雷达态势界面中目标搜索的视觉局限实验研究

吴晓莉 薛澄岐 汤文成 邵 将 李 晶

(1 东南大学机械工程学院，南京211189)

(2 河海大学机电工程学院，常州213022)

随着工业设计与计算机交互媒体的快速发展，视觉信息界面(visual information interface)已成为复杂系统中必不可少的信息交互媒介.航战中的雷达态势界面属于复杂系统中的子界面，由于复杂系统人机交互界面的信息量大、信息关系复杂，需要人与系统的配合更加严谨，信息的组织与呈现更加科学.若是界面设计不合理，极易造成误读、误判、信息疏漏等问题.吴晓莉等［1］通过复杂系统中用户出错的认知机理研究，提出了视觉干扰、视觉局限、知觉混淆、记忆失误等5 种出错类型.信息的疏漏、误判是常见错误之一，其原因有很多，注意力转移(目标转移)、信息量的负荷、时间压力、视觉局限、遗忘等.雷达态势界面中目标搜索过程出现的目标物遗漏、误报等问题，主要源于视觉局限造成的出错.

因此，本文针对视觉局限引起的注意疏漏、误判展开研究.模拟某航战的雷达态势界面，提取视觉局限的相关因子，从视野位置、目标物间距等方面，运用心理学实验方法，开展目标搜索的视觉局限实验.

1 复杂信息界面相关研究背景

关于复杂信息界面的国内外研究主要针对界面设计合理性的评价方法.Wilson 等［2］利用眼动跟踪技术对航战界面进行实验，测试驾驶员的前瞻记忆和注意力转移，确定驾驶员认知复杂因素.王海燕等［3-4］对态势界面的布局设计方案进行了实验评价与分析，通过眼动数据指标的评价选择合理的空间布局优化方案.刘青［5］对模拟航电系统中的对敌攻击任务进行了界面设计，通过眼动跟踪实验评价界面布局、导航、图形符号等的合理性.李晶等［6-7］研究复杂数字界面中时间压力对颜色、形状编码的影响，探讨不同时间压力下的认知绩效问题，并提出了多维信息可视化的设计方法.董晓璐［8］从失误角度研究了时间压力对数字界面的影响.根据以上所述，主要以实验数据作为评价手段判断复杂信息界面设计的合理性，鲜有学者对视觉局限引起的误读、误判原因进行研究，

2 视觉搜索实验研究综述

在视觉搜索实验研究方面，Yantis 等［9］认为目标搜索是一种主动注意选择机制中的目标导向注意或内源性注意，它以自上而下的方式控制着注意选择.Monnier［10］运用视觉延迟搜索任务的实验范式，对颜色、位置及颜色与位置的绑定进行了对比实验，结果表明绑定实验与其他两实验相比，并没有使搜索时间明显变短.在目标物位置和间距的研究方面，Fleetwood 等［11-12］通过实验观察发现影响用户视觉寻找的因素首先是图标的数量，其次是目标的边界，最后是图标的质量和清晰程度.Theeuwes［13］针对干扰位置，研究了目标物与相邻干扰物的抑制作用.在视野位置的研究上，Turatto 等［14］研究奇异刺激对目标物的影响，结果发现，颜色奇异刺激最容易捕获注意.杨娟［15］和李杨等［16］研究了视野位置与刺激特征对注意捕获的影响.

以上相关位置、间距的实验研究中，缺乏针对视觉局限引起的出错与目标物位置、间距关系的研究.本文主要考察视觉局限的出错因子，设计阻碍视觉感知过程的若干特征项，分析关注出错数据的关联因素，并将反应时、出错率作为重要指标进行考察.

3 目标搜索的视觉局限实验

3.1 实验材料

刺激特征项为某雷达态势界面的模拟信息物，分别为友机、敌机及4 种不明物，共6 个;如图1所示，信息物大小充满在12 mm ×15 mm 的黑色方框内，敌机、友机和不明物交替出现.信息物均呈现在战斗机攻击态势界面中(半径为78 mm 的圆内).攻击范围在以直径为39 mm 的圆中，由于在圆中央呈现主机的形态以及周围呈现目前态势的各种数据，给被试造成固定的干扰，而这些呈现的元素均为定量，因而形成了复杂的态势环境，如图2所示，目标物作为变量随机呈现在大圆与小圆组成的圆环内.

图1 实验材料

图2 实验中的模拟攻击态势界面

3.2 实验设计

依据实验中的6 个特征项，考察实验中每次出现的目标物数量，当其中1 个(敌机、友机或不明物)作为目标物出现时，信息物将以2，4，6 三个数量级别呈现.在实验中，按照短时记忆中记忆量的大小(7 ±2)，呈现的总数量固定为9 个.因此，不论是目标物还是其他特征项可重复出现.

本实验将采用3 ×2 ×3 的组内设计，3 个因素分别是目标物数量(2，4，6)、视野位置(上视野、周围视野)和目标物间距(12，48，96 mm).目标物数量将随机分布在实验顺序中，以避免被试发现目标物数量呈现的规律性.敌机、友机与不明物为3 个试次，每组3 ×2 ×3 个试次，共计54 个试次.

3.3 实验设备与程序

实验程序采用E-Prime 编写，刺激呈现在17英寸显示器中央，屏幕分辨率为1 280 ×1 024 像素，亮度为92 cd/m2.实验在东南大学人机交互实验室进行，被试为20 名在校本科生，男女各半，年龄在19 ～23 岁之间，视力或矫正视力正常，无色盲或色弱.实验前，录入被试的性别、年龄、专业及视力等相关信息.

首先要求被试熟悉雷达态势攻击的任务环境，保持态势环境中的信息不变，并努力避免这些信息的干扰.然后给被试介绍敌机、友机、不明物3 种目标物的特征(这些特征将作为目标搜索的对象).

4 实验结果与讨论

4.1 不同视野位置的反应时与出错率

当敌机、友机和不明物以刺激物的形式出现在攻击态势界面中的不同视野位置，且以不同数量、不同间距呈现时，被试的反应时与出错率如图3所示.对反应时的方差分析表明，上视野位置的间距主效应(均方比值F=14.416，显著性P=0.012 ＜0.05)和周围视野位置的间距主效应(F=6.990，P=0.001 03 ＜0.05)达到显著性水平;对出错率的方差分析表明，上视野位置的间距主效应(F=2.380，P=0.013 ＜0.05)和周围视野位置的间距主效应(F=9.308，P=0.014 ＜0.05)达到显著性水平.可见，间距大小对视野位置的目标搜索视觉认知都有显著性影响.

最小显著差异法的验后多重比较检验结果如表1所示.当目标物数量较少时，目标间距并不影响视觉搜索时间，错误率较低.而搜索目标呈现为4 和6 个时，不论是上视野还是周围视野，反应时和出错率在呈现的目标间距12，48，96 mm 之间有显著性差异，即随着目标间距的增大，搜索目标的反应时长逐渐加大，目标间距最大时，显著性最强.由表1可见，随着目标间距增大，极易造成误读、判断错误等.因此，态势界面中的目标搜索不宜间距太大，目标间距过大对视觉搜索会产生较大的影响.

图3 3 种间距下的不同视野位置反应时和出错率

4.2 高出错率下的不同目标物间距分析

1)目标物数量为6 时的反应时与出错率分析

从图3(a)和(b)三种目标物间距呈现的反应时与错误率可以看出，随着目标物数量的增加，出错率呈增大的趋势.为了进一步了解高出错率下不同目标物间距的反应时，对目标物数量为6 时的反应时和出错率进行分析，结果如图4所示.

对出错率的方差分析表明，不同目标物(敌机、友机、不明物)主效应达到显著性水平(F=3.049，P=0.013 6 ＜0.05);对反应时重复测量方差分析显示，不同目标物主效应达到显著性水平(F=8.65，P=0.014 9 ＜0.05).无论是敌机、友机还是不明物在目标物间距上的出错率有显著性差异，即随着间距的增大，出错率增大，出错率并无明显差别;而反应时的呈现规律与出错率并不一致，随着间距的增大，反应时呈现倒V 形变化，在间距为48 mm 时，反应时最长.这说明出错率最高时，反应时间并不一定最长，这也说明作出错误判断时，并不需要最长的反应时间.

表1 最小差异法的验后多重比较检验

图4 目标物数量为6 时的反应时和出错率

2)目标物数量为6 时不同间距错误答案分析

当呈现目标物间距为96 mm 时，在有限的呈现时间内(1 500 ms)，对6 个目标物很难作出正确搜索.通过对20 名被试进行6 ×3 试次，剔除奇异数据后，共计340 次目标搜索统计，出错率高达43.246%，即近一半的被试会作出错误判断.按照被试真实搜索到的目标数进行统计比对，表2给出了6 个目标物搜索出错的答案统计.可以看出，不同间距的总出错率呈现显著性差异，随着间距的增加，出错率逐渐增大，当目标物间距为96 mm 时，出错率超过50%(64.2%);在记录被试的答案分类中发现，错误答案为5，4，7，3，接近错误答案6个的有5 和4.这也说明了被试容易遗漏掉1 或2个目标物，或者将相似的干扰物也作为目标物，从而给出7 个错误答案.因此，还需要结合眼动指标的凝视次数、眼跳轨迹等，进一步分析遗漏或者多报的刺激项的视野位置，这对于视觉局限的研究尤为重要.

表2 目标物数量为6 时不同间距错误答案及出错率统计

4.3 讨论

本研究从出错角度，采用模拟的战斗机信息物作为实验材料，实验结果说明了在信息识别中，随着信息物数量逐渐增加(2，4，6)，周围视野比上视野的目标物反应时增长更快，不同间距的目标物搜索反应达到显著水平;通过提取高出错率下的数据发现，随着目标物间距的增大，出错率呈线性增大，而反应时呈倒V 形变化，因此误判、疏漏的出错并不一定需要最长的反应时间.本研究不是在真实的航战舱内进行，其信息物均为模拟，得到的数据为模拟仿真，得到的结论可以作为态势界面信息布局设计的参考.

Wickens 等［17］对多信息通道下不同颜色编码和空间位置的信息辨识情况进行了研究，发现颜色和位置对信息辨别会产生不同的影响;Dukic等［18-19］研究了驾驶员视觉搜索模式，提出了相关视觉搜索策略.本文实验结果也表明，视野位置和目标物间距是视觉搜索中易出现遗漏和误判的主要因素，周围视野的目标物更容易遗漏.

5 结论

1)雷达态势界面中目标物间距大小和视野位置对目标搜索视觉认知都有显著性影响.目标搜索的间距大于96 mm 时，反应耗时长，易疏漏、误判.

2)对于不同视野位置信息的视觉搜索，出错率随间距的增加呈线性增大，而反应时呈倒V 形变化，因此误判、疏漏时并不一定反应时耗时最长.

3)周围视野呈现目标物数量为6 时的出错率最高，且容易产生信息疏漏.

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