基于認(rèn)知負(fù)荷的中老年界面背景色相差異的視覺工效研究

單潤后 孫慶偉　

基于認(rèn)知負(fù)荷的中老年界面背景色相差異的視覺工效研究

單潤后1孫慶偉2

（1.南京理工大學(xué)，江蘇南京 210094；2.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇南京 210037）

移動信息技術(shù)的高速發(fā)展促使中老年人學(xué)習(xí)和使用智能設(shè)備，鎖屏界面是中老年人使用頻率最高的手機界面之一，科學(xué)合理的壁紙色彩選取有助于提升中老年人對界面信息的辨識體驗。文章基于認(rèn)知負(fù)荷理論和HSB色彩模式，采用眼動實驗數(shù)據(jù)與主觀測量相結(jié)合的技術(shù)路線，以認(rèn)知負(fù)荷值、反應(yīng)時間、準(zhǔn)確率、眼動注視點作為評價指標(biāo)，考察鎖屏壁紙間色相差異和色相復(fù)雜程度對中老年人認(rèn)知負(fù)荷和認(rèn)知工效的影響。結(jié)果表明，在明度飽和度不變時背景的色相差異和色相復(fù)雜程度對中老年人認(rèn)知負(fù)荷的影響顯著，對認(rèn)讀效率的影響顯著。

認(rèn)知負(fù)荷；中老年；鎖屏界面；背景色相；眼動實驗

引言

隨著中老年人文化素養(yǎng)和知識水平的提高，很大一部分老年人開始接觸、學(xué)習(xí)新鮮事物，智能電子產(chǎn)品成為很多老年人日常使用的設(shè)備。但目前智能手機交互界面的研究對象主要是年輕人，缺乏針對老年人的交互界面設(shè)計研究。此外，過去有關(guān)老年人數(shù)字界面的研究主要關(guān)注老年人閱讀的效率和文字設(shè)計的可讀性[1]，忽視了對于中老年人體驗關(guān)于界面色彩的認(rèn)知研究。從老年人認(rèn)知特征出發(fā)探討相關(guān)設(shè)計原則來指導(dǎo)設(shè)計，有助于減輕老年人對于新技術(shù)存在的陌生、排斥的態(tài)度和科技恐懼心理。

認(rèn)知負(fù)荷理論核心觀點是：工作活動記憶和各種認(rèn)知信息處理任務(wù)均需消耗有限的認(rèn)知資源，過多和過于復(fù)雜的信息都會導(dǎo)致用戶認(rèn)知資源不夠用[2]。通常影響老年人數(shù)字界面視認(rèn)體驗的因素可分為內(nèi)因與外因。內(nèi)因方面，中老年人正在經(jīng)歷認(rèn)知老化的過程[3]，主要表現(xiàn)在注意力、工作記憶、反應(yīng)時間、感知能力等方面的變化。有研究證明，使用同一交互界面的老年人比年輕人更容易經(jīng)歷認(rèn)知負(fù)荷過載[4]。外因方面，文字大小、字間距、界面布局、圖案背景等都會影響閱讀體驗。認(rèn)知負(fù)荷過高或過低都會使用戶交互體驗受到影響，因此探究認(rèn)知負(fù)荷的影響因素對于優(yōu)化中老年用戶交互體驗具有重要意義。

色彩的飽和度、亮度等因素對閱讀效果的影響是綜合性的[5]，顏色是在數(shù)字界面上對信息進(jìn)行編碼的有效方法。Wang等[6]的研究發(fā)現(xiàn)，文本與背景的顏色組合對閱讀成績有顯著影響，顏色對比度越大成績越好。Pastoor等[5]研究了數(shù)字文本易讀性的主觀偏好影響因素，發(fā)現(xiàn)在主觀評價和閱讀效率兩個標(biāo)準(zhǔn)上，顏色、飽和度和亮度等因素對文本閱讀的影響并不顯著。探討背景色彩與中老年人認(rèn)知負(fù)荷關(guān)系的文獻(xiàn)尚不多見，界面色彩對于老年人認(rèn)知負(fù)荷的影響尚待研究證實。隨著年齡增長，老年人對于色彩的感知能力逐漸下降，對于光線變化的調(diào)節(jié)能力逐漸減弱。另外，退休后的孤獨感、社會遺棄感使得老年人的心理上更偏向于絢麗的顏色，因此，老年人普遍偏好于易感知、視覺沖擊力強的色彩配置，以及中高明調(diào)的色彩搭配。

綜上所述，本文從色相方面研究相關(guān)色彩設(shè)計原則，采用客觀眼動數(shù)據(jù)與主觀量表相結(jié)合的研究方法，以智能手機鎖屏界面壁紙為例，通過視覺認(rèn)讀實驗，研究背景圖的色相差異、色相復(fù)雜度對老年人視覺認(rèn)知工效和認(rèn)知負(fù)荷的影響。

1 研究方法

HSB色彩模式通過色彩三要素（色相、明度、飽和度）來定義色彩，色相是區(qū)分不同色彩的主要特征，色相的取值為色相環(huán)（如圖1所示）中對應(yīng)的度數(shù)，范圍是0°～360°，不同角度代表的色相不同。本文按照HSB色彩模式確立壁紙的色相差異角度作為自變量對實驗材料進(jìn)行處理，將鎖屏背景色彩量化，控制明度飽和度不變，且為高明度、高飽和度的色彩（明度值為90%，飽和度值為90%），操縱色相變化。

NASA 認(rèn)知負(fù)荷指標(biāo)量表（NASA-TLX量表）是最為標(biāo)準(zhǔn)的量化認(rèn)知負(fù)荷結(jié)果的工具[7]，它從腦力需求（Mental Demand）、體力需求（Physical Demand）、時間需求（Temporal Demand）、績效水平（Performance）、努力程度（Effort）和挫折程度（Frustration Level）六個維度對參與作業(yè)者的心理負(fù)荷進(jìn)行評定，并計算總負(fù)荷水平，是廣泛用于績效研究的多維評估量表[8]。采用NASA認(rèn)知負(fù)荷量表作為手機鎖屏界面認(rèn)知負(fù)荷的主觀評價工具，被試評分結(jié)束后對認(rèn)知負(fù)荷因素進(jìn)行權(quán)重加分。用認(rèn)讀正確率、反應(yīng)時間、注意力狀態(tài)等客觀數(shù)據(jù)判斷認(rèn)知效率變化，研究色相差異對于中老年用戶體驗的影響。

圖1 色相環(huán)

1.1 實驗設(shè)計

研究采用3（壁紙色相組合程度：單色，雙色，三色）×3（壁紙色相對比程度：弱對比，中對比，強對比）的多因素混合實驗、被試內(nèi)實驗設(shè)計，在不同測試階段下每名被試需對鎖屏界面中心偏上位置的信息進(jìn)行認(rèn)讀。所有階段認(rèn)讀完成后，要求被試根據(jù)識別情況完成對應(yīng)的NASA認(rèn)知負(fù)荷指標(biāo)量表，并做相關(guān)訪談?wù){(diào)查。

1.2 被試和實驗設(shè)備

實驗共選取10名中老年人作為被試，其中女性6名，男性4名。年齡范圍在56～74歲，平均年齡65歲，被測對象的視力或矯正視力正常，且均無色盲色弱。實驗設(shè)備是一臺Tobii Pro X3-120眼動儀，使用配套軟件操作平臺Tobii Studio進(jìn)行實驗程序控制。

1.3 實驗材料

實驗材料鎖屏界面的尺寸、比例按目前通用的智能手機屏幕規(guī)范設(shè)置（6.5英寸和19.5∶9）。測試材料背景圖按色相復(fù)雜程度分為三個層級，第一層級為單色相背景，以色相值0°為起點，在色相環(huán)上每隔60°選取一種色相，共選取6種；第二層級為兩種色相組合的背景，共6種，兩種色相將背景圖均分為上下兩等份；第三層級為四種色相組合的背景，共6種，四種色相將背景均分為由上到下四等份。各色相在色相環(huán)上相差角度決定了色相對比效果的強弱，角度越大對比越強[9]，第二、三層級分別設(shè)置三種水平的色相對比，以色相值0°（紅色）為基準(zhǔn)色，設(shè)置了色相差異角度為從弱到強三個水平。具體色相值如表1所示。前景信息采用易于辨認(rèn)的無襯線字體，顏色為白色，與背景圖呈負(fù)對比度極性。前景信息包括時間和日期，固定位置且始終位于單色背景上。

表1 實驗材料色相值

實驗材料示例見圖2，每份材料約10字（SD=3.1），對材料測試進(jìn)行單因素方差分析，替換差異顯著材料，確認(rèn)實驗所用18份實驗材料難度沒有顯著差異。

圖2 實驗材料示例

1.4 實驗程序

實驗程序如圖3所示，在實驗正式開始前，由主持人向被試介紹操作方法，被試在了解實驗規(guī)則流程后，首先進(jìn)行模擬練習(xí)，確定其準(zhǔn)備充分。正式實驗開始，屏幕呈現(xiàn)“開始認(rèn)讀”持續(xù) 2000 ms，隨后屏幕中呈現(xiàn)單色相實驗鎖屏界面中的一個，要求被試認(rèn)讀界面中信息后并按下空格鍵，即完成一次認(rèn)讀，重復(fù)上述步驟6次后，完成單色相階段認(rèn)讀。同理，完成雙色相階段、四色相階段認(rèn)讀。在每兩個階段間穿插間隔頁面持續(xù)3000 ms，被試得到短暫休息，防止疲勞和近因效應(yīng)。實驗過程中記錄被試的反應(yīng)時間和正確率。其中，反應(yīng)時間為從鎖屏界面呈現(xiàn)到被試讀完內(nèi)容后按下空格之間的時間。在完成眼動測試后，要求被試填寫NASA-TLX量表，每一階段界面分別填寫一份。

圖3 實驗程序

2 結(jié)果與分析

實驗結(jié)束后，對實驗結(jié)果進(jìn)行檢驗，排除操作失誤和眼動儀未捕捉到的極端數(shù)據(jù)，最后有效樣本為8人。

2.1 認(rèn)知負(fù)荷分析

通過分析NASA-TLX主觀量表六個測量因素發(fā)現(xiàn)，腦力負(fù)荷程度評分范圍為18～75，表現(xiàn)出被試較高的關(guān)注度，體力負(fù)荷程度關(guān)注度較少。時間緊迫感是被試在認(rèn)讀過程中自身認(rèn)讀節(jié)奏和心理壓力的反映，隨著色相復(fù)雜度的提升，被試獲得了更高的壓力和緊張感，誤讀錯讀的幾率提升；績效是被試對于認(rèn)讀任務(wù)的滿意程度，所有被試對自己的認(rèn)讀結(jié)果基本滿意，分?jǐn)?shù)均≥50；努力程度在一定程度上反映了被試對自身表現(xiàn)的評估，受到關(guān)注較低，并且被試均未表現(xiàn)出受挫和對界面的惱怒。

將量表的測試因素兩兩配對進(jìn)行運算，確定各因素的加權(quán)系數(shù)（腦力負(fù)荷水平、體力負(fù)荷水平、時間緊迫感、績效、努力程度、挫折程度，比值為0.3∶0.1∶0.2∶0.2∶0.1∶0.1），之后對分?jǐn)?shù)進(jìn)行加權(quán)運算，得出認(rèn)知負(fù)荷總值，并綜合統(tǒng)計被試的打分情況，見表2。

表2 不同色相復(fù)雜程度的認(rèn)知負(fù)荷值

不同被試認(rèn)知負(fù)荷總值呈現(xiàn)出不同的特點。其中，一部分被試的認(rèn)知負(fù)荷值隨著色相組合程度的增加而增長，這說明不同色相復(fù)雜程度的背景確實會影響到他們的主觀認(rèn)讀體驗；另一部分被試呈現(xiàn)的認(rèn)知負(fù)荷變化是不顯著的，隨著色相復(fù)雜程度的增加并沒有呈現(xiàn)出逐漸增長趨勢，這很可能是由于不同被試的文化認(rèn)知水平、個人經(jīng)驗以及生理能力具有一定的差距。制作認(rèn)知負(fù)荷趨勢圖，觀察認(rèn)知負(fù)荷整體變化情況，分析得出認(rèn)知負(fù)荷隨著界面色相復(fù)雜度層級的上升而逐漸提升，提升幅度明顯。

由圖4可以看出，中老年人認(rèn)知負(fù)荷與性別差異的關(guān)系上，女性被試比男性被試獲得了更大的認(rèn)知負(fù)荷值。實際參與實驗的女性比男性多，男性組的最大負(fù)荷值和最小負(fù)荷值分別為20和55，平均負(fù)荷值為38.7。女性組的最大負(fù)荷值和最小負(fù)荷值分別為30和70.5，平均負(fù)荷值為41.5。

圖4 中老年人認(rèn)知負(fù)荷與性別的關(guān)系圖

2.2 眼動指標(biāo)分析

2.2.1 興趣區(qū)注意力狀態(tài)分析

完成實驗得到不同階段的眼動注視點圖，如圖5所示。注視點圖反映注視點軌跡、注視點個數(shù)、注視點的持續(xù)時間等參數(shù)。圓形標(biāo)記代表注視點，線條代表眼跳軌跡，圓形越大代表注視點時間越長。三組注視點圖的注視焦點無顯著差異，與實驗前預(yù)期相符。通過對比三組注視點圖發(fā)現(xiàn)，隨著色相復(fù)雜程度的增加，認(rèn)讀區(qū)域以外的注視點逐漸減少：單色相組的離散注視點數(shù)量最多，四色相組的離散注視點數(shù)量最少。分析原因可能是實驗材料壁紙上下色相差異的設(shè)定造成了縮小認(rèn)讀區(qū)域的視覺分割效果，縮小了被試的視覺認(rèn)知任務(wù)范圍，提升了被試認(rèn)讀效率。由此可見，色彩有一定的視覺引導(dǎo)作用，適當(dāng)?shù)纳逝渲每梢詭椭脩舾憬莸孬@取信息?；谧⒁朁c指標(biāo)，四色相組的材料背景圖最容易使用戶的視線聚焦。

(a) 單色相組眼動注視點

(b) 雙色相組眼動注視點

(c) 四色相組眼動注視點

2.2.2 色相組合復(fù)雜度對認(rèn)讀效率的影響

實驗假設(shè)隨著壁紙色相復(fù)雜程度的提升，被試的認(rèn)讀效率逐漸下降。與實驗前假設(shè)不符，被試對色相復(fù)雜程度的平均反應(yīng)時間趨勢總體呈“V”形。如表3所示，雙色相組的反應(yīng)時間最短，波動水平最?。⊿D=0.41），準(zhǔn)確率也最高。從總體上來看，三組的反應(yīng)時間和準(zhǔn)確率差異不大。經(jīng)觀察分析可能的原因是：在單色相認(rèn)讀階段，由于被試正式實驗開始時有一定的適應(yīng)階段，前幾次認(rèn)讀的效果會受到一定影響。從單色相到雙色相，壁紙開始出現(xiàn)視覺分割效果，提升了被試認(rèn)讀效率。隨著色相逐漸增多，被試認(rèn)知負(fù)荷增大，反應(yīng)時間有所增加，壁紙色相差異造成的視覺分割、縮小認(rèn)讀區(qū)域效果沒有繼續(xù)提高視認(rèn)工效。實驗結(jié)束后，被試也表達(dá)出了在四色相組認(rèn)讀時認(rèn)知的壓力和緊張情緒。綜上所述，在三種色相復(fù)雜程度的背景影響下，認(rèn)讀效率最優(yōu)組為雙色相。

表3 不同色相復(fù)雜程度的平均反應(yīng)時間和準(zhǔn)確率

2.2.3 色相差異對比對認(rèn)讀效率的影響

通過對雙色相組和四色相組的色相差異對比度分析發(fā)現(xiàn)，色相對比程度對被試的反應(yīng)時間有較為顯著的影響，如圖6，隨著界面壁紙色相對比程度的提升，反應(yīng)時間整體呈下降趨勢，下降幅度趨緩。對比雙色相和四色相發(fā)現(xiàn)，雙色相組在不同色相對比程度下的認(rèn)讀時間均低于四色相組。在準(zhǔn)確率方面，雙色相組認(rèn)讀準(zhǔn)確率總體呈下降趨勢，經(jīng)過分析可得，反應(yīng)時間和準(zhǔn)確率有一定相關(guān)性，反應(yīng)時間縮短，認(rèn)讀準(zhǔn)確率也降低。四色相色組的認(rèn)讀準(zhǔn)確率與色相對比缺乏相關(guān)性，隨著色相對比程度的提升，認(rèn)讀準(zhǔn)確率呈無規(guī)律變化。雙色相組的平均準(zhǔn)確率高于四色相組。

綜合考慮，在壁紙有色相對比的情況下，認(rèn)讀效率最優(yōu)值為強對比（色相差異角度為90°），但是相對的過強的色相對比度會刺激視覺神經(jīng)，易引起視覺疲勞，有被試反饋對此類對比的不適感。因此，背景圖的色相為中對比（色相差異角度為60°）是更好的選擇。

圖6 同色相對比程度的平均反應(yīng)時間

3 討論

上述實驗綜合考察了中老年人的認(rèn)知負(fù)荷和認(rèn)讀效率，結(jié)果表明，在具有高明度高飽和度的中老年人機交互界面中，色相復(fù)雜程度對認(rèn)知負(fù)荷具有顯著影響（認(rèn)知負(fù)荷隨著界面色相復(fù)雜度層級的上升而逐漸提升），對認(rèn)讀效率具有顯著影響（在色相復(fù)雜程度為雙色相，強對比時視覺工效最佳）。證明了通過控制界面中色相差異和色相復(fù)雜程度來提高中老年人視覺工效和用戶體驗這一方法的可行性。

在數(shù)字閱讀和數(shù)字交互中，認(rèn)知負(fù)荷一直是影響閱讀工效和學(xué)習(xí)績效的主要因素。認(rèn)知負(fù)荷分為中樞處理資源、響應(yīng)資源、空間編碼資源、語言編碼資源、視覺接收資源、聽覺接收資源、操作資源7個維度[10]。本文通過控制背景色相，測試了視覺接收資源的變化，不涉及其他維度。李晶等[11]的研究提出，平衡認(rèn)知負(fù)荷是提升工作績效的重要方式，有助于提升閱讀體驗。如表3所示，隨著色相復(fù)雜程度增加，認(rèn)知負(fù)荷呈緩慢提升趨勢，認(rèn)讀效率并沒有顯著下降，反而有小幅提升，這說明控制認(rèn)知負(fù)荷并非越低越好。

隨著計算機輔助設(shè)計的不斷發(fā)展，色彩設(shè)計作為界面設(shè)計的重要組成部分，也在朝著更加科學(xué)與便捷的智能色彩設(shè)計的方向不斷發(fā)展[12]。近年來研究者試圖通過色彩調(diào)和、色彩情感屬性、配色美度等方面找到色彩規(guī)律的表示與計算方法，將色彩認(rèn)知規(guī)律和感性因素轉(zhuǎn)化成計算機可處理和計算的數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn)計算輔助色彩設(shè)計[13,14]。面向中老年人交互界面色彩設(shè)計不僅要考慮到中老年用戶的審美需求，同時也應(yīng)該發(fā)揮色彩對界面的編碼作用以提高交互工效，避免因長時間的視認(rèn)過程使中老年人產(chǎn)生反感情緒，甚至失去對產(chǎn)品使用的信心。

綜上分析本文提出基于認(rèn)知負(fù)荷理論和HSB色彩模式的中老年人界面背景色彩設(shè)計原則：盡量控制界面背景的色相數(shù)量，背景中的色相差異角度為60°可以達(dá)到良好視覺工效，發(fā)揮色彩對界面的編碼作用，使認(rèn)知負(fù)荷值保持在較低水平，增強界面的易用性。

4 結(jié)束語

數(shù)字閱讀比傳統(tǒng)紙張閱讀具有更多的交互空間和可能性，只有通過良好的適老化交互設(shè)計才可能為中老年用戶帶來比傳統(tǒng)閱讀更好的體驗。本文通過實驗驗證了控制背景色相復(fù)雜程度來改善視認(rèn)工效方法的可行性，并提出相關(guān)原則。但研究目前還存在著一定局限，如本實驗選取對象過少，不能完全代表國內(nèi)中老年人的普遍水平，而且由于樣本中沒有視力障礙的參與者，因此本實驗結(jié)果并不適用于低視力的中老年人群，因此后續(xù)還需對此進(jìn)行補充，以期更加深入地揭示用戶體驗與認(rèn)知負(fù)荷的關(guān)系。

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Study on Visual Ergonomics of Interface Background Hue Difference between Middle-Aged and Elderly Based on Cognitive Load

The rapid development of mobile information technology promotes the middle aged and elderly to learn and use smart devices. The lock screen interface is one of the most frequently used interfaces among the middle aged and elderly, a scientific and reasonable selection of wallpaper color is helpful to improve the middle aged and elderly's identification experience of the lock screen interface. Based on the cognitive load theory and the HSB color model, a technical route combining eye movement experiment data with subjective measurement was adopted. cognitive load value, reaction time, accuracy and fixation points were used as evaluation indexes to investigate the influence of hue difference and hue complexity on the cognitive load and cognitive efficiency of the middle aged and elderly. The results show that the color difference and color complexity of the background have a significant impact on the cognitive load and reading efficiency of the middle-aged and elderly when the lightness and saturation are unchanged. It has a significant effect on reading efficiency.

cognitive load; the middle aged and elderly; lock screen interface; background hue; eye movement experiment

TP391.4

A

1008-1151(2022)07-0196-05

2022-04-20

單潤后（1998－），男，山東德州人，南京理工大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向為人機交互、產(chǎn)品適老化設(shè)計方法研究。