挖泥船監(jiān)控界面的顏色編碼實(shí)驗(yàn)研究

錢麗娜 ，倪福生 ，吳曉莉 ，蔣 爽

（1.河海大學(xué)疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 常州 213022；2.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

1 引言

隨著現(xiàn)代大型挖泥船性能的復(fù)雜化，其監(jiān)控任務(wù)界面的集成性程度越來越高，監(jiān)控任務(wù)界面中承載了大量的信息特征，對監(jiān)控界面進(jìn)行合理的視覺編碼可以使駕駛員快速觀察和識別信息。

顏色是視覺信息的重要組成部分，其編碼方式對界面設(shè)計有十分重要的影響[1]，目前已經(jīng)受到國內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注和研究。文獻(xiàn)[2]提出了如何通過顏色三屬性對界面進(jìn)行視覺分層的編碼原則。文獻(xiàn)[3]分別從文字的顏色和明度對用戶的分辨和感知進(jìn)行了顯著性水平實(shí)驗(yàn)，建立了相關(guān)因素對反應(yīng)時的影響公式。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為通過控制顏色的色相、明度、純度組成層次化色彩結(jié)構(gòu)能有效提高人對重要信息的認(rèn)知水平。文獻(xiàn)[5]通過對不同色彩背景下視覺認(rèn)知的研究，得出色彩可以調(diào)節(jié)操作者的生理狀態(tài)，并影響任務(wù)的完成績效。文獻(xiàn)[6-7]通過實(shí)驗(yàn)得出腦力負(fù)荷對不同顏色編碼的信息辨識情況影響不盡相同。文獻(xiàn)[8]通過視覺認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，探討了不同顏色視標(biāo)對黑背景色的認(rèn)知差異。文獻(xiàn)[1]提出了利用兩種顏色之間的相互干擾反應(yīng)時間之差判斷其注意捕獲程度，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[9]提出基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人機(jī)界面感性意向設(shè)計，將色彩等因素作為界面的設(shè)計要素，并建立了數(shù)學(xué)預(yù)測模型。文獻(xiàn)[10]將顏色作為呈現(xiàn)復(fù)雜度的一個重要因素并通過實(shí)驗(yàn)分析了顏色對人的認(rèn)知影響。

認(rèn)知層面的信息加工對一切認(rèn)知或認(rèn)知過程進(jìn)行研究，包括感覺、注意、記憶、思維和言語等。從視覺感知角度，顏色編碼會影響注意的選擇性加工過程及注意資源在信息中的優(yōu)先分配。不同顏色的顯示差異會形成不同的顏色感知水平，從而影響認(rèn)知的注意捕獲程度。在某個背景顏色下，若目標(biāo)色的注意捕獲程度強(qiáng)，則該“背景色/目標(biāo)色”編碼會提高人的認(rèn)知效率，反之則降低。

實(shí)驗(yàn)以挖泥船監(jiān)控界面為原型，分析不同任務(wù)水平、不同界面復(fù)雜度下“背景色/目標(biāo)色”編碼對信息辨識和認(rèn)知績效的影響，找出合理的顏色編碼方案。得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論可為工程機(jī)械領(lǐng)域的相關(guān)界面設(shè)計提供一定的參考。

2 顏色編碼實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)以某型號絞吸挖泥船施工定位監(jiān)控界面作為實(shí)驗(yàn)對象，刺激特征項(xiàng)為界面中的水底地形深度數(shù)據(jù)。將原始界面適當(dāng)抽象化設(shè)計后按照復(fù)雜度分為低、中、高3個水平，界面像素大小為 740×400，如圖 1 所示。圖 1（a）為“低”復(fù)雜度呈現(xiàn)界面，包括半圓形絞刀簡化圖和大小隨機(jī)顯示的地形深度數(shù)據(jù)，字號字體為“18號宋體”；圖1（b）增加了施工規(guī)劃線；圖1（c）在施工規(guī)劃線旁增加了地形參考數(shù)據(jù)，字號字體為“10號宋體”。

黑、白、紅、綠、藍(lán)、黃這6種顏色具有很強(qiáng)的視覺易辨識性，因此界面的“背景色/目標(biāo)色”顏色編碼選取“白/紅”、“白/藍(lán)”、“白/綠”、“黑/紅”、“黑/綠”、“黑/藍(lán)”、“黑/黃”7個方案。為了更有針對性地分析黑白背景下目標(biāo)顏色對操作者認(rèn)知績效的影響，界面中除了刺激項(xiàng)（深度數(shù)據(jù)）為有色外，其余均為黑白色。

圖1 實(shí)驗(yàn)中的挖泥船定位監(jiān)控界面Fig.1 The Dredger Monitoring-Interface of Location in Experiment

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

實(shí)驗(yàn)采用7×3×3的被試內(nèi)設(shè)計。因素1為7種不同的“背景色/目標(biāo)色”編碼方案；因素2為界面復(fù)雜度，分為低、中、高三個水平；因素3為任務(wù)復(fù)雜度，按照腦力水平的高低每個界面有3個不同的任務(wù)水平，如表1所示。為消除經(jīng)驗(yàn)影響，每個界面中的深度數(shù)據(jù)均為隨機(jī)分布。實(shí)驗(yàn)共計63個試次。

表1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)Tab.1 The Tasks in Experiment

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與程序

實(shí)驗(yàn)采用Tobii X120眼動儀記錄被試的眼動行為，實(shí)驗(yàn)程序采用E-Prime編寫。目標(biāo)刺激呈現(xiàn)在17英寸顯示器中央，屏幕分辨率為1920×1080，采樣頻率為120Hz。實(shí)驗(yàn)在人因交互實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，室內(nèi)照明正常（40W日光燈）。被試為20名在校本科生和研究生，10男10女，年齡在21～26歲之間，視力或矯正視力正常，無色盲色弱。本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計軟件SPSS進(jìn)行處理分析。

實(shí)驗(yàn)開始前要求被試熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和流程，并進(jìn)行2～3次的實(shí)驗(yàn)練習(xí)。實(shí)驗(yàn)開始前先對被試進(jìn)行眼校準(zhǔn)，隨后實(shí)驗(yàn)開始，被試根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)語完成相應(yīng)的任務(wù)，實(shí)驗(yàn)過程，如圖2所示。反應(yīng)時和正確率作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的兩大評價指標(biāo)，其數(shù)據(jù)由系統(tǒng)程序通過記錄被試的按鍵反應(yīng)時間和眼動軌跡來采集。為保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，若被試的眼動數(shù)據(jù)采集率低于75%，則剔除該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 實(shí)驗(yàn)過程Fig.2 The Experimental Process

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與討論

3.1 不同任務(wù)水平下各顏色編碼的績效分析

3.1.1 不同任務(wù)水平下的反應(yīng)時分析

對反應(yīng)時方差分析表明，在0.05的顯著性水平上，無論黑白背景，任務(wù)水平I和任務(wù)水平II的目標(biāo)色主效應(yīng)均不顯著（p>0.05），任務(wù)水平III目標(biāo)色主效應(yīng)均顯著（白背景下為F=4.060，p＝0.027<0.05；黑背景下為 F=4.223，p＝0.011<0.05）。說明任務(wù)簡單時目標(biāo)色對反應(yīng)時的影響不顯著，對于任務(wù)難度較高時目標(biāo)色對反應(yīng)時的影響顯著。最高水平任務(wù)和最高界面復(fù)雜度下目標(biāo)顏色的最小差異法驗(yàn)后多重比較檢驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 目標(biāo)顏色的最小差異法（LSD）驗(yàn)后多重比較檢驗(yàn)Tab.2 Post Hoc Tests For LSD of the Target Colors

3種任務(wù)水平下“背景色/目標(biāo)色”編碼的反應(yīng)時，如圖3所示。當(dāng)任務(wù)水平為I和II時，目標(biāo)顏色反應(yīng)時變化不明顯。當(dāng)任務(wù)水平為III時，目標(biāo)色對反應(yīng)時的影響明顯擴(kuò)大，顯著性最強(qiáng)。說明在任務(wù)較復(fù)雜時，合理的顏色編碼可以有效地提高任務(wù)績效。在較高腦力負(fù)荷水平下，“白/紅”、“白/藍(lán)”的反應(yīng)時最短，較適合作為界面的“背景色/目標(biāo)色”組合，“白/綠”、“黑/藍(lán)”反應(yīng)時最長，不是合理的顏色編碼方案。其中，“黑/黃”的明度差異最大，識別性比較高，但會導(dǎo)致瞳孔收縮與擴(kuò)大的差距過大，容易引起眼睛疲勞[7]。實(shí)驗(yàn)表明，在完成較高腦力負(fù)荷任務(wù)時，高明度差異的“黑/黃”反應(yīng)時較長，亦不是理想的編碼方式。此外，任務(wù)水平為II和III時，黑色背景的平均反應(yīng)時要明顯高于白色背景，說明白色更適合作為挖泥船監(jiān)控界面的背景色。

圖3 3種任務(wù)水平下各“背景色/目標(biāo)色”組合的反應(yīng)時Fig.3 Reaction Time of“Background Color/Target Color”on 3 Task Levels

3.1.2 高任務(wù)水平下的正確率分析

對正確率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，簡單任務(wù)的正確率在98%以上，出錯率主要集中在高水平任務(wù)中。被試完成高水平任務(wù)的正確率，如表3所示?！鞍?紅”、“白/藍(lán)”、“黑/綠”的正確率最高，“黑/藍(lán)”、“黑/紅”、“黑/黃”的正確率最低。

表3 高任務(wù)水平下各顏色編碼的正確率（%）Tab.3 The Correction Rate of Color Encodings on High Task Level（%）

綜合反應(yīng)時和正確率的分析，對于復(fù)雜任務(wù)的監(jiān)控界面，“背景色/目標(biāo)色”較合理的 3 個方案為：“白/紅”、“白/藍(lán)”、“黑/綠”。

3.2 不同復(fù)雜度界面的反應(yīng)時分析

白色背景下對反應(yīng)時方差分析表明，界面復(fù)雜度I的目標(biāo)色主效應(yīng)（F=0.619，p＝0.545>0.05）不顯著，界面復(fù)雜度 II和 III的目標(biāo)色主效應(yīng)（F=4.654，p＝0.02<0.05；F=5.562，p＝0.009<0.05） 均顯著。黑色背景下對反應(yīng)時方差分析表明，界面復(fù)雜度I、II、III的目標(biāo)色主效應(yīng)（F=5.484，p＝0.003<0.05；F=3.492，p＝0.026<0.05；F=3.376，p＝0.032<0.05）均顯著。說明界面復(fù)雜度對目標(biāo)顏色的影響較大。

圖4 3種復(fù)雜度界面下的反應(yīng)時Fig.4 Reaction Time on 3 Interface Complexities

表2反應(yīng)了界面復(fù)雜度為III時各顏色編碼的影響情況，與高任務(wù)水平時的影響情況相似，說明顏色編碼在高認(rèn)知負(fù)荷下的影響最顯著。3種界面復(fù)雜度下各顏色編碼的反應(yīng)時，如圖4所示?？梢钥闯霰辉嚨姆磻?yīng)時間存在明顯差異。不考慮任務(wù)的難易，當(dāng)界面呈現(xiàn)低復(fù)雜度內(nèi)容時，“白/紅”、“黑/綠”、“黑/紅”的反應(yīng)時最短；當(dāng)界面呈現(xiàn)內(nèi)容較復(fù)雜時，“白/藍(lán)”、“白/紅”的反應(yīng)時最短。

3.3 不同任務(wù)水平對界面復(fù)雜度的影響

對反應(yīng)時數(shù)據(jù)的方差分析表明，低任務(wù)水平的界面復(fù)雜度主效應(yīng)（均方比值F＝3.149，P＝0.067>0.05）和中等任務(wù)水平的界面復(fù)雜度主效應(yīng)（F=1.662，p＝0.223>0.05）均未達(dá)到顯著性水平，高任務(wù)水平的界面復(fù)雜度主效應(yīng)（F=4.755，p＝0.025>0.05）達(dá)到顯著性水平。說明在完成較難任務(wù)時，界面的復(fù)雜度對反應(yīng)時的影響顯著。

被試在三種復(fù)雜度界面下完成三個水平任務(wù)的反應(yīng)時，如圖5所示。界面復(fù)雜度的高低對簡單任務(wù)的反應(yīng)時影響不大，但會對較難任務(wù)的反應(yīng)時產(chǎn)生顯著的影響。

圖5 3種任務(wù)水平下的反應(yīng)時Fig.5 Reaction Time on 3 Task Levels

4 結(jié)論

本研究從顏色編碼角度，通過眼動實(shí)驗(yàn)研究了挖泥船定位監(jiān)控界面的7種顏色編碼在不同任務(wù)水平、不同界面復(fù)雜度下的影響情況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：（1）不同任務(wù)水平對不同顏色編碼的反應(yīng)情況不盡相同：任務(wù)水平較低時，顏色編碼的影響不大；當(dāng)任務(wù)水平較高時，顏色編碼的影響顯著，“背景色/目標(biāo)色”最佳的三個顏色編碼方案為：“白/紅”、“白/藍(lán)”、“黑/綠”；相較于黑色，白色更適合作為界面的背景色。（2）不同界面復(fù)雜度下各顏色編碼的影響具有明顯差異：當(dāng)界面復(fù)雜度較低時，可選擇“白/紅”、“黑/綠”、“黑/紅”的編碼組合；當(dāng)界面復(fù)雜度較高時，“白/藍(lán)”、“白/紅”較適宜作為顏色編碼組合。（3）界面復(fù)雜度的高低對簡單任務(wù)的影響不明顯，但會對較難任務(wù)產(chǎn)生顯著的影響。在實(shí)際界面設(shè)計過程中，要綜合任務(wù)水平的高低和界面的實(shí)際復(fù)雜度考慮顏色編碼的選擇。