基于眼动追踪实验的数字界面质量评估模型

2017-02-21陈晓皎薛澄岐

东南大学学报（自然科学版） 2017年1期

关键词：注视点眼动界面

陈晓皎薛澄岐陈默田静邵将张晶

(东南大学机械工程学院, 南京 211189)

基于眼动追踪实验的数字界面质量评估模型

陈晓皎薛澄岐陈默田静邵将张晶

(东南大学机械工程学院, 南京 211189)

为了提高界面设计的合理性以及评估结果的准确性,以眼动追踪为实验手段,结合软件工程领域的质量评估模型,开发了一个面向数字界面的质量评估模型.首先,基于对界面功能的分析,优化出4个质量特性作为第一层次评估指标,分别为情感吸引性、设计复杂性、交互高效性、认知负荷大小;然后,由模型的质量特性推导出质量子特性,进而确定出6个质量子特性以及若干度量指标,分别将其作为第二、第三层次的评估指标.基于此,构建了一套多维、多层次的数字界面评价体系.最终,通过基于任务的F-18战斗机显控界面实验,实现对战斗机显控界面客观综合的评估.评估结果表明,提出的评价模型能有效提高界面评估结果的可靠性.

数字界面;眼动追踪;评估模型;质量;定量评估

数字界面作为信息化时代传递信息的重要载体,是用户获取信息进行决策判断的主要依据.信息传递是否精确、高效会影响用户认知的差异以及决策判断,而界面设计不合理导致的认知失误会造成操作事故.因此,对界面进行有效评估,实现界面的优化设计,对降低操作失误率具有重要的作用.

目前国内外已经运用多种界面评估手段对数字界面进行评估,主要有主观评价法、绩效评估法、综合理论评估法、数学模型评估法和生理实验测评法.前4种评估方法在样本采集数量不充分的情况下,存在一定的主观意识偏差,在数字界面评估中往往被当作辅助评估方法.生理实验测评法是指运用眼动追踪技术和脑电技术对界面开展定量评估,其中眼动追踪技术能对复杂数字界面的质量进行较为客观的评估.Fitts等[1]开展了飞机驾驶舱界面设计的眼动评估研究, Cowen等[2]对网页界面设计的布局合理性进行了眼动评估研究.Roth等[3]对不同类型的网站界面的设计元素布局进行了眼动研究,Asan等[4]对眼动追踪技术与认知负荷相关联的生理指标进行研究,朱伟等[5]对软件界面评估中运用的眼动追踪技术的指标进行了研究.这些研究着眼于利用生理指标对界面进行评估,但是关于眼动追踪技术和界面评估如何构建映射关系,眼动追踪技术哪些指标可以作为界面评估的度量指标,尚未有完善的论证.本文将眼动追踪实验的技术指标作为度量指标,借鉴软件程序领域质量模型的构建思路,分析影响数字界面质量的界面元素,以提高界面评估结果的可靠性为目标构建评估模型.

1 数字界面质量眼动评估模型构建

1.1 眼动追踪评估指标

眼动追踪技术作为目前应用最为广泛的界面评估方法,主要根据瞳孔直径、注视点热区、注视点数目、注视点序列等实验数据,对数字界面进行较为客观、科学的评估.因此,本文选择眼动追踪技术作为建立数字界面质量评估模型的实验途径.

1) 瞳孔直径是用户视觉信息加工时的负荷指标之一.人在进行视觉信息加工时,瞳孔直径的变化幅度与进行信息认知的努力程度密切相关.当认知负荷较大时,瞳孔直径较大;反之,认知负荷较小时,瞳孔直径也会相应较小[6].

2) 注视热点直观反应受试者在某个区域的停留时间长短和注视点的空间分布.此评估指标能较为直观地反映受试者对界面的关注区域,针对重要信息的布局设计进行评估,同时评估是否有无关信息的干扰.

3) 注视点数目与视觉搜索的绩效成反比,注视点数目越多表明视觉搜索的效率越低,注视点数目越少则表明搜索的效率越高.受试者对界面的信息获取,以及决策判断的效率都与此指标相关.

4) 注视点序列追踪受试者眼球的转动,依次标记出注视点在注视区域之间的位置转换、停留时间、移动顺序和路线.该指标用来度量界面布局的有效性以及层级信息的合理性.

1.2 质量评估模型构建

建立数字界面评估模型时,可参考McCall模型、Boehm模型、FURPS模型、ISO 9126模型等常见的软件质量评估模型[7].评估软件质量的通用模型一般分为3层：第一层次评估指标为质量特性；第二层次评估指标为质量子特性；第三层次评估指标为度量指标.度量指标需要根据具体的评估对象进行合理选择[8].在评估模型的构建过程中,将以上软件质量模型的构建逻辑引入到数字界面的评估体系中.本文根据“属性—准则—度量”的原则,以界面功能实现的关键元素作为模型的属性,以界面元素的设计合理性作为模型的构建准则,以眼动实验技术指标作为模型的度量指标,建立数字界面质量的眼动评估模型.评估模型构的建过程如图1所示.

图1 数字界面质量的眼动评估模型构建过程

借助软件质量评估通用模型的层次划分理论,分析数字界面的属性,把情感吸引性、设计复杂性、交互高效性和认知负荷大小作为数字界面质量评估模型的质量特性.根据数字界面的设计准则[9],通过质量特性推导出质量子特性.其中情感吸引性对应界面设计的基本元素,设计复杂性对应界面信息的数量和界面布局,交互高效性对应注视平均时间和操作正确率,认知负荷对应认知资源投入量.最后把眼动技术指标作为度量指标,建立数字界面质量的眼动评估模型,如图2所示.

图2 数字界面质量眼动评估模型

该数字界面质量眼动评估模型中质量特性、质量子特性和度量指标之间的映射关系如下：

1) 情感吸引性.利用数字界面对用户的认知吸引性,来反映用户对界面的情感因素.把界面的图形、控件、字体、色彩等基本设计元素作为评估模型的质量子特性.

2) 设计复杂性.不同层级的大量信息呈现给用户,且不同类别的设计元素组件按照一定的设计规律布局呈现,因此界面设计具有复杂性.将信息数量和界面布局归纳为评估模型的质量子特性.设计复杂性的计算公式[10]为

式中,C表示复杂性;N为所有组件的数目;n为组件种类;Pi为第i类组件出现的概率.可看出,复杂性与组件数目、组件种类和Pi相关,N,n和Pi越大,对象设计越复杂.

3) 交互高效性.人机界面交互是人和界面之间进行信息沟通的一个双向过程.人机交互的高效与否在一定程度上可作为评估界面设计优劣的指标,任务完成时间和操作的正确率与交互高效性密切相关.任务完成时间在眼动实验中用注视平均时间来衡量,注视平均时间反应测试人员提取信息的难易程度,注视时间越长表明信息提取的效率越低.操作的正确率也能在一定程度上作为界面交互高效性的表征反映.

4) 认知负荷.用户对界面的认知过程需要认知资源的投入,认知资源的投入比例与界面带给用户的认知负荷是息息相关的.本文采用眼动追踪的生理测评方法对认知负荷大小进行测量.眼动技术指标中的瞳孔直径与认知负荷密切相关.当认知负荷变高时,瞳孔直径会扩大;反之,认知负荷变小时,瞳孔直径也会相应变小.

2 基于界面质量模型的眼动实验

2.1 实验材料

目前F-18战斗机座舱显控界面的数据比较完整,因此本文选取F-18战斗机显控界面作为实验样本.实验图片尺寸为1 024×768像素,格式为BMP图片,位深度为16,符合眼动仪屏幕的分辨率需求.

2.2 实验准备

被试为东南大学和南京大学的本科生和研究生,共15人.其中考虑飞行员大多为男性,因此被试选取男生较多,男生10人,女生5人,年龄在23～27岁之间.被试人群无色弱或色盲现象.实验设备为德国SMI公司的iView X系列Hi-Speed型高精度眼动仪,包括iView PC测试计算机、Stimulus PC图像显示计算机和测试托架.

2.3 实验任务

根据情境任务假设方法[11],设计F-18战斗机显控界面眼动实验任务:

1) 要求被试按照自己对界面的理解观察界面,设定界面呈现时间为2 000 ms,中间空屏呈现1 000 ms.

2) 要求被试检查界面的引擎界面是否处于正常状态,并要求被试口头回答是否正常,按任意键结束.

3 眼动实验数据分析

3.1 注视点数目

根据数字界面质量眼动评估模型的质量特性中的指标-情感吸引性,统计用户的注视点热区和注视点数目,划分界面的兴趣关注区域(AOI),结果如图3所示.

(a) 界面1兴趣关注区域

(b) 界面2兴趣关注区域

首先分析15个被试在任务1中对界面1、界面2的兴趣关注区域的注视点数目,结果如图4所示,均值和方差如表1所示.根据数字界面质量眼动评估模型可知,在兴趣关注区域的注视点数目多则吸引性好,因此界面2情感吸引性优于界面1.

图4 兴趣关注区域注视点数目对比

主界面样本容量/人均值/个标准差1158．66666710．0119002159．8666676．356849

3.2 注视点序列

15名被试在实验过程中对界面1和界面2进行操作.通过注视点序列的轨迹,可以呈现被视的注视轨迹是否按照界面既定任务的操作流程进行移动,同时可以考察被试是否理解实验任务,是否按照实验任务的指导语执行实验任务.单个被试在界面1与界面2的注视点序列如图5所示.

(a) 界面1的注视点序列

(b) 界面2的注视点序列

由图5可看出,单个被试在界面1中的注视点序列路径比界面2的注视点序列路径复杂,有迂回路径,且注视点数目多于界面2.根据数字界面质量眼动评估模型,界面的注视点序列清晰明确,且注视点数目较少,则界面布局较好;因此界面1设计复杂性高于界面2,界面2的交互高效性优于界面1.

3.3 瞳孔直径分析

所有被试在完成界面1和界面2检查任务时的瞳孔直径平均值如图6所示,所得均值和方差如表2所示.

根据数字界面质量眼动评估模型,执行实验任务时,被试的瞳孔直径越大,其对于界面的认知负荷越大.因此,根据评估模型的质量特性中的认知负荷指标,界面1需要用户投入的认知资源量大于界面2,即界面1的认知负荷高于界面2.

图6 被试瞳孔平均直径分布图

主界面样本容量/人均值/个标准差11558．153775．25656621554．424764．872989

4 结语

本文借助产品质量评估模型和眼动追踪技术,构建了数字界面质量评估模型.从界面功能实现的属性需求出发,定义了评估模型的质量特性.由质量特性推导出质量子特性,把界面设计基本元素、界面信息数量、界面布局、注视平均时间、操作正确率和认知资源投入量作为模型的质量子特性的衡量指标.从眼动实验中提取了注视点热区、注视点数目、注视点序列、瞳孔直径等技术指标,建立评估模型的度量指标.在质量子特性和度量指标映射关系的基础上,建立数字界面质量评估模型.最后,通过眼动实验研究,实现了对战斗机显控界面客观综合的评估,验证了此数字界面质量评估模型的有效性.

References)

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Quality assessment model of digital interface based on eye-tracking experiments

Chen Xiaojiao Xue Chengqi Chen Mo Tian Jing Shao Jiang Zhang Jing

(School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)

To improve the rationality of the interface design and the evaluation accuracy, combining eye tracking and the quality assessment model from the field of software engineering, a digital interface quality evaluation model is proposed. First, based on the analysis of the interface function, four quality characteristics are achieved and considered as the first level evaluation indices. These quality characteristics are attractiveness, complexity of design, efficiency of interaction, and cognitive load. Then, six child quality characteristics and some metric elements are identified by mining the model’s quality characteristics, which are classified as the second and the third level evaluation indices. Therefore, a multidimensional and multilevel evaluation model based on the digital interface is established. Finally, a comprehensive assessment of the aircraft display interface was achieved by the experiment of F-18 aircraft display interface based on tasks. The evaluation results demonstrate that the model can effectively improve the reliability of interface evaluation results.

digital interface; eye-tracking; evaluation model; quality; quantitative evaluation