動(dòng)態(tài)突顯對視覺搜索績效的影響作用

朱田牧，葛列眾，李宏汀，胡信奎

(1.浙江理工大學(xué) 心理學(xué)系，杭州 310018；2.浙江大學(xué)心理科學(xué)研究中心，杭州 310028)

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代帶來的信息過載使得人們無法簡單憑借自己的大腦在海量信息中迅速有效地尋找到關(guān)鍵信息。因?yàn)樵趯Ａ啃畔⑦M(jìn)行視覺搜索時(shí)，人的視覺注意和認(rèn)知資源是有限的[1]。因此，如何有效在海量信息中快速有效地呈現(xiàn)出關(guān)鍵信息是工程心理學(xué)研究的重要問題之一[2]。從二十世紀(jì)八九十年代起，為了解決視覺信息有效呈現(xiàn)的研究主要集中在突顯技術(shù)領(lǐng)域。突顯是指在與視覺搜索任務(wù)有關(guān)的計(jì)算機(jī)屏幕顯示中，采用某種方式突出顯示多個(gè)項(xiàng)目中的關(guān)鍵項(xiàng)目，從而提高視覺搜索績效的一種方法或技術(shù)。該技術(shù)通過改變目標(biāo)的顯示方式，吸引用戶的注意引導(dǎo)用戶進(jìn)行搜索，幫助用戶更準(zhǔn)確快捷地找到目標(biāo)[3]，減少用戶的操作時(shí)間[4]，從而提高操作績效。

在以往研究中，突顯對視覺搜索操作績效的影響主要受突顯的類型、背景和材料等因素的影響。突顯類型方面的研究表明，以顏色(黃色)作為突顯類型時(shí)效果較好，閃爍[5-6 ]，相框[7]和下劃線突顯[8]對視覺搜索的促進(jìn)效果顯著；逆顯(目標(biāo)與目標(biāo)所占的背景顏色互換)是會(huì)降低視覺搜索績效的一種突顯類型[9]。視覺背景方面的研究表明，黑背景下突顯顏色選用紅、黃、綠，突顯效果顯著，白背景下突顯效果不顯著[10]；單彩色背景和復(fù)雜彩色背景[11]以及背景的明暗程度對均對目標(biāo)的突顯有著重要的影響[12]。視覺材料方面的研究表明，在以圖形為視覺搜索材料的研究中，圖形的底紋可以顯著提高視覺搜索績效[13]，此外，顏色和閃爍的突顯方式顯著促進(jìn)了被試視覺搜索績效，但分別作為冗余代碼時(shí)效果不顯著[14]。在復(fù)雜情境中，突顯關(guān)鍵的圖符可以有效提示警告信息[15]。

近期突顯技術(shù)與眼控技術(shù)相結(jié)合，研究者開發(fā)了一種通過基于眼動(dòng)控制的交互式的眼控突顯(也稱視線突顯)技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合低通濾波算法，通過對用戶注視點(diǎn)的捕捉，隨著用戶視線的變化而改變突顯的內(nèi)容，實(shí)時(shí)突顯用戶視線所在位置的信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該技術(shù)是一種可以有效提高海量信息下的目標(biāo)定位績效的新型技術(shù)[16]。

總結(jié)以往研究發(fā)現(xiàn)，雖然突顯技術(shù)較為成熟且一直在發(fā)展，但目前存在兩個(gè)問題:一是傳統(tǒng)的突顯技術(shù)是一種靜態(tài)的顯示技術(shù)，無法在視覺搜索過程中，動(dòng)態(tài)地在多個(gè)目標(biāo)中優(yōu)先突顯重要的目標(biāo)；二是視線突顯技術(shù)雖然可以根據(jù)用戶的操作的特點(diǎn)實(shí)時(shí)突顯視覺材料內(nèi)容，但這并沒有針對任務(wù)要求或目標(biāo)的重要性等特點(diǎn)進(jìn)行突顯。因此，在以往傳統(tǒng)突顯的基礎(chǔ)上，本研究提出一種新型突顯技術(shù)，稱為動(dòng)態(tài)突顯。該突顯技術(shù)可以在與視覺搜索任務(wù)有關(guān)的目標(biāo)呈現(xiàn)方式中，根據(jù)任務(wù)要求或目標(biāo)特征，優(yōu)先突顯多個(gè)目標(biāo)中的重要目標(biāo)，從而提高視覺搜索效率。

為了驗(yàn)證這種新型突顯技術(shù)的有效性，本研究采用以數(shù)字為材料的多目標(biāo)視覺搜索任務(wù)，通過比較傳統(tǒng)突顯與動(dòng)態(tài)突顯完成時(shí)間和點(diǎn)擊效率的差異，驗(yàn)證動(dòng)態(tài)突顯的有效性。

2 方法

2.1 被試

共66名(男28人，女38人)在校學(xué)生參加實(shí)驗(yàn)，年齡16-25歲，平均年齡19.32±1.95歲，均為右利手，視力或矯正視力正常，無色盲或色弱，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后給予報(bào)酬。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料呈現(xiàn)在14英寸的LED防眩光屏幕上(型號(hào)為戴爾Vostro14-5 480)，分辨率為1 366×768。實(shí)驗(yàn)過程中被試全程使用鼠標(biāo)(型號(hào)為羅技G102有線電競鼠標(biāo))進(jìn)行點(diǎn)擊操作。實(shí)驗(yàn)程序在.NET框架下用C#編寫而成。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為10×10的數(shù)字矩陣，矩陣所在區(qū)域大小為320像素×320像素(8.5 cm×8.5 cm)，視場大小約為10.20°×10.20°。矩陣位于電腦屏幕中央，矩陣中心與屏幕中心重合。矩陣內(nèi)每個(gè)數(shù)字所占的區(qū)域相同，高20像素(0.53 cm)，寬14像素(0.37 cm)，視場大小約為0.65°×0.45°。每個(gè)數(shù)字的中心與其所占方塊的中心重合，相鄰的數(shù)字中心與數(shù)字中心的間距為32像素(0.85 cm)。矩陣100個(gè)數(shù)字中，目標(biāo)數(shù)字為1、2、3、4，每種五個(gè)共二十個(gè)，干擾數(shù)字為5、6、7、8、9，每種十六個(gè)共八十個(gè)。目標(biāo)數(shù)字的分布滿足如下五個(gè)條件：第一，每種目標(biāo)數(shù)字在每個(gè)象限至少出現(xiàn)一個(gè)，至多出現(xiàn)兩個(gè)；第二，相鄰試次中兩個(gè)同一種目標(biāo)數(shù)字所在的象限不同，整個(gè)實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)每種目標(biāo)數(shù)字出現(xiàn)在每個(gè)象限的總次數(shù)相同；第三，每個(gè)象限中，每行每列只有一個(gè)目標(biāo)數(shù)字；第四，目標(biāo)數(shù)字之間不存在橫向、縱向的連續(xù)情況，同一種目標(biāo)數(shù)字不存在斜向連續(xù)的情況；第五，10×10矩陣中心的2×2區(qū)域內(nèi)沒有目標(biāo)數(shù)字，矩陣的四個(gè)角也沒有目標(biāo)數(shù)字。非目標(biāo)數(shù)字按照5到9從矩陣的第一列第一行開始逐行依次循環(huán)填補(bǔ)空余位置?；谝陨蠗l件共篩選出48個(gè)數(shù)字矩陣，8個(gè)用于練習(xí)，40個(gè)用于正式實(shí)驗(yàn)。

屏幕為灰色RGB(128，128，128)，矩陣所在區(qū)域的背景為黑色，數(shù)字共有三種顏色，非目標(biāo)數(shù)字和沒有突顯的目標(biāo)數(shù)字為白色，突顯的目標(biāo)數(shù)字為紅色RGB(255，0，0)，鼠標(biāo)點(diǎn)擊某個(gè)數(shù)字后該數(shù)字變成灰色RGB(128，128，128)。材料示意圖如圖1所示：

圖1 兩種突顯條件的材料示意圖

2.4 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

實(shí)驗(yàn)任務(wù)為點(diǎn)擊任務(wù)，即點(diǎn)擊目標(biāo)數(shù)字得分。要求被試盡快點(diǎn)擊并且盡可能多得分，點(diǎn)擊4得4分，點(diǎn)擊3得3分，點(diǎn)擊2得2分，點(diǎn)擊1得1分。點(diǎn)擊非目標(biāo)數(shù)字5、6、7、8、9不得分。在點(diǎn)擊任務(wù)開始前，需要被試做好點(diǎn)擊的準(zhǔn)備，把右手自然地放在鼠標(biāo)上，食指放在鼠標(biāo)左鍵上，中指放在鼠標(biāo)右鍵上，任務(wù)中的操作均為用食指單擊鼠標(biāo)左鍵。每次點(diǎn)擊開始時(shí)鼠標(biāo)起始點(diǎn)位于矩陣中心。每個(gè)試次點(diǎn)擊任務(wù)的最長時(shí)間為16s(通過預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)定)，保證絕大多數(shù)被試可以完全點(diǎn)完所有的目標(biāo)數(shù)字。

2.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)為單因素被試間設(shè)計(jì)。

自變量為突顯類型，分為傳統(tǒng)突顯和動(dòng)態(tài)突顯。

傳統(tǒng)突顯條件下，所有目標(biāo)數(shù)字在整個(gè)被試執(zhí)行點(diǎn)擊任務(wù)過程中均為紅色突顯，被試點(diǎn)擊某個(gè)紅色目標(biāo)數(shù)字后獲得相應(yīng)分?jǐn)?shù)，同時(shí)該數(shù)字變灰，再次點(diǎn)擊該灰色數(shù)字不得分。

動(dòng)態(tài)突顯條件下，目標(biāo)數(shù)字在整個(gè)被試執(zhí)行點(diǎn)擊任務(wù)過程中按照4-3-2-1的順序紅色突顯，并且待被試點(diǎn)擊完一種目標(biāo)數(shù)字后再突顯下一種。首先突顯所有的4(共有五個(gè))，待被試點(diǎn)擊完這五個(gè)4，突顯所有的3，待被試點(diǎn)擊完，突顯所有的2，以此類推。點(diǎn)擊某個(gè)目標(biāo)數(shù)字(可能是紅色或白色)后該數(shù)字變灰，再次點(diǎn)擊該灰色數(shù)字不得分。

在上述兩種條件下，所有非目標(biāo)數(shù)字均為白色。如果被試點(diǎn)擊非目標(biāo)數(shù)字，不得分，但白色非目標(biāo)數(shù)字也會(huì)變?yōu)榛疑?/p>

因變量為完成時(shí)間和點(diǎn)擊效率。完成時(shí)間為被試點(diǎn)擊完全部目標(biāo)數(shù)字所用的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)擊效率的計(jì)算方式為：分?jǐn)?shù)/點(diǎn)擊目標(biāo)個(gè)數(shù)，即被試單位時(shí)間(每秒)內(nèi)得到的分?jǐn)?shù)除以點(diǎn)擊到的目標(biāo)個(gè)數(shù)。因變量數(shù)據(jù)由程序自動(dòng)記錄。

2.6 實(shí)驗(yàn)流程

被試隨機(jī)分為兩組，對應(yīng)進(jìn)入傳統(tǒng)組(共34人，男生15人，女生19人)和動(dòng)態(tài)組(共32人，男生14人，女生18人)。主試錄入被試的基本信息后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)程序，請被試做好點(diǎn)擊的準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)分為練習(xí)階段和正式實(shí)驗(yàn)階段。練習(xí)階段請被試熟悉實(shí)驗(yàn)流程和操作，共8個(gè)試次，隨后進(jìn)入正式實(shí)驗(yàn)，共40個(gè)試次，20個(gè)試次后休息30 s。

每個(gè)試次流程為，矩陣所在的區(qū)域呈現(xiàn)0.5 s黑屏，隨后在該區(qū)域中心呈現(xiàn)白色注視點(diǎn)“+”0.5 s，隨后呈現(xiàn)0.5 s黑屏，然后呈現(xiàn)數(shù)據(jù)矩陣，被試開始點(diǎn)擊操作，點(diǎn)擊時(shí)間最長為16 s(通過預(yù)實(shí)驗(yàn)確定)，16 s之內(nèi)點(diǎn)完或者超時(shí)，矩陣都會(huì)消失，自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)試次。

3 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過SPSS 13.0分析。剔除沒有完全點(diǎn)完試次的數(shù)據(jù)和三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之外的數(shù)據(jù)(共占總實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的2.50%)后，先分析傳統(tǒng)與動(dòng)態(tài)突顯的完成時(shí)間，再分析點(diǎn)擊效率。

3.1 傳統(tǒng)與動(dòng)態(tài)突顯的完成時(shí)間分析

對完成時(shí)間沒有要求的情況下，傳統(tǒng)組的完成時(shí)間(M=11.34，SD=1.41)快于動(dòng)態(tài)組(M=13.17，SD=1.03)，獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果表明兩者差異顯著(t(64)=-6.05，P<0.001，d=1.49)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：在區(qū)分目標(biāo)重要程度的多目標(biāo)視覺搜索情境中，傳統(tǒng)突顯比動(dòng)態(tài)突顯的完成時(shí)間更短。完成時(shí)間如圖2所示:

圖2 兩種條件下的完成時(shí)間(s)

3.2 傳統(tǒng)與動(dòng)態(tài)突顯的點(diǎn)擊效率分析

傳統(tǒng)組在1-7 s的點(diǎn)擊效率低于動(dòng)態(tài)組，8-10 s高于動(dòng)態(tài)組，11-15 s又低于動(dòng)態(tài)組。1 s表示0-1 s之內(nèi)，以此類推，點(diǎn)擊效率的平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差見表1。

表1 兩種條件下的點(diǎn)擊效率

10-12 s和16 s兩組差異不顯著。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：在短時(shí)程內(nèi)(1-7 s)，動(dòng)態(tài)突顯的點(diǎn)擊效率好于傳統(tǒng)突顯。

每秒點(diǎn)擊效率差異如圖3所示：

圖3 兩種條件下的點(diǎn)擊效率

簡單效應(yīng)分析表明，傳統(tǒng)突顯條件下，2-7 s每秒內(nèi)點(diǎn)擊效率差異不顯著，動(dòng)態(tài)突顯僅在2 s和3 s的點(diǎn)擊效率差異不顯著，說明傳統(tǒng)突顯點(diǎn)擊過程中存在一個(gè)平緩的階段，動(dòng)態(tài)突顯則沒有。

4 討論

4.1 傳統(tǒng)與動(dòng)態(tài)突顯的完成時(shí)間分析

4.2 傳統(tǒng)與動(dòng)態(tài)突顯的點(diǎn)擊效率分析

在完成任務(wù)的過程中，傳統(tǒng)突顯的點(diǎn)擊效率呈現(xiàn)出2-7 s先達(dá)到一個(gè)平緩階段，8 s開始下降的趨勢。1 s時(shí)，大多數(shù)被試存在部分還沒有做出點(diǎn)擊操作的情況，所以整體點(diǎn)擊效率較低，2 s開始點(diǎn)擊效率接近隨機(jī)水平2.5((4×5+3×5+2×5+1×5)/20)，一直持續(xù)到7 s。由于7 s后已經(jīng)有被試完成任務(wù)，8s開始得到的分?jǐn)?shù)為0，因此整體點(diǎn)擊效率開始下降。動(dòng)態(tài)突顯的點(diǎn)擊效率呈現(xiàn)出先高后低的趨勢，按照目標(biāo)的四個(gè)重要程度大致分為四個(gè)階段，2-4 s點(diǎn)擊效率最較高，接近優(yōu)先點(diǎn)擊重要目標(biāo)的水平4((4×5)/5)，5-7 s點(diǎn)擊效率接近點(diǎn)擊第二重要目標(biāo)水平3，8-10 s點(diǎn)擊效率接近2，11-12 s點(diǎn)擊效率接近1。因?yàn)? s后開始有被試完成任務(wù)，所以從10 s開始點(diǎn)擊效率出現(xiàn)下降，主要是由于點(diǎn)擊目標(biāo)的重要程度降低，以及在這個(gè)時(shí)間段已經(jīng)出現(xiàn)有被試完成任務(wù)的情況所導(dǎo)致的。

比較兩種突顯方式的點(diǎn)擊效率特點(diǎn)發(fā)現(xiàn):共同之處在于兩種突顯方式均可以有效引導(dǎo)被試的視覺搜索，與以往關(guān)于突顯可以有效引導(dǎo)用戶操作的研究結(jié)果一致；不同之處在于傳統(tǒng)突顯是以隨機(jī)的方式引導(dǎo)被試操作，動(dòng)態(tài)突顯則按照目標(biāo)的重要程度進(jìn)行引導(dǎo)。

4.3 動(dòng)態(tài)突顯的有效性

動(dòng)態(tài)突顯雖然完成時(shí)間顯著慢于傳統(tǒng)突顯，但在短時(shí)程(1-7 s)的點(diǎn)擊效率顯著高于傳統(tǒng)突顯，說明動(dòng)態(tài)突顯是一種在短時(shí)程內(nèi)比傳統(tǒng)突顯更加有效的突顯方式，且按照目標(biāo)的重要程度進(jìn)行操作，可以有效提高被試的視覺搜索績效。因此，如果需要處理全部目標(biāo)，傳統(tǒng)突顯的績效較好；如果需要在短時(shí)程內(nèi)處理重要目標(biāo)，動(dòng)態(tài)突顯績效較好。動(dòng)態(tài)突顯的理論意義在于提出一種新的突顯方式，豐富了突顯技術(shù)的類型；實(shí)際意義在于對人機(jī)界面設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，提高區(qū)分重要程度的多目標(biāo)搜索的作業(yè)績效。

動(dòng)態(tài)突顯選用顏色突顯(實(shí)驗(yàn)中為紅色)可以有效引導(dǎo)操作人員對重要目標(biāo)進(jìn)行平行搜索。顏色是一種在視覺搜索早期階段容易被覺擦到的獨(dú)特的特征之一，而且在單一維度上的突顯通常會(huì)引起平行搜索[ 20-21]。平行搜索不但比序列搜索更加有效率，而且需要的注意資源較少[22]。因此，動(dòng)態(tài)突顯條件下被試會(huì)首先同時(shí)覺察到五個(gè)紅色的4，而傳統(tǒng)突顯條件下被試同時(shí)覺察到全部目標(biāo)。

動(dòng)態(tài)突顯依次突顯重要目標(biāo)，始終突顯當(dāng)前情境中最重要的目標(biāo)，符合格式塔心理學(xué)知覺組織原則的相似性原則，即具有相似特征(顏色、亮度等)的客體會(huì)被人們知覺為一個(gè)整體，其他客體被直覺為背景[23],而且人們傾向于對顏色相同的兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行類似的加工處理[24]。因此動(dòng)態(tài)突顯時(shí)，同樣重要的目標(biāo)作為一個(gè)整體，得到類似的加工處理，與其它次重要目標(biāo)數(shù)字和非目標(biāo)數(shù)字(均為白色)區(qū)分開，于是此時(shí)紅色的數(shù)字是目標(biāo)，其它白色的目標(biāo)數(shù)字和非目標(biāo)數(shù)字是背景。相比之下，傳統(tǒng)突顯中所有的目標(biāo)都是紅色，被試將所有目標(biāo)知覺為一個(gè)整體，非目標(biāo)數(shù)字是背景。

4.4 動(dòng)態(tài)突顯的應(yīng)用范圍

動(dòng)態(tài)突顯這一概念的提出，主要是基于傳統(tǒng)突顯的不足和對實(shí)際需求的考量。傳統(tǒng)突顯是一種靜態(tài)的顯示方式，無法動(dòng)態(tài)地優(yōu)先顯示當(dāng)前情境中重要的目標(biāo)。傳統(tǒng)突顯只能突顯所有的目標(biāo)，雖然在一定程度上減少了操作人員的搜索目標(biāo)，但沒有直接指向重要目標(biāo)，因此不適用于區(qū)分目標(biāo)重要程度的多目標(biāo)搜索情境或者信息過載的情境。例如，一次火車相撞事故中，監(jiān)管人員花費(fèi)了很多時(shí)間搜索是哪兩輛火車引起了警報(bào)[25]，如果可以及時(shí)有效地突顯即將出事故的火車，可以避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。再如，核電站的操作界面會(huì)突顯(亮燈或閃爍)幾百個(gè)指示器[26]，如果可以優(yōu)先突顯最需要處理的目標(biāo)，會(huì)提高操作人員的效率，避免災(zāi)難發(fā)生。航空管制界面中，已經(jīng)運(yùn)用不同顏色表示不同海拔高度的飛機(jī)，以及用相同顏色(紅色)顯示航道兩架沖突的飛機(jī)，來協(xié)助航空管制員的操作[27]，但界面的突顯設(shè)置不夠簡潔，存在信息過載時(shí)導(dǎo)致因突顯效果不夠明顯導(dǎo)致變化盲視現(xiàn)象出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，如果可以只突顯當(dāng)前情境最重要的航班，可以避免潛在事故出現(xiàn)。

動(dòng)態(tài)突顯適用于區(qū)分目標(biāo)重要程度的多目標(biāo)視覺搜索的情境中，例如空間站、空中交通管制、核電站、駕駛(導(dǎo)航)、地圖搜索、救援、病毒傳播、大面積農(nóng)業(yè)監(jiān)控等等。通過有效提供重要或緊急信息，使人們更有效地獲得收益或者避免損失，尤其是防止重大事故發(fā)生。未來動(dòng)態(tài)突顯可以與大數(shù)據(jù)結(jié)合，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新信息，更有效地突顯當(dāng)前最重要的信息，也可以與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行預(yù)測和比較；也可以與人工智能結(jié)合，通過一些算法分辨篩選信息，自行處理沒有爭議的重要目標(biāo)，將有爭議的重要目標(biāo)突顯出來，輔助操作人員進(jìn)行高效操作。

4.5 研究的不足和展望

本研究只實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)突顯的初步的原型，視覺材料和突顯類型都比較單一，后續(xù)研究可以考察視覺材料類型和突顯類型對動(dòng)態(tài)突顯績效的影響作用。又因?yàn)閯?dòng)態(tài)突顯的顯示方式特點(diǎn)是對重要目標(biāo)平行加工，不需要消耗太多注意資源，所以推測這種顯示方式的績效不會(huì)受到任務(wù)負(fù)荷的影響，為后續(xù)研究提供方向。

5 結(jié)論

(1)在多目標(biāo)視覺搜索任務(wù)中，當(dāng)不區(qū)分目標(biāo)重要程度時(shí)，傳統(tǒng)突顯績效較高；當(dāng)區(qū)分目標(biāo)重要程度時(shí)，動(dòng)態(tài)突顯績效較高。

(2)在區(qū)分重要程度的多目標(biāo)搜索任務(wù)中，動(dòng)態(tài)突顯可以優(yōu)先處理重要或緊急目標(biāo)。