人機顯示界面中的文字和位置編碼

張 磊 莊達(dá)民

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191)

人機顯示界面中的文字和位置編碼

張 磊 莊達(dá)民

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191)

飛行員在駕駛飛機的過程中需要用到大量的信息,對信息進(jìn)行合理的編碼可以提高駕駛安全性.根據(jù)研究的需要,開發(fā)一個用于工效實驗的作業(yè)任務(wù)模型.通過測量被試完成作業(yè)任務(wù)的正確率和反應(yīng)時間,結(jié)合眼動儀測得的眼動數(shù)據(jù),分析文字和位置編碼對信息辨識的影響,為顯示界面適人性設(shè)計提供科學(xué)依據(jù).實驗結(jié)果表明:人對文字信息的辨識受到位置編碼影響,位置編碼方式與視野范圍和注意力分配策略相關(guān);中心位置的辨識效率優(yōu)于邊緣位置,左側(cè)位置優(yōu)于右側(cè)位置;中文信息的辨識效果優(yōu)于英文信息,實際應(yīng)用時應(yīng)考慮母語的影響.

界面設(shè)計;編碼;眼動;人機工效

飛機駕駛艙是信息高度密集的特殊環(huán)境.隨著飛機性能的提高和顯示信息的日益增多,飛行員對飛機控制信息的傳感及顯示裝置的依賴性也不斷增加.在通信系統(tǒng)通道中實現(xiàn)信息傳遞需要對信息進(jìn)行編碼,人的感覺信息的傳遞也是以各種編碼方式進(jìn)行的.對顯示信息進(jìn)行合理的視覺編碼可以大大提高信息的辨識精度和速度[1].視覺編碼是指用顏色、數(shù)字、字母、圖形等視覺刺激對信息進(jìn)行編碼,分為單維視覺編碼和多維視覺編碼.單維視覺編碼是指用一種視覺刺激對信息進(jìn)行編碼;多維視覺編碼是指將兩種或多種視覺屬性結(jié)合起來作為代碼的信息編碼方式[2].視覺編碼對信息辨識的影響,需要通過工效實驗來進(jìn)行研究.外國學(xué)者對此進(jìn)行了一些研究,如文獻(xiàn)[3-4]研究了數(shù)字顯示和圖形顯示信息的辨識效率;文獻(xiàn)[5]就亮度對信息辨識的影響進(jìn)行了實驗研究;文獻(xiàn)[6]研究了顏色和亮度編碼對電子地圖信息辨識的影響.但由于國外的研究成果均是以本國人作為被試而得出的,是否適用于中國飛行員值得商榷.國內(nèi)的研究主要集中在不同形狀和顏色編碼信息的辨識情況[7-8],以及信息顯示界面的顏色匹配特性[9-10].關(guān)于文字和位置編碼對信息辨識的影響,目前還無相關(guān)報道.

隨著我國大飛機項目的啟動和大量新型設(shè)備裝備與國產(chǎn)戰(zhàn)機的研制,如何設(shè)計出適合中國飛行員特點的人機界面,是一個亟待解決的問題.本研究以自主開發(fā)的飛機信息顯示界面模型為背景開展實驗.以正確率和反應(yīng)時間作為績效評價指標(biāo),結(jié)合眼動儀測得的眼動數(shù)據(jù),就文字編碼和位置編碼對信息辨識的影響進(jìn)行探討,為我國新型飛機顯示界面的工效學(xué)設(shè)計提供參考.

1 實驗方法

1.1 實驗儀器和材料

飛機信息顯示界面模型利用 Visual C++6.0計算機編譯技術(shù)開發(fā),通過分析飛行員駕駛戰(zhàn)斗機過程中的任務(wù)特征,模型確定了 4個任務(wù)界面.上方有 3個界面,從左到右依次為儀表監(jiān)視信息界面、計算記憶信息界面和攻擊信息界面;下方界面為文字信息界面.界面作業(yè)信息呈現(xiàn)在 17英寸的 IBM液晶顯示器上,采用 1024×768像素分辨率,屏面亮度為 68 cd/m2.被試通過標(biāo)準(zhǔn)鍵盤等計算機硬件進(jìn)行人機信息交互.眼動分析系統(tǒng)采用瑞典Smart Eye公司開發(fā)的無接觸式眼動記錄儀,可實時記錄被試在實驗過程中的眼動數(shù)據(jù).

1.2 實驗設(shè)計

根據(jù)研究的需要,將文字信息界面設(shè)置為本次實驗的主任務(wù)界面.采用 2×4被試內(nèi)設(shè)計.因素 1為文字編碼,包括中文和英文兩種水平,文字內(nèi)容根據(jù)飛行操作的需要選取;因素 2為位置編碼,參考實際飛行儀表界面的設(shè)計,選取如圖 1所示的 4種位置水平,從左到右分別為位置 1(左上)、位置 2(左中)、位置 3(右中)和位置 4(右上).文字編碼由主試在實驗前進(jìn)行設(shè)置,目標(biāo)文字出現(xiàn)位置由計算機隨機確定.為檢驗各因素內(nèi)部不同水平間有無差異,及兩個因素間是否存在交互作用,采用析因?qū)嶒炘O(shè)計.

圖1 主任務(wù)界面

實驗開始后,首先在界面上方 4個位置出現(xiàn)一組文字信息,被試的任務(wù)是從中找出指定的目標(biāo)文字出現(xiàn)位置,并按指定鍵.計算機將自動記錄被試完成作業(yè)任務(wù)的正確率和反應(yīng)時間,眼動儀自動記錄被試對主任務(wù)界面不同位置的注視次數(shù).其他 3個界面為次要任務(wù)界面,主要用于模擬實際飛行過程中的多任務(wù)狀態(tài),被試需要在完成主任務(wù)的同時盡量完成次要任務(wù).完成次要任務(wù)的情況將作為檢驗被試是否專心于實驗的標(biāo)準(zhǔn).界面背景色為航空界面中常用的黑色,字符色根據(jù)文獻(xiàn)[9]的結(jié)論選擇易于辨識的紅色.

1.3 實驗程序

實驗前主試根據(jù)不同的被試情況,對眼動儀進(jìn)行設(shè)置.并通過計算機屏幕向被試呈現(xiàn)指導(dǎo)語,使其了解實驗過程、熟悉實驗操作方法及實驗要求.被試看完指導(dǎo)語后進(jìn)行練習(xí),待熟練掌握實驗操作方法后轉(zhuǎn)入正式實驗.正式實驗開始后,被試坐于距離顯示器屏幕 600mm的座椅上,完成不同文字編碼的 2次實驗,每次實驗 8min,實驗間有5m in休息時間.眼動儀將自動記錄被試在完成實驗過程中的眼動數(shù)據(jù).

1.4 被 試

被試為 16名北京航空航天大學(xué)在校學(xué)生(男 12人,女 4人),年齡在 21～29歲之間,無色盲和色弱,矯正視力在 1.0以上.

2 結(jié)果及分析

被試對不同文字和位置編碼目標(biāo)辨識的正確率和反應(yīng)時間見圖 2和圖 3.

圖2 信息辨識的正確率

圖3 信息辨識的反應(yīng)時間

就正確率而言,兩因素重復(fù)測量方差分析表明:在 0.05顯著性水平上,文字編碼和位置編碼的主效應(yīng)都不顯著(P=0.247,P=0.902);文字編碼與位置編碼的交互效應(yīng)也不顯著(P=0.820).就反應(yīng)時間而言,兩因素重復(fù)測量方差分析表明:在 0.05顯著性水平上,文字編碼的主效應(yīng)不顯著(P=0.604);位置編碼的主效應(yīng)非常顯著(P=0.000,P＜0.001);文字編碼與位置編碼的交互效應(yīng)不顯著(P=0.997).位置編碼的主效應(yīng)對反應(yīng)時間的驗后多重比較檢驗結(jié)果見表 1.

表 1 文字位置主效應(yīng)對反應(yīng)時間的驗后多重比較檢驗

眼動儀測量的眼動數(shù)據(jù)如圖 4和圖 5所示.

圖4 不同位置區(qū)域中文信息眼動熱點圖

圖5 不同位置區(qū)域英文信息眼動熱點圖

3 討 論

實驗結(jié)果表明,文字編碼與位置編碼對正確率和反應(yīng)時間的交互作用均不顯著.也就是說,在多任務(wù)多界面的復(fù)雜條件下,兩種編碼方式之間沒有相互影響.故分別對兩種編碼方式及其組合的影響進(jìn)行探討.

3.1 位置編碼探討

由圖 4和表 1可知,被試對位置 2和位置 3的文字信息的反應(yīng)時間明顯快于位置 1和位置4.這是由于位置 2和位置 3處于人的視野中心位置,文字信息落在視網(wǎng)膜的中央窩或負(fù)中央窩,而位置 1和位置 4上的信息可能落在視網(wǎng)膜的邊緣視覺區(qū).有研究表明,人對信息的語義加工只能在中央窩或負(fù)中央窩上進(jìn)行[11].所以,對于位置 2和位置 3上的信息,被試無需掃視,在極短的時間就可以識別.而對位置 1和位置 4上的信息則需要進(jìn)行眼動的掃視搜索才能得到識別,這就增加了信息辨識的時間.

中樞能量理論將注意看作人能用于執(zhí)行任務(wù)的數(shù)量有限的能量或心理資源[12-13].人完成作業(yè)的程度受所分配資源的限制,得到的資源較多,這種過程便能順利地進(jìn)行.圖 4和圖 5的眼動數(shù)據(jù)表明,被試對位置 2和位置 3的注視次數(shù)明顯多于位置 1和位置 4,這說明被試分配更多的注意力在位置 2和位置 3上,使出現(xiàn)在該位置的信息的辨識時間增加.

分配注意力多的位置,信息辨識正確率應(yīng)該較高.但結(jié)果卻表明 4個位置信息辨識的正確率相差不大.這可能是由于在實驗過程中,被試需要根據(jù)目標(biāo)信息出現(xiàn)的位置按壓鍵盤上 4個位置相鄰的按鍵做出反應(yīng).位置 1和位置 4對應(yīng)的按鍵均只有 1個相鄰鍵,而位置 2和位置 3對應(yīng)的按鍵均有 2個相鄰鍵,這就增加了被試正確辨識的難度,從而使位置 2和位置 3信息辨識的正確率降低.在對信息進(jìn)行位置編碼時,不能只考慮視野的影響,還要注意各位置之間的相互影響.同時,發(fā)現(xiàn)被試對左側(cè)位置信息的反應(yīng)快于右側(cè)信息(位置 1＞位置 4,位置 2＞位置 3),并且正確率也是左側(cè)略高于右側(cè),與文獻(xiàn)[14]得出的結(jié)論相同.人眼的自然掃視規(guī)律是從左到右,順時針進(jìn)行注意掃視[15].這意味著在速視條件下,注意力從注視點向左比向右轉(zhuǎn)移速變快,因而造成左側(cè)位置比右側(cè)位置識別效果好.

3.2 文字編碼探討

由圖 3和圖 4可知,中文信息的辨識速度和準(zhǔn)確性均高于英文信息,兩者之間的差異并不顯著.認(rèn)知科學(xué)中的特征整合理論認(rèn)為視覺系統(tǒng)對圖形的加工是一個從提取圖形局部特征到獲得圖形整體特征的自下而上的加工過程[16].由于中文和英文屬于兩種不同的符號系統(tǒng),英文單詞是從左到右線性排列的字符串,不易形成知覺的整體性;而漢字是方塊字,集中在一個方塊中,與視網(wǎng)膜中央窩的聚焦廣度比較匹配,容易形成知覺整體性.因此使中文信息的辨識效率優(yōu)于英文信息.另外,人對信息的加工有自動加工和控制加工兩種方式.當(dāng)人對某一領(lǐng)域的信息較熟悉時,常采用自動加工的方式來獲取信息,反之,會采用控制加工的方式.控制性加工需要應(yīng)用注意,其容量有限;而自動加工無需應(yīng)用注意,加工速度快于控制性加工.本實驗所選被試均是以漢語作為母語.受母語的影響,被試對中文信息的熟悉程度較高,采用自動加工來獲取信息;而對英文信息相對陌生,對其加工應(yīng)屬于控制性加工.所以,在相同的呈現(xiàn)時間內(nèi),被試對中文信息辨識的正確率和反應(yīng)時間均優(yōu)于英文信息.

3.3 組合編碼探討

由于顯示信息的多樣性和復(fù)雜性,有時單維編碼無法滿足設(shè)計要求,這就需要采用多維編碼方式.當(dāng)使用文字和位置進(jìn)行組合編碼時,由圖 3可知,對于需要準(zhǔn)確辨識的信息,不同組合的編碼信息辨識效率差別不大,建議采用位置 2/中文、位置 2/英文的組合編碼.由圖 4可知,對于需要快速辨識的信息,位置 2/中文、位置 3/中文、位置2/英文、位置 3/英文的組合適合作為組合編碼方式,其他組合不太適合.

4 結(jié) 論

本實驗是在多界面多任務(wù)的仿真模型上開展的,其結(jié)論適用于飛行員需要適當(dāng)分配其注意力的情況.根據(jù)實驗結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:①位置編碼對信息辨識的影響顯著,位置編碼的優(yōu)劣與視野范圍和注意力分配策略相關(guān);②界面中心位置的辨識效率優(yōu)于邊緣位置,左側(cè)位置優(yōu)于右側(cè)位置;③文字類型對信息辨識的影響不顯著,相同呈現(xiàn)時間內(nèi),中文信息辨識效果略優(yōu)于英文;④采用文字編碼時要考慮母語的影響.考慮到實驗因素的可控性,本研究僅對顯示界面上方不同位置的編碼方式進(jìn)行了研究,關(guān)于其他位置的編碼方式可以利用同樣的實驗方法得出.

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(編 輯 :李 晶)

Text and position coding of human-machine display interface

Zhang Lei Zhuang Damin

(School of Aeronautic Science and Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

In process of operating aircraft,pilots need to use large amounts of information.So reasonable coding of information can improve driving safety.According to research requirements,a task model was developed for the ergonomics experiment.After subjects complete the tasks,their correct rate and reaction time were measured.Combined the measured results with eye movement data,the impact of text and position coding on information identification was analyzed to provide a scientific basis for the ergonomics design of information interface.Experimental results show that subject's identification of the text information is affected by the position coding.And position coding relates to vision scope and attention allocation strategy.Identification efficiency of the center is better than the periphery,and the left position is better than the right position.Identification efficiency of Chinese information is better than English,the impact of mother tongue should be considered in the practical application.

interface design;coding;eye movement;ergonomics

R 857.1;B 842.1

A

1001-5965(2011)02-0185-04

2009-12-18

國家 973計劃資助項目(2010CB734104)

張 磊(1983-),男,河北邯鄲人,博士生,zhangleibuaa@126.com.