基于視覺感知的人機交互界面優(yōu)化設(shè)計研究

劉亞明，黃 慧

(1.北京師范大學(xué)珠海分校設(shè)計學(xué)院，廣東 珠海 519087) (2.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計與藝術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410082)

人機交互界面是操作人員獲取各種裝備運行特征和對裝備實施有效控制的有效途徑，其界面設(shè)計是否科學(xué)、合理將直接影響操作者對裝備的操作及時性與準確性，特別是在重要或危險的情況下，及時、準確地完成操作更為重要，否則可能造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失[1]。在進行人機交互界面設(shè)計的過程中要考慮多種因素的影響，如操作單位的重要性、危險性、使用頻率、功能分組等，同時也要考慮人體工程學(xué)。張云鵬[2]在對人類認知規(guī)律分析的基礎(chǔ)上總結(jié)了人機交互界面優(yōu)化設(shè)計的原則，同時通過建立數(shù)學(xué)模型對人機交互界面進行優(yōu)化設(shè)計。宋正河等[3]建立了以元件可布置位置為約束條件、以界面匹配優(yōu)度為目標函數(shù)的人機界面優(yōu)化模型，同時將所建模型應(yīng)用于具體的人機交互界面設(shè)計中。目前，人機交互界面優(yōu)化設(shè)計已成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點。本文通過人眼視錐細胞感知特性構(gòu)建人機交互界面感知強度等級模型，從視覺感知的角度建立人機交互界面優(yōu)化設(shè)計的模型，并采用遺傳算法進行求解，達到了提高裝備系統(tǒng)人機界面操作及時性和準確性的目的。

1 相關(guān)理論概述

1.1 視錐細胞視覺特征

眼睛是心靈的窗戶，人所感知的外部信息80%是通過眼睛獲得的。人的眼睛在生理結(jié)構(gòu)上具有人眼視錐細胞非均勻分布的特性，如圖1所示[4]。

圖1 人眼視錐細胞非均勻分布特性

由圖1可知，人眼睛視網(wǎng)膜上視錐細胞呈現(xiàn)出典型的“離心效應(yīng)”，即伴隨著注視點和目標之間距離的增大，眼睛對目標定位的難度也越大。在人機交互界面中，視覺感知元素的不同布置位置會產(chǎn)生不同的視覺感知強度。

1.2 人機交互界面視覺感知強度等級

結(jié)合視錐細胞視覺特征可知，目標和視覺中心的距離越近，其視覺感知強度越高；目標和視覺中心的距離越遠，其視覺感知強度越低。人眼視線聚焦凝視角為24°～26°，人的視線從視域的中心往外圍擴散的視覺強度高低和人眼睛視網(wǎng)膜上視錐細胞的分布特性一致[5]?；诖?，可以建立不同感知強度等級的感知域。設(shè)人眼與人機交互界面的距離為l，人眼到目標點視線和中心線的夾角為θ，視覺感知域半徑為r，人眼視覺感知域如圖2所示。

圖2 人眼視覺感知域

由圖2可知，視覺感知域半徑r為：

r=ltanθ

(1)

以人機交互界面的視覺感知中心為圓心，將人機交互界面劃分為不同視覺感知等級的區(qū)域，視覺感知等級由內(nèi)向外依次遞減。人機交互界面一般為矩形界面，根據(jù)視覺感知強度的分布特性將人機交互矩形界面劃分為不同視覺感知等級的視覺域，如圖3所示。

圖3 人機交互矩形界面視覺感知強度模型

設(shè)最小單元正方形的邊長為a，最小單元的面積與視覺感知域第一等級的面積大小相等，即

a2=πr2

(2)

圖4 人機交互界面視覺感知域劃分

2 人機交互界面優(yōu)化設(shè)計方法

2.1 人機交互界面優(yōu)化模型

人機交互界面布局優(yōu)化的原則是依據(jù)重要性進行布局，在視覺感知強的區(qū)域布置重要元素，視覺感知弱的區(qū)域布置非重要元素，人機交互界面優(yōu)化以最終界面的視覺感知強度為目標。為了建立人機交互界面優(yōu)化模型，給出如下定義：

1)yi為人機交互界面視覺感知元素，Y={y1,y2,…,yn},為所有元素的集合；

2)di為人機交互界面視覺感知元素重要度，D={d1,d2,…,dn},為重要度元素集合；

3)si為人機交互界面視覺感知元素面積，S={s1,s2,…,sn},為所有面積集合；

4)xi為人機交互界面各區(qū)域劃分的感知強度等級，X={x1,x2,…,xn},為所有視覺強度集合；

5)qi為人機交互界面各強度等級感知區(qū)域面積，Q={q1,q2,…,qn},為所有面積集合；

6)ri為人機交互界面視覺感知強度指數(shù)，R={r1,r2,…,rn},為所有感知強度指數(shù)集合，其中視覺感知強度指數(shù)ri為[6]：

(3)

式中：di為第i個視覺感知元素重要度；xj為第j個視覺感知區(qū)域的感知強度等級；qij為視覺感知元素i在第j強度區(qū)域所占單元格數(shù)。

某一視覺感知元素被布置到人機交互界面的某一位置上，若其視覺感知強度指數(shù)ri越大，則所在的區(qū)域越靠近人機交互界面的核心區(qū)域?；谝曈X感知的人機交互界面優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型為[7]：

(4)

滿足

(5)

(6)

(7)

式中：Z為視覺傳達指數(shù)。Z值越大，說明重要性越高的視覺感知元素位于視覺感知強度高的區(qū)域，人機交互界面的設(shè)計越合理。

2.2 優(yōu)化模型求解

基于視覺感知的人機交互界面優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型是典型的NP問題，本文采用遺傳算法求解該問題[8]。假定有8個視覺感知元素需要布置在人機交互界面上，可以用視覺感知元素的編號作為染色體的基因片段[9]。結(jié)合編碼規(guī)則，采用遺傳算法求解該問題的流程如圖5所示。

圖5 模型求解流程圖

3 實例分析

以某公司試驗中心液壓操作界面為例進行分析，根據(jù)多次試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)將人眼與操作臺的界面距離設(shè)定為60 cm。由視覺感知域半徑公式得到視點為1°、5°、9°、13°和17°時的半徑，來確定最小單元正方形的邊長。結(jié)合視覺感知等級劃分模型對基本單元所在區(qū)域的等級進行標識，獲得由基本單元組成的人機交互界面等級圖。結(jié)合試驗中心液壓操作系統(tǒng)的功能，將液壓操作界面劃分為6個模塊，如圖6所示。

圖6 液壓操作人機界面模塊

對液壓操作人機界面6個模塊進行分析，比較6個模塊的重要程度，同時采用優(yōu)序法得到6個視覺元素的重要性程度排序，見表1。

表1 視覺元素重要性程度排序表

液壓操作系統(tǒng)人機界面上的基本單元數(shù)量共有386個，同時對6個區(qū)域基本單元的數(shù)量進行統(tǒng)計，分別記為a1，a2，a3，a4，a5，a6，統(tǒng)計值分別為1，23，51，110，81，120個，其對應(yīng)的視覺感知等級分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。結(jié)合當(dāng)前人機交互界面的布局，各視覺感知元素的布局見表2。

表2 當(dāng)前布局各模塊不同等級基本單元

結(jié)合圖7中6個模塊在不同強度等級區(qū)域所占據(jù)的基本單元數(shù)量可以得到該液壓系統(tǒng)人機交互界面的視覺傳達指數(shù)Z為4 718。為了提高視覺傳達指數(shù)，采用遺傳算法求解人機交互界面設(shè)計數(shù)學(xué)模型，并采用視覺感知元素編碼規(guī)則對染色體進行編碼，單個染色體編碼長度為6，遺傳算法參數(shù)見表3。

圖7 視覺傳達指數(shù)Z計算參考圖

表3 遺傳算法參數(shù)

采用遺傳算法(genetic algorithm，GA)求解本文所建立的人機交互界面優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，求得一組最優(yōu)解。優(yōu)化后的人機交互界面各模塊不同重要等級基本單位構(gòu)成見表4。

表4 優(yōu)化布局后各模塊不同等級基本單元

由表4數(shù)據(jù)計算得到優(yōu)化后該液壓系統(tǒng)人機交互界面的視覺傳達指數(shù)Z為4 869，與優(yōu)化前相比有了較大的提高，即人機交互界面視覺元素的布局更為合理，具體如圖8所示。實際人機交互界面的設(shè)計不僅要考慮視覺傳達指數(shù)，同時還要考慮人機交互界面的美觀性，因此要對視覺傳達指數(shù)優(yōu)化后的人機交互界面從美學(xué)的角度進行局部調(diào)整，從而獲得最終的人機交互界面設(shè)計方案。

圖8 優(yōu)化后參考人機界面

4 結(jié)束語

科學(xué)的人機交互界面對避免生產(chǎn)事故的發(fā)生起到了至關(guān)重要的作用。本文從視覺感知角度對人機交互界面的優(yōu)化設(shè)計進行了研究，基于視錐細胞視覺特征對人機交互界面視覺感知強度等級進行劃分，建立了人機交互界面優(yōu)化模型，采用遺傳算法對所建立的模型進行求解。以某公司試驗中心液壓操作界面為例，采用該方法對液壓操作界面進行優(yōu)化設(shè)計，通過對比優(yōu)化前后人機交互界面視覺傳達指數(shù)的變化驗證了方法的有效性。本文方法對機械設(shè)備控制系統(tǒng)的人機交互界面優(yōu)化設(shè)計有一定的參考價值。