晃動(dòng)環(huán)境下信息元素設(shè)計(jì)對(duì)視覺搜索的影響

陶 達(dá)，蔡 劍，張 旭，劉 雙，曲行達(dá)

1)深圳大學(xué)人因工程研究所，廣東深圳 518060； 2)中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院船艦人因工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

隨著船艦信息系統(tǒng)的發(fā)展，越來越多有關(guān)視覺搜索的人機(jī)交互任務(wù)需要在晃動(dòng)環(huán)境下進(jìn)行．人在晃動(dòng)環(huán)境的狀態(tài)有別于其在一般靜態(tài)下的情況．人體在晃動(dòng)環(huán)境下需努力保持身體平衡，心理因素對(duì)平衡能力造成影響[1]，生理反饋機(jī)制也與一般靜態(tài)下不同[2]．長期在晃動(dòng)環(huán)境工作與腰酸背疼密切相關(guān)[3-4]．更重要的是，晃動(dòng)環(huán)境下的人機(jī)交互方式和績效與一般靜態(tài)下不同[5-6]．GOODE等[6]指出，程度較大的晃動(dòng)會(huì)降低操作人員對(duì)觸摸屏設(shè)備的信息輸入績效，并增加其心智負(fù)荷．可見，環(huán)境會(huì)影響信息系統(tǒng)輸入設(shè)備的使用績效[5, 7-9]．LIN等[8]比較了3種常用輸入設(shè)備在3種晃動(dòng)狀態(tài)下的點(diǎn)擊操作績效，發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)研究下，觸摸屏的輸入績效最好，而晃動(dòng)環(huán)境下，鼠標(biāo)是最好的輸入設(shè)備．YAU等[10]在靜止、升沉、橫搖、俯仰和隨機(jī)運(yùn)動(dòng)5種環(huán)境下研究軌跡球和觸摸屏的使用績效，發(fā)現(xiàn)輸入設(shè)備和運(yùn)動(dòng)環(huán)境對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和精度都有顯著影響．KUJALA等[7]也證明晃動(dòng)環(huán)境下觸摸屏界面的菜單結(jié)構(gòu)方式和觸摸操作方式也對(duì)視覺搜索任務(wù)有不同的影響．

視覺搜索是指在一定范圍內(nèi)，將目標(biāo)特征與所有項(xiàng)目特征進(jìn)行匹配，以找到目標(biāo)種類或位置的活動(dòng)．日常視覺搜索行為是在充滿其他分散注意力的物品的視覺世界中找到一件物品[11]，如在雷達(dá)界面上偵測(cè)目標(biāo)物[12]．元素大小和密度是影響視覺搜索的重要因素[13-15]．TAN等[16]發(fā)現(xiàn)在晃動(dòng)環(huán)境中，隨著漢字字號(hào)的增大，視覺搜索績效會(huì)提高．張夢(mèng)醒[17]發(fā)現(xiàn)目標(biāo)元素越小，用戶找到目標(biāo)需要的時(shí)間越長，準(zhǔn)確率越低．丁月華等[18]探討了方塊大小對(duì)不同明暗弱對(duì)比的顏色突顯及視覺搜索績效的影響，發(fā)現(xiàn)在中灰背景中，搜索目標(biāo)方塊和背景方塊等大的前提下，方塊大小并不會(huì)對(duì)視覺搜索產(chǎn)生影響．宮殿坤等[19]研究字體特征與搜索方式對(duì)視覺搜索的影響，發(fā)現(xiàn)在字體相同的情況下，用戶對(duì)22磅字的反應(yīng)時(shí)間顯著少于15磅字．李靜等[20]發(fā)現(xiàn)網(wǎng)頁字符顯示密度對(duì)人視覺識(shí)別效率有顯著影響．李詩慧[21]也發(fā)現(xiàn)網(wǎng)頁的空間密度和信息密度會(huì)影響客觀視覺搜索績效．呂紹愛[22]發(fā)現(xiàn)畫面大小(由干擾元素?cái)?shù)目定義)對(duì)任務(wù)完成時(shí)間有顯著影響．KRAUSE等[23]要求實(shí)驗(yàn)參與者從較小(或較大)的干擾物中檢測(cè)出一個(gè)較大(或較小)的目標(biāo)．結(jié)果表明從小目標(biāo)干擾物中檢測(cè)大目標(biāo)的速度要快得多．可見，元素特征對(duì)視覺搜索的影響還是很大的．

然而，模擬晃動(dòng)環(huán)境的場景和運(yùn)動(dòng)條件[24-25]的難度限制了有關(guān)晃動(dòng)環(huán)境下的視覺搜索研究．本研究基于六自由度晃動(dòng)平臺(tái)模擬船舶的晃動(dòng)，探索晃動(dòng)環(huán)境下元素密度和大小對(duì)視覺搜索的影響，為船舶信息界面的人機(jī)交互提供可行的設(shè)計(jì)方案．

1 研究方法

1.1 受測(cè)者

實(shí)驗(yàn)有效數(shù)據(jù)來自24名具有正常(或矯正)視力，無認(rèn)知障礙的在校大學(xué)生，平均年齡為21.2歲，標(biāo)準(zhǔn)方差為2.4，男女各12名．

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及變量

實(shí)驗(yàn)采用組內(nèi)設(shè)計(jì)方式，組內(nèi)因子即晃動(dòng)狀態(tài)、元素密度和元素大小．視覺搜索績效通過任務(wù)完成時(shí)間和正確率兩個(gè)指標(biāo)來測(cè)量．用戶對(duì)界面設(shè)計(jì)方案的主觀偏好通過問卷收集．

晃動(dòng)狀態(tài)根據(jù)中國船舶工業(yè)總公司《CB1146.8—96船艦設(shè)備環(huán)境實(shí)驗(yàn)與工程導(dǎo)則：傾斜和搖擺》規(guī)定的設(shè)定[26]，分為靜止、輕微晃動(dòng)和中度晃動(dòng)3種情況，具體參數(shù)如表1．考慮到安全原因，在滿足上述導(dǎo)則的情況下，本研究采用的晃動(dòng)都比較溫和，縱搖和橫搖幅度分別為5°和6°，中度晃動(dòng)的縱搖和橫搖幅度均為輕微晃動(dòng)的2倍，分別為10°和12°．兩種晃動(dòng)的周期一致，縱搖和橫搖周期分別為4 s和8 s．輕微晃動(dòng)約為海況等級(jí)2級(jí)，中度晃動(dòng)約為海況等級(jí)4級(jí)[27]．

表1 晃動(dòng)參數(shù)Table 1 Vibration parameters

界面通過模擬船舶雷達(dá)搜索直徑12海里(即113平方海里)的圓形區(qū)域，呈現(xiàn)的所有元素(包括指定目標(biāo)元素和干擾元素)數(shù)目來表示元素密度．綜合考慮實(shí)際船艦雷達(dá)篩選圖的情況并結(jié)合專家意見，將在此區(qū)域內(nèi)的元素密度分別定為低(8個(gè))、中(28個(gè))、高(48個(gè))．元素大小根據(jù)文獻(xiàn)[28]采用1/3、1/2和2/3 rad 3種設(shè)計(jì)．在實(shí)驗(yàn)視距為600 mm的情況下，計(jì)算所得元素大小分別為3.49 mm(小)、5.24 mm(中)和6.98 mm(大)．

1.3 實(shí)驗(yàn)材料和流程

圖1 任務(wù)界面示例(雙目標(biāo)搜索任務(wù))Fig.1 (Color online) A task interface example (double-target search tasks)

實(shí)驗(yàn)采用Matlab編程，通過戴爾靈越一體機(jī)(23 in(1 in=25.4 mm)屏幕，分辨率1 600×900像素)來呈現(xiàn)．實(shí)驗(yàn)雙目標(biāo)界面如圖1，信息界面元素類型如表2．實(shí)驗(yàn)界面模擬船舶雷達(dá)圓形搜索區(qū)域．正式實(shí)驗(yàn)前，受測(cè)者坐上晃動(dòng)平臺(tái)將座椅自動(dòng)調(diào)整好，系上安全帶，在靜止?fàn)顟B(tài)下完成5 min的練習(xí)任務(wù)．之后根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中常用的平衡對(duì)抗順序，選定某種晃動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)任務(wù)包括單目標(biāo)和雙目標(biāo)兩類搜索任務(wù)．單目標(biāo)任務(wù)中一個(gè)搜索界面只有一個(gè)待搜索目標(biāo)，而雙目標(biāo)任務(wù)中一個(gè)搜索界面有2個(gè)待搜索目標(biāo)，受測(cè)者需連續(xù)進(jìn)行2次目標(biāo)搜索方能完成任務(wù)．每類搜索任務(wù)均是在元素大小和密度的9種隨機(jī)組合下重復(fù)搜索3次．因此在每種晃動(dòng)狀態(tài)下，共計(jì)54次搜索任務(wù)，需時(shí)約10 min，不同晃動(dòng)狀態(tài)間休息3 min．受測(cè)者完成全部搜索任務(wù)后接受偏好問卷調(diào)查．實(shí)驗(yàn)時(shí)長約50 min．

表2 信息界面元素類型Table 2 Information interface element types

1.4 數(shù)據(jù)分析

重復(fù)測(cè)量的方差分析用來分析元素特征因素和晃動(dòng)狀態(tài)對(duì)績效指標(biāo)的影響，球形檢驗(yàn)用來判斷數(shù)據(jù)是否符合球形假設(shè)．若數(shù)據(jù)違反球形假設(shè)，則使用經(jīng)Greenhouse-Geisser校正的自由度、方差分析的F值和P值．卡方檢驗(yàn)用來分析用戶對(duì)不同元素偏好的差異性．顯著性水平設(shè)置為0.05，數(shù)據(jù)用SPSS 22軟件分析．

2 結(jié)果及分析

表3和表4分別為自變量在單、雙目標(biāo)搜索任務(wù)的完成時(shí)間和正確率．

2.1 晃動(dòng)狀態(tài)對(duì)搜索績效的影響

晃動(dòng)狀態(tài)分別對(duì)單目標(biāo)任務(wù)完成時(shí)間(F(1.532, 35.242)=0.445,P=0.592)和雙目標(biāo)任務(wù)完成時(shí)間(F(2, 46)=0.070,P=0.932)， 單目標(biāo)(F(2, 46)=0.456,P=0.637)和雙目標(biāo)(F(2, 46)=0.363,P=0.698)正確率均無影響．在單、雙目標(biāo)任務(wù)中，任務(wù)完成時(shí)間分別在輕微晃動(dòng)下、靜止?fàn)顟B(tài)下最短，正確率分別在靜止?fàn)顟B(tài)下、輕微晃動(dòng)下最高．

2.2 元素密度對(duì)搜索績效的影響

元素密度對(duì)單目標(biāo)任務(wù)完成時(shí)間(F(1.147, 26.376)=106.045,P<0.001)和雙目標(biāo)任務(wù)完成時(shí)間(F(1.273, 29.287)=249.570,P<0.001)均有顯著性影響．兩種任務(wù)均是高元素密度任務(wù)完成時(shí)間最長，低元素密度的任務(wù)完成時(shí)間最短．元素密度對(duì)單目標(biāo)任務(wù)(F(2, 46)=0.714,P=0.495)和雙目標(biāo)任務(wù)(F(2, 46)=2.763,P=0.074)正確率均無影響．

2.3 元素大小對(duì)搜索績效的影響

元素大小對(duì)單目標(biāo)完成時(shí)間(F(1.240, 28.513)=42.154,P<0.001)和雙目標(biāo)完成時(shí)間(F(2, 46)=30.653,P<0.001)均有顯著性影響．

表4 不同晃動(dòng)狀態(tài)下元素設(shè)計(jì)方式的雙目標(biāo)搜索任務(wù)績效Table 4 Double-target search task performance of element design in varied vibration states

兩種任務(wù)中均是小目標(biāo)任務(wù)完成時(shí)間最長．單、雙目標(biāo)任務(wù)中分別是中、大目標(biāo)物的任務(wù)完成時(shí)間最短．元素大小對(duì)單目標(biāo)(F(2, 46)=0.901,P=0.413)和雙目標(biāo)正確率(F(2, 46)=0.071,P=0.931)均無影響．

2.4 元素密度與大小對(duì)搜索績效的交互作用

圖2為元素密度和元素大小在單任務(wù)和雙目標(biāo)任務(wù)中的交互績效.元素密度和大小對(duì)單目標(biāo)任務(wù)完成時(shí)間(F(1.904, 43.786)=7.094,P=0.002)有顯著的交互作用，但對(duì)單目標(biāo)任務(wù)的正確率(F(2.967, 68.238)=0.040,P=0.989)雙目標(biāo)任務(wù)時(shí)間(F(2.858, 65.745)=1.083,P=0.360)和正確率(F(4, 92)=0.269,P=0.897)均無交互作用．?dāng)?shù)據(jù)顯示，在單目標(biāo)任務(wù)中、低密度和中尺寸組合的任務(wù)完成時(shí)間顯著低于其他組合．

2.5 用戶偏好

圖2 元素大小與密度在單、雙目標(biāo)任務(wù)中的交互作用Fig.2 The interaction between element size and element density in single-target and double-target tasks

表5 用戶對(duì)信息元素設(shè)計(jì)的偏好情況Table 5 User preferences for information element design %

3 討 論

本研究通過模擬一般大型艦船上人機(jī)界面操作情景，探究了晃動(dòng)狀態(tài)下元素密度和大小對(duì)視覺搜索績效的影響．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，晃動(dòng)狀態(tài)對(duì)單、雙目標(biāo)視覺搜索績效均無影響，確認(rèn)了兩種不同任務(wù)在不同晃動(dòng)狀態(tài)下的一致性．該結(jié)論說明個(gè)體能在我們實(shí)驗(yàn)中的晃動(dòng)環(huán)境下取得和靜止?fàn)顟B(tài)下一致的視覺搜索績效．這表明在靜止?fàn)顟B(tài)下有關(guān)視覺搜索中元素界面設(shè)計(jì)方案仍可謹(jǐn)慎地應(yīng)用在接近以及低于本實(shí)驗(yàn)的晃動(dòng)環(huán)境中．但是該結(jié)果與GOODE等[6]的研究結(jié)果，即晃動(dòng)雖然對(duì)信息提取等認(rèn)知任務(wù)(如閱讀坐標(biāo)等)無影響，但會(huì)影響觸摸屏信息輸入操作績效，不一致．分析原因，可能從受測(cè)者的角度來說，本實(shí)驗(yàn)所用的輸入設(shè)備鼠標(biāo)為日常頻繁使用的工具，較觸摸操作難度低．從晃動(dòng)對(duì)人的角度來說，本實(shí)驗(yàn)的3種晃動(dòng)狀態(tài)差別明顯但并不劇烈，其中兩種晃動(dòng)仍在ISO推薦的“稍微不舒服”范圍內(nèi)[29]．受測(cè)者似乎仍可利用自身的認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)控制能力來應(yīng)對(duì)晃動(dòng)產(chǎn)生的潛在影響，在晃動(dòng)環(huán)境下維持正常的上肢以及手指運(yùn)動(dòng)能力．

元素密度和元素大小對(duì)單、雙目標(biāo)的任務(wù)完成時(shí)間有顯著影響，但對(duì)搜索正確率無影響．元素密度太低，雖然會(huì)顯著縮短視覺搜索時(shí)間，但也會(huì)使搜索界面的信息量太?。孛芏忍?，又會(huì)增加視覺搜索時(shí)間．由于用戶比較喜歡低密度，因此綜合來看，中密度的元素設(shè)計(jì)(如約18個(gè)元素，即中、低密度的中間值)是比較適合的．另外，元素太小會(huì)顯著增加視覺搜索時(shí)間，影響實(shí)用性；元素太大又會(huì)使搜索界面的信息量太少，且會(huì)影響界面的整體美觀．因此，本實(shí)驗(yàn)推薦晃動(dòng)情境下視覺搜索元素大小為5.24 mm．

元素密度和信息物大小存在交互作用．首先，6.98 mm的大元素和8個(gè)的低元素密度的組合能產(chǎn)生最優(yōu)的視覺搜索績效，其次是5.24 mm的中元素和8個(gè)低元素密度的組合．但以上兩種組合的搜索績效差別不大，這在一定程度上說明元素大小達(dá)到5.24 mm后搜索績效趨于穩(wěn)定．

從用戶偏好的角度看，用戶偏好于中低密度和中大尺寸的元素設(shè)計(jì)，即用戶總體上偏好于能產(chǎn)生較優(yōu)績效的信息物設(shè)計(jì)方案．這與前人在其他界面設(shè)計(jì)的研究以及我們前期的研究結(jié)論一致[30]，即用戶主客觀指標(biāo)結(jié)論具有一致性．在任務(wù)搜索效率要求不高的情況下，考慮用戶偏好，也是一種重要的人機(jī)界面設(shè)計(jì)思路．

結(jié) 語

本研究通過探究晃動(dòng)狀態(tài)和兩種元素設(shè)計(jì)因素(密度和大小)為晃動(dòng)狀態(tài)下界面設(shè)計(jì)提供了新的見解．未來的研究應(yīng)通過綜合考慮多種目標(biāo)設(shè)計(jì)因素以及主觀感知來深入探究優(yōu)化的人機(jī)界面設(shè)計(jì)方案．但是，研究亦存在一些局限．首先，只考慮了元素大小和元素密度兩種因素，未涉及其他一些也可能對(duì)搜索績效產(chǎn)生重要影響的因素，如目標(biāo)元素與背景顏色等．其次，晃動(dòng)條件是模擬一種規(guī)律性的艦船晃動(dòng)，所以研究結(jié)果是否適應(yīng)隨機(jī)晃動(dòng)的情況需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．此外，研究并未測(cè)量視覺搜索后受測(cè)者的主觀感知指標(biāo)(如身體不舒適程度、視覺疲勞和感知任務(wù)難度等)，而這些指標(biāo)對(duì)人員在晃動(dòng)環(huán)境下的操作活動(dòng)也十分重要，是艦船人機(jī)交互設(shè)計(jì)中值得考慮的因素．若在相同晃動(dòng)條件下，晃動(dòng)對(duì)主觀指標(biāo)都無影響，則證明晃動(dòng)程度還不夠．下一步可結(jié)合這些指標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，在解決本研究局限的基礎(chǔ)上對(duì)艦船晃動(dòng)狀態(tài)下視覺搜索界面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入研究．