駕駛艙顯示界面文字編碼工效學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

王 群，解 芳，魏中亮，凌 亮，鄭思涓，師 雪

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

駕駛艙顯示界面中的文字編碼是駕駛員獲取車輛駕駛過程中的各種信息的一個(gè)重要的途徑，其字體、視距和字號的工效學(xué)設(shè)計(jì)問題已受到人機(jī)工效研究專家的高度關(guān)注［1-2］.對顯示文字進(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［3］.

在視覺顯示系統(tǒng)中最常見的是圖形、文字/數(shù)字和標(biāo)識符號.其中文字占很大一部分比重，而且文字一般表示的都是較重要的內(nèi)容，因此合理設(shè)計(jì)顯示界面的文字的大小對于快速地接受信息非常重要.

對于文字的高度，有很多種計(jì)算模型，如有的用視距的1/200表示，有的用公式H=視距×最小視角/3600表示，Peters和Adams建議的文字的高度公式為［4］:

式中:H為文字/數(shù)字的高度，mm;D為人眼到所觀察的文字/數(shù)字的距離，mm;K1為與照明條件相關(guān)的系數(shù)，對應(yīng)K1的取值分別取0.06、0.16和0.26;K2為與內(nèi)容重要性相關(guān)的系數(shù)，一般情況取0，重要的情況取0.075.這是對于英文字母的顯示研究，對于數(shù)字和漢字的顯示有待于進(jìn)一步研究.

本研究將開展字體大小工效實(shí)驗(yàn)，設(shè)置3種字體，5種字號，要求被試者分別在3種視距下作實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，通過作圖比較不同字號的平均反應(yīng)時(shí)間和正確率，利用一定的數(shù)學(xué)方法找到不同字體的臨界字體大小，并得到不同條件下英文字母、數(shù)字、漢字各自的視距與臨界字體大小之間的關(guān)系式，研究顯示界面字體的大小、字號和視距之間的關(guān)系.

1 工效評價(jià)指標(biāo)的選取

選擇反應(yīng)正確率(簡稱正確率)和反應(yīng)時(shí)間分別對被試作業(yè)業(yè)績的有效性和高效性進(jìn)行客觀評價(jià).正確率定義為作業(yè)者做出正確反應(yīng)的次數(shù)與總次數(shù)之間的比值.反應(yīng)時(shí)間定義為從信息出現(xiàn)到被試對象做出正確反應(yīng)之間的時(shí)間差.

1)反應(yīng)時(shí)間［5］.

反應(yīng)時(shí)間又稱反應(yīng)潛伏期或反應(yīng)時(shí)，是指由外界的刺激引起機(jī)體內(nèi)部的生理心理過程，進(jìn)而產(chǎn)生的機(jī)體外效應(yīng)的時(shí)間.人體對刺激信號的反應(yīng)時(shí)包括:感覺器官接收適當(dāng)信號刺激產(chǎn)生沖動，并由感官神經(jīng)傳至大腦的時(shí)間;大腦對信號進(jìn)行加工產(chǎn)生指令的時(shí)間;指令由神經(jīng)傳給肌肉并作用于客體的時(shí)間.通過測量被試對象對各種信息辨識的反應(yīng)時(shí)間，可對信息的辨識工效進(jìn)行評估.

2)正確率.

正確率是指被試對象對不同信息顯示格式的正確辨識次數(shù)占該信息顯示格式出現(xiàn)總次數(shù)的百分比.顯而易見，正確率越高的顯示格式越適于作為信息編碼方式.因此，將正確率作為一種工效評價(jià)指標(biāo).

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用3×3×5的混合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中因素一視距為被試間設(shè)計(jì)，分別為:50 cm、70 cm、90 cm;因素二和因素三為被試內(nèi)設(shè)計(jì)，分別為字體和字號，字體有3種:英文、數(shù)字、漢字;字號有5 種:5、8、13、20.5、33.

在實(shí)驗(yàn)過程中，被試者通過選擇字號來進(jìn)行實(shí)驗(yàn).一半被試者選擇從小到大的順序，即從5號到33號;另一半被試者選擇從大到小的順序，即從33號到5號.字體隨機(jī)出現(xiàn).

信息的呈現(xiàn)方式參照目前比較成熟的快速系列視覺呈現(xiàn)方式(RSVP)，這種呈現(xiàn)方式是在屏幕固定區(qū)域每次呈現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)字符，間隔一定時(shí)間后，后續(xù)字符覆蓋前次字符，一次呈現(xiàn)完一個(gè)刺激序列，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要改變文字呈現(xiàn)的速度、呈現(xiàn)字?jǐn)?shù)、字體大小、字符顏色、背景顏色和目標(biāo)顏色等參數(shù).本實(shí)驗(yàn)采用在屏幕的中央位置每次呈現(xiàn)一對字符或一個(gè)數(shù)字，時(shí)間間隔設(shè)置為2 s，在字符呈現(xiàn)期間要按下特定的按鍵對其進(jìn)行響應(yīng)，系統(tǒng)會自動記錄按鍵的正確或錯(cuò)誤，以及反應(yīng)時(shí)間.

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和對象

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:實(shí)驗(yàn)界面通過VB語言編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)界面顯示在17英寸寬屏液晶顯示器上，被試者通過按鍵對目標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)，系統(tǒng)自動記錄反應(yīng)的正確率與反應(yīng)時(shí)間.

三因素的選取:界面中呈現(xiàn)的信息有中文、英文和數(shù)字3種字體.其中漢字100個(gè)，選用的是《現(xiàn)代漢語常用字表》(國家語言文字工作委員會漢字處編，語文出版社出版)中的高頻常用字，其中近義詞和反義詞各50個(gè).英文為英文字母的大、小寫各26個(gè).數(shù)字為隨機(jī)出現(xiàn)的三位數(shù).連續(xù)兩次出現(xiàn)信息不相同.字號的選擇采用文獻(xiàn)［6］中的方法，字號的增率取0.2對數(shù)單位，從0開始選取7種字體大小，由于0和0.2對數(shù)單位的字體大小基本無法辨認(rèn)，所以實(shí)驗(yàn)的字體大小為 (0.4～1.2)LogMAR，即0.20°～1.33°，換 算 成 字 號 為 5、8、13、20.5、33.視距選取了VDT作業(yè)的一般范圍的兩個(gè)極值50 cm和90 cm，以及中間值70 cm.

2.3 被試者選取

被試者共28人，無色盲，矯正視力均在1.0以上，年齡在25～30歲之間，其中男11人、女17人.以視距為因素將被試者分成3組，每個(gè)人分別要做固定視距下的五種字號的測試，每種字號測試60次.

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

被試者分別坐在距離計(jì)算機(jī)顯示器50 cm、70 cm或90 cm的位置，實(shí)驗(yàn)正式開始后盡量保持身體上身特別是頭部位置不動.進(jìn)入正式試驗(yàn)界面后，在屏幕的中央每次呈現(xiàn)一組字符，呈現(xiàn)時(shí)間為2 s，字符出現(xiàn)后迅速按鍵作出反應(yīng) (見圖1).

圖1 實(shí)驗(yàn)界面的3種形式

首先屏幕上出現(xiàn)的是英文字母的大小寫隨機(jī)組合，如“a-A”“d-H”等，如果大小寫是對應(yīng)的，如“a-A” “b-B”，則按鍵盤上的數(shù)字7鍵;如果大小寫不對應(yīng)的，如“f-A”“b-R”，則按鍵盤上的數(shù)字8鍵.

英文字母出現(xiàn)20次后，緊接著出現(xiàn)的是從100～999之間的三位數(shù)字，如果數(shù)字大于500，則按鍵盤上的數(shù)字7鍵;如果小于500，則按鍵盤上的數(shù)字8鍵.

最后緊接著出現(xiàn)的是一組漢字，如“遠(yuǎn)-近”“眠-睡”，如果兩個(gè)字是近義字，則按鍵盤上的數(shù)字7鍵;如果是反義字，則按鍵盤上的數(shù)字8鍵.

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方差分析對實(shí)驗(yàn)測得的正確率和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用 SPSS for Windows 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行處理.

對于臨界字體大小的計(jì)算方法，可以采用最小二乘擬合法對采集的5種字號的點(diǎn)進(jìn)行擬合，兩條擬合線的交點(diǎn)對應(yīng)的字體大小就是達(dá)到最大閱讀速度的臨界字體大小，然后用Matlab進(jìn)行作圖分析.

3.2 處理后的結(jié)果

3.2.1 SPSS方差分析

對英文、數(shù)字、漢字3種字體分別進(jìn)行方差分析.

1)英文.

就正確率的方差分析表明:在0.05顯著性水平上，視距的主效應(yīng)不顯著(P=0.076)，字號的主效應(yīng)顯著(P=0.007)，視距與字號的交互作用也顯著(P=0.022).就反應(yīng)時(shí)間的方差分析表明:在0.05顯著性水平上，視距的主效應(yīng)顯著(P=0.029)，字號的主效應(yīng)也顯著(P=0.001)，視距與字號的交互作用不顯著(P=0.289).

2)數(shù)字.

就正確率的方差分析表明:在0.05顯著性水平上，視距的主效應(yīng)顯著(P=0.009)，字號的主效應(yīng)也顯著(P=0.014)，視距與字號的交互作用不顯著(P=0.479).就反應(yīng)時(shí)間的方差分析表明:在0.05顯著性水平上，視距的主效應(yīng)顯著(P=0.003)，字號的主效應(yīng)也顯著(P=0.000)，視距與字號的交互作用不顯著(P=0.350).

3)中文.

就正確率的方差分析表明:在0.05顯著性水平上，視距的主效應(yīng)不顯著(P=0.078)，字號的主效應(yīng)非常顯著(P=0.000)，視距與字號的交互作用不顯著(P=0.125).就反應(yīng)時(shí)間的方差分析表明:在0.05顯著性水平上，視距的主效應(yīng)顯著(P=0.013)，字號的主效應(yīng)非常顯著(P=0.000)，視距與字號的交互作用不顯著(P=0.713).

3.2.2 數(shù)學(xué)擬合法數(shù)據(jù)處理

采用最小二乘擬合法對英文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以分別得到字體大小與正確率以及反應(yīng)時(shí)間的曲線，其中拐點(diǎn)處為臨界字體大小.圖2～圖3為英文字體大小與正確率、反應(yīng)時(shí)的擬合曲線，同理可以得到數(shù)字和漢字的擬合曲線.3種字體在3種不同視距下的臨界字體大小如表1所示.

圖2 英文正確率的臨界字體大小

圖3 英文反應(yīng)時(shí)間的臨界字體大小

表1 3種字體在3種不同視距下的臨界字體大小

4 分析與討論

根據(jù)Peters和Adams建議的文字的高度公式可以看出，視距與字號是線性的關(guān)系，因此可以假設(shè)視距與字號的關(guān)系為H=a×D+b，其中a和b是未知數(shù).只需要兩組數(shù)據(jù)就可以確定關(guān)系式.為了使結(jié)果更準(zhǔn)確，采用多次求解取均值的方法.實(shí)驗(yàn)中每種字體都有3種視距下的3組數(shù)據(jù)，從3組數(shù)據(jù)中任取兩組就可以確定1組a和b的值;總共可以求解出3組a和b的值，然后再對這3組a和b的值求平均值，確定最終a和b值，從而確定這種字體的視距與字號的關(guān)系式.

4.1 字號與視距的關(guān)系

按照上述方法可以得到英文的視距與字號的關(guān)系式為:

與公式(1)進(jìn)行比較驗(yàn)證公式(2)的正確性.在光照條件較好的情況下 K2取0.06，即此時(shí)Peters和Adams建議的文字的高度公式為 H=0.0022×D+1.524.分別用公式(1)和公式(2)對3種視距下的字體高度進(jìn)行計(jì)算可知:3種視距下計(jì)算的結(jié)果分別相差0.66 mm、0.92 mm、1.18 mm.如表2所示.

從表2可以看出:在一般視距水平上(500～900 mm)，兩者的高度值相差0.66～1.18 mm，在最大視距900 mm水平上僅相差1.18 mm.這個(gè)差距水平可以認(rèn)為是非常小的，可看作是實(shí)驗(yàn)條件的正常誤差.因此可以證明公式(2)是正確的，從而也證明了此種實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法是合理可行的.

表2 公式(1)和公式(2)的計(jì)算結(jié)果比較

用同樣的方法可以得到數(shù)字字號與視距的關(guān)系式為:

漢字字號與視距的關(guān)系式為:

從英文、數(shù)字、漢字3個(gè)公式可以看出:在同樣的視距水平上，所需的3種字體的大小順序?yàn)?數(shù)字＜英文＜漢字.即數(shù)字是最容易辨識的，其臨界字號最小;英文字母介于數(shù)字和漢字之間;漢字最不容易辨識，所需的臨界字號最大.這和許多標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定漢字的字號選取要大于英文數(shù)字的字號是一致的.

4.2 字體、視距和字號對目標(biāo)辨識的影響

可以看出:在相同的字號或相同的視距下得到的結(jié)論是一致的，即數(shù)字最容易辨識，其正確率最高，反應(yīng)時(shí)最少;英文次之;漢字最不容易辨識，正確率最低，反應(yīng)時(shí)最大.在相同的字號下，隨著視距的增加，正確率下降，反應(yīng)時(shí)增加.在相同的視距下，隨著字號的增大，正確率逐漸增加并趨于一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，反應(yīng)時(shí)逐漸減少并趨于一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值.

從3.2.1小節(jié)中的方差分析數(shù)據(jù)來看:總體而言，字號與視距都對目標(biāo)辨識有較大的影響.從正確率上來分析，對于視距而言，對數(shù)字的主效應(yīng)(P=0.009)最顯著，對英文和漢字的主效應(yīng)都不顯著;對于字號而言，對漢字的主效應(yīng)(P=0.000)最顯著，也就是說漢字受字號影響最大，英文次之，數(shù)字影響最小.從反應(yīng)時(shí)間上來分析，對于視距而言，對數(shù)字的主效應(yīng)最顯著，其次是漢字，英文影響最小;對于字號而言，對漢字和數(shù)字的影響效應(yīng)都非常顯著，英文次之.因?yàn)閺姆磻?yīng)時(shí)間上來說，無論是字號還是視距，對3種字體辨識的主效應(yīng)均比從正確率上分析的主效應(yīng)要顯著，因此可以說反應(yīng)時(shí)間更適合作為研究字體、字號與視距關(guān)系的評價(jià)指標(biāo).

5 結(jié)束語

從人的認(rèn)知特性出發(fā)，對顯示界面文字的視覺編碼進(jìn)行了研究，分別探討了英文、數(shù)字和漢字的字體大小與視距的關(guān)系，通過合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和科學(xué)地整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別得出了英文、數(shù)字和漢字3種字體的視距與字號的關(guān)系式，并與國外學(xué)者得到的結(jié)論做了比較，驗(yàn)證了所得公式的正確性以及實(shí)驗(yàn)方法的可行性;分析了字體、視距和字號對目標(biāo)辨識的影響.

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