基于眼動追蹤實(shí)驗(yàn)的數(shù)字界面質(zhì)量評估模型

陳曉皎 薛澄岐 陳 默 田 靜 邵 將 張 晶

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 南京 211189)

基于眼動追蹤實(shí)驗(yàn)的數(shù)字界面質(zhì)量評估模型

陳曉皎 薛澄岐 陳 默 田 靜 邵 將 張 晶

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 南京 211189)

為了提高界面設(shè)計(jì)的合理性以及評估結(jié)果的準(zhǔn)確性,以眼動追蹤為實(shí)驗(yàn)手段,結(jié)合軟件工程領(lǐng)域的質(zhì)量評估模型,開發(fā)了一個面向數(shù)字界面的質(zhì)量評估模型.首先,基于對界面功能的分析,優(yōu)化出4個質(zhì)量特性作為第一層次評估指標(biāo),分別為情感吸引性、設(shè)計(jì)復(fù)雜性、交互高效性、認(rèn)知負(fù)荷大小;然后,由模型的質(zhì)量特性推導(dǎo)出質(zhì)量子特性,進(jìn)而確定出6個質(zhì)量子特性以及若干度量指標(biāo),分別將其作為第二、第三層次的評估指標(biāo).基于此,構(gòu)建了一套多維、多層次的數(shù)字界面評價(jià)體系.最終,通過基于任務(wù)的F-18戰(zhàn)斗機(jī)顯控界面實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)斗機(jī)顯控界面客觀綜合的評估.評估結(jié)果表明,提出的評價(jià)模型能有效提高界面評估結(jié)果的可靠性.

數(shù)字界面;眼動追蹤;評估模型;質(zhì)量;定量評估

數(shù)字界面作為信息化時(shí)代傳遞信息的重要載體,是用戶獲取信息進(jìn)行決策判斷的主要依據(jù).信息傳遞是否精確、高效會影響用戶認(rèn)知的差異以及決策判斷,而界面設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的認(rèn)知失誤會造成操作事故.因此,對界面進(jìn)行有效評估,實(shí)現(xiàn)界面的優(yōu)化設(shè)計(jì),對降低操作失誤率具有重要的作用.

目前國內(nèi)外已經(jīng)運(yùn)用多種界面評估手段對數(shù)字界面進(jìn)行評估,主要有主觀評價(jià)法、績效評估法、綜合理論評估法、數(shù)學(xué)模型評估法和生理實(shí)驗(yàn)測評法.前4種評估方法在樣本采集數(shù)量不充分的情況下,存在一定的主觀意識偏差,在數(shù)字界面評估中往往被當(dāng)作輔助評估方法.生理實(shí)驗(yàn)測評法是指運(yùn)用眼動追蹤技術(shù)和腦電技術(shù)對界面開展定量評估,其中眼動追蹤技術(shù)能對復(fù)雜數(shù)字界面的質(zhì)量進(jìn)行較為客觀的評估.Fitts等[1]開展了飛機(jī)駕駛艙界面設(shè)計(jì)的眼動評估研究, Cowen等[2]對網(wǎng)頁界面設(shè)計(jì)的布局合理性進(jìn)行了眼動評估研究.Roth等[3]對不同類型的網(wǎng)站界面的設(shè)計(jì)元素布局進(jìn)行了眼動研究,Asan等[4]對眼動追蹤技術(shù)與認(rèn)知負(fù)荷相關(guān)聯(lián)的生理指標(biāo)進(jìn)行研究,朱偉等[5]對軟件界面評估中運(yùn)用的眼動追蹤技術(shù)的指標(biāo)進(jìn)行了研究.這些研究著眼于利用生理指標(biāo)對界面進(jìn)行評估,但是關(guān)于眼動追蹤技術(shù)和界面評估如何構(gòu)建映射關(guān)系,眼動追蹤技術(shù)哪些指標(biāo)可以作為界面評估的度量指標(biāo),尚未有完善的論證.本文將眼動追蹤實(shí)驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)作為度量指標(biāo),借鑒軟件程序領(lǐng)域質(zhì)量模型的構(gòu)建思路,分析影響數(shù)字界面質(zhì)量的界面元素,以提高界面評估結(jié)果的可靠性為目標(biāo)構(gòu)建評估模型.

1 數(shù)字界面質(zhì)量眼動評估模型構(gòu)建

1.1 眼動追蹤評估指標(biāo)

眼動追蹤技術(shù)作為目前應(yīng)用最為廣泛的界面評估方法,主要根據(jù)瞳孔直徑、注視點(diǎn)熱區(qū)、注視點(diǎn)數(shù)目、注視點(diǎn)序列等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對數(shù)字界面進(jìn)行較為客觀、科學(xué)的評估.因此,本文選擇眼動追蹤技術(shù)作為建立數(shù)字界面質(zhì)量評估模型的實(shí)驗(yàn)途徑.

1) 瞳孔直徑是用戶視覺信息加工時(shí)的負(fù)荷指標(biāo)之一.人在進(jìn)行視覺信息加工時(shí),瞳孔直徑的變化幅度與進(jìn)行信息認(rèn)知的努力程度密切相關(guān).當(dāng)認(rèn)知負(fù)荷較大時(shí),瞳孔直徑較大;反之,認(rèn)知負(fù)荷較小時(shí),瞳孔直徑也會相應(yīng)較小[6].

2) 注視熱點(diǎn)直觀反應(yīng)受試者在某個區(qū)域的停留時(shí)間長短和注視點(diǎn)的空間分布.此評估指標(biāo)能較為直觀地反映受試者對界面的關(guān)注區(qū)域,針對重要信息的布局設(shè)計(jì)進(jìn)行評估,同時(shí)評估是否有無關(guān)信息的干擾.

3) 注視點(diǎn)數(shù)目與視覺搜索的績效成反比,注視點(diǎn)數(shù)目越多表明視覺搜索的效率越低,注視點(diǎn)數(shù)目越少則表明搜索的效率越高.受試者對界面的信息獲取,以及決策判斷的效率都與此指標(biāo)相關(guān).

4) 注視點(diǎn)序列追蹤受試者眼球的轉(zhuǎn)動,依次標(biāo)記出注視點(diǎn)在注視區(qū)域之間的位置轉(zhuǎn)換、停留時(shí)間、移動順序和路線.該指標(biāo)用來度量界面布局的有效性以及層級信息的合理性.

1.2 質(zhì)量評估模型構(gòu)建

建立數(shù)字界面評估模型時(shí),可參考McCall模型、Boehm模型、FURPS模型、ISO 9126模型等常見的軟件質(zhì)量評估模型[7].評估軟件質(zhì)量的通用模型一般分為3層：第一層次評估指標(biāo)為質(zhì)量特性；第二層次評估指標(biāo)為質(zhì)量子特性；第三層次評估指標(biāo)為度量指標(biāo).度量指標(biāo)需要根據(jù)具體的評估對象進(jìn)行合理選擇[8].在評估模型的構(gòu)建過程中,將以上軟件質(zhì)量模型的構(gòu)建邏輯引入到數(shù)字界面的評估體系中.本文根據(jù)“屬性—準(zhǔn)則—度量”的原則,以界面功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵元素作為模型的屬性,以界面元素的設(shè)計(jì)合理性作為模型的構(gòu)建準(zhǔn)則,以眼動實(shí)驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)作為模型的度量指標(biāo),建立數(shù)字界面質(zhì)量的眼動評估模型.評估模型構(gòu)的建過程如圖1所示.

圖1 數(shù)字界面質(zhì)量的眼動評估模型構(gòu)建過程

借助軟件質(zhì)量評估通用模型的層次劃分理論,分析數(shù)字界面的屬性,把情感吸引性、設(shè)計(jì)復(fù)雜性、交互高效性和認(rèn)知負(fù)荷大小作為數(shù)字界面質(zhì)量評估模型的質(zhì)量特性.根據(jù)數(shù)字界面的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[9],通過質(zhì)量特性推導(dǎo)出質(zhì)量子特性.其中情感吸引性對應(yīng)界面設(shè)計(jì)的基本元素,設(shè)計(jì)復(fù)雜性對應(yīng)界面信息的數(shù)量和界面布局,交互高效性對應(yīng)注視平均時(shí)間和操作正確率,認(rèn)知負(fù)荷對應(yīng)認(rèn)知資源投入量.最后把眼動技術(shù)指標(biāo)作為度量指標(biāo),建立數(shù)字界面質(zhì)量的眼動評估模型,如圖2所示.

圖2 數(shù)字界面質(zhì)量眼動評估模型

該數(shù)字界面質(zhì)量眼動評估模型中質(zhì)量特性、質(zhì)量子特性和度量指標(biāo)之間的映射關(guān)系如下：

1) 情感吸引性.利用數(shù)字界面對用戶的認(rèn)知吸引性,來反映用戶對界面的情感因素.把界面的圖形、控件、字體、色彩等基本設(shè)計(jì)元素作為評估模型的質(zhì)量子特性.

2) 設(shè)計(jì)復(fù)雜性.不同層級的大量信息呈現(xiàn)給用戶,且不同類別的設(shè)計(jì)元素組件按照一定的設(shè)計(jì)規(guī)律布局呈現(xiàn),因此界面設(shè)計(jì)具有復(fù)雜性.將信息數(shù)量和界面布局歸納為評估模型的質(zhì)量子特性.設(shè)計(jì)復(fù)雜性的計(jì)算公式[10]為

式中,C表示復(fù)雜性;N為所有組件的數(shù)目;n為組件種類;Pi為第i類組件出現(xiàn)的概率.可看出,復(fù)雜性與組件數(shù)目、組件種類和Pi相關(guān),N,n和Pi越大,對象設(shè)計(jì)越復(fù)雜.

3) 交互高效性.人機(jī)界面交互是人和界面之間進(jìn)行信息溝通的一個雙向過程.人機(jī)交互的高效與否在一定程度上可作為評估界面設(shè)計(jì)優(yōu)劣的指標(biāo),任務(wù)完成時(shí)間和操作的正確率與交互高效性密切相關(guān).任務(wù)完成時(shí)間在眼動實(shí)驗(yàn)中用注視平均時(shí)間來衡量,注視平均時(shí)間反應(yīng)測試人員提取信息的難易程度,注視時(shí)間越長表明信息提取的效率越低.操作的正確率也能在一定程度上作為界面交互高效性的表征反映.

4) 認(rèn)知負(fù)荷.用戶對界面的認(rèn)知過程需要認(rèn)知資源的投入,認(rèn)知資源的投入比例與界面帶給用戶的認(rèn)知負(fù)荷是息息相關(guān)的.本文采用眼動追蹤的生理測評方法對認(rèn)知負(fù)荷大小進(jìn)行測量.眼動技術(shù)指標(biāo)中的瞳孔直徑與認(rèn)知負(fù)荷密切相關(guān).當(dāng)認(rèn)知負(fù)荷變高時(shí),瞳孔直徑會擴(kuò)大;反之,認(rèn)知負(fù)荷變小時(shí),瞳孔直徑也會相應(yīng)變小.

2 基于界面質(zhì)量模型的眼動實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

目前F-18戰(zhàn)斗機(jī)座艙顯控界面的數(shù)據(jù)比較完整,因此本文選取F-18戰(zhàn)斗機(jī)顯控界面作為實(shí)驗(yàn)樣本.實(shí)驗(yàn)圖片尺寸為1 024×768像素,格式為BMP圖片,位深度為16,符合眼動儀屏幕的分辨率需求.

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

被試為東南大學(xué)和南京大學(xué)的本科生和研究生,共15人.其中考慮飛行員大多為男性,因此被試選取男生較多,男生10人,女生5人,年齡在23～27歲之間.被試人群無色弱或色盲現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)設(shè)備為德國SMI公司的iView X系列Hi-Speed型高精度眼動儀,包括iView PC測試計(jì)算機(jī)、Stimulus PC圖像顯示計(jì)算機(jī)和測試托架.

2.3 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

根據(jù)情境任務(wù)假設(shè)方法[11],設(shè)計(jì)F-18戰(zhàn)斗機(jī)顯控界面眼動實(shí)驗(yàn)任務(wù):

1) 要求被試按照自己對界面的理解觀察界面,設(shè)定界面呈現(xiàn)時(shí)間為2 000 ms,中間空屏呈現(xiàn)1 000 ms.

2) 要求被試檢查界面的引擎界面是否處于正常狀態(tài),并要求被試口頭回答是否正常,按任意鍵結(jié)束.

3 眼動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 注視點(diǎn)數(shù)目

根據(jù)數(shù)字界面質(zhì)量眼動評估模型的質(zhì)量特性中的指標(biāo)-情感吸引性,統(tǒng)計(jì)用戶的注視點(diǎn)熱區(qū)和注視點(diǎn)數(shù)目,劃分界面的興趣關(guān)注區(qū)域(AOI),結(jié)果如圖3所示.

(a) 界面1興趣關(guān)注區(qū)域

(b) 界面2興趣關(guān)注區(qū)域

首先分析15個被試在任務(wù)1中對界面1、界面2的興趣關(guān)注區(qū)域的注視點(diǎn)數(shù)目,結(jié)果如圖4所示,均值和方差如表1所示.根據(jù)數(shù)字界面質(zhì)量眼動評估模型可知,在興趣關(guān)注區(qū)域的注視點(diǎn)數(shù)目多則吸引性好,因此界面2情感吸引性優(yōu)于界面1.

圖4 興趣關(guān)注區(qū)域注視點(diǎn)數(shù)目對比

主界面樣本容量/人均值/個標(biāo)準(zhǔn)差1158．66666710．0119002159．8666676．356849

3.2 注視點(diǎn)序列

15名被試在實(shí)驗(yàn)過程中對界面1和界面2進(jìn)行操作.通過注視點(diǎn)序列的軌跡,可以呈現(xiàn)被視的注視軌跡是否按照界面既定任務(wù)的操作流程進(jìn)行移動,同時(shí)可以考察被試是否理解實(shí)驗(yàn)任務(wù),是否按照實(shí)驗(yàn)任務(wù)的指導(dǎo)語執(zhí)行實(shí)驗(yàn)任務(wù).單個被試在界面1與界面2的注視點(diǎn)序列如圖5所示.

(a) 界面1的注視點(diǎn)序列

(b) 界面2的注視點(diǎn)序列

由圖5可看出,單個被試在界面1中的注視點(diǎn)序列路徑比界面2的注視點(diǎn)序列路徑復(fù)雜,有迂回路徑,且注視點(diǎn)數(shù)目多于界面2.根據(jù)數(shù)字界面質(zhì)量眼動評估模型,界面的注視點(diǎn)序列清晰明確,且注視點(diǎn)數(shù)目較少,則界面布局較好;因此界面1設(shè)計(jì)復(fù)雜性高于界面2,界面2的交互高效性優(yōu)于界面1.

3.3 瞳孔直徑分析

所有被試在完成界面1和界面2檢查任務(wù)時(shí)的瞳孔直徑平均值如圖6所示,所得均值和方差如表2所示.

根據(jù)數(shù)字界面質(zhì)量眼動評估模型,執(zhí)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)時(shí),被試的瞳孔直徑越大,其對于界面的認(rèn)知負(fù)荷越大.因此,根據(jù)評估模型的質(zhì)量特性中的認(rèn)知負(fù)荷指標(biāo),界面1需要用戶投入的認(rèn)知資源量大于界面2,即界面1的認(rèn)知負(fù)荷高于界面2.

圖6 被試瞳孔平均直徑分布圖

主界面樣本容量/人均值/個標(biāo)準(zhǔn)差11558．153775．25656621554．424764．872989

4 結(jié)語

本文借助產(chǎn)品質(zhì)量評估模型和眼動追蹤技術(shù),構(gòu)建了數(shù)字界面質(zhì)量評估模型.從界面功能實(shí)現(xiàn)的屬性需求出發(fā),定義了評估模型的質(zhì)量特性.由質(zhì)量特性推導(dǎo)出質(zhì)量子特性,把界面設(shè)計(jì)基本元素、界面信息數(shù)量、界面布局、注視平均時(shí)間、操作正確率和認(rèn)知資源投入量作為模型的質(zhì)量子特性的衡量指標(biāo).從眼動實(shí)驗(yàn)中提取了注視點(diǎn)熱區(qū)、注視點(diǎn)數(shù)目、注視點(diǎn)序列、瞳孔直徑等技術(shù)指標(biāo),建立評估模型的度量指標(biāo).在質(zhì)量子特性和度量指標(biāo)映射關(guān)系的基礎(chǔ)上,建立數(shù)字界面質(zhì)量評估模型.最后,通過眼動實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)現(xiàn)了對戰(zhàn)斗機(jī)顯控界面客觀綜合的評估,驗(yàn)證了此數(shù)字界面質(zhì)量評估模型的有效性.

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Quality assessment model of digital interface based on eye-tracking experiments

Chen Xiaojiao Xue Chengqi Chen Mo Tian Jing Shao Jiang Zhang Jing

(School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)

To improve the rationality of the interface design and the evaluation accuracy, combining eye tracking and the quality assessment model from the field of software engineering, a digital interface quality evaluation model is proposed. First, based on the analysis of the interface function, four quality characteristics are achieved and considered as the first level evaluation indices. These quality characteristics are attractiveness, complexity of design, efficiency of interaction, and cognitive load. Then, six child quality characteristics and some metric elements are identified by mining the model’s quality characteristics, which are classified as the second and the third level evaluation indices. Therefore, a multidimensional and multilevel evaluation model based on the digital interface is established. Finally, a comprehensive assessment of the aircraft display interface was achieved by the experiment of F-18 aircraft display interface based on tasks. The evaluation results demonstrate that the model can effectively improve the reliability of interface evaluation results.

digital interface; eye-tracking; evaluation model; quality; quantitative evaluation

第47卷第1期2017年1月 東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol．47No．1Jan．2017DOI：10．3969/j．issn．1001-0505．2017．01．008

2016-05-17. 作者簡介: 陳曉皎(1988—),女,博士生;薛澄岐(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,ipd_xcq@seu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71471037)、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(KYLX15_0061).

陳曉皎,薛澄岐,陳默,等.基于眼動追蹤實(shí)驗(yàn)的數(shù)字界面質(zhì)量評估模型[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(1):38-42.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.01.008.

TP301

A

1001-0505(2017)01-0038-05