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【人機互動設計】02 人機互動的心理學基礎

政治大學數位內容與科技研究所 2020 年「人機互動設計」課程筆記。

Human-Computer Interaction Design｜週四 09:00-12:00｜授課老師：陳宜秀

tags: NCCU 人機互動設計課程

Cybernetics 控制論

人的一個感覺／認知／動作都是由各種不同的系統協作完成，這些系統都很複雜，無法單獨分離說明個別系統對應的人類感覺／認知／動作。

👉 控制論的詳細介紹

以下是各種與人類感知、互動相關的心理學理論

視覺

從 John Berger《觀看的方式》提到，觀看是

• an act of choice（一種選擇行為）
• the relation between things and ourselves（代表著看者與被看者間的關係）
• continually active, countably moving（視覺是持續變動的）

視覺的產生與運作

• 主要由組成視網膜的「錐細胞 Cone」與「桿細胞 Rod」運作
• 錐細胞：主要分布在視網膜中央，包含感光物質，分別由藍、綠、紅三種錐細胞的神經衝動，在 Ganglion Cell 神經節層形成不同的激起／抑制組合，而形成色彩。（註：藍綠紅錐細胞分別對色光三原色的 RGB 有不同程度的光敏程度，但沒有直接的顏色代表關係）
• 桿細胞：主要分布在視網膜外圍，只有一種感光細胞，無法分辨顏色，但在黑暗中有高敏感度。

更多桿細胞與錐細胞的介紹，見此文章

Lateral Inhibition 側向抑制

視覺像探照燈，人類正在注視的、位於視覺中央的物件，會有最清晰的影像，而物件的周遭則是模糊不清的。

• 原理：一組視覺細胞有整合神經節，當注視著物件時，光線會刺激最中間的視覺細胞，讓該位置的視覺細胞興奮。
• 對視覺的影響：是否有共同特徵，會影響到視覺判斷差異的速度。

比較	有共同特徵	沒有共同特徵
視覺搜尋方式	序列搜尋	平行搜尋
注意力	介入	不介入
速度	慢	快
圖像特徵	形態類似	走向、運動方向或速度、顏色、大小

• 視覺與注意力控制
  • bottom-up：看什麼 → 看到什麼
  • top-down：想看什麼 → 看到什麼
  • 不對稱搜尋（search asymmetry）人的視覺系統偏好正統樣式，容易在標準正統樣式中尋找變異樣式，但反過來進行就很困難。（例如在一堆缺角的圓圈中尋找完整的圓圈 vs 在一堆完整的圓圈中尋找缺角的圓圈，前者速度慢、後者速度快）

視覺與注意力

• 人的視覺與注意力關係密切
• 人的注意力有限，用來關注最重要的部分。若集中注意力，就會加速訊息處理，提高效率。
• 兩種搶注意力的因素
  • top-down：內在因素、動機、目標、喜好。
  • bottom-up：基本特徵、醒目性，若夠強烈，就能突破 top-down 的過濾。

Saliency 醒目性

如何讓使用者一眼就看到，這與訊息提醒、步驟指示相關。物件的基本特徵、大小、顏色、明亮、清晰度、動作、習慣／預期心理，能操控醒目性。其中的習慣／預期心理跟社會互動的 script 類似，當使用者以學習到運作模式，就有規範可循。

👉 Script 與 Mental Model 差別

Feature Integration Theory 特徵整合理論

• 當注意力投射到視野的某區域，視覺系統會整合接收到的基本特徵（顏色、方向、大小、動作等），產生物體知覺（人就會想：這是什麼東西？）
• 人在持續不斷地解釋世界

Treisman, A. M., & Gelade, G. (1980). A feature-integration theory of attention. Cognitive psychology, 12(1), 97-136.

Gestalt Psychology 完形心理學

• 人的知覺不是散亂的個別刺激，而是「整體的型態」
• 組織定律
  1. 優型律 paragnanz（偏好簡潔、有意義的型態組合）
  2. 連續律 continuity
  3. 相連律 connectedness
  4. 共同律 common fate
  5. 封閉律 closure
  6. 鄰近律 proximity
  7. 相似律 similarity
• 當定律間互相衝突時，哪個定律最具有決定性？不知，看人如何解讀。

記憶與注意力

Wickens 資訊處理模式

組成要素

• 注意力（資源）attention resources
• 決策（判斷、選擇、決定）decision and response selection
• 動作 response execution
• 知覺 perception
• 短期記憶 working memory
• 長期記憶 long-term memory
• 感覺記憶 short-term sensory store

Multiple Storage Model: Atkinson-Shiffrin

多重記憶模型：採訊息處理模式說明人的記憶歷程，認為人與電腦類似，可將訊息儲存、保管並取用。此模式可分成感覺記憶(sensory memory)、短期記憶(short-term memory)與長期記憶(long-term memory)三種。

• 感覺記憶亦稱感覺儲存(sensory storage)或感覺登錄(sensory register)；感覺記憶持有的資訊屬於較粗略和未經處理的形式，時間甚短，可供進一步處理之用。主要的感覺記憶有視覺記憶、聽覺記憶、觸覺記憶等。

  • iconic 視覺、echoic 聽覺、haptic 觸覺
  • 儲存時間約 1-3 秒
  • 不需要注意力，但若有注意力，可能進入短期記憶

• 短期記憶又稱短期儲存(short-term storage)，所包含的僅是少量的、零碎的訊息，除非複誦(rehearsal)，不然很快就消失。

  • 容量有限，類似電腦的 RAM
  • 儲存時間約 15-30 秒
  • 進入短期記憶的三種結果
    1. 因 rehearsed 留在短期記憶內
    2. 因 rehearsed 進入長期記憶內
    3. 被新事物取代而消失
  • Miller Magix Number: 7+-2，將記憶量化計算，發現年輕人的記憶力約是 7+-2 個單位。PDF slide

• 長期記憶的潛能大於短期記憶，除了能夠記憶多年前的舊訊息外，亦能記憶最近獲致的新訊息。因此比較持久，且不易喪失。唯亦可能將訊息轉移給短期記憶或在中間喪失。此模式具有結構性，亦即有穩定的順序。

  • 儲存時間：一輩子
  • 容量：無限
  • 內隱記憶 implicit memory：技藝類、運動類項目
  • 明示記憶 explicit memory：陳述性記憶（事實、概念）、程序性記憶（事件、經驗、流程）

👉 wikipedia

Chunking：使用長期記憶幫助短期記憶

賦予意義，協助快速記下看似不相關的項目，類似聯想法。例如圍棋選手的背譜，因為每手棋間都有關係，所以容易記下棋譜，背譜能力強；但當棋譜是亂下的，那圍棋選手的背譜能力就跟一般人相同。

Distributed Cognition 分佈式認知

• 認知分佈在所有和互動相關的環境中：訊息媒介、介面、人。
• 也就是資訊的記憶不一定要記在自己的腦中，能用其他方式記下，一種「延伸腦」的概念。
• 例如：筆記本、鍵盤上的標記、app 的功能、cockpit、醫院看板。
• 減輕人的心理負荷量（Mental Workload）

Mental Workload 心理負荷量

• 定義：指的是正在進行的作業（task）或一組作業對操作者在心裡操作能力上的要求

• 取決於：

  • 難度
  • 數量
  • 作業間的干擾程度
  • 速度要求
  • modality（類型：文字／聲音／影像）
  • 過往經驗（是否受過訓練）

• 如何測量心理負荷？與涉及的事物「複雜程度」、「干擾程度」相關（用事物或事件的數量計算，不見得正確，從尋找共同特徵可以得知，當尋找的目標與干擾物間沒有共同特徵，注意力不需要特別介入也能輕鬆在眾多干擾物中找到目標，即使干擾物數量增加也無妨）

  • 反應時間：負荷量大，反應時間長
  • 正確性：負荷量大，錯誤增加
  • 效率：負荷量大，效率降低
  • 中斷次數：負荷量大，容易中斷

• 如何減少心理負荷

  • 減少同時作業的數量
  • 凸顯需要處理的任務
  • 具體化流程（善用延伸腦）
  • 簡化決定的性質（提供最簡選項、清楚的指示訊息）
  • 訓練

Kahneman: System1 vs System2

	System1	System2
功能	維持既有對世界的看法	客觀分析資訊
特色	fast	slow
	automatic	effortful
	frequent	infrequent
	emotional	logical
	stereotypic	calculating
	subconscious	conscious
結果	判斷偏差、偏見、錯誤認知

• System1 與 System2 輪流啟動，互相競爭
• System1 的誤差影響：huristic bias
  • 賭徒謬論
  • 錨定效果
  • 刻板印象

人因工程三定律

Fitts' Law

Paul Fitts 對 pointing 的研究。

$M = a + b*ID$

$ID = log_2(\frac{2D}{W})$

• 當目標（W）變小、距離（D）變長，觸及目標會變得困難（ID, index of difficulty）
• 越困難等同觸及目標的時間會拉長
• 越困難，使用者操控的滑鼠所需的準確度越高

Fitts, P. M. (1954). The information capacity of the human motor system in controlling the amplitude of movement. Journal of experimental psychology, 47(6), 381.

Steering Law

使用者移動鼠標，通過長型隧道，不可以碰到兩邊（類似電流急急棒的玩法）

$T = a + b\int_C\frac{ds}{W(s)}$

T = Time

d = distance of segments(length of tunnel)

W = Width of the segments

• 隧道越寬，花費的時間越短（容易）
• 隧道越長，花費的時間越長（困難）
• 隧道又窄又長時，使用者需要更多注意力控制滑鼠
• 應用在 menu 選單
  • 選單中加入短暫的延遲，方便使用者轉移到子選單
  • 盡可能縮短選單長度
  • 盡可能不使用子選單設計

• Accot-Zhai Steering Law: Implications for UI Design
• Johnny Accot and Shumin Zhai. 1997. “Beyond Fitts' law: models for trajectory-based HCI tasks,” Proceedings of CHI '97.
• Sergey Kulikov, I. Scott MacKenzie, Wolfgang Stuerzlinger. 2005. “Measuring the Effective Parameters of Steering Motions,” CHI '05 Extended Abstracts on Human Factors in Computing Systems.

Hick's Law

反應時間與要處理的資訊量成正比。

$RT = a + b log2(n)$

RT = reaction time

a = constant, default process time

b = coefficient, average decision time

n = number of possible choices

• 當選擇呈現的方式很類似，反應時間會隨著選擇的數量而增加，不利順暢的操作
• KISS 原則：Keep it short and simple, Keep it simple and stupid
• 應用
  • Categorizing Choice – Enabling users to find items from higher categories, as if they were looking under sections in a library.（例如依照字母順序安排選項）
  • Obscuring Complexity – Breaking up long or complex processes into screens with fewer options.（讓使用者認識所有可能的項目）

• 研究原文：On the rate of gain of information
• Hick’s Law: Making the choice easier for users
• UX的定律第二集-Hick法則