不同工作載荷下的警示性圖標(biāo)認(rèn)知機(jī)理

金 濤 牛亞峰 周 蕾

(1中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院, 青島 266580)(2東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 南京 211189)

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不同工作載荷下的警示性圖標(biāo)認(rèn)知機(jī)理

金 濤1牛亞峰2周 蕾2

(1中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院, 青島 266580)(2東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 南京 211189)

采用工作載荷范式研究警示性圖標(biāo)在不同工作載荷下的認(rèn)知機(jī)理,以及視覺突顯性與圖形語義信息對警示性圖標(biāo)認(rèn)知的作用．首先進(jìn)行了有語義圖標(biāo)實(shí)驗(yàn),以檢驗(yàn)具有語義信息的警示性圖標(biāo)在高低知覺負(fù)載下的注意捕獲效應(yīng),結(jié)果表明,在高、低工作載荷下警示性圖標(biāo)都比普通圖標(biāo)具有加工優(yōu)先性,但與任務(wù)無關(guān)的警示性圖標(biāo)在高、低工作載荷下的注意捕獲能力沒有顯著差異,說明警示性圖標(biāo)能夠自動獲取注意系統(tǒng)的加工．為分離突顯性視覺特征與語義信息2個因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,進(jìn)行了無語義圖標(biāo)實(shí)驗(yàn),將警示性圖標(biāo)轉(zhuǎn)換為具有突顯性但無語義信息的轉(zhuǎn)置圖標(biāo),發(fā)現(xiàn)警示性圖標(biāo)在高工作載荷下的注意捕獲效應(yīng)顯著小于低工作載荷,即工作載荷能夠顯著調(diào)節(jié)其注意捕獲能力,說明警示性圖標(biāo)在有語義圖標(biāo)實(shí)驗(yàn)中的注意捕獲效應(yīng)應(yīng)歸因于其本身攜帶的語義信息．本研究證實(shí)語義明確的警示性圖標(biāo)能夠被注意系統(tǒng)自動捕獲,圖形語義信息在其中起到關(guān)鍵性作用,突顯性的視覺特征也會增加警示性圖標(biāo)的注意捕獲效應(yīng)．

認(rèn)知機(jī)理;警示性圖標(biāo);圖形語義;突顯性;工作載荷

具有警惕性或威脅性信息的視覺刺激,通常比一般刺激更容易吸引人們的注意[1]．如遇到毒蛇圖標(biāo)、紅色按鈕和道路禁止路標(biāo),都會馬上引起注意[2]．可見,警示性圖標(biāo)比一般圖標(biāo)會更容易獲取人們的注意而獲得優(yōu)先加工[3],但這種現(xiàn)象的原因尚不明確．

Young[4]利用彩色幾何圖形和線條等視覺特征素材,發(fā)現(xiàn)突顯性視覺特征會自下而上地自動引導(dǎo)注意．Theeuwes[5]提出的額外奇異刺激范式是自下向上注意捕獲方式最有說服力的證據(jù),發(fā)現(xiàn)顏色突顯刺激從下而上地捕獲了注意．研究表明[6-7],注意資源會被與任務(wù)無關(guān)的突顯刺激無意識的吸引,突顯視覺特征是圖標(biāo)刺激獲得優(yōu)先加工的重要因素之一,而有些研究[8-9]發(fā)現(xiàn)語義信息在圖標(biāo)認(rèn)識中起著重要作用,在不同搜索任務(wù)中大腦會采用視覺表征、語義信息表征或兩者同時使用等不同的策略．警示性圖標(biāo)之所以會被注意優(yōu)先捕獲還可能有以下原因:圖形的語義信息與記憶內(nèi)容的含義相近時,大腦選擇與工作記憶最相關(guān)的目標(biāo)刺激,從而激發(fā)自上向下的注意捕獲[10-11]．驗(yàn)證此解釋對提高警示性圖標(biāo)的認(rèn)知績效非常重要:若視覺特征會導(dǎo)致圖標(biāo)的優(yōu)先捕獲注意,則通過提高視覺特征的突顯性可以增強(qiáng)警示性圖標(biāo)的注意捕獲能力;若是圖形含義可引起優(yōu)先捕獲注意,則應(yīng)建立更易被用戶接受的圖形語義表達(dá)方式．本文將研究在不同知覺負(fù)載條件下,視覺特征與語義信息在警示性圖標(biāo)注意加工過程中的作用,并揭示其視覺認(rèn)知加工機(jī)理．

目前對警示性圖標(biāo)的視覺認(rèn)知機(jī)理研究尚不多見,但在相關(guān)領(lǐng)域已開展了大量研究[12-13]．這些研究所用實(shí)驗(yàn)材料難以有效分離圖形的視覺特征和語義信息,無法研究2個因素在圖標(biāo)注意加工中的各自作用與機(jī)理．本研究采用經(jīng)典的知覺負(fù)載范式,以正置圖標(biāo)(具有視覺特征和圖形語義信息)和倒置圖標(biāo)(只有視覺特征)為實(shí)驗(yàn)材料[14],研究視覺特征因素和圖形語義信息在高低知覺負(fù)載條件下對警示性圖標(biāo)注意捕獲能力的影響,及警示性圖標(biāo)的認(rèn)知加工機(jī)理．

1 有語義圖標(biāo)實(shí)驗(yàn)

1.1 被試

選擇21名在校大學(xué)生和研究生,右利手,年齡在20～27歲,平均年齡為23歲(SD=311)．被試視力正常,無色盲色弱．被試均自愿參加實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)前不知道實(shí)驗(yàn)意圖．

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

搜索集畫面是虛擬圓上均勻分布的6個灰色字母(見圖1),被試距畫面中心約600 mm,圓的直徑視角為58°,字母視角為1.0°×1.2°．圓心有一個灰色“+”是注視點(diǎn),視角為0.7°×0.7°．干擾刺激為警示性圖標(biāo)或普通圖標(biāo),呈現(xiàn)于直徑視角為8.7°的虛擬大圓上的6個可能位置,圖標(biāo)視角為5.6°×5.6°．警示性圖標(biāo)由外部粗方框(線寬0.8 mm)和內(nèi)部圖形組成,普通圖標(biāo)由外部細(xì)方框(線寬0.6 mm)和內(nèi)部圖形組成．選出20個常見易辨、含義明確、灰度一致的圖標(biāo)作為內(nèi)部圖標(biāo),經(jīng)測試,2 s內(nèi)的正確識別率為100%,倒置或旋轉(zhuǎn)±90°后的可識別率為0．

圖1 單個子試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)流程圖

刺激畫面呈現(xiàn)于亮度為95 cd/m2、分辨率為1 280×1 024 dpi的17 inch(566.67 mm)顯示屏上．利用Matlab PsychToolBox編制實(shí)驗(yàn)程序．

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)利用2(高/低載荷)×3(警示性圖標(biāo)/普通圖標(biāo)/無干擾)被試內(nèi)設(shè)計．注意捕獲效應(yīng)量(AC)為干擾圖片出現(xiàn)與不出現(xiàn)2種情況下的反應(yīng)時之差．

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示．測試背景為黑色,首先灰色注視點(diǎn)“+”在屏幕中央呈現(xiàn)1 500 ms．隨后搜索集在顯示屏上出現(xiàn)并保持800 ms,要求被試在搜索集中盡快搜索目標(biāo)字母(X或N),如果是X按A鍵,如果是N按L鍵．被試單擊后或3 000 ms后無反應(yīng),進(jìn)入下一輪實(shí)驗(yàn)．在低載荷情況下,搜索集的6個字母由1個目標(biāo)字母(X或N)、1個非目標(biāo)字母(任意選自A,E,F,K,H,M)和4個字母O組成;在高載荷情況下,搜索集的6個字母由1個目標(biāo)字母(X或N)和5個不同的非目標(biāo)字母(任意選自A,E,F,K,H,M)組成．所有字母隨機(jī)呈現(xiàn)于虛擬內(nèi)圓的6個位置．

在16%的子試驗(yàn)中,干擾圖標(biāo)隨機(jī)呈現(xiàn)于搜索集外圍,持續(xù)200 ms．干擾圖標(biāo)分為警示性圖標(biāo)和普通圖標(biāo),出現(xiàn)概率各為8%．為克服干擾圖標(biāo)對目標(biāo)字母認(rèn)知反應(yīng)的影響,所有試驗(yàn)中目標(biāo)字母與干擾圖標(biāo)至少間隔1個字母大?。谄渌?4%的子試驗(yàn)中,搜索集外圍無干擾圖標(biāo)．正式實(shí)驗(yàn)分為6個組,每組有80個試驗(yàn),高低工作載荷情況混合均等出現(xiàn)．正式實(shí)驗(yàn)之前,各位被試要進(jìn)行40個子試驗(yàn),外圍不呈現(xiàn)干擾圖標(biāo),以免被試對干擾圖標(biāo)產(chǎn)生預(yù)期．每組測試結(jié)束后休息1 min,整個實(shí)驗(yàn)過程耗時約30 min．

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用傳統(tǒng)知覺載荷數(shù)據(jù)排除方法剔除大于2 s和小于0.2 s的反應(yīng)時數(shù)據(jù),然后基于保留的正確數(shù)據(jù),將平均反應(yīng)時進(jìn)行重復(fù)測量方差分析,結(jié)果如圖2所示．由圖可見:工作載荷主效應(yīng)顯著,F(1, 20)=156.85,p< 0.01,表明工作載荷對操作績效有明顯影響；干擾圖標(biāo)主效應(yīng)顯著,F(2,40)=18.91,p<0.01；二者之間交互效應(yīng)不顯著(p> 0.05)．對干擾圖標(biāo)主效應(yīng)的事后多重比較結(jié)果表明:警示性圖標(biāo)(883 ms)的反應(yīng)時顯著高于普通圖標(biāo)(874 ms)和無干擾圖標(biāo)(797 ms)(p< 0.01)．證明無論知覺特征是否突顯,圖標(biāo)都可捕獲注意并獲得加工．

圖2 不同視覺突顯程度的干擾圖標(biāo)在高低工作載荷下的平均反應(yīng)時

注意捕獲效應(yīng)量為有干擾圖標(biāo)與無干擾圖標(biāo)的反應(yīng)時差值．為深入比較警示性圖標(biāo)與普通圖標(biāo)的注意捕獲量大小,對2類干擾圖標(biāo)在不同工作載荷下的注意捕獲效應(yīng)量進(jìn)行重復(fù)測量方差分析,結(jié)果如圖3所示.由圖可見:工作載荷主效應(yīng)未達(dá)到顯著水平,F(1,20)=3.43,p>0.05,工作載荷高低對總注意捕獲效應(yīng)量的影響無顯著差異;干擾圖標(biāo)主效應(yīng)顯著,F(1,20)=599,p<0.01；警示性圖標(biāo)的平均注意捕獲效應(yīng)量(87 ms)顯著高于普通圖標(biāo)(39 ms),前者的注意捕獲能力高于后者;工作載荷和干擾圖標(biāo)的交互作用不顯著,F(1,20)=0.23,p>0.05,高低工作載荷下2種干擾圖標(biāo)的注意捕獲能力沒有顯著變化．可見,警示性圖標(biāo)的注意捕獲能力強(qiáng)于普通圖標(biāo),但在高低載荷下2種干擾圖標(biāo)的注意捕獲能力無顯著變化．

圖3 不同類型的干擾圖標(biāo)在高低工作載荷下的注意捕獲效應(yīng)量

對錯誤率進(jìn)行重復(fù)測量方差分析,結(jié)果表明:工作載荷主效應(yīng)顯著,F(1,20)=32.94,p<0.01,高載荷條件下的錯誤率明顯高于低載荷;干擾圖標(biāo)主效應(yīng)不顯著,F(2,40)=1.42,p>0.05;兩者交互作用不顯著(p>0.05),故不存在反應(yīng)時與正確率的權(quán)衡．

有語義圖標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,警示性圖標(biāo)的總注意捕獲量顯著高于普通圖標(biāo),證明視覺特征的突顯性可影響圖標(biāo)的注意捕獲能力;在搜索集外圍出現(xiàn)的圖標(biāo)可獲得注意的優(yōu)先加工,且這種加工性不受知覺載荷的影響．圖標(biāo)的這種自動捕獲注意的能力,可能存在2種解釋:① 突顯性視覺特征無意識引起人們自下而上的注意;② 圖標(biāo)語義與人腦記憶內(nèi)容一致導(dǎo)致從上而下的注意．為深入解析這2種因素的影響,在無語義圖標(biāo)實(shí)驗(yàn)中,分離了同一圖標(biāo)的視覺特征與圖形語義信息,進(jìn)一步研究圖標(biāo)的視覺認(rèn)知機(jī)理．

2 無語義圖標(biāo)實(shí)驗(yàn)

2.1 方法

將有語義圖標(biāo)實(shí)驗(yàn)中的干擾圖標(biāo)改為倒置圖標(biāo)(或旋轉(zhuǎn)±90°),使圖標(biāo)失去語義信息,而不影響對圖標(biāo)的視覺特征加工[14]．實(shí)驗(yàn)采用2(高/低載荷)×3(警示性圖標(biāo)/普通圖標(biāo)/無干擾)被試內(nèi)設(shè)計．其余皆同有語義圖標(biāo)實(shí)驗(yàn)．

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

刪除大于2 s和小于0.2 s數(shù)據(jù)，對反應(yīng)正確的平均反應(yīng)時進(jìn)行重復(fù)測量方差分析,結(jié)果如圖4所示．由圖可見:工作載荷主效應(yīng)顯著,F(1,20)=167.33,p<0.01,失去語義顯著增加了任務(wù)難度,降低了認(rèn)知績效;干擾圖標(biāo)的視覺特征主效應(yīng)顯著,F(2,40)=9.02,p<0.01;工作載荷與視覺特征的交互效應(yīng)顯著,F(2,40)=5.10,p<0.01．對干擾圖標(biāo)視覺特征的主效應(yīng)進(jìn)行事后多重比較表明:出現(xiàn)警示性圖標(biāo)(850 ms)和普通圖標(biāo)(840 ms)的反應(yīng)時均顯著高于無干擾圖標(biāo)的情況(823 ms)(p<0.01),其他無顯著差異(p>0.05),證明具有2種知覺特征的干擾圖標(biāo)捕獲了注意．工作載荷與干擾圖標(biāo)視覺特征的交互效應(yīng)進(jìn)行簡單效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果表明:低載荷條件下,警示性圖標(biāo)、普通圖標(biāo)和無干擾3種情況之間的兩兩差異全部顯著(p<0.01);高載荷條件下,除警示性圖標(biāo)與普通圖標(biāo)條件之間無顯著差異之外(t(20)=1.89,p>0.05),其他差異全部顯著(t(20)=4.72,p<0.01;t(20)=3.18,p<0.01)．可見,警示性圖標(biāo)和普通圖標(biāo)都可捕獲注意,在低載荷下前者比后者更易捕獲注意,但在高載荷下兩者的捕獲注意能力相當(dāng)．

圖4 不同視覺特征的干擾圖標(biāo)在高低工作載荷下的平均反應(yīng)時

對2類干擾圖標(biāo)在不同載荷下的注意捕獲效應(yīng)進(jìn)行重復(fù)測量方差分析,結(jié)果如圖5所示. 由圖可見:工作載荷主效應(yīng)不顯著,F(1,20)=0.21,p>0.05,高低載荷下的注意捕獲效應(yīng)量沒有明顯差異;視覺特征的主效應(yīng)不顯著,F(1,20)=0.93,p>0.05,警示性圖標(biāo)與普通圖標(biāo)的總注意捕獲效應(yīng)量無顯著差異;工作載荷與視覺特征的交互效應(yīng)顯著,F(1,20)=6.11,p<0.01．

圖5 不同視覺特征的干擾圖標(biāo)在高低工作載荷下的注意捕獲效應(yīng)量

進(jìn)一步簡單效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果表明:低載荷下,普通圖標(biāo)的注意捕獲效應(yīng)量(28 ms)顯著低于警示性圖標(biāo)(79 ms),t(1,20)=2.57,p<0.01;高載荷下,普通圖標(biāo)與警示性圖標(biāo)的注意捕獲效應(yīng)量并無顯著差異,前者較后者的注意捕獲效應(yīng)呈現(xiàn)出減小趨勢,t(1,20)=0.29,p>0.05,證明在低載荷下警示性圖標(biāo)的注意捕獲能力明顯強(qiáng)于普通圖標(biāo),而在高載荷下,2種圖標(biāo)的捕獲注意能力趨于一致．此外,普通圖標(biāo)在高低載荷下的注意捕獲量無顯著差異,t(1,20)=1.31,p>0.05,普通圖標(biāo)作為一種突然出現(xiàn)的干擾圖標(biāo)刺激,在高低載荷下都能取得注意捕獲而得到加工．但警示性圖標(biāo)在高低載荷下的注意捕獲效應(yīng)存在顯著差異,t(1,20)=0.40,p<0.01,說明警示性圖標(biāo)的注意捕獲能力受到工作載荷的影響．

對錯誤率進(jìn)行重復(fù)測量方差分析顯示:工作載荷主效應(yīng)顯著,F(1,20)=50.02,p<0.01,高載荷條件下的錯誤率高于低載荷;視覺特征主效應(yīng)顯著,F(2,40)=7.21,p<0.01;工作載荷與視覺特征的交互作用不顯著,F(2,40)=1.67,p>0.05．對視覺特征主效應(yīng)進(jìn)行事后多重比較發(fā)現(xiàn):警示性圖標(biāo)呈現(xiàn)時的錯誤率顯著高于普通圖標(biāo)和無干擾圖標(biāo)呈現(xiàn)時的錯誤率,因此不需要進(jìn)行反應(yīng)時與正確率的權(quán)衡．

3 討論

本研究通過有語義圖標(biāo)實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn),高低載荷下語義明確的圖標(biāo)均能捕獲注意,而警示性圖標(biāo)比普通圖標(biāo)具有更強(qiáng)的注意捕獲能力;視覺特征的突顯性會增加圖標(biāo)的注意捕獲能力;圖標(biāo)作為與任務(wù)無關(guān)的干擾刺激,能獲取優(yōu)先加工,并且不受工作載荷的影響．可見,圖標(biāo)能突破知覺和注意資源的限制,自動獲取注意的優(yōu)先選擇．

無語義圖標(biāo)實(shí)驗(yàn)通過倒置圖標(biāo)保留了視覺特征而去掉了語義信息,成功分離了圖標(biāo)中的視覺特征與語義信息．據(jù)前人研究可知,倒置圖形干擾對刺激的整體加工,但不影響對刺激的視覺特征加工[15]．通過無語義圖標(biāo)實(shí)驗(yàn)說明失去語義信息的倒置圖標(biāo)的注意捕獲效應(yīng)受到高低工作載荷的影響,在低載荷下警示性圖標(biāo)比普通圖標(biāo)具有更強(qiáng)的注意捕獲能力,而在高載荷下前者與后者的注意捕獲能力卻趨于一致．可見,語義信息是影響圖標(biāo)獲得自動注意加工的重要因素,而視覺特征作為低水平簡單知覺屬性并不具備這種調(diào)節(jié)能力．故有語義圖標(biāo)實(shí)驗(yàn)中不受工作載荷調(diào)節(jié)的注意捕獲效應(yīng)可歸結(jié)為自身語義信息的作用,當(dāng)圖標(biāo)語義信息與記憶內(nèi)容相匹配時,圖標(biāo)激活了工作記憶中的語義表征,以自上而下的方式優(yōu)先獲取注意．可見,圖標(biāo)的語義信息越明確,越與記憶中熟悉的內(nèi)容一致,越容易捕獲注意．

4 結(jié)語

利用有語義圖標(biāo)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了具有語義信息的警示性圖標(biāo)在高低知覺負(fù)載下的注意捕獲效應(yīng),在無語義圖標(biāo)實(shí)驗(yàn)中,采用無語義信息的倒置圖標(biāo)作為干擾刺激,驗(yàn)證語義信息及視覺特征在警示性圖標(biāo)認(rèn)知中的作用及影響機(jī)理．通過上述實(shí)驗(yàn),得到警示性圖標(biāo)的3種認(rèn)知機(jī)理:① 突顯的視覺特征會導(dǎo)致自下而上的注意優(yōu)先捕獲．② 圖標(biāo)語義信息與人腦記憶內(nèi)容一致時,會引起從上而下的注意捕獲．③ 語義信息明確的圖標(biāo)之所以能突破認(rèn)知資源的限制而自動化獲得加工,更多是得益于圖標(biāo)本身的圖形語義信息,而突顯的視覺特征會增加圖標(biāo)的注意捕獲效應(yīng)．

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Cognitive mechanism of warning icons under different working loads

Jin Tao1Niu Yafeng2Zhou Lei2

(1College of Mechanical & Electrical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)(2School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)

The classic paradigm of perceptual load was used to study the cognitive mechanism of warning icons under different working loads and the effects of visual features and semantic information. Semantic icon experiment was conducted to examine the attentional capture effect of the warning icons with semantic information under high and low perceptual loads. It is found that warning icons have a processing priority to regular icons under both high and low working loads, but the abilities of warning icons irrelevant to task to capture the attention under both high and low working loads have no significant difference, showing that warning icons can obtain the automatic processing of the noticed system. For separating the effects of visual features and semantic information on the cognitive experimental results of warning icons, reverse warning icons with salient visual features but without semantic information were used in the non-semantic icons experiment, it is found that the attention capture effects of reverse warning icons under high working loads are lower than those under low working loads, that is, working loads can significantly adjust the attention capture ability of reverse warning icons, which suggests that the attentional capture effect of a warning icon in the semantic icons experiment should be attributed to its semantic information. Results show that warning icons with explicit semantics can be automatically captured by the attention system, where the semantic information of graphics plays a key role, and the salient visual features can also increase the attention capture effects of warning icons.

cognitive mechanism; warning icons; graphics semantics; salience; working load

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.016

2016-02-16. 作者簡介: 金濤(1980—),男,博士,講師,jzht126@163.com.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405514)、教育部人文社會科學(xué)研究青年基金資助項(xiàng)目(16YJCZH037)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(15CX02032A).

金濤,牛亞峰,周蕾.不同工作載荷下的警示性圖標(biāo)認(rèn)知機(jī)理[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,46(6):1204-1208.

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.016.

TB472;B849

A

1001-0505(2016)06-1204-05