頭戴式AR界面目標(biāo)符號的視覺搜索實驗研究

邵 將 顏克彤 姚 君 牛亞峰 薛澄岐 周小舟 朱兆華

(1中國礦業(yè)大學(xué)建筑與設(shè)計學(xué)院, 徐州 221116)(2東南大學(xué)機械工程學(xué)院, 南京 211189)

隨著計算機技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展,頭戴式顯示系統(tǒng)(helmet mounted display system,HMDs)已經(jīng)成為現(xiàn)代空戰(zhàn)裝備重要的交互媒介.HMDs界面信息布局密集、多源信息關(guān)系復(fù)雜,信息編碼不科學(xué)、信息可視化不合理容易造成飛行員貽誤戰(zhàn)機、決策失誤,甚至導(dǎo)致安全事故.研究表明,在人機界面的信息編碼中,形狀[1-3]、色彩[4-5]、字符[6-7]等因素的呈現(xiàn)方式都會對人們的認(rèn)知績效產(chǎn)生影響.因此,研究HMDs界面信息編碼對于飛行員準(zhǔn)確獲取信息、提高認(rèn)知績效具有重大意義.本文對目標(biāo)符號的不透明度和線寬取值開展研究,通過分析被試的反應(yīng)時和正確率來研究目標(biāo)符號關(guān)于不透明度和線寬的取值,探討HMDs界面目標(biāo)符號的不透明度和線寬對認(rèn)知績效的影響.

1 頭戴式增強現(xiàn)實系統(tǒng)界面

針對HMDs等航電系統(tǒng)界面的信息呈現(xiàn),國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究,Doehler等[8]針對非固定翼戰(zhàn)機在大霧、粉塵、黑暗等極端環(huán)境下,對HMDs系統(tǒng)界面導(dǎo)航開展了設(shè)計研究.Ercoline等[9]針對駕駛員對頭盔顯示器符號信息的感知,依賴于單目或雙目顯示器的類型以及背景圖像的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性展開了實驗研究.為提高駕駛員的臨場感,Hosseini等[10]利用頭戴式顯示器開發(fā)了一種新型人機界面(HMI),并在不同的場景中進行了測試評估.結(jié)果顯示,使用HMI概念的人工操作員的任務(wù)性能有了顯著改善.吳曉莉等[11]針對視野位置、間距、數(shù)量3個變量,進行了雷達態(tài)勢界面中敵機、友機及不明物的目標(biāo)搜索的視覺局限實驗研究.王海燕等[12]對頭盔瞄準(zhǔn)界面的色彩進行實驗設(shè)計,結(jié)果發(fā)現(xiàn)頭盔瞄準(zhǔn)界面在白天和全天候使用狀況下,字符色彩HSB值(120°,33%,33%)和(120°,99%,33%)的色彩識別性較好;在夜間使用情況下,字符色彩HSB值(120°,33%,66%)的色彩被識別性較好.葉坤武等[13]基于飛行員視覺注意力分配,提出了一種飛機駕駛艙人機界面布局優(yōu)化模型.王海燕等[14]針對現(xiàn)代復(fù)雜的戰(zhàn)斗機交互界面問題歸納總結(jié)了戰(zhàn)斗機駕駛艙顯控界面適用的設(shè)計準(zhǔn)則,并提出了一種布局設(shè)計的方法流程.Post等[15]通過測量軍事飛行員在模擬器中空對空作戰(zhàn)時的表現(xiàn),評估了彩色編碼武器符號學(xué)相對于單色符號學(xué)的優(yōu)勢.

根據(jù)上述可以看出,目前針對HMDs界面的研究主要以信息搜索、布局優(yōu)化和評價方法為主,而增強現(xiàn)實系統(tǒng)為透視界面,飛行員不僅要查看界面中的態(tài)勢信息,還要透過界面觀察外界目標(biāo).因此,界面信息要素的編碼要考慮對于目標(biāo)與外界環(huán)境的遮擋情況,這就要對目標(biāo)符號的透明度和線框大小進行研究.綜上,本文主要考察目標(biāo)符號的不透明度和線寬對HMDs界面認(rèn)知績效的影響,并將反應(yīng)時和正確率作為重要指標(biāo)進行統(tǒng)計分析.

2 目標(biāo)符號視覺搜索實驗

2.1 實驗材料

目標(biāo)符號作為戰(zhàn)斗機在空戰(zhàn)過程中涉及到的作戰(zhàn)單位,分別為敵機、友機、僚機和不明飛機.張慧姝等[16]對飛機座艙顯示界面的目標(biāo)圖符進行了設(shè)計,得出敵機的目標(biāo)圖符采用紅色、實心、三角形識別性較好;對友機和僚機的目標(biāo)圖符采用綠色或藍(lán)色、實心、圓形識別性較好;對于不明飛機目標(biāo)圖符采用黃色、實心、方形識別性較好.基于相關(guān)研究,本文設(shè)計了4種目標(biāo)符號的編碼方案,編碼方案如圖1所示.

圖1 4種目標(biāo)符號圖形

《機載頭盔瞄準(zhǔn)/顯示系統(tǒng)通用規(guī)范》(JB4052—2000)規(guī)定,界面信息編碼的顏色波長在500～560 nm范圍內(nèi)均是綠色.本文的實驗研究基于白天型的頭盔瞄準(zhǔn)顯示器,因此實驗圖標(biāo)采用HSB值(120°,99%,33%)為綠色.背景色選用HSB值(180°,33%,99%)為天藍(lán)色.在空戰(zhàn)環(huán)境中,飛行員不僅需要觀察HMDs界面瞄準(zhǔn)區(qū)域的目標(biāo)符號,還要識別界面外實際的目標(biāo)單位,本實驗將空戰(zhàn)中的目標(biāo)單位抽象模擬為目標(biāo)字符.目標(biāo)字符選取具有代表性的蘭式環(huán)形視力表的視標(biāo)“C”字符,模擬大多數(shù)戰(zhàn)斗機的外觀色彩,顏色采用淺灰色,RGB值為(150,150,150).C字符的方向取上、下、左、右4種情況,被試需要盡量正確讀取C字符的方向.目標(biāo)字符始終出現(xiàn)在目標(biāo)符號的幾何中心位置,搜索項設(shè)置為目標(biāo)符號(敵機、友機、僚機、不明飛機)和目標(biāo)字符(C字符)的組合,二者組合而成的搜索項的位置會隨機呈現(xiàn)在界面中.同時界面設(shè)有其他干擾符號,干擾符號采用人機界面中常見的6種幾何圖形.

2.2 實驗變量取值范圍確定

對目標(biāo)符號不透明度范圍的選取設(shè)計了預(yù)實驗確定,根據(jù)實驗結(jié)果,具有較高辨識度(正確率大于80%)的不透明度取值范圍為30%～75%.不透明度等級從 30%～75%之間均勻地取3級作為實驗變量,最終取的不透明度值為 35%、55%、75%.

4種目標(biāo)符號均顯示在邊長為25 mrad的正方形目標(biāo)框中,具體尺寸為:敵機的正三角形邊長為16.8 mm,友機和僚機的圓形直徑為15 mm,不明飛機的正菱形符號邊長為10.8 mm.4種目標(biāo)符號的線寬編碼,取最細(xì)的線寬與國家軍用標(biāo)準(zhǔn)要求一致,為1 mrad;最粗的線寬即為使目標(biāo)符號變成實心的線寬.對于僚機的虛線圓形的線寬編碼,最粗的線寬編碼取圓形半徑的1/2,近似取值6 mrad.中間的兩級線寬取值為最粗線寬三等分后的前2個數(shù)值.目標(biāo)符號線寬的4個等級,如表1所示.

表1 目標(biāo)符號線寬等級

2.3 實驗圖片

圖2為實驗樣本圖.圖片使用Illustrator軟件繪制.

圖2 目標(biāo)符號識別實驗樣本圖

根據(jù)實際空戰(zhàn)中信息顯示的層次,4種目標(biāo)符號、干擾符號的圖層和HMDs的作戰(zhàn)界面態(tài)勢信息圖層為最頂層;目標(biāo)字符C字符的圖層在其下;模擬天空背景的藍(lán)色純色圖置為最底層,HMDs作戰(zhàn)狀態(tài)下的界面態(tài)勢信息圖作為實驗背景.由4種形狀的目標(biāo)符號、3種不透明度、4種線寬等級以及4種C字符方向組成的實驗組合共有192種.

2.4 實驗設(shè)計

2.5 實驗設(shè)備與程序

實驗程序采用心理學(xué)實驗開發(fā)軟件E-prime編寫、呈現(xiàn)刺激并進行數(shù)據(jù)收集.刺激呈現(xiàn)在23英寸的惠普顯示器中央,分辨率為1 920×1 080像素,被試與屏幕中心的視距為550～600 mm.實驗在中國礦業(yè)大學(xué)智能交互實驗室進行,被試為22名在校學(xué)生,男女各半,年齡在21～26歲之間,視力或矯正視力正常,無色盲或色弱.實驗前要求被試熟悉態(tài)勢界面信息,并給被試介紹敵機、友機、僚機和不明飛機4種目標(biāo)符號的特征,所有被試均未接觸過同類實驗.

正式實驗中,被試閱讀完指導(dǎo)語,按鍵盤q鍵開始實驗.首先,屏幕中央呈現(xiàn)注視點“+”500 ms,然后隨機呈現(xiàn)探測項圖片,被試需要在態(tài)勢界面中找到目標(biāo)符號,并識別目標(biāo)符號中的C字符方向,做出反應(yīng)后系統(tǒng)自動切換到下一張實驗圖片,實驗自動記錄被試識別的反應(yīng)時和正確率情況,每位被試的實驗整體流程約20 min,為保持被試人員的注意力集中,每組實驗之間休息1 min.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 目標(biāo)符號的反應(yīng)時和正確率

對正確率和反應(yīng)時進行統(tǒng)計,分析過程排除極端數(shù)據(jù).敵機、友機、僚機和不明飛機出現(xiàn)在具有干擾符號的HMDs中,且呈現(xiàn)不同透明度和線寬時,各目標(biāo)符號的正確率和反應(yīng)時如圖3所示.

運用SPSS軟件對4種目標(biāo)符號的反應(yīng)時進行方差分析(F表示顯著性差異水平,P表示檢驗水平)表明,不透明度特征主效應(yīng)為F=3.277,P=0.040<0.05,說明不透明度對反應(yīng)時的影響顯著,線寬特征主效應(yīng)為F=11.165,P=0.000<0.05,說明線寬對反應(yīng)時具有顯著性影響;對正確率進行方差分析表明,不透明度特征主效應(yīng)為F=0.819,P=0.442>0.05,說明不透明度對正確率的影響不顯著,線寬特征主效應(yīng)為F=6.421,P=0.000<0.05,說明線寬對正確率具有顯著性影響.可見,線寬大小對目標(biāo)符號視覺搜索的認(rèn)知績效具有顯著影響,不透明度對反應(yīng)時有顯著影響,對正確率沒有顯著影響.

對目標(biāo)符號線寬的反應(yīng)時和正確率進行最小顯著差異法的驗后多重比較檢驗分析,結(jié)果如表2所示,線寬等級3和另外3種線寬之間的正確率和反應(yīng)時都有顯著差異;線寬等級1、2、4之間的正確率沒有顯著差異;線寬等級1、2、3之間反應(yīng)時有顯著差異,線寬等級4線寬等級1、2之間反應(yīng)時沒有顯著差異.結(jié)合圖3可以看出,線寬等級1、2、3中,線寬等級2的反應(yīng)時最小,由于線寬等級2、4之間的正確率和反應(yīng)時差異不顯著,因此,目標(biāo)符號的線寬等級宜采用線寬等級2或線寬等級4.

(a) 反應(yīng)時

(b) 正確率

對不透明度的反應(yīng)時進行最小顯著差異法的驗后多重比較檢驗分析,結(jié)果如表3所示,35%不透明度與75%不透明度之間有顯著性差異,55%不透明度與35%、75%不透明度之間沒有顯著性差異.結(jié)合圖3可見,線寬等級1時,75%不透明度下的反應(yīng)時最小,正確率最高;線寬等級2時,35%不透明度下的反應(yīng)時最小,但75%不透明度的正確率最高;線寬等級3時,35%不透明度的反應(yīng)時最小,正確率最高;線寬等級4時,3種不透明度的正確率相同,35%不透明度的反應(yīng)時比75%的不透明度的反應(yīng)時小,但是由于55%不透明度與35%、75%的不透明度沒有顯著差異,因此,當(dāng)線寬等級4時宜采用35%和55%的不透明度.由于線寬等級4的圖標(biāo)對目標(biāo)遮蓋較多,所以透明度相對較低的情況下便于用戶對目標(biāo)進行識別.

表2 最小差異法的驗后多重比較檢驗

注:平均誤差為線寬等級I與線寬等級J之差,顯著性水平為0.05;*表示顯著性水平、平均誤差均小于0.05.

表3 不透明度反應(yīng)時的最小差異法驗后多重比較檢驗

注:均值差為不透明度1與不透明度2之差,顯著性水平為0.05;*表示顯著性水平、平均誤差均小于0.05.

根據(jù)上述的實驗分析可知,目標(biāo)符號的線寬等級不宜采用線寬等級3,當(dāng)采用線寬等級2或線寬等級4時,目標(biāo)符號的視覺搜索效果最好,并且在線寬等級4時宜采用35%和55%的不透明度.

3.2 低正確率下的線寬等級分析

如圖4所示,在線寬等級3編碼特征下,被試的正確率偏低.隨著符號不透明度的提高,被試正確率下降,說明在HMDs頭戴式增強現(xiàn)實類界面中,采用線寬等級3設(shè)計目標(biāo)符號容易對飛行員的信息獲取與目標(biāo)辨識造成干擾.因為飛行員需要透過符號去觀察目標(biāo)實體信息,而線寬等級3的符號輪廓對飛行員的形態(tài)辨識會造成干擾,部分遮蓋實體信息,形成無效對比,增加飛行員的注意分配,造成認(rèn)知負(fù)荷增大.所以相比較其他線寬類型,線寬等級3在增強現(xiàn)實類界面目標(biāo)符號設(shè)計中應(yīng)避免使用.

(a) 反應(yīng)時

(b) 正確率

3.3 不同符號編碼的正確率和反應(yīng)時分析

如表4所示,不透明度特征對被試觀察敵機和不明飛機目標(biāo)符號的反應(yīng)時有顯著性影響;線寬對被試觀察4類飛機目標(biāo)符號的反應(yīng)時均有顯著性影響,對被試辨識敵機的正確率有顯著性影響.敵機的目標(biāo)符號為三角形圖形,不明飛機的目標(biāo)符號為正菱形,可見不透明度可能會影響用戶對棱角特征符號的信息搜索,這一假設(shè)有待后續(xù)實驗研究.

表4 不同符號編碼正確率和反應(yīng)時的方差分析

3.4 討論

本研究采用頭戴式增強現(xiàn)實界面中常見的形狀模擬目標(biāo)符號,實驗結(jié)果說明在HMDs界面的視覺搜索任務(wù)中,線寬等級對反應(yīng)時和正確率的影響顯著,不透明度對反應(yīng)時影響顯著,對正確率的影響不顯著.實驗數(shù)據(jù)反映出線寬等級3時,正確率最低,反應(yīng)時最長,所以在設(shè)計頭戴式增強現(xiàn)實界面目標(biāo)符號時應(yīng)避免使用,以免增加飛行員認(rèn)知負(fù)荷.

通過對不同目標(biāo)符號單獨分析可知,單個目標(biāo)符號與整體分析結(jié)果有所不同.不透明度特征只有對敵機和不明飛機的反應(yīng)時有顯著性影響,對其余目標(biāo)符號的反應(yīng)時和正確率都無顯著性影響;線寬特征對4種目標(biāo)符號的反應(yīng)時都有顯著影響,但只對敵機的正確率有顯著性影響,對其他3種目標(biāo)符號的正確率沒有顯著性影響.說明在設(shè)計這類增強現(xiàn)實界面元素時,目標(biāo)符號的線寬等級是極為重要的設(shè)計要素,科學(xué)的線寬可以有效地降低飛行員的認(rèn)知負(fù)荷,提高航電系統(tǒng)界面效能.不透明度會影響飛行員對三角形、菱形這類帶有棱角特征的目標(biāo)符號觀察,用于敵機和不明飛機的雷達提示,有利于飛行員快速的注意和辨識.此外,研究不同目標(biāo)符號的線寬和不透明度的編碼取值,還需要對不同目標(biāo)符號的數(shù)據(jù)做進一步分析.

本研究不是在真實的駕駛艙中進行,目標(biāo)符號均為模擬,系統(tǒng)界面為靜態(tài)模擬,得到的數(shù)據(jù)為模擬仿真,結(jié)論可作為頭戴式增強現(xiàn)實界面目標(biāo)符號設(shè)計時參考.

4 結(jié)論

1) 頭戴式增強現(xiàn)實界面中,目標(biāo)符號的線寬等級對目標(biāo)搜索有顯著性影響,不透明度對目標(biāo)符號反應(yīng)時有顯著影響,對正確率沒有顯著影響.當(dāng)采用線寬等級2或線寬等級4時,信息搜索和認(rèn)知績效最好.

2) 線寬等級1、2、4的正確率沒有顯著差異;線寬等級3和另外3種線寬之間的反應(yīng)時和正確率有顯著差異.當(dāng)目標(biāo)符號采用線寬等級3時,目標(biāo)符號的正確率最低,反應(yīng)時最長.設(shè)計時應(yīng)予以規(guī)避.

3) 4類飛機的目標(biāo)符號的線寬和不透明度對正確率和反應(yīng)時的顯著影響會與整體有所不同,如果研究具體飛機類別目標(biāo)符號的線寬和不透明度的編碼取值,還需要對具體符號的數(shù)據(jù)做進一步分析.