以視野位置為因素的復(fù)雜信息視覺搜索實(shí)驗(yàn)

吳曉莉,李奇志,張科

(1.南京理工大學(xué) 設(shè)計(jì)藝術(shù)與傳媒學(xué)院，南京 210094；2.河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院人因與信息系統(tǒng)交互實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州 213022)

1 引言

復(fù)雜信息界面廣泛應(yīng)用于核電操控，戰(zhàn)場指揮，船舶駕駛等環(huán)境中，具有信息量大、交互內(nèi)容復(fù)雜、容易出錯(cuò)等特點(diǎn)。為了減少人為出錯(cuò)、提高搜索效率和安全性，對(duì)復(fù)雜信息界面開展視覺搜索實(shí)驗(yàn)，通過眼動(dòng)生理指標(biāo)測評(píng)搜索任務(wù)績效。

國內(nèi)外現(xiàn)有研究中，對(duì)復(fù)雜信息界面的設(shè)計(jì)布局提供了一些方法。Jaydeep[1]對(duì)交互界面布局提出了一種新的啟發(fā)方式方法。Friedhelm[2]分析了現(xiàn)有復(fù)雜控制界面的人因失誤，并且進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。Anokhin[3]對(duì)核電站主控制室的交互界面進(jìn)行了人機(jī)工程學(xué)分析，提出了布局不規(guī)則和設(shè)備之間的不兼容是最典型的錯(cuò)誤。Heather[4]等研究了自動(dòng)化作戰(zhàn)系統(tǒng)的信息呈現(xiàn)方式。吳曉莉[5-7]研究了復(fù)雜信息界面的視覺局限生理實(shí)驗(yàn)方法，提出出錯(cuò)因子概念并且通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。吳曉莉、薛澄岐等人[8]開展眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究了數(shù)字化信息界面中操作員搜索信息的注意資源分配，得到了認(rèn)知信息處理與任務(wù)的關(guān)系、信息搜索與監(jiān)控區(qū)域的關(guān)系以及信息特征的集簇關(guān)系。Wilson[9]，王海燕等人[10-11]運(yùn)用眼動(dòng)技術(shù)在航戰(zhàn)界面上開展實(shí)驗(yàn)，分別計(jì)算了任務(wù)復(fù)雜度和做出了優(yōu)化方案。劉青[12]建立基于CAS的界面評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。李晶等人[13-14]探討不同時(shí)間壓力下的認(rèn)知績效問題，并提出了多維信息可視化的設(shè)計(jì)方法。

在對(duì)于視野位置的研究中，Posner[15]發(fā)現(xiàn)在空間流程任務(wù)中，有效線索能明顯提高搜索效率，以此提出了注意的“聚光燈”模型。Eriksen[16]等人在Posner研究的基礎(chǔ)上，提出了“透鏡”模型，該模型把注意資源的空間分布看作連續(xù)的、逐漸變化的。Pomplun[17]將落在視網(wǎng)膜上的一行文字分為三個(gè)區(qū)域，中央窩視覺區(qū)(foveal region )、副中央窩視覺區(qū)(parafoveal region)和邊緣視覺區(qū)(perpheral region )。臧傳麗[18]研究了副中央窩視覺區(qū)在語意加工時(shí)的作用。中央窩視覺區(qū)與視線成1°到2°的視角，在此區(qū)域內(nèi)，視覺靈敏度最高；在視線2°到10°的范圍內(nèi)，是副中央窩視覺區(qū)[19]。本文將中央窩、附中央窩視區(qū)結(jié)合復(fù)雜信息的視野位置，開展視覺搜索實(shí)驗(yàn)。

2 對(duì)象與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)假設(shè)

在復(fù)雜信息界面中進(jìn)行目標(biāo)搜索任務(wù)時(shí)，可以是否符合野位置規(guī)律作為變量，研究搜索任務(wù)的凝視和掃視，反應(yīng)時(shí)間和搜索正確率的變化。提出如下假設(shè)：

(1)不符合視野位置規(guī)律的目標(biāo)比符合視野位置的目標(biāo)，凝視掃視時(shí)間更長，掃視軌跡復(fù)雜；

(2)不符合視野位置規(guī)律的目標(biāo)比符合視野位置的目標(biāo)，難以搜索到；

(3)目標(biāo)之間間距越小，越容易被找到；反之，難以搜索到。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選取核電站硼和水補(bǔ)給系統(tǒng)界面為對(duì)象，提取該界面三種常用操作步驟：補(bǔ)給，稀釋和硼化。每一步操作都有若干對(duì)應(yīng)任務(wù)。

根據(jù)視野位置理論，取視距為500 mm，中央窩視覺區(qū)視角為2°以內(nèi)，副中央窩視覺區(qū)視角為10°以內(nèi)。不同視覺區(qū)的半徑大小S=視距*tan(視角)。所以，中央窩視覺區(qū)的半徑為500*tan(2°)=17.5mm。副中央窩視覺區(qū)的半徑為500*tan(10°)=88.2mm。如圖1所示，由此在原界面上標(biāo)出中央窩和副中央窩視覺區(qū)：灰色區(qū)域?yàn)楦敝醒敫C視覺區(qū)范圍，中心高亮度區(qū)域?yàn)橹醒敫C視覺區(qū)范圍，中心圓區(qū)域?yàn)榈谝徊饺蝿?wù)所對(duì)應(yīng)的信息塊(稀釋任務(wù)第一步操作為例)，中央窩視覺區(qū)正對(duì)應(yīng)第一步任務(wù)所對(duì)應(yīng)的信息塊。

做出如下定義：如果該任務(wù)第二步任務(wù)所對(duì)應(yīng)的信息塊在第一步操作的副中央窩視覺區(qū)內(nèi)，則定義為第二步信息塊符合視野位置規(guī)律。反之，如果第二步任務(wù)所對(duì)應(yīng)的信息塊不在第一步操作的副中央窩視覺區(qū)內(nèi)，則定義為不符合視野位置規(guī)律。

該界面三種常用操作補(bǔ)給、稀釋和硼化分別有7、4、3共計(jì)14個(gè)任務(wù)。如表1所示，在這14個(gè)任務(wù)中，有8個(gè)任務(wù)屬于符合視野位置規(guī)律的任務(wù)，6個(gè)任務(wù)屬于不符合視野位置規(guī)律的任務(wù)。

3 結(jié)果

選出采樣率為70%以上的8名被試數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)。將有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(8名被試*14個(gè)任務(wù))按任務(wù)類型進(jìn)行整理，計(jì)算出每種任務(wù)8名被試的平均凝視時(shí)間、平均凝視次數(shù)、平均掃視時(shí)間、平均掃視次數(shù)、平均反應(yīng)時(shí)間和找到次數(shù)。以是否符合視野位置規(guī)律作為變量，將任務(wù)分為符合視野位置規(guī)律和不符合視野位置規(guī)律兩種類型，從凝視、掃視、總反應(yīng)時(shí)間和找到次數(shù)與視野位置的關(guān)系。

3.1 凝視和掃視

3.1.1 凝視

凝視與認(rèn)知加工有密切的關(guān)系。在大腦做出判斷、選擇、決策等活動(dòng)時(shí)，眼睛會(huì)開始凝視。

在對(duì)平均凝視次數(shù)和平均凝視時(shí)間的Levene檢驗(yàn)中，平均凝視次數(shù)(顯著性P=0.737>0.05)和平均凝視時(shí)間(顯著性P=0.865>0.05)，均滿足方差齊性，可以使用單因素方差分析法。表2中，平均凝視次數(shù)(P=0.028，P<0.05，F(xiàn)=6.217)和平均凝視時(shí)間(P=0.033，P<0.05，F(xiàn)=5.839)主效應(yīng)均顯著。這表明，視野位置因素對(duì)認(rèn)知加工有影響。

在圖2-a，2-b中，可以看出“不符合視野位置規(guī)律”一類的任務(wù)的平均凝視次數(shù)和平均凝視時(shí)間均高于“符合視野位置規(guī)律”一類任務(wù)。說明對(duì)于不符合視野位置要求的任務(wù)，大腦需要花費(fèi)更多精力辨識(shí)和思考。

表2 平均凝視次數(shù)和平均凝視時(shí)間方差分析表

3.1.2 掃視

眼睛在尋找目標(biāo)的過程稱之為掃視。在對(duì)平均掃視次數(shù)和平均掃視時(shí)間的Levene檢驗(yàn)中，平均掃視次數(shù)(顯著性P=0.791>0.05)和平均掃視時(shí)間(顯著性P=0.811>0.05)，均滿足方差齊性，可以使用單因素方差分析法。表3中，平均掃視次數(shù)(P=0.019，P<0.05，F(xiàn)=7.266)和平均凝視時(shí)間(P=0.006，P<0.05，F(xiàn)=11.362)主效應(yīng)均顯著。這表明，視野位置因素對(duì)掃視有影響。

在圖3-a、3-b中，可以看出“不符合視野位置規(guī)律”一類的任務(wù)的平均掃視次數(shù)和平均掃視時(shí)間均高于“符合視野位置規(guī)律”一類任務(wù)。說明對(duì)于不符合視野位置規(guī)律一類的任務(wù)，眼睛需要花費(fèi)更多時(shí)間尋找目標(biāo)。

表3 平均掃視次數(shù)和平均掃視時(shí)間方差分析表

3.1.3 凝視、掃視和眼動(dòng)軌跡

根據(jù)凝視和掃視的分析結(jié)果，可以進(jìn)一步分析視野位置規(guī)律和掃視軌跡的關(guān)系。表4為各任務(wù)8名被試的掃視軌跡圖和對(duì)應(yīng)步驟的副中央窩視覺區(qū)的疊加圖。如圖分析可知，對(duì)于符合視野位置規(guī)律的任務(wù)，掃視軌跡更加緊密，大部分分布在副中央窩視覺區(qū)內(nèi)。結(jié)果表明眼睛在副中央窩視覺區(qū)內(nèi)搜索目標(biāo)。而不符合視野位置規(guī)律的任務(wù)(見表5)，部分掃視軌跡分布于副中央窩視覺區(qū)內(nèi)，部分掃視軌跡分布于副中央窩視覺區(qū)外，即邊緣視覺區(qū)內(nèi)，并且沒有規(guī)律。表明眼睛先搜索副中央窩視覺區(qū)內(nèi)的目標(biāo)，在沒有找到對(duì)應(yīng)目標(biāo)后，開始在邊緣視覺區(qū)內(nèi)尋找目標(biāo)。

表4 符合視野位置規(guī)律的任務(wù)掃視軌跡和視覺區(qū)疊加圖

表5 不符合視野位置規(guī)律的任務(wù)掃視軌跡和視覺區(qū)疊加圖

3.2 反應(yīng)時(shí)間和找到個(gè)數(shù)

在一次搜索任務(wù)中，被試尋找目標(biāo)的時(shí)間總和，稱為反應(yīng)時(shí)間。對(duì)于所有14種任務(wù)，每名被試成功尋找到某一目標(biāo)，記為一次找到個(gè)數(shù)。

在對(duì)反應(yīng)時(shí)間和找到個(gè)數(shù)的Levene檢驗(yàn)中，總反應(yīng)時(shí)間(顯著性P=0.716>0.05)和找到個(gè)數(shù)(顯著性P=0.660>0.05)均滿足方差齊性，可以使用單因素方差分析法。

在表6中，反應(yīng)時(shí)間(P=0.007，P<0.05，F(xiàn)=10.485)主效應(yīng)顯著。這表明，視野位置因素對(duì)反應(yīng)時(shí)間有影響。

表6 反應(yīng)時(shí)間和找到個(gè)數(shù)方差分析表

在圖4-a、4-b中，可以看出“不符合視野位置規(guī)律”一類的任務(wù)的反應(yīng)時(shí)間高于“符合視野位置規(guī)律”一類任務(wù)。說明對(duì)于不符合視野位置規(guī)律一類的任務(wù)，被試需要更多時(shí)間才能找到目標(biāo)。找到個(gè)數(shù)(P=0.020，P<0.05，F(xiàn)=7.164)主效應(yīng)顯著。這表明，視野位置因素對(duì)找打個(gè)數(shù)有影響。“不符合視野位置規(guī)律”一類的任務(wù)的找到個(gè)數(shù)高于“符合視野位置規(guī)律”一類任務(wù)。說明對(duì)于不符合視野位置規(guī)律一類的任務(wù)，目標(biāo)更加難以被找到。

4 討論

將14個(gè)任務(wù)按照信息塊間距的大小升序排列，順序?yàn)椤芭鸹?、補(bǔ)給4、硼化1、稀釋2、補(bǔ)給3、稀釋3、硼化3、補(bǔ)給6、補(bǔ)給5、補(bǔ)給7、補(bǔ)給1、補(bǔ)給2、稀釋1、稀釋4”。分析其反應(yīng)時(shí)間和找到個(gè)數(shù)。將符合視野位置規(guī)律的任務(wù)和不符合視野位置規(guī)律的任務(wù)單獨(dú)分析，如圖5-a、5-b所示，可以看出反應(yīng)時(shí)間和找到個(gè)數(shù)并在變化上出現(xiàn)了一些波動(dòng)，反應(yīng)時(shí)間沒有隨著信息塊間距的增大而增大，找到個(gè)數(shù)沒有隨著信息塊間距的增大而減少。再將這兩種類型任務(wù)合并分析，信息塊間距在突破副中央窩視覺區(qū)范圍時(shí)，即從符合視野位置規(guī)律變成不符合視野位置規(guī)律后，找到個(gè)數(shù)明顯減小，反應(yīng)時(shí)間明顯增加。這說明，在給定一個(gè)目標(biāo)尋找下一個(gè)目標(biāo)時(shí)，眼睛會(huì)優(yōu)先搜索前一個(gè)目標(biāo)副中央窩視覺區(qū)范圍內(nèi)的信息。而對(duì)于在副中央窩視覺區(qū)內(nèi)的目標(biāo)，信息塊間距對(duì)目標(biāo)搜索沒有直接影響。

5 結(jié)論

(1)符合視野位置規(guī)律的目標(biāo)搜索，比不符合視野位置規(guī)律的目標(biāo)搜索，凝視時(shí)間少，眼動(dòng)軌跡較為集中，反應(yīng)時(shí)間短及出錯(cuò)率低，認(rèn)知效率高。

(2)視覺搜索中，對(duì)于給定一個(gè)目標(biāo)尋找下一個(gè)目標(biāo)時(shí)，眼睛會(huì)優(yōu)先搜索給定目標(biāo)副央窩視覺區(qū)內(nèi)的區(qū)域。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)論能夠作為信息界面布局的重要指標(biāo)，能夠提高操作員的搜索效率，減少出錯(cuò)。