載人航天人機交互界面色彩設計方法研究

姚湘，龍茜，陳淇琪，王美琪

【專題：高端裝備智能人機交互設計】

載人航天人機交互界面色彩設計方法研究

姚湘，龍茜*，陳淇琪，王美琪

（湘潭大學，湖南 湘潭 411105）

對載人航天人機交互界面的色彩設計方法流程進行了梳理和分析。遵循“以人為中心”的設計原則，從色彩空間與模型、色彩設計與人因、航天色彩設計范圍、載人航天器色彩設計模型，以及載人航天器色彩設計與人因評價體系等方面，對載人航天器人機交互界面色彩設計方法流程體系進行了探討。構建了載人航天色彩設計模型，闡述了完整的載人航天色彩設計方法流程體系。針對載人航天人機交互色彩設計方法的研究為航天員在軌環境中的生活品質及工作效能等相關領域的提高提供了有力支持，進一步增強了航天領域色彩設計與人因工程的重要性。

載人航天；人機交互界面；色彩設計；人因工程

載人航天工程是當今世界高新技術發展水平的集中展示，是衡量一個國家綜合國力的重要標志[1]。隨著我國載人航天事業的不斷發展，航天員需進行的信息加工越來越多，其中色彩是視覺感知信息最快的途徑[2]。載人航天環境充滿著各種應激源，包括物理、生理、心理和人際關系等方面，如微重力、振動、噪聲、限制、隔離、工作單調與刺激等[3]。在特因環境下，宇航員的生理、心理，以及認知功效都可能受到多種影響。

色彩作為視覺信息的重要組成部分，對人體的影響表現出多樣性與復雜性，其不僅產生視覺現象，還對情緒、心理、行為產生影響。經大量研究發現，人機交互界面的色彩深深地影響著航天員的工作和生活。色彩可以幫助航天員提高自身的工作效率、調整身心狀態，使航天員更好地適應航天特因環境，從而提升心理舒適度[4-7]]。在航天設計中，色彩是航天空間適居性設計非常關鍵的因素，其影響著空間環境的可居住性水平，對人的生理參數、認知、執行能力和心理因素的影響尤為深刻[8]。

目前，國內外學界對人機界面的相關研究主要集中在人機界面空間布局上，以優化作業人員的可操作性。本文重點關注載人航天人機交互界面色彩設計方法的研究，針對載人航天色彩設計的各步驟進行總結分析，不僅為載人航天的色彩設計提供了科學依據，也為制定空間環境與情感適居性支持方案提供重要參考。

1 色彩設計相關概念

1.1 色彩空間與模型

色彩空間又稱作色域，是用于表示和描述顏色的數學模型，通常是一個三維或更高維的空間。常見的色彩空間有RGB色彩空間、CMYK色彩空間、CIELAB色彩空間等[9]。不同的色彩空間適用于不同的應用場景。例如：RGB色彩空間適用于電子屏幕；CMYK色彩空間適用于印刷[10]；CIELAB顏色空間是由國際照明委員會（CIE）制定的一種色彩模式[11-12],其涵蓋了人類色彩感知的整個范圍，且具有感知上的均勻性，而理論分析認為CIELAB顏色空間是一種較適合用于圖像背景主色提取的顏色空間[13]。

1.2 色彩設計與人因

色彩設計是空間環境適居性設計的重要內容，色彩經由視覺產生心理聯想或生理反應，對人的心理、情感、健康及視覺功能等均有較大影響[14-16]。在長期空間飛行的特殊環境下，載人航天器色彩設計對乘員的影響主要體現在生理、心理及認知功效三個方面。

1）在生理上，色彩作為視覺信息的重要組成部分，通過人的眼睛對光產生視知覺反應，從而在大腦中產生特殊的感覺。色彩不僅產生視覺現象，也對人體產生多樣性與復雜性的影響。研究表明[17-19]，色彩變化會對表面皮膚電反應（GSR）、腦電圖（EEG）、心率、呼吸率、血壓等生理反應存在關聯的方面產生影響[20]。

2）在心理上，色彩可以影響人的情緒、精神和心理活動。在生活或者工作環境中，不同的色彩會對人類產生不同的情緒影響。從色彩心理學的內容來看，色彩心理被定義為人從對色彩的視覺感受轉變為心理感受的整個過程。色彩會對人體心理感受產生直接作用，人在不同色彩的刺激下，由于主觀心理因素而對某種色彩產生帶有感情的心理變化和活動，主要包括：輕重感、冷暖感、空間感[21]。此外，色彩也可以對人體心理產生間接反應，也就是色彩具有一定的聯想性，會讓人聯想到相關事物[22]。

3）在認知功效上，色彩在信息可視化中是一種重要的編碼元素，具有較強的可編碼性、良好的識別度和區分度。色彩編碼在航空航天、空中交通等工業領域的人機交互界面設計中具有關鍵作用。大量研究證實了色彩屬性（如色相、明度和飽和度）在前景和背景選擇、信息重要性排序，以及視覺顯著性方面的認知效果和影響，為人機交互界面的色彩編碼提供了指導依據，有助于實現更高效、更直觀、更美觀的界面設計[23-29]。

1.3 航天器色彩設計范圍

航空航天中的美學在很大程度上與整個航天器中涉及人類互動的部分有關。因此，航天器色彩設計的范圍基本上包含航天器所有的內部部分。在太空環境中，色彩設計的重要性體現在航天器的不同功能區域，如工作區、生活區和休息區，需要考慮航天員的心理和生理需求。例如，對于生活（居住）艙室，考慮到這是航天員休息和睡眠的地方，色彩設計應選擇簡單、和諧的顏色，避免紛亂、艷麗的色調，以創造寧靜舒適的環境。圖1為天和核心艙不同功能的分區展示。

圖1 天和核心艙不同功能分區

在上述不同的艙室中，要進行色彩設計的公共部位是地板、天花板、接口板、機架、柜面等。NASA在2001年給出的規范文件《國際空間站內部配色方案》[30]中定義了將在所有美國加壓元件內部使用的配色方案。這些方案建議適用于空間站的所有可居住元素。總結該規范中實驗艙、生活艙、節點艙和觀測艙中的配色方案，可以得出艙室內配色基本以白色為主，藍色為對比色，明度較高、彩度較低、可擴大視覺空間。而不同艙室的接口板配色基本各不相同，以便航天員在空間站中快速地定位。由此可知，對于同一部件或區域，在不同的功能需求下，其配色也隨之有所不同。對色彩的研究在改善航天器單調的視覺環境過程中起著關鍵作用，同時也獲得了定位、寬敞性、方向性和識別性方面的功能作用。

2 載人航天器人機界面設計方法與色彩設計方法研究

為了貫徹“以人為中心”的設計理念，本文綜合馬斯洛層次需求[31]、“以人為中心”的設計[32-33]、用戶體驗設計[34]、系統設計[35-37]等理論，總結出了一套載人航天人機交互界面工業設計的設計方法與流程，包含：任務立項、概念開發、系統設計、詳細設計、評估、改進六個階段，主要開展載人航天器的色彩設計模型框架及流程方法探索。

2.1 載人航天器色彩設計模型構建

人的色彩感覺信息由光源、彩色物體通過眼睛和大腦通道進行傳輸。這些因素使人類能夠感知色彩，同時也是人類對色彩做出準確判斷的先決條件[38]。色彩是光、人類視覺系統，以及心理屬性的綜合體現。在載人航天器中，人員與航天器之間的色彩交互主要涉及：視覺空間與人眼的適配性、控制器與顯示器的配色方式、助力措施和設備的顏色設置、信息獲取與效率、安全顏色類型、照明顏色要求、艙內各操作界面的顏色匹配性等方面。

通過深入分析航天員在載人航天器中的視覺感知過程、影響乘組人員認知行為的因素及其作用機制，本文構建了載人航天器色彩設計模型，該模型包括體驗層次中的色彩設計機制、人因工程中的色彩設計機制，見圖2。這一結構梳理了在載人航天器色彩設計中，如何考慮視覺感知和人因工程以實現功能性、美觀性和用戶體驗的統一。

2.1.1 色彩交互的體驗層次

體驗層次中的色彩設計機制包括三個子要素：本能層的色彩設計要素、行為層的色彩設計要素和反思層的色彩設計要素。

2.1.1.1 色彩交互的本能層次

本能層次源于人的感官，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺交織而成的外部世界的情感體驗，使人具有感性的個性[39]。色彩感知通過視覺系統進行加工。從色彩感知過程中的生理加工和心理加工兩個方面分析，建立本能層次的色彩感知過程模型。在載人航天器內部界面中，本能層次的色彩設計更加關注乘組人員對不同界面的色彩偏好，以達到緩解孤立和單調的目的。基于對色彩偏好的評價，將人的偏好需求轉化為設計，強調用人的感覺進行設計，使人產生直觀和主觀的心理反應，通過創造令人愉悅、舒適的視覺環境和界面來滿足乘組人員的需求。

圖2 載人航天器色彩設計模型

2.1.1.2 色彩交互的行為層次

在色彩交互中的行為層次是指附著在界面/產品上的色彩在實用和功能方面能否優化人與產品間的交互體驗[40]。在行為層次的色彩設計中，關注色彩配置在視覺感知、空間尺寸、穩定性、識別性和功能性方面對乘組人員的影響。這樣做的目標是優化與航天器內部界面交互的體驗，幫助乘組人員在進行任務活動時快速、準確地實現他們的行為目的和任務，提高操作可靠性和效率。

在載人航天器內部環境中，行為層次的色彩設計需要重點考慮以下幾個方面：（1）考慮航天器特點，如狹小、擁擠、隔離等極端環境要素，通過色彩設計營造一個平靜、涼爽、有秩序的環境；（2）優化空間感，利用色彩規律創造具有深度感和寬敞感的視覺效果；（3）增加穩定性，通過合理的顏色搭配增強室內環境穩定感；（4）優化識別性，通過統一和規律的配色區分不同功能設備，并采用鮮明的色彩對比強化操作和標識識別能力；（5）功能化配置，根據不同功能區域或艙室創造定制化顏色方案。

2.1.1.3 色彩交互的反思層次

在色彩交互中的反思層次通常被定義為高層次的色彩情感化。高層次的色彩情感化關注色彩所賦予載體的情感、體驗、內在含義，以及設計理念。在載人航天器色彩設計中，考慮協調性、品牌化、民族和國家文化特性、風格與符號等因素，旨在為乘組人員創造具有審美意義且符合期待的艙內體驗，也反映航天器所屬國家和民族的文化特征和形象[41]。

在反思層次的色彩交互中，需要重點考慮以下幾個方面。

1）協調性：在航天器內部界面上統一和協調各個顏色載體和元素。

2）品牌化：建立與航天器品牌相符的視覺效果和色彩配方。

3）民族和國家文化特性：使航天器內部環境色彩與乘組人員的文化背景相協調。

4）風格和符號：通過色彩搭配表現獨特的主題、風格和時代感。

2.1.2 色彩設計與人因工程

人因工程中的色彩設計分別包含以安全、高效、舒適為目標的設計要素[42-44]。在載人航天器中，提高乘組人員長時間飛行的心理適應能力、穩定性和可靠性已成為航天工效學研究熱點[45]。航天器設計師需要創造出沒有視覺障礙的航天器環境。通過深入分析航天器艙內活動工效學要求指標，挖掘出色彩設計中的主要研究包括：報警和故障應急的安全色彩設計；提高工作效率的高效色彩設計；優化環境適居性的舒適色彩設計，具體如下。

1）報警和故障應急的安全色彩設計：在航天器內部設計中，色彩在航天器安全研究中的占比很低。絕大多數報警和故障應急界面設計沒有積極考慮色彩。通過顏色和應急相關的文獻可知，顏色會影響警告的顯著性和記憶，從而影響遵從行為和傳達的危險程度[46-47]。盡管各國對警示顏色的適當使用有明確的規定，但航天器內部標識往往不符合這些標準，其主要的問題是在產品警示中使用了不協調的顏色。此外，顏色與書面警告在人的認知過程中并不一致，這種情況會影響警示信息的傳播和人們對警示的遵守。

2）提高任務效率的色彩設計：顏色對工作效率的影響已被廣泛認可，環境顏色可顯著影響任務表現和效率[48-52]。自載人航天開始以來，航天員任務表現的調查與評價一直是各國航天員訓練中心的研究重點。尋找最佳訓練方法以提高人類在太空中的表現已成為載人航天任務的重要干預措施。

3）舒適色彩設計：在人因工程學中，舒適（或稱安逸）是一種身體或心理上的輕松感。顏色在環境中的應用可以影響居住者的生產力、自我滿意度、整體舒適度和情緒[53-55]。在類似航天器內部環境的一些封閉艙室中的顏色研究表明，人在不同的色彩環境或彩色照明環境中會產生不同的視覺和熱舒適性。

通過考慮這些關鍵方面可知，采取專門的色彩設計策略有助于優化載人航天器中乘組人員的操作交互和體驗，最大限度地提高安全性、效率和舒適度。

3 載人航天器色彩設計與人因評價流程體系

秉承“以人為中心”的設計理念，以載人航天任務需求為導向，載人航天器色彩設計總體分為“三模塊、三節點、十二活動”的迭代式閉環設計流程。其中，三個核心模塊分別為：任務分析與色彩定位、航天人因測試、色彩設計與評估；三個關鍵節點包含：色彩設計定位、色彩設計策略、色彩設計歸檔；十二活動包含：航天任務需求分析、視覺感知能力需求分析、色彩設計需求分析、色彩設計目標等，總體流程見圖3。

3.1 任務分析與色彩定位

以載人航天任務需求為導向，運用工業設計相關方法，對每個航天任務下的色彩需求進行分析。依托色彩心理學、航天員視覺感知能力要求、色彩調和等色彩領域相關原理對任務分區下的色彩需求進行整理，并得出色彩定位，為色彩設計做理論依托。

3.1.1 任務需求分析

航天員在執行空間飛行任務時需要完成一系列復雜且精細的任務。根據國外載人航天實踐經驗，航天員的空間飛行任務可分為四個方面：航天器系統運行管理任務、航天員生活與工作管理任務、載荷試驗與管理任務、交會對接與出艙活動任務[56]。這些任務涵蓋了航天器運行監督、航天員生活健康管理、實驗設備操作與管理，以及艙外活動等多個方面的內容。

在載人航天器色彩設計任務之前，分析航天員任務是至關重要的。它可能影響航天器色彩設計任務的成敗和航天員安全。首先，需確定總任務目標和基本內容。然后將任務分解為具體操作。為了對每項工作和具體操作進行分工，需要對人與人、人與機器之間的狀況和需求做出剖析。同時，需要對完成任務有影響的環境因素及人的身心狀態進行剖析。最后，明確每一個作業的措施、步驟，以及時間，同時提出有關操作人員的挑選和訓練的標準。

通過對各項航天任務的剖析，以滿足載人航天任務目標和標準為基礎，便可以對色彩實施初步設計，進而產生多種色彩方案以進行選擇。這樣的分析和設計將有助于提高航天器色彩設計方案的合理性，以確保任務的順利進行和航天員的安全。

3.1.2 視覺感知能力變化

以往的研究從人與系統之間的交互過程出發，將航天員的作業能力需求劃分為如下三方面，見圖4。

1）感知能力：借助人的感知器官，實現對外界環境及機器系統狀態的感知，涉及人的視覺、聽覺、觸覺等方面。

圖3 載人航天器色彩設計與人因評價流程

圖4 空間飛行中人作業能力需求

2）信息處理能力：借助人的認知決策能力對所獲取的信息進行分析判斷，形成操作決策，主要包括知覺、注意、記憶、決策等能力。

3）操作能力：根據形成的決策，驅動人的肢體、發聲器官等形成對外界的操作或交流，涉及人體參數和生物力學特性等[57]。

本研究團隊在此部分主要討論航天員在特因環境下的視覺感知能力特性。視覺是人類主要感知外部信息的途徑，對辨別物體的形狀、大小、顏色等屬性，以及判斷物體在空間中的方向、距離、位置等方面具有重要作用。此外，視覺也是人類進行空間導向、有效行走和活動的主要支持。鑒于航天任務中經常面臨復雜的場景、非合作性目標，以及各種未預料到的情況，當前的系統自主性尚不能完全勝任所有任務，因此需要人的介入。在這種情境下，航天員的能力特質顯得尤為關鍵。色彩在航天員執行任務時的信息傳遞中扮演著重要的角色，采用高對比度的色彩設計能夠有效提升人的注意力和警覺性。因此，開展載人航天器色彩設計研究，需要根據航天操控任務需求，尤其與視覺相關的能力需求，構建或模擬操控環境，根據特因環境對視覺的感知能力要求和約束制定相應的指標與規范[58]。

3.1.3 色彩設計需求

運用工業設計相關分析方法，分析不同的航天任務操作所涉及的艙室區域及操作流程特點，并結合航天員視覺感知能力特性，綜合兩者進行航天器色彩設計需求分析，針對不同艙室區域分析不同色彩的需求。

首先，需要對色彩設計涉及的空間艙段區域（如工作區、科研實驗區、鍛煉區、睡眠艙等）進行基礎的用戶行為調研，以全面了解航天員在這些區域內的基本操作。其次，運用同理心，從航天員的角度感知操作過程中的細節及其遇到的痛點，并詳細記錄設計思路。在此階段，可以初步考慮通過優化色彩設計解決航天員部分痛點問題。通過采用多種調研方法（如問卷調查法、訪談法、生活經驗感受法、觀察法、桌面研究法等）分析航天員在特定任務情景下的操作過程和痛點。最后，根據航天員在特殊環境下視覺感知能力特性的變化，綜合分析總結航天員在特定任務情境中的色彩設計需求。這樣的分析和設計考量將有助于提高航天員在執行任務過程中的操作效率和舒適度，從而確保任務的成功進行和航天員的安全。

3.1.4 色彩設計目標

在航天器色彩設計中，通過對上一步的色彩設計需求進行提煉與思考，以安全、舒適、高效這三個航天工業設計的總體目標為中心，針對不同功能分區提出具體的色彩設計目標。本研究團隊圍繞這三個總體目標，提煉出三大主要目標：色彩功能性目標、色彩舒適性目標和色彩體驗性目標。

1）功能性目標：航天器系統合理的色彩設計可降低飛行員對色彩的混淆，增強對關鍵飛行信息的注意力，顯著提高飛行安全性[58]。NASA的一項實驗研究了顏色亮度的差異作為身體方向的線索，有效地通過色彩設計提高了航天員的視覺空間定位感知能力。因此，筆者提出航天器色彩功能性目標，利用色彩的對比度、色差、亮度、飽和度等屬性，為提高航天員視覺功效、在軌作業能力的績效，以及更好地完成空間作業任務而服務。

2）舒適性目標：色彩作為視覺信息的重要組成部分，對人體具有多樣性與復雜性的影響，包括情緒、心理及行為上的影響。航天器設計應有效利用色彩設計的情感調控功能，調整航天員的情緒，改善工作效率，改善空間居住質量，并為制定空間環境與情感適居性支持方案提供參考[59]。

3）體驗性目標（文化與用戶體驗）：由于色彩受到世界地域因素影響，如政治、氣候、文化，人們對不同色彩的喜好與禁忌有所不同，使得常見色彩在不同國家象征的意義有所不同[60]。因此，航天器色彩設計需要兼顧不同國家及地區的航天員對色彩的喜好與禁忌。在設計時，可以適當地調整航天器內部的色彩標準，以增強航天員的文化與用戶體驗感受，創造富有文化地域性和個性化的艙室色彩空間，以便航天員進行在軌作業與居住。

綜上所述，航天器色彩設計應在滿足安全、舒適、高效三個總體設計目標的基礎上，綜合考慮航天員在不同功能分區的需求，形成具體的色彩設計目標，從而為航天員創造一個符合需求的空間艙室環境。

3.2 航天人因測試

航天人因測試為載人航天器色彩設計理論研究階段，其目的是研究不同色彩的生理和心理影響作用，從而選擇滿足航天員安全工作和舒適生活的色彩區間進行設計。在載人航天器色彩設計中，人因測試的內容有色彩績效、生理心理影響、主觀體驗、安全性等，測量的方法有主觀測量法、生理測量法和行為測量法。載人航天人因測試流程包括：明確色彩設計條件、建立色彩樣本庫、模擬仿真、指標測量與評估四個活動。

3.2.1 明確色彩設計條件

以色彩設計定位為基礎，來明確色彩設計的前提條件，其中包括色彩構成因素和色彩設計規范兩部分內容，為后續的方案提供設計平臺和設計規范。

3.2.1.1 明確色彩構成因素

目的是確定能夠傳遞色彩信息的組件。載人航天器由不同的組件構成，組件所構成的視覺環境存在于人的前、后、上、下、左、右等所有目光能及的地方，由真實的空間和表面，以及帶有各種形狀、肌理和色彩的材質構成。色彩通過這些組件對人的視覺感知產生影響。因此，無論是空間環境的色彩設計，還是人機界面的色彩設計，都需要明確色彩設計所涉及的組件。

在分析色彩構成因素中，首先根據航天任務需求和色彩設計定義，明確需要進行色彩設計的組件；然后對其進行分類處理；最后分析其材質特性，分析如何將色彩設計定位落到具體的對象上。本研究團隊通過對太空站睡眠艙進行色彩分析，可將構成因素大致分為主色調、裝飾色、指引色和警示色四個部分，所涉及的材質除了金屬、塑料外，還有被褥等編織材料（如表1所示），見圖5。這些色彩與材質的組合搭配，為睡眠艙的視覺環境設計提供了開闊的設計平臺。

圖5 太空站睡眠艙的艙內色彩構成因素分析示例

表1 太空站睡眠艙色彩構成因素

Tab.1 Color components of the sleeping cabin of the space station

在分析色彩構成因素的過程中，由于航天任務需求的不同，色彩構成要素的分析方法也不同。當涉及人的視覺感知設計時，不能簡單地將各個設計平面展開，而是需要以人為中心，計算各部分所占的視覺色彩面積，即從人眼的角度出發，計算視覺范圍內的各個色彩部分的面積比例。

3.2.1.2 明確色彩設計規范

目的是使設計中所使用的色彩樣本能夠符合載人航天器色彩設計標準，參考現有的載人航天器色彩設計經驗，避免設計方案脫離實際應用需求。根據美國航空航天局和歐洲航天局等官方設計文件，整理并列舉了空間站中典型的色彩設計規范如下。

1）航天器隔離環境色彩規范。為了達到健康、定位和空間任務支持的目的，美國航空航天局和歐洲航天局確定了在空間隔離環境的色彩設計開發中的關鍵要求[61-62]，如表2所示。

表2 航天器隔離環境色彩規范

Tab.2 Spacecraft isolation environment color specifications

2）艙內裝飾色彩設計規范。乘員的審美和心理反應是空間艙室內設計和裝飾的重要考慮因素。艙內裝飾設計中關于色彩設計的一般注意事項，見表3。

表3 航天器隔離環境色彩規范

Tab.3 Spacecraft isolation environment color specifications

3）乘員界面上的色彩設計規范。首先是硬件控制器上的色彩編碼，其應該用于控制器標識而非控制器本身。控制器的顏色應該介于灰色和黑色之間，以便通過座艙觀察是統一的。每個控制器的關聯標識通過座艙觀察起來，應該是不同的，標識需為每個控制器提供功能信息和描述性信息。如果需要進行顏色編碼，不能超過5種顏色。只能使用以下幾種顏色用于顏色編碼：紅色、綠色、橘黃色、白色、藍色（僅在確實需要一種附加顏色時使用）。當鏡面反射或低摩擦力會降低任務性能時，控制器上不應使用帶光澤的罩面漆。顏色編碼應該與預期進行任務的環境光相一致。視覺顯示器上的色彩編碼，其為當前大部分顯示技術及其應用程序中較重要的屬性之一。圖形和字符顯示也經常使用顏色作為信息編碼，在對視覺信息進行組織和分段時，使用顏色是特別有效的，可以提高視覺搜索效率。在設計過程中應該考慮到乘員的顏色感覺能力。顏色編碼不應作為傳遞信息、指導行動、提示響應、區別視覺元素等的唯一手段。對于其他編碼，顏色編碼應該作為一種冗余手段。顏色是一種有效標記顯示器和控制器的強烈特征，應自始至終使用顏色對顯示器和控制器進行分組。有些顏色，如代表緊急的紅色，應該預留作專用指示，且不能用于其他目的。在執行任務時，為了防止使用過多炫彩的顏色造成使用人員對其任務分心，應避免使用太多顏色。顏色是定向時一個非常重要的因素，應該用來促進任務，而不是影響任務。顏色對比應足夠明顯，顏色分組編碼的目的是非常明顯的，同時選擇的顏色應使得即使是存在顏色缺陷的人也能進行區分。

4）標識的色彩設計規范。色彩是一種幫助告知用戶項目功能的有用方法。在選擇標識顏色時，設計師應該考慮一些重要因素。載人航天器標識設計中的色彩注意事項包括：每一個功能應只用一種顏色，當同樣的顏色用于兩個不同的功能時，功能不容易被用戶區分；每個標識使用的顏色數量應限制在9種內（包括黑色和白色）；兩個包含太多顏色的標識很難被區分，因為用戶必須查看存在或不存在某種顏色或色彩的圖案，這需要用戶方面的認知計算，應避免這種設計而使用一種更簡單的設計；標識選擇配色時應充分考慮環境光照條件，需要充分照明才能區分的顏色應該在時刻有照明的地方使用；對于駕駛艙等地點，乘組人員可能需要使用低光照條件下的標識，顏色應包含高對比度色彩并易于相互區別；應防止視覺缺陷者的混淆，在顏色方案中有6種以上顏色時不要使用綠色，不要同時使用紅色和綠色；應考慮標識的背景色，以確保標識上的其他顏色與背景有足夠的對比度，便于識別；有些標識需要特定的顏色來表示它們的功能或可能存在的危害。對最常見的顏色應考慮的常規用途如表4所示。

表4 常見顏色的常規用途

Tab.4 Common uses of common colors

3.2.2 建立色彩樣本庫

色彩樣本庫是航天器人機界面色彩方案設計的重要參考資料，應考慮國際標準色、行業標準色等對色彩編碼與功能的要求，對類似環境進行樣本聚類提取，也可考慮適合的民族文化與新技術材料，拓展色彩樣本，形成色彩設計參考案例庫。載人航天器色彩設計樣本庫的建立，不僅包括航天艙室，還包括類似艙室，如空間站、飛機、高鐵、航天飛機、艦艇等，以及相似艙室的環境色、操作面板色、操作按鈕及文字色等。

色彩樣本庫建立的基本原則為：明確標準色與功能的結合；色彩選擇與人的認知規律相符合；確定色彩模型和色彩表征要素；對色彩樣本進行篩選以避免重復并切實可行。建立色彩樣本庫，首先需要提取顏色樣本，包括標準色的選取、色彩模型的選取和類似空間的聚類提取三個內容；然后對提取的色彩樣本進行分類篩選和優化；最后形成可行樣本，建立色彩樣本庫。色彩樣本提取的方法如下。

3.2.2.1 從標準色中提取色彩樣本

標準色彩樣本提取是指讓研究者了解航空航天領域中視覺信息、聽覺信息、觸覺信息的人機工程設計準則，了解色彩編碼與功能賦色，從而在相關的標準中對色彩樣本進行直接選取，能夠將色彩的標準使用與實際操作功能相結合，進行色彩設計和實。例如，在相關色彩原理中標準色有紅、橙、黃、綠、青、紫6項，另有黑、白、灰中性色，在航空裝備HB20097- 2012標準[63]中列出了信息顯示色彩使用所要遵循的規范及在不同情境下的色彩編碼（如表5所示）。

3.2.2.2 從色彩模型中提取色彩樣本

此動作旨在讓研究者了解色彩模型的相關理論，在色彩樣本選取的過程中能夠了解相關要素。例如，對于RGB模型，實驗者可從R、G、B 3個色彩通道著手，按照定量或隨機的方法進行色彩樣本選取，參數在0～255，以64為單位間隔變化，每個原色軸得到5個區間，最終能產生125個色彩樣本。樣本量的多少取決于參數大小的變化。HSB色彩模型中的色彩樣本選取從H（360°色相環）選取色相，再通過S（飽和度100%）、B（明度100%）數值的變化進行選擇。

表5 國標中規定的色彩使用和含義

Tab.5 Uses and meanings of color specified in national standards

3.2.2.3 從類似空間中提取色彩樣本

對類似艙室空間的人機界面圖像資源進行獲取，如對空間站、飛機、高鐵、艦艇、航天飛機等的人機界面運用爬蟲或者網頁插件進行圖像獲取，對圖片進行分類整理并通過預處理分析相關色彩模式和色彩量化方法技術，對圖片進行色彩提取，獲取已經實際應用的色彩樣本，分析其共性、個性色彩，根據色彩要素進行色彩樣本拓展，豐富色彩樣本庫。建立色彩數據庫基本流程如下：樣本收集；確定典型樣本；劃分取色區域；源圖像計算機取色；獲取代表性樣本及色庫，具體見圖6。

其中，針對現有較為成熟的色彩量化方法進行分析，運用相關實現方式和原理，進行類似艙室空間的色彩挖掘。目前，主要的色彩量化技術有：K-means聚類算法[64]、Median cut算法、八叉樹算法[65]。提取出色彩樣本之后，為避免色彩樣本重復，對從標準色、色彩模型、類似空間幾類選取的色彩樣本進行歸類，去除和人的認知規律、色彩功效等不符的色彩樣本，對色彩樣本庫進行優化。對空間站人機器操作界面的樣本聚類分析如圖7所示。

隨后，本研究團隊對整合后的國際空間站人機控制界面用K-means聚類算法進行色彩量化，其中值為15，量化后的色彩樣本數量也為15個。本研究團隊對色彩分布空間圖和色彩占比餅狀圖進行導出。提取后其主要色彩為深灰色和淺綠色，按鍵多為同灰色系。其中，有部分亮光屏幕顯示色為藍色，熄屏狀態下為深灰色和黑色。而字體部分多為黑色，與灰白色按鍵對比較為明顯，色彩較為統一，按鍵中有少許紅色與橙黃色。

圖6 類似空間色彩樣本提取流程及大致方法

圖7 國際空間站人機界面整合

3.2.3 仿真模擬

訓練仿真模擬（模擬訓練）是指運用現代科學技術手段構建虛擬場景或特殊條件進行訓練的手段，具有高仿真度、強針對性、高安全性和高訓練效率等特點[66]。仿真模擬的目標是通過搭建航天模擬環境，針對不同色彩設計目標開展人因測試實驗，以研究色彩在不同目標定位下對人的影響。仿真模擬的航天環境分為航天特因環境和色彩環境，航天特因環境和色彩環境模擬的方法分別如表6～7所示。

表6 航天特因環境模擬方法

Tab.6 Aerospace specific environment simulation methods

表7 色彩環境模擬方法

模擬訓練的主要流程包括確定合適的研究方法和實驗基本設計流程，構建模擬環境，進行實驗測試與數據分析，得出仿真模擬測試結果，并進行討論。該過程旨在了解在航天環境下，不同色彩環境對人生理、心理和行為變化的影響，判斷所設計的色彩方案是否適合航天員在特定環境下的工作與生活，最終得出符合實際需求的載人航天器色彩設計的結論和建議。通過模擬仿真訓練，研究人員能夠評估不同色彩方案對航天員在航天環境下的適應性，為科學有效地制定載人航天器的色彩設計方案提供理論依據和實踐指導。

3.2.4 指標測量與評估

在針對不同的色彩設計目標開展人因測試實驗的過程中，指標測量與評估主要包括生理、心理及行為等一系列的指標測量，通過各項指標數據的變化，確定色彩對不同目標（安全、高效、舒適）的影響情況，從而更加高效、準確地進行人因評估分析，提高復雜人機系統的人因設計效率、降低系統在全生命周期內的人因評估成本，并為復雜人機系統的人因設計提供有效支撐[66]。載人航天器色彩設計人因測量與評估方法如表8所示。

表8 載人航天器色彩設計人因測試與評估方法

Tab.8 Human factors testing and evaluation methods for color design of manned spacecraft

指標測量需要根據測量的目的和范圍建立適當的指標體系，選擇與評估目標相對應的人因指標集，并選取最適合本次實驗的具體指標進行實驗測量。通過測量出的各項指標數據結果，確定在航天模擬環境下色彩對人生理、心理和行為的影響變化情況，以滿足人因工效學需求，打造安全、高效、舒適的載人航天器色彩設計方案。對于復雜人機系統，指標范圍較大，指標間可能存在非線性或不確定關系。若要確保測量結果準確、完整地反映評價對象的整體特性，應在指標測量得出結論后再次進行專家評審，以提高結論的準確性和可用性。專家評審適用于定性分析指標，但其主觀性較強[69]。色彩設計方案評審應在不同層次上進行，涵蓋元件、部件、裝置、設備、系統和總體等方面。全面、綜合、整體地評估整個系統是最終和最重要的評價環節。這是對系統安全、高效、舒適3個設計目標的整體評估，可以判斷系統的整體和諧性，但這種評價絕對離不開其他層次上的評價。

3.3 色彩設計與評估

色彩設計與評估為載人航天器色彩設計從開發與實現的核心模塊。本研究團隊從色彩設計定位出發，基于色彩設計策略，包含：明確色彩方案設計、工程分析、訓練反饋、設計驗收與應用4個關鍵活動，最終輸出色彩設計檔案，為之后的設計迭代提供材料支持。

3.3.1 色彩方案設計

色彩方案設計對色彩設計定位的實現，也是色彩設計策略的應用。在載人航天器的色彩設計中，首先根據設計定位，結合色彩設計范圍，劃分不同色彩設計層級，并在色彩設計策略的指導下，根據色彩的不同功能屬性、航天器的不同層級進行色彩設計，得到初步的設計方案，然后結合色彩匹配的方法和原則，對初步方案進行設計優化，最終得到載人航天器的色彩設計方案。

3.3.1.1 色彩設計原則

1）色彩功能性設計。色彩對人的生理、心理產生作用并傳達信息，賦予“功能色彩”的意義，色彩的功能與人機界面的功能并不矛盾，適當地運用色彩能夠改善人機界面形態，并使其功能趨于完美。在色彩功能性設計中應根據具體情況體現出“標準色和安全色”“能見度與注目性”“保護與掩護功能”。例如，識別電纜的制造和電流方向，紅色代表火線、藍色或綠色代表零線、黃色或者白色代表接地線，不僅能夠便于區分提醒，更加便于操作。針對航天器人機界面的色彩功能性設計要考慮人機界面中各個部件的功能，例如：開關、緊急提醒、操作按鍵、控制旋鈕等，其中開啟件宜用綠色，停止鍵宜用紅色，提醒注意宜用橙色。

2）色彩效用性設計。良好的人機交互界面色彩搭配不僅有利于人體身心健康，還能幫助工作人員提高作業效率及自身的作業技能，更好地完成工作[70]。在載人航天器人機界面色彩設計中應充分考慮視覺功效、認知功效、行為功效。色彩對操作人員效率的影響也較大，例如船舶艙室要考慮色彩的人機功效[71]。

3）色彩情感化設計。產品色彩情感化設計是一種通過挖掘用戶情感意向信息，并將其轉換為產品色彩設計要素的設計方法[70-73]。現階段產品色彩情感化設計的研究熱點主要集中在借助各種智能工具構建相關研究理論與方法方面[74]。色彩情感化設計要與人們的經驗視覺認知相結合，為色彩樣本匹配其獨有的色彩情感，了解色彩的聯想和象征。例如，色彩的冷暖、進退、脹縮、輕重、軟硬、強弱、明快憂郁、華麗質樸。在載人航天器人機界面色彩設計中要考慮深空環境下對人心理狀態的影響，從整體的環境色彩對操作人員的心理情感調節功能，到各個操作界面或輔助設計的賦色、文化偏好等。例如，對于深空環境中的方向定位，應選用淺色（給人輕的感覺）表示上方位，選用大地或者深色（給人重的感覺）表示下方位。航天器人機界面的信息顯示層級也可以根據色彩的心理情感感受進行區分，讓環境與人機界面相協調。例如，紅色給人強的、暖的、脹大的視覺心理感受，可突出顯示，讓人感覺到緊急警告。可根據各個艙室不同的功能分區劃分給環境及人機界面賦色，提升人的主觀情感感受和適居性。根據色彩情感拓展色彩樣本庫。

3.3.1.2 色彩搭配原則與方法

為確保載人航天器的艙室設計與人的視覺舒適、心理狀態和功能需求相適應，本文提出了包含和諧性、統一性等色彩搭配的十大原則與方法，見表9。

表9 色彩搭配原則與方法

Tab.9 Principles and methods of color matching

通過以上原則，可以在航天器艙室色彩設計中實現對操作人員視覺舒適度和心理感受的影響，從而最大限度地優化人機界面設計。此外，針對功能性需求，如工作艙、餐廳、住艙等不同功能區域，色彩搭配應充分考慮如何促進乘員的工作效率、食欲，以及身心放松等方面。綜合來看，采用這些原則與方法對航天器艙室色彩進行搭配，可提高航天員的艙室舒適度和工作效率，為載人航天器內部色彩設計提供理論依據。

3.3.2 工程分析

通過基于色彩方案的工程分析來確定設計方案的細節，包括色彩、材料、工藝，以及樣件的確定。在經過工程檢驗后，得到最終設計方案，并為人因測試與評估階段提供色彩設計原型。工程分析共分為細節確定和工程檢驗兩個階段，具體如下。

1）細節確定。在得到具體的色彩設計方案后，需要將設計方案從效果表達層面轉化為真實環境中的色彩。為了獲得真實的色彩感覺體驗，需要進行樣本制作，涉及色彩校對及材料和工藝的確定。材料和工藝會影響色彩的表達，因此在選擇顏色時需要充分考慮材料和工藝對顏色的影響。使用專業測色儀器對色彩進行測量和標定，并由專業人員針對色彩、材料、工藝進行設計，最終制作成色彩設計原型，作為后續工程檢驗的對象。

2）工程檢驗。在確定色彩方案的最后階段，需要使用色彩設計核查清單進行分析和檢驗，全面審視整體的統一感，如有需要則進行修改。該步驟是非常重要的流程環節。核查色彩方案時，建議參照如表10所示的色彩設計核查清單。

表10 色彩設計原型方案工程檢驗清單

Tab.10 Engineering inspection checklist for color design prototype scheme

3.3.3 訓練反饋

航天員是載人航天器色彩設計的真正用戶，其對色彩設計的評估和反饋對設計的更新迭代至關重要。色彩設計方案首先應用于訓練場景中，而非最終的載人航天器。在訓練過程中，航天員的主觀反饋方式包括用戶體驗量表、訪談日志等；客觀反饋方式則包含生理參數測量、行為參數測量等。

色彩設計方案可以應用于航天員訓練中的多個方面。列舉的3個典型訓練項目如下。

1）心理訓練。該訓練旨在提高航天員心理素質和團隊協作能力。利用心理學原理和方法進行訓練，色彩設計方案可應用于心理放松訓練、狹小空間隔離訓練、錯覺心理訓練等項目。

2）航天環境因素適應性訓練。在模擬的航天特因環境中，宇航員需要通過相關適應性訓練來提高自身的耐力水平，并且在訓練中獲得防護技能，其目的是為了讓航天員們在不同環境下擁有極強的適應能力。色彩設計方案可應用于前庭功能訓練、失重適應性訓練（失重飛機飛行訓練、血液重新分布適應性訓練、頭低位臥床體驗等）及航空飛行訓練等項目[75]。

3）航天專業技術訓練。通過講解和實際操作來使航天員熟練掌握載人航天飛行所需的專業知識與操作技能[76]。訓練內容主要取決于航天器系統和航天飛行任務需求，包括：航天器技術訓練、飛行任務技術訓練、有效載荷訓練、出艙活動訓練和交會對接訓練等[75]。色彩設計方案通過在人機交互界面中的體現，參與訓練過程，涵蓋顯示界面、操作界面、環境色、裝飾色、安全色等設計環節。

綜上所述，以綜合性評估為基礎，收集航天員對色彩設計方案的反饋，從而在訓練場景中實現色彩設計方案的有針對性實施。通過分析航天員在各個訓練項目中的意見和建議，為色彩設計方案提供關鍵改進方向，使其更好地滿足載人航天器艙室的設計需求。

3.3.4 設計驗收與應用

該部分旨在系統地驗收和評估色彩設計方案，并將其應用到實際的載人航天器中，是整個色彩設計流程中的系統驗收評估階段。載人航天器色彩設計方案的驗收應結合“以人為中心”的評估原則，包括人的回路測試和基于模型的人-系統性能評估等，并且邀請專家與航天員參與評估。評估內容包括：有效性評估、效率評估、滿意度評估等。若設計方案通過評估，則將其應用于載人航天器，并對系統性能體驗進行在軌監測與記錄；若未通過評估，則返回前一設計步驟進行內部迭代與優化。無論評估結果如何，整個設計流程都將被存檔記錄為色彩設計檔案。系統驗收評估可分為單項目（指標）評估和多項目（指標）綜合評估，更為重要的是在某次載人航天飛行任務完成后的綜合評價。

本研究強調針對實際飛行結果進行全面、認真且深入的評價，同時充分考慮航天員與工程設計人員的意見，全面評估航天器色彩設計。評價的基礎依據航天員的滿意度、系統的效率和存在問題，并提出改進措施。評估成果需結合主觀與客觀兩方面數據，并涵蓋人、機、環境三大要素。

5 總結與展望

5.1 總結

載人航天人機交互界面色彩設計對航天員的心理、生理、工作效率等會產生較大的影響。因此，載人航天人機交互界面的色彩設計方法的研究對載人航天交互界面色彩的合理設計顯得至關重要。在載人航天人機交互界面色彩設計方法的研究中，首先對載人航天的任務進行分析與色彩定位，這為色彩設計提供了理論基礎。總結分析載人航天器設計方法和“以人為中心”的工業設計方法，綜合現有內飾環境和人機界面中的色彩設計方法，得出載人航天人機界面工業設計方法。通過總結與歸納體驗層次中的色彩設計機制，以人因工程中的色彩設計機制為基礎，構建了載人航天器色彩設計模型。在目前的研究過程中，航天人因測試尚且處于載人航天色彩設計理論研究的層次，致力于探究不同色彩設計對生理與心理的影響。最終，對載人航天人機交互界面進行色彩設計與評估。綜上所述，形成了一套完整的載人航天器色彩色設計方法流程體系。然而，目前的載人航天人機交互界面色彩設計方法仍有不足之處。例如航天人因測試中的仿真模擬，模擬的特因環境與真實的環境還有一定的差距，得到的結果會與實際情況有所偏差。

綜上所述，以色彩設計為載體，航天器內部為對象，研究面向情緒適居性的中國空間站航天色彩設計機制，為國內空間站的色彩設計提供了科學的依據，創造了具有中國特點的適合太空居住的環境。同時，合適的色彩設計還可以調整航天員的情緒，改善工作效率，改善空間居住質量，為制定空間環境與情感適居性支持方案提供重要參考。

5.2 展望

載人航天任務的人機交互界面色彩設計是一項極為重要的任務，它直接影響到宇航員在太空中執行任務的效率和安全性。未來載人航天人機交互界面色彩設計有望朝著更智能、更人性化、更適應極端環境的方向發展。人機交互界面可能會具備智能調整功能，根據宇航員的身體狀況、心理狀態和任務需求動態調整色彩方案。系統可能通過生理傳感器獲取數據，實時調整界面顏色以提高宇航員的注意力或緩解疲勞。隨著虛擬和增強現實技術的不斷發展，未來的載人航天界面可能變得更加沉浸式。色彩設計可能會與虛擬環境融合，提供更直觀、全面的信息展示，以增強宇航員的感知和操作能力。未來的設計可能會更注重可持續性和環保。選擇環境友好的色彩材料，減少對宇航員和太空環境的影響，是未來設計的一個潛在方向。

總體而言，未來的載人航天人機交互界面色彩設計將更加注重創新性、智能化和個性化，以提高宇航員的任務效率、心理健康水平和整體工作體驗。

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Color Design Methods for Human-computer Interaction Interface in Manned Spaceflight

YAO Xiang, LONG Xi*, CHEN Qiqi, WANG Meiqi

(Xiangtan University, Hunan Xiangtan 411105, China)

The work aims to sort out and analyze the color design method and process of human-computer interaction interface in manned spaceflight. Based on the "human-centered" design principle, the process system of color design method for human-computer interaction interface of human spacecraft was discussed from the spacecraft color space and model, color design and human factors, aerospace color design scope, manned spacecraft color design model, and manned spacecraft color design and human factors evaluation system. A manned spaceflight color design model was constructed, and a complete manned spaceflight color design method process system was elaborated. The research on color design methods for human-computer interaction in manned spaceflight provides strong support for related fields to improve the quality of life and work efficiency of astronauts in the orbital environment, and further enhances the importance of color design and human factors engineering in the aerospace field.

manned spaceflight; human-computer interaction interface; color design; human factors engineering

TB472

A

1001-3563(2024)04-0016-17

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.04.002

2023-09-19

國家自然學科基金項目（52375269）；國家社會科學基金藝術學一般項目（20BG115）