幻燈片配色方案認知效率的眼動研究

(福建工程學院 交通運輸學院，福建 福州 350118)

幻燈片可以為人們講演時提供必要的內容信息，在演講和教學的過程中被大量使用?；脽羝O計的一個重要方面是關于配色方案的選擇，幻燈片的配色涉及到背景和字體的顏色，合理的配色方案可以提高人們對課件內容的認知效率。研究幻燈片的配色方案對于人們認知行為以及相應的眼動行為的影響，有助于合理地設計幻燈片，提高演講或教學的效率。

背景與文字的色彩搭配會影響人們的閱讀認知行為，不恰當?shù)呐渖珪绊懻J知績效[1-2]，并可能造成視覺上的不適[3]。在色彩搭配中考慮的一個重要因素是色彩的對比，提高背景色與字體色的對比有利于提高閱讀認知的效率[1，4-5]。Zeliang Cheng[5]等以 LED 屏為介質開展的實驗表明，隨著背景與字體顏色色彩差異的增大，文字的識別效率也會隨之提升，色彩 RGB 指標中的G值差異越大，效率提升越顯著。在比較多種配色方案后，多項研究認為白底黑字的配色方案在可讀性方面是最好的[4，6-7]。Jacob Nielsen[4]等還指出黑底白字的效果也比較好,但其在閱讀速度上稍遜于白底黑字。 Zorko[7]等在實驗中，認為白底黑字配色方案閱讀的錯誤率也是最低的。岳松[8]提出采用高亮度低飽和度的背景色彩和低亮度高飽和度的文本色彩搭配的網(wǎng)頁，可以給用戶較好的感官體驗和滿意度。Gattullo[9]等研究了工業(yè)增強現(xiàn)實環(huán)境下文字的配色方案，指出對增強現(xiàn)實情境中的文字配置對比差異大的背景色，可以提升文字的識別效率。

關于幻燈片配色方案的選擇，過往的研究也做了專門的討論。林燕[10]認為暗文圖色和亮背景色的PPT 配色效果最好，尤其是白底黑字的配色方案，在教室用投影儀播放時能達到最好的播放效果。K.Nakamura[11]等從考慮色盲人群的角度提出幻燈片的基本顏色應以黑色、藍色、白色和黃色為主。關爾群[2]采用白色背景和不同顏色的文字搭配的幻燈片，驗證了不同顏色的文字對于閱讀的記憶成績存在顯著影響。

結合眼動實驗研究人們的認知效率，可以更深入地發(fā)掘造成認知行為差異的生理因素。例如，注視時間的長短可以反映閱讀的難易程度[12]。不同顏色的字體對于人們的注視次數(shù)、平均注視時間和注視頻率均會產(chǎn)生顯著的影響[2]。Zorko[7]等指出閱讀效率較低的配色方案可能是因為其容易造成眼部疲勞，使得被試不愿意持續(xù)注視。岳松的研究表明閱讀的背景色彩會對人們的瞳孔大小造成顯著影響，從而影響閱讀時的疲勞程度[8]。關爾群通過注視次數(shù)和注視持續(xù)時間來分析人們對不同色彩文字的注意程度[2]。

因此，本文擬通過被試完成幻燈片上任務的速度研究不同配色方案的幻燈片對于人們認知效率的影響，并結合眼動數(shù)據(jù)分析造成認知效率差異的機理。

1 眼動實驗設計

1.1 幻燈片配色方案的確定

配色方案的研究常用RGB[2，5-6]和HSL[8]兩種模型來表示色彩。色彩的RGB值和HSL值可以互相轉換，也有的研究采用文字來表述色彩[1]，該種方法對色彩表述的準確性較差。本研究擬采用RGB模型來表示色彩。

本研究擬從黑色、藍色、白色和黃色這4種顏色中選取幻燈片的背景顏色和字體顏色，這4種顏色為主色調的幻燈片有利于色盲人群的閱讀[11]，4種顏色設定的配色方案可以適合包括視力正常和色盲人群在內的閱讀認知。它們所對應的RGB值分別為黑色 (0,0,0)、藍色 (0,0,255)、白色 (255,255,255) 和黃色 (255,255,0)。通過公式(1)計算不同色彩RGB差異值，以分析背景色與字體顏色差異的大小。

(1)

ΔR=C1,R-C2,R

ΔG=C1,G-C2,G

ΔB=C1,B-C2,B

式中，Ci,R表示第i種色彩的R值，Ci,G表示第i種色彩的G值，Ci,B表示第i種色彩的B值。

計算結果如表1所示。

表1 不同配色方案的RGB色彩差異值

從表2看出黑藍配色和黃白配色的RGB 差異值最小，黑白配色和藍黃配色的RGB差異值最大。

同時，利用公式(2)將色彩的 RGB 值轉換成人眼主觀亮度值，再計算不同色彩搭配的主觀亮度值的差異。

((R×299)+(G×587)+(B×114))/1 000

(2)

計算結果如表2所示。

表2 不同色彩的主觀亮度值及其差異值

從表2看出黑藍配色和黃白配色的主觀亮度差異值最小，為28.815。黑白配色主觀亮度差異值最大，為254.745。

黑藍配色和黃白配色的RGB 顏色差異值在各個配色方案中也最小。因此，剔除這兩組色彩差異最小的配色方案。最后確定研究的八組配色方案為：白底黑色、白底藍色、黑底白色、黑底黃色、黃底黑色、黃底藍色、藍底白色和藍底黃色。

1.2 實驗器材

對上述每組配色方案分別制作對應的PPT。由于不同文字的難易程度存在著差異，此外文字的語義也會對于認知效率產(chǎn)生影響，為了盡量避免閱讀內容的難度以及文字的語義對于閱讀效率產(chǎn)生影響，將幻燈片內容設為10以內加法。在日常教學中，數(shù)字內容通常在幻燈片中的應用也較多，因此以數(shù)字內容為基礎研究幻燈片的配色方案具有合理性。每種配色的 PPT 均是5道10以內加法，字體均為黑體44號。為了排除瀏覽連續(xù)兩張PPT對眼動行為的影響，在兩張PPT之間插入一張黑色背景過渡頁。提示語“單擊繼續(xù)”標于背景過渡頁的中間。

圖1 實驗幻燈片示意圖Fig.1 Illustration of slides used in the experiment

所采用的儀器為Tobii眼動儀和24英寸顯示器。被試者坐于顯示器前75 cm處左右的位置。所采用的眼動分析軟件為ErgoLAB人機環(huán)境同步系統(tǒng)。

1.3 實驗被試

被試對象為20名本科生，年齡在20～22歲之間，男性和女性各10名。所有被試者視力或矯正視力正常，且為自愿參加本實驗。

1.4 實驗流程

(1)被試進入實驗室，對實驗室環(huán)境進行熟悉。

(2)在光線柔和的房間內，讓被試者入座并調整座椅與顯示器距離，被試者正對顯示屏，人眼與顯示屏的距離為60 cm左右，并隨時提醒被試者保持坐姿和距離。

(3)對被試進行眼動校正。

(4)打開PPT，呈現(xiàn)指導語:“請以正常的速度閱讀下面內容，依次說出算數(shù)答案后按空格鍵結束閱讀，閱讀過程中盡量保持頭部不動，清楚了嗎? 清楚后請按鍵開始”。提供給被試者一頁用來練習的的PPT，經(jīng)過練習被試者掌握閱讀方法后，進入正式實驗。

(5)被試者確認清楚要求后按鍵開始測試，每完成一頁內容后，按空格鍵翻頁，每個被試完成8頁不同配色方案的任務。

(6)主試者同時記錄被試者的答題結果。

(7)一個被試結束實驗后，對于不同配色幻燈片的播放順序進行隨機調整，避免播放順序對于視認行為的影響。

1.5 實驗變量及設計

本實驗采用單因素方差分析的實驗設計，因素共8個水平，即8種幻燈片配色方案。

因變量指標包含兩類，一類是反映被試在閱讀過程中的認知績效，包括算術答題的錯誤數(shù)以及完成時間；另一類是反映被試眼動行為的眼動指標，包括注視點個數(shù)、平均注視時間。

由于實驗的計算過程簡單，所有被試在計算過程中均無錯誤，故最后采用的因變量指標為答題完成時間、注視點個數(shù)和平均注視時間。

答題完成時間指的是從一張幻燈片頁面出現(xiàn)到被試點擊空格鍵結束該頁面的時間。注視點個數(shù)為被試在一張幻燈片頁面內的注視次數(shù)。平均注視時間為被試在一張幻燈片頁面里的平均注視行為的時間長度。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

本研究擬采用單因素重復測量方法來分析不同配色方案對于被試認知效率和眼動行為的影響，影響因素為8種配色方案。采用莫奇來球形度檢驗來驗證指標變量是否滿足球形假設，即8種配色方案下因變量的協(xié)方差矩陣是否相等。如果檢驗結果不符合球形假設，則采用格林豪斯-蓋斯勒校正后的單因素重復測量方差分析結果。

2 實驗結果分析

2.1 不同配色方案對完成題目時間的影響

對不同配色方案完成題目的時間進行單因素可重復測量方差分析。莫其來球形度檢驗顯示，χ2=113.074，P=0.00，P<0.05，故不同配色方案的完成題目時間不滿足球形假設，擬采用格林豪斯-蓋斯勒方法進行校正。

格林豪斯-蓋斯勒方法校正結果顯示不同配色方案的幻燈片對于完成題目時間具有顯著的影響，F(xiàn)(2.053,39.005)=35.267，P=0.000。

不同配色方案下被試的平均完成題目時間如圖2所示。在95%的置信水平下，白底黑字、白底藍字、黃底黑字、黃底藍字、黑底黃字、黑底白字、藍底白字、藍底黃字的平均完成題目時間分別為 2.455±0.051、7.461±0.906、4.501±0.567、9.691±1.963、4.136±0.516、4.159±0.352、2.948±0.497、(2.845±0.504)s。

平均完成題目時間由低到高所對應的配色方案分別是：白底黑字，藍底黃字，藍底白字，黑底黃字，黑底白字，黃底黑字，白底藍字，黃底藍字。

圖2 在不同配色方案下被試完成題目的平均時間Fig.2 Average time to complete the task under different color schemes

2.2 不同配色方案對平均注視時間的影響

對不同配色方案下被試的平均注視時間進行單因素可重復測量方差分析。莫其來球形度檢驗顯示，χ2=85.396，P=0.00，P<0.05，故不同配色方案的平均注視時間不滿足球形假設，擬采用格林豪斯-蓋斯勒方法進行校正。

格林豪斯-蓋斯勒方法校正結果顯示不同配色方案的幻燈片對于平均注視時間具有顯著的影響，F(xiàn)(2.773,52.691)=67.703，P=0.000。

不同配色方案下被試的平均注視時間如圖3所示。在95%的置信水平下，白底黑字、白底藍字、黃底黑字、黃底藍字、黑底白字、黑底黃字、藍底白字、藍底黃字平均注視時間分別為1.014±0.058、2.428±0.216、1.146±0.111、1.456±0.059、1.106±0.087、2.233±0.263、1.135±0.111、(1.085±0.076)s。

平均注視時間由低到高所對應的配色方案分別是白底黑字，藍底黃字，黑底白字，藍底白字，黃底黑字，黃底藍字，黑底黃字，白底藍字。

圖3 在不同配色方案下被試的平均注視時間Fig.3 Average fixation duration under different color schemes

2.3 不同配色方案對注視次數(shù)的影響

對不同配色方案下被試的注視次數(shù)進行單因素可重復測量方差分析。莫其來球形度檢驗顯示，χ2=46.822，P=0.12，P<0.05，故不同配色方案的注視次數(shù)不滿足球形假設，擬采用格林豪斯-蓋斯勒方法進行校正。

格林豪斯-蓋斯勒方法校正結果顯示不同配色方案的幻燈片對于注視次數(shù)具有顯著的影響，F(xiàn)(4.869,92.519)=19.490，P=0.000。

不同配色方案下被試的平均注視次數(shù)如圖4所示。在95%的置信水平下，白底黑字、白底藍字、黃底黑字、黃底藍字、黑底白字、黑底黃字、藍底白字、藍底黃字的平均注視次數(shù)分別為 4.45±0.051、3.10±0.336、2.65±0.462、1.95±0.321、3.90±0.566、3.85±0.410、 2.15±0.349、4.3±0.609。

圖4 在不同配色方案下被試的平均注視次數(shù)Fig.4 Average fixation times under different color schemes

平均注視次數(shù)由高到低所對應的配色方案分別是白底黑字，藍底黃字，黑底白字，黑底黃字，白底藍字，黃底黑字，藍底白字，黃底藍字。

3 總結和討論

研究結果表明：不同配色方案對于完成題目的時間、平均注視時間和注視次數(shù)均有顯著影響。完成題目速度最快、平均注視時間最短和注視次數(shù)最多的配色方案均為白底黑字，其次為藍底黃字。

1)白底黑字的配色方案完成任務的速度最快，說明此配色方案的可讀性最佳，該結論與Jacob[4]、Richard[6]及Zorko[7]等的研究結果一致。

2)白底黑字和藍底黃字的配色方案完成題目速度優(yōu)于其他的配色方案，其中白底黑字方案的閱讀效率最佳。比較各個配色方案的色彩RGB差異值和亮度差異值，黑白配色和藍黃配色的差異值均最大。本研究進一步驗證了增強背景色與字體色的對比有利于提高閱讀效率[1，4-5]。

3)白底黑字和藍底黃字的配色方案平均注視時間短于其他配色方案，白底黑字的配色方案平均注視時間最短。這說明這兩種配色方案有利于人們更快地提取注視點的信息。筆者認為這是這兩種方案的閱讀認知效率較優(yōu)的原因。

4)白底黑字和藍底黃字的配色方案的注視次數(shù)均多于其他的配色方案，白底黑字的幻燈片被注視次數(shù)最多。在其他研究中也同樣發(fā)現(xiàn)白底黑字的方案注視次數(shù)最多的現(xiàn)象[2]。本研究認為，該現(xiàn)象與人們的視覺行為有關。人的視覺有中央凹視覺和周邊視覺。中央凹視覺用于提取對象的詳細信息，周邊視覺用于處理和構建注視對象周邊的內容信息。白底黑字和藍底黃字的配色方案可讀性好，中央凹視覺更快地提取注視點的信息，平均注視時間短。由于注視點停留時間短，周邊視覺所能處理的注視點周圍的信息內容較少。因此，在這兩種配色方案下，要獲取任務的全部信息需要更多的注視點，從而造成被試的注視次數(shù)更多。

研究結果顯示白底黑字和藍底黃字的配色方案可讀性最佳，但同時這兩種配色方案的注視次數(shù)也最多，容易造成視覺疲勞，長時間的使用過程中需要注意適當休息。

本文研究結果可以進一步拓展，作為其他閱讀介質或者幻燈片內容配色方案研究的基礎。