因此，對數(shù)字有一定的特殊要求。1.數(shù)字的形狀首先要保證數(shù)字之間易于區(qū)別，其次數(shù)字形狀要簡單易認(rèn)，加強(qiáng)數(shù)字本身特有的筆劃，突出其形態(tài)特征。在光照和視覺條件較好的情況下，字體形狀以尖、直角和弧形相結(jié)合的結(jié)構(gòu)為最佳；而在能見度較差的和需要快速辨認(rèn)的情況下，則具有尖角較多的數(shù)字為好。數(shù)字的尺寸數(shù)字的適宜尺寸與觀察距離、照明和閱讀條件等因素有關(guān)。有人經(jīng)過試驗提出數(shù)字和字母適宜高度的計算公式如下：H=0.0022L+K1+K2H一字高（mm）L一觀察距離（mm）;K1一照明和閱讀條件修正系數(shù)K2一重要性修正系數(shù)數(shù)字的高寬比和筆劃寬度與字高比，可參考模擬顯示儀表數(shù)字尺寸的設(shè)計。高與寬之比5可取3：2或5：3,一般不采用狹長形，否則會因移動而產(chǎn)生視覺變形，不利于認(rèn)讀。字體筆劃寬度與字高之比，一般為1：8?1：6。字與字之間橫向間隔取為一個筆劃寬度，上下兩行間隔應(yīng)為字高1/3為好。字體與背景和照明的關(guān)系字體設(shè)計中要充分考慮背景和照明因素。一般不采用光反射強(qiáng)的材料做字體的背景，因為強(qiáng)反射背景會產(chǎn)生閃爍炫目的現(xiàn)象，影響認(rèn)讀效果。字體和背景在色彩上要對比度強(qiáng)一些，可增加清晰度。此外，還須根據(jù)顯示儀表所處環(huán)境的照明條件確定字體與背景的明暗關(guān)系。一般儀表在暗處時，用暗底亮字好，在明處時用亮