Gap效應(yīng)對搜索目標顯著性和績效的影響

徐新然，郭肖亞，于瑞峰

(清華大學 工業(yè)工程系，北京 100084)

視覺搜索是在視覺環(huán)境中將目標對象或者特征從其他對象或者特征中找到或區(qū)分出來的認知任務(wù)[1]。顯著性是讓目標從周圍環(huán)境中突顯出來，使得目標更加容易引起人的視覺注意而被發(fā)現(xiàn)的一種特性[2]。人的注意力選擇是靠顯著性來主導(dǎo)的[3]。顯著性有大小之分，通過調(diào)節(jié)顏色、位置、方向、尺寸、形狀、運動情況等特性可以改變目標物和周圍環(huán)境中的物體的差異，從而改變其發(fā)現(xiàn)概率[4]。目標的發(fā)現(xiàn)概率越高即目標的顯著性越高，因此發(fā)現(xiàn)概率的大小可以作為衡量顯著性大小的指標[5]。搜索目標的顯著性提高會加快搜索效率，而非目標的顯著性提高則會降低搜索效率。

在眼跳研究的任務(wù)范式中，根據(jù)注視點消失與目標刺激呈現(xiàn)之間時間間隔的有、無或注視點持續(xù)存在，可以分為gap條件、step條件和overlap條件。gap條件(gap condition)是指注視點消失與目標刺激的出現(xiàn)之間存在一個時間間隔，這個時間間隔的值即為gap值。step條件(step condition)是指注視點一消失，目標刺激就出現(xiàn)，沒有時間間隔。overlap條件(overlap condition)是指目標刺激出現(xiàn)后一段時間內(nèi)中央注視點一直存在[6-7]。眼跳是一種快速的注視點轉(zhuǎn)移，是眼球的注視點或者注視方位突然發(fā)生改變的眼動行為[6]。眼跳潛伏期是從刺激呈現(xiàn)到正確眼跳發(fā)動的時間間隔[8]。研究表明當gap值為200 ms時，眼跳潛伏期最短[9-11]。gap效應(yīng)是指gap條件下，眼跳潛伏期比overlap條件下短。在step條件下的眼跳潛伏期也小于overlap條件，但大于gap條件[6]。

目前有2種理論來解釋gap效應(yīng)的產(chǎn)生：一個是注意力分離理論，另一個是兩因素理論。注意力分離理論認為眼跳的發(fā)生分為注意力從原來的注視點離開，作出眼球運動的決定，最后大腦作出掃視的指標計算3個環(huán)節(jié)。在gap條件下，注視點消失，注意力自行脫離注視點，只需要作出眼球運動決定和掃視指標計算2個環(huán)節(jié)。相對于overlap條件下的3個環(huán)節(jié)，gap條件只需要2個環(huán)節(jié)，因此眼跳潛伏期縮短[12]。兩因素理論認為gap效應(yīng)是由2個因素導(dǎo)致的。一個是警報效應(yīng)，即當任務(wù)目標出現(xiàn)之前注視點消失，人會通過變化意識到新的目標將會到來。另一個是注視點消失因素，由大腦上丘的抑制解除。眼跳的發(fā)生是上丘控制的，當集中注視時，上丘細胞會被額葉視區(qū)抑制，這會減少眼跳發(fā)生機會，而當注視消失后，上丘就會解除抑制，從而使得眼跳得以更快發(fā)生[11,13-14]。

眼跳潛伏期與目標顯著性之間存在相關(guān)性。Donk等[15]的研究中采用角度不同的2個搜索項，發(fā)現(xiàn)存在一個高顯著性的目標項和一個低顯著性的干擾項時，眼跳潛伏期越短，高顯著性的目標項的首次發(fā)現(xiàn)概率越高；目標項與干擾項的顯著性差別也會影響高顯著性目標的發(fā)現(xiàn)概率，表現(xiàn)為目標項和干擾項的顯著性差別越大，高顯著性目標被發(fā)現(xiàn)的概率越高。gap效應(yīng)可以調(diào)節(jié)眼跳潛伏期的大小，但通過設(shè)置gap條件是否會對搜索目標的顯著性和視覺搜索績效產(chǎn)生影響目前尚不明確。

自然場景中的文字和背景的組合有常見的2種極性，一種是正極性，即在明亮背景上顯示黑暗字符；另一種是負極性，即在黑暗背景上顯示明亮字符[16]。正極性可以增強對比敏感度、視覺辨別能力和對運動識別[17]，但是也有研究表明負極性下的視力和搜索績效好于正極性[18]。但是，正負2種極性對目標顯著性的影響目前還沒有相關(guān)結(jié)論。

綜上所述，本文基于視覺搜索作業(yè)，以發(fā)現(xiàn)概率作為衡量目標顯著性的指標，反應(yīng)時間作為視覺搜索績效的指標，探索gap效應(yīng)、極性、目標項與干擾項的差別大小3個因素對目標顯著性、視覺搜索績效的影響。研究gap效應(yīng)對目標顯著性和搜索績效的影響可以補充視覺搜索的顯著性理論，對制造業(yè)企業(yè)的產(chǎn)品視覺檢測等視覺搜索類作業(yè)和任務(wù)的設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 方法

1.1 被試

18名清華大學在校生參與了此次實驗，其中男性6人，占比33.3%，女性12人，占比66.7%，平均年齡為21.1歲。所有被試均沒有視覺障礙，矯正視力為1.0以上。所有被試之前都沒有參加類似實驗的經(jīng)歷或者關(guān)于視覺搜索的相關(guān)知識背景。

1.2 實驗設(shè)計

本文采用3因子組內(nèi)設(shè)計方式，組內(nèi)因子包括gap值、極性和角度。實驗中g(shù)ap條件、overlap條件和step條件下的自變量水平統(tǒng)一用gap值表示，分別為正值、負值和0。將overlap條件中的注視點設(shè)計成延遲消失，用負值表示。gap值有11個水平，分別為0、±100 ms、±200 ms、±400 ms、±600 ms、±800 ms。極性因子有2個水平，分別為正極性和負極性。角度因子有2個水平，即目標項和干擾項間的差異分別為較大和較小，借鑒Donk等[15]的研究，采用傾斜角度一大一小的一對線段作為目標項和干擾項，差異較大的為20°和70°，差異較小的為30°和60°。

實驗測量的顯著性指標為目標項的發(fā)現(xiàn)概率，績效指標為正確反應(yīng)的反應(yīng)時間。發(fā)現(xiàn)概率指被試選擇大小角度線段中較大線段的次數(shù)占總選擇次數(shù)的比值。反應(yīng)時間指刺激出現(xiàn)到被試作出按鍵反應(yīng)的時間長度。

1.3 實驗素材

實驗采用視覺搜索任務(wù)，任務(wù)的搜索目標項為傾斜線段中角度較大的一個，傾斜角度較小的線段為干擾項。角度的組合有2種，一種是20°和70°，另一種是30°和60°，2種情況隨機出現(xiàn)，傾斜方向隨機(可能是2條都左傾，或者都右傾，或者一個左傾一個右傾)。2條傾斜線段隨機對稱出現(xiàn)在屏幕上，即到中心距離相同。刺激項和背景的組合方式一種是正極性，即在白色背景屏幕上，刺激項由31×31共961條黑色線段組成，其中除了2條傾斜的線段外其他959條全部豎直，線段長為0.5 cm，粗0.15 cm(圖1)；另一種是負極性，即黑色背景白色線段，其他的設(shè)定與正極性相同(圖2)。

圖 1 正極性實驗素材Figure 1 Experimental material of positive polarity

圖 2 負極性實驗素材Figure 2 Experimental material of negative polarity

搜索區(qū)域為屏幕靠近中央的區(qū)域，但是為了避免被試沒有進行眼球運動就搜索到目標，中心點視野附近不能出現(xiàn)目標，且實驗中被試需要快速判斷目標是出現(xiàn)在上方還是下方，因此設(shè)定中間11～21行不出現(xiàn)傾斜線段。

1.4 實驗平臺與設(shè)備

實驗采用一臺25英寸DELL一體機電腦，用來顯示刺激材料，分辨率為1 600×900 pixel。實驗軟件是根據(jù)實驗要求基于LabView軟件平臺開發(fā)的程序，可以設(shè)置搜索范圍、次數(shù)等，并可以在后臺自動記錄選擇結(jié)果和反應(yīng)時間。

1.5 實驗流程

實驗前，主試向被試介紹實驗內(nèi)容，請被試閱讀并填寫實驗知情書和基本個人信息。主試向被試介紹并演示整個實驗過程，然后被試完成10 min練習任務(wù)。正式實驗時(以正極性實驗為例)，被試打開實驗軟件，點擊開始后，屏幕中心出現(xiàn)一個黑色實心圓點，被試首先注視圓點。隨后，在不同的gap值下搜索界面出現(xiàn)與注視點消失之間的時間間隔有不同的設(shè)定。在gap條件下，注視點出現(xiàn)500 ms～1 000 ms之間的隨機時間長度后消失，一定的時間間隔(100 ms、200 ms、400 ms、600 ms或800 ms)后呈現(xiàn)搜索界面(圖1)；overlap條件下，注視點呈現(xiàn)500 ms～1 000 ms之間的隨機時間長度后搜索界面出現(xiàn)，搜索界面呈現(xiàn)后經(jīng)過一定的時間間隔(100 ms、200 ms、400 ms、600 ms或800 ms)后注視點消失；step條件下，注視點呈現(xiàn)500 ms～1 000 ms之間的隨機時間長度后消失，同時搜索界面出現(xiàn)。搜索界面呈現(xiàn)后，被試被要求用最快的速度注視到一條傾斜線段，看到的同時按下空格鍵即進入搜索結(jié)果選擇界面。在選擇界面，被試需要按鍵盤上“↑”或“↓”選擇最先注視到的線段在搜索區(qū)域的上半部分或下半部分。被試完成一次搜索任務(wù)的選擇后自動進入下一次實驗。負極性時，只有搜索區(qū)域背景顏色和線段顏色與正極性不同(圖2)，其余設(shè)定與正極性實驗相同。每個被試先做正極性或負極性是隨機的，每種極性下被試需要做400次，分4組進行，每組之間被試進行充分的休息。每一種極性下，傾斜角度、gap值是隨機出現(xiàn)的。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)現(xiàn)概率

2.1.1 發(fā)現(xiàn)概率的描述性統(tǒng)計分析

在不同gap值、極性和傾斜角度下的發(fā)現(xiàn)概率的描述性統(tǒng)計分析結(jié)果如表1所示，其中，負的gap值代表overlap情況下的設(shè)定時間值。由表1可知，gap值從小到大變化時，在角度和極性的4種組合下的發(fā)現(xiàn)概率變化規(guī)律相同：先逐漸增大，達到最大值之后再逐漸減小(圖3)。這說明overlap條件下，隨著注視點繼續(xù)呈現(xiàn)的時間長度的減小，目標顯著性增加；從overlap條件變?yōu)閟tep條件時，目標顯著性增加；從step條件變?yōu)間ap條件時，目標顯著性繼續(xù)增加；gap條件下目標顯著性不會隨著gap值的增加持續(xù)變大，有一個使目標顯著性最大的gap值，超過這個gap值后目標顯著性會下降。極性和gap值相同時，20°和70°組合下比30°和60°組合下的大角度線段的被發(fā)現(xiàn)概率更大，說明20°和70°兩個傾斜線段中70°線段的顯著性比30°和60°組合中60°線段的顯著性更高。

表 1 發(fā)現(xiàn)概率的描述性統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Descriptive statistics of the detection probability

圖 3 發(fā)現(xiàn)概率變化趨勢圖Figure 3 Trend chart of detection probability

2.1.2 發(fā)現(xiàn)概率的重復(fù)測量方差分析

發(fā)現(xiàn)概率的重復(fù)測量方差分析結(jié)果表明(表2)，gap值對發(fā)現(xiàn)概率有顯著影響(F=16.86,p＜0.001)，gap條件下的發(fā)現(xiàn)概率(M=0.775)高于overlap條件下的發(fā)現(xiàn)概率(M=0.672)；角度對發(fā)現(xiàn)概率有顯著影響(F=132.59,p＜0.001)，20°和70°組合下70°線段的發(fā)現(xiàn)概率(M=0.779)比30°和60°組合下60°線段的發(fā)現(xiàn)概率(M=0.675)更高。極性對發(fā)現(xiàn)概率沒有顯著影響(F=0.04,p=0.83)，正極性下(M=0.725)和負極性下(M=0.728)發(fā)現(xiàn)概率差異不大。gap值和角度的交互作用顯著(F=3.82,p=0.019)，角度組合不同時gap值的變化對發(fā)現(xiàn)概率有不同的影響，20°和70°組合下發(fā)現(xiàn)概率的變化幅度(M最大-M最小=0.212)比30°和60°組合下變化幅度(M最大-M最小=0.136)更大。

表 2 發(fā)現(xiàn)概率的重復(fù)測量方差分析結(jié)果Table 2 Repeated measures ANOVA results of the detection probability

2.2 反應(yīng)時間

2.2.1 反應(yīng)時間的描述性統(tǒng)計分析

在不同gap值、極性和傾斜角度下的反應(yīng)時間描述性統(tǒng)計如表3所示。每種極性和角度的組合下gap條件的反應(yīng)時間都比overlap條件的反應(yīng)時間短，而且在gap值為200 ms時反應(yīng)時間最短，說明gap條件下視覺搜索績效更好。對于極性變量，gap值和角度變量相同時，負極性比正極性刺激的反應(yīng)時間長，說明正極性刺激時視覺搜索的績效更高。當極性相同時，20°/70°組與30°/60°組的曲線沒有明顯差別(圖4)。

2.2.2 反應(yīng)時間的重復(fù)測量方差分析

反應(yīng)時間的重復(fù)測量方差分析結(jié)果表明(表4)，gap值對反應(yīng)時間有顯著影響(F=36.76,p＜0.001)，整體上gap條件下的反應(yīng)時間(M=574.6)低于step條件下的反應(yīng)時間(M=584.0)，step條件下的反應(yīng)時間(M=584.0)低于overlap條件下的反應(yīng)時間(M=607.9)；極性對反應(yīng)時間有顯著影響(F=146.16,p＜0.001)，負極性的反應(yīng)時間(M=601.1)比正極性的反應(yīng)時間(M=580.2)長。角度對反應(yīng)時間沒有顯著影響，20°/70°組的反應(yīng)時間(M=591.6)與30°/60°組的反應(yīng)時間(M=589.6)沒有顯著差異。gap值和極性，gap值和角度，極性和角度以及3個因子的交互項都沒有顯著的交互作用。

2.2.3 反應(yīng)時間的配對t檢驗

為了研究gap值變量在哪些區(qū)間的變化對反應(yīng)時間影響顯著，對相鄰gap值下的反應(yīng)時間進行配對t檢驗。結(jié)果顯示，在正極性30°/60°組合時，gap值從-100 ms(M=595)變?yōu)? ms時(M=574)反應(yīng)時間減小，有顯著的變化(p=0.049)；在負極性30°/60°組合時，gap值從0 ms(M=601)變?yōu)?00 ms時(M=593)反應(yīng)時間減小，有顯著的變化(p=0.046)；在正極性20°/70°組合時，gap值從-100 ms(M=600)變?yōu)? ms時(M=571)反應(yīng)時間減小，有顯著的變化(p=0.049)；在負極性20°/70°組合時，gap值從-200 ms(M=624)變?yōu)?100 ms時(M=608)反應(yīng)時間減小，有顯著的變化(p=0.045)，gap值從-100 ms(M=608)變?yōu)? ms時(M=590)反應(yīng)時間減小，有顯著的變化(p=0.047)。因此，從overlap條件變?yōu)閟tep條件反應(yīng)時間會發(fā)生顯著的變化，從step條件變?yōu)間ap條件時反應(yīng)時間也會發(fā)生顯著的變化。

表 3 反應(yīng)時間的描述性統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Descriptive statistics of response time ms

圖 4 反應(yīng)時間變化趨勢圖Figure 4 Trend chart of response time

表 4 反應(yīng)時間的重復(fù)測量方差分析結(jié)果Table 4 Repeated measures ANOVA results of response time

3 討論

過去的研究表明眼跳潛伏期會受到中央注視點和刺激出現(xiàn)之間的時間間隔的影響，即gap效應(yīng)。gap條件下的眼跳潛伏期短于overlap條件下和step條件下的眼跳潛伏期[6]。在本研究中，gap條件下目標的發(fā)現(xiàn)概率高于overlap條件下和step條件下，說明當注視點和搜索界面之間的時間間隔大于0(即處于gap條件下)時，目標的顯著性高于overlap條件和step條件。由此說明，gap效應(yīng)對搜索目標顯著性的影響與gap效應(yīng)對眼跳潛伏期的影響是一致的。根據(jù)兩因素理論，一方面gap效應(yīng)是一種警報效應(yīng)，在gap條件下由于注視點消失，人會意識到搜索目標即將出現(xiàn)，預(yù)先對搜索目標的出現(xiàn)有一定的心理準備，提高對目標的分辨能力。另一方面gap條件下注視點提前消失會解除大腦上丘對額葉視區(qū)的抑制作用，使眼睛能更準確地識別目標[11,13-14]。

本文目標項和干擾項的差異來源于角度差的大小。當2個角度的差異比較大時，較大傾斜角度的線段的顯著性更高。這個結(jié)果驗證了以往的研究中提出的目標項與干擾項的差別大小會影響高顯著性目標的發(fā)現(xiàn)概率，且目標項和干擾項的差別越大，高顯著性目標被發(fā)現(xiàn)的概率越高[15]。實驗結(jié)果表明，gap值和角度的交互效應(yīng)顯著，當gap值的變化相同時，角度差較大的一組顯著性變化幅度更大，表現(xiàn)為：當gap值變化時，20°/70°組的發(fā)現(xiàn)概率變化范圍(最大值與最小值的差)比30°/60°組更大。

gap值和極性對視覺搜索績效影響方面，本文選取反應(yīng)時間作為視覺搜索績效的指標，實驗結(jié)果顯示，gap條件下搜索績效比overlap條件、step條件下高，正極性搜索界面下視覺搜索績效比負極性時高。gap效應(yīng)對反應(yīng)時間有影響，驗證了gap效應(yīng)能縮短眼跳潛伏期，使眼跳更快發(fā)生[11]，縮短了視覺搜索的時間。極性對反應(yīng)時間有影響，驗證了正極性可以增強對比敏感度、視覺辨別能力的研究結(jié)果[17]。

4 結(jié)論

本文探索了gap效應(yīng)、顯示極性、目標物與干擾物差異大小對目標顯著性和視覺搜索績效的影響。實驗結(jié)果表明，gap效應(yīng)、目標物與干擾物差異大小以及二者的交互效應(yīng)對目標顯著性有顯著影響，gap效應(yīng)、顯示極性對視覺搜索績效有顯著影響。實驗結(jié)果可以補充視覺搜索顯著性理論并對視覺搜索任務(wù)和作業(yè)的設(shè)計具有指導(dǎo)價值。