基于眼动追踪技术的WinCC界面评价

王 京, 马 峻, 吕世霞

(北京电子科技职业学院 汽车工程学院， 北京 100176)

WinCC作为一种过程监视系统,为工业领域提供了完备的监控与数据采集功能。WinCC的显示界面能直观、明了地显示设备有关参数和状态,可以使操作者实时了解相关设备运行状态、注意到当前模拟值在全量程范围内所处的位置,为及时准确地做出处理决定提供了依据,所以显示方式和布局是提高监控工效中需要重点研究的问题。

Barkana等[1]的研究指出,依据眼动特性对外科手术界面进行改进可提高界面的可用性。Shrestha等[2]指出了更多的注视信息集中在图片上。Radecky等[3]设计了5种包括不同滚动图片的界面,并使用眼动指标对其进行了评价。程时伟等[4]对手机界面的3种基础布局结构，即宫格与框架、标签式框架和侧边展开式框架进行了测评。本文借助眼动测量手段，并结合主观调查问卷对WinCC显示界面的样式设计进行验证评估，其结果将为工业控制领域中各种显示信息的布局设计提供理论依据和数据支持。

1 实验设计

传统的显示界面评价方法如模拟任务、用户访谈、实验者观察、问卷调查等[5],无论是在测试前完成，还是在测试后进行,都会在实验的客观性方面存在一定缺陷。眼动仪可以在人机交互过程中观测眼球运动,使获得交互过程中的数据成为可能,为评价提供了更加客观的依据。李永锋等[6]对车载信息系统界面进行了评价，并对相应界面的改进提供了参考。

1.1 实验被试者

本实验选取12名在校学生,年龄为22～25周岁。所有被试者均没有遗传性家族神经疾病史,裸眼视力或矫正视力在1.0以上,均为右利手。在进行实验前已征得被试者同意,并有适量报酬。

1.2 实验设备

本实验使用德国SMI公司的iViewX RED 桌面式眼动测量系统。其硬件主要包括一台笔记本电脑,一个609.6 mm2(24英寸)的显示器和眼动追踪模块。系统的采样率为60 Hz,追踪分辨率为0.03°,凝视定位精度为0.4°。笔记本电脑为控制机,由主机控制实验进程,显示器呈现界面给被试者。眼动追踪模块安装在显示器的下方,它可以实时追踪、采集被试者的视线位置,并将采集到的数据信号存储到控制机笔记本电脑中,经BeGaze软件系统的计算处理,可以得到注视、扫视、瞳孔和眨眼的眼动数据。

1.3 评价对象

评价对象为3种不同样式的WinCC工业控制仪表所构成的视觉操作界面。其中原始界面(图1(a))中储液罐的容量和加热槽温度显示采用的传统的数值显示设计,以“界面1”表示。图1(b)在原始界面的基础上将碱水罐、溶剂罐、加热槽的显示值改为更加醒目的颜色,更有利于操作人员进行认读及观察。此外,将界面中按钮区域用醒目的色框标识,使按钮界面更加醒目、生动防止误触,以“界面2”表示。图1(c)在原始界面的基础上参考现代工业仪表视觉显示的设计,使界面更具有现代化；并在数字显示与刻度显示相结合的基础上,增大数字显示的字号,增加储液罐及加热槽的刻度显示,让仪表的认读更加精准。该界面还增加显示数字周围的背景色变化来提示仪表异常,使操作人员能更加清晰地观测到异常仪表,以“界面3”表示该界面。

图1 视觉操作界面

1.4 实验任务

每名被试首先从界面的可用性、舒适性及美观性3个角度综合考虑选出最好界面、中等界面、最差界面。并对最好界面与中等界面、中等界面与最差界面通过两两比较的方法[7]进行打分,打分量表见表1。

表1 两两比较法打分量表

主观评价后,将12名被试者分为3组,分别按“界面1、界面2、界面3”“界面2、界面3、界面1”“界面3、界面1、界面2”的顺序进行实验。每种界面包括20张仪表指针位置不同的图片,20张图片中有4张所有仪表全部正常、8张有1个仪表异常、6张有2个仪表异常、4张有3个仪表异常。

每张测试图片之前有一张缓冲界面用来提示下一张图片需要认读的仪表,实验要求被试者首先以最快速度读出需要认读仪表的当前数值,然后找出当前图片中异常的仪表和需要完成的“升高”或“降低”操作。若被试者在某张图片中存在仪表认读错误、异常仪表搜索不全或异常仪表需要进行的操作错误中的任何一项失误,则将该张图片记为任务失败。

1.5 实验流程

(1) 让被试者熟练记住界面中各仪表所在位置,并进行练习至熟悉实验任务和流程。

(2) 调整被试者的位置和坐姿,使被试者眼睛距离屏幕50 cm左右。

(3) 调整屏幕的高度和角度,使被试者视线放松时视线中心落在屏幕的中心附近,且视线与屏幕之间的角度大约保持90°。

(4) 进行眼动仪的标定。

(5) 进入实验任务界面,被试者调整好后按下空格键开始实验,完成当前界面的20张实验图片后,让被试休息1～2 min后,重新进行眼动仪的矫正,并开始下一种界面的实验。

2 实验结果与分析

2.1 主观评价结果

12名被试者中有10名被试者选择的最好界面、中等界面、最差界面排序为界面3、界面2、界面1,另2名被试的排序为界面3、界面1、界面2。这10名被试按表1中打分量表的打分结果为：界面3与界面2比较的打分平均值为6.4,界面2与界面1比较的打分平均值为3.2。因此被试者主观评价结果为界面3比界面2明显好,界面2比界面1稍好。这说明更具现代感的界面3更容易被人们所接受,使人在视觉感受上更加舒适、美观。

2.2 反应时间及正确率结果

总共12名被试者,每种界面进行测试的总图片张数为12×20=240张。界面1中实验任务失败的图片总数为10张,正确率为95.8%;界面2中实验任务失败的图片总数为7张,正确率为97.1%;界面3中实验任务失败的图片总数为3张,正确率为98.8%。

表2为12名被试者完成实验任务时每张图片所需的平均时间结果。利用单因素方差分析方法对3种界面的反应时间进行两两比较,界面1与界面2之间没有明显差异(p>0.05),界面1与界面3之间有显著性差异(p<0.05)。由于本文讨论的是2个修改界面(界面2、界面3)对原始界面(界面1)的改进,因此本文不对界面2与界面3进行单因素方差分析比较。

表2 每种界面完成实验的平均时间 ms

表2(续) ms

为了进一步分析界面3所需反应时间显著性小于原始界面的原因,将反应时间按异常仪表个数进行分类统计,其结果如表3所示。通过单因素方差分析法对界面1与界面3的反应时间进行方差分析,当异常仪表个数为0个、1个或2个时,反应时达到了显著性水平(p<0.05);当异常仪表个数为3个时候,反应时没有显著性差异(p>0.05)。

为了更直观反映界面3在不同异常仪表个数的情况下反应时的变化规律,对界面3与界面1的比值进行了计算。由表2中得到的结果表明，界面1与界面2之间均没有明显差异,因此这里不对界面2与界面1的比值进行计算。

表3 反应时间分类统计结果

从表3中可以看出,随着异常仪表的个数增加,3种界面的任务完成时间均随之增加,这符合真实任务难度的情况。

2.3 眼动数据结果

本文分析的眼动指标包括注视点个数、注视总时间、眼跳次数、扫视总长度、平均瞳孔直径,这些指标统计结果见表4。利用单因素方差分析方法对3种界面的眼动指标进行方差分析,这5项眼动指标在界面1与界面2之间均没有明显差异(p>0.05);5项眼动指标在界面1与界面3之间均存在显著性差异(p<0.05)。该结果与上文得到的反应时结果相符合。

表4 反应时分类统计结果

与反应时间结果的分析方法类似,将上述5个眼动指标按异常仪表个数分类统计，结果如表5—表9所示。单因素方差分析法对界面1与界面3的眼动指标比较结果为：注视点个数、眼跳次数和扫视总长度3个眼动指标在异常仪表个数为0个、1个、2个时有显著性差异(p<0.05);当异常仪表个数为3个的时候没有显著性差异(p>0.05)。注视总时间在异常仪表个数为0个、1个时有显著性差异(p<0.05);当异常仪表个数为2个、3个的时候没有显著性差异(p>0.05)。平均瞳孔直径在任何时候均没有显著性差异(p>0.05)。

表5 注视点个数指标分析

表6 注视总时间指标分析

表7 眼跳次数指标分析

表8 扫视总长度指标分析

表9 平均瞳孔直径指标分析

从表5—表9中可以看出,随着异常仪表的个数增加,3种界面的眼动指标均随之增大,这与反应时间结果所得到的规律相符合,证明了这5种眼动指标用于界面评价的可靠性。

3 分析与讨论

从主观评价结果中可以看出，12名被试者均将界面3选择为最好界面,且两两比较结果为明显好于中等界面。这说明在原始操作人员界面的基础上增大显示数字,增加显示数字周围的背景色变化来提示仪表异常、将界面设计得更具现代化、更容易被人们所接受。

从表2与表3的反应时间结果中可以看出,界面3相对与原始界面有显著改善,因此在仪表异常时增加显示数字周围的背景色变化,使异常提示颜色面积更大,从而便于被试者更加快速、准确地找到异常仪表。这与Hayashi等人[8]对显示方式评价结果相一致。因此，不管是从任务完成时间，还是正确率来看,界面3都是3种界面中最好的。此外,从表3中的界面3与界面1的比值可以看出,异常仪表个数越少的时候,反应时间缩短的越明显。

表4中各项眼动指标均反映了界面3相对于原始界面有显著改进,而界面2相对于原始界面没有显著改进,这与主观评价结果和反应时结果均相符合。此结果不仅进一步从客观角度体现了改进后的界面3优于原始界面,而且证明了表4中所使用的眼动指标对于操作人员界面评价的有效性。从表5—表9的结果中可以看出,除平均瞳孔直径外,各个眼动指标都是在异常仪表的个数越少的时候,界面3与界面1的比值越小,即修改界面对原始界面的改进效果越显著。该结果也与反应时间按异常仪表个数分类的分析结果相符合,进一步证明了界面3中的改进措施具有推广应用价值。

从表9中可以看出,由于人眼本身的结构特性,平均瞳孔直径的变化范围很小,因此很难从界面3与界面1的平均瞳孔直径比值中反映界面的改进程度。平均瞳孔直径反映的是在完成实验任务时,信息加工负荷的大小与任务难度的变化,因此无论是原始界面还是修改界面,平均瞳孔直径都随着异常仪表个数的增加(任务难度的增加)而增大。这与Hess等[9]在研究眼动指标和任务难度变化之间的关系中得出的结论相符合。表4中界面3的平均瞳孔直径小于界面1的平均瞳孔直径,界面2的平均瞳孔直径与界面1的平均瞳孔直径基本相同,这证明了界面3中的改进措施可以有效降低被试者完成任务时的认知复杂度。此结论也与反应时和其余眼动指标分析得到的结论相符合。

图2更直观地展示了反应时间和眼动指标在每种界面中所占比例的归一化结果。从图中可以看出,除平均瞳孔直径以外,反应时间和各项眼动指标的变化趋势基本相同。因此,本文提到的5项眼动指标可以为工程实际中各种显示信息的布局设计提供理论依据和数据支持。

图2 反应时间和眼动指标归一化结果

4 结论

本文所使用的基于主观评价与客观眼动数据相结合的视觉操作界面评价方法,在满足了以往传统的可用性和用户体验的评估方法基础上,利用眼动数据为界面评价提供更加客观的依据,为新型WinCC界面设计提供了新思路。

主观数据和客观眼动数据均反映了对界面进行显示数字增大、增加仪表异常时显示数字周围的背景色变化、采用现代化的界面设计有助于数据认读的效率提高。

本文通过主观评价、反应时与眼动指标比较,证明了注视点个数、注视总时间、眼跳次数、扫视总长度、平均瞳孔直径这5项眼动指标可用于客观评价界面的可用性。眼动追踪技术对界面中仪表样式的设计、界面布局等的评价工作有较强的实用性,可以提供客观的、可相互比较的、量化的度量标准。