以视野位置为因素的复杂信息视觉搜索实验

2020-03-17吴晓莉李奇志张科

人类工效学 2020年6期

吴晓莉,李奇志,张科

(1.南京理工大学设计艺术与传媒学院，南京 210094；2.河海大学机电工程学院人因与信息系统交互实验室，江苏常州 213022)

1 引言

复杂信息界面广泛应用于核电操控，战场指挥，船舶驾驶等环境中，具有信息量大、交互内容复杂、容易出错等特点。为了减少人为出错、提高搜索效率和安全性，对复杂信息界面开展视觉搜索实验，通过眼动生理指标测评搜索任务绩效。

国内外现有研究中，对复杂信息界面的设计布局提供了一些方法。Jaydeep[1]对交互界面布局提出了一种新的启发方式方法。Friedhelm[2]分析了现有复杂控制界面的人因失误，并且进行重新设计。Anokhin[3]对核电站主控制室的交互界面进行了人机工程学分析，提出了布局不规则和设备之间的不兼容是最典型的错误。Heather[4]等研究了自动化作战系统的信息呈现方式。吴晓莉[5-7]研究了复杂信息界面的视觉局限生理实验方法，提出出错因子概念并且通过实验进行验证。吴晓莉、薛澄岐等人[8]开展眼动实验，研究了数字化信息界面中操作员搜索信息的注意资源分配，得到了认知信息处理与任务的关系、信息搜索与监控区域的关系以及信息特征的集簇关系。Wilson[9]，王海燕等人[10-11]运用眼动技术在航战界面上开展实验，分别计算了任务复杂度和做出了优化方案。刘青[12]建立基于CAS的界面评估标准。李晶等人[13-14]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。

在对于视野位置的研究中，Posner[15]发现在空间流程任务中，有效线索能明显提高搜索效率，以此提出了注意的“聚光灯”模型。Eriksen[16]等人在Posner研究的基础上，提出了“透镜”模型，该模型把注意资源的空间分布看作连续的、逐渐变化的。Pomplun[17]将落在视网膜上的一行文字分为三个区域，中央窝视觉区(foveal region )、副中央窝视觉区(parafoveal region)和边缘视觉区(perpheral region )。臧传丽[18]研究了副中央窝视觉区在语意加工时的作用。中央窝视觉区与视线成1°到2°的视角，在此区域内，视觉灵敏度最高；在视线2°到10°的范围内，是副中央窝视觉区[19]。本文将中央窝、附中央窝视区结合复杂信息的视野位置，开展视觉搜索实验。

2 对象与方法

2.1 实验假设

在复杂信息界面中进行目标搜索任务时，可以是否符合野位置规律作为变量，研究搜索任务的凝视和扫视，反应时间和搜索正确率的变化。提出如下假设：

(1)不符合视野位置规律的目标比符合视野位置的目标，凝视扫视时间更长，扫视轨迹复杂；

(2)不符合视野位置规律的目标比符合视野位置的目标，难以搜索到；

(3)目标之间间距越小，越容易被找到；反之，难以搜索到。

2.2 实验设计

实验选取核电站硼和水补给系统界面为对象，提取该界面三种常用操作步骤：补给，稀释和硼化。每一步操作都有若干对应任务。

根据视野位置理论，取视距为500 mm，中央窝视觉区视角为2°以内，副中央窝视觉区视角为10°以内。不同视觉区的半径大小S=视距*tan(视角)。所以，中央窝视觉区的半径为500*tan(2°)=17.5mm。副中央窝视觉区的半径为500*tan(10°)=88.2mm。如图1所示，由此在原界面上标出中央窝和副中央窝视觉区：灰色区域为副中央窝视觉区范围，中心高亮度区域为中央窝视觉区范围，中心圆区域为第一步任务所对应的信息块(稀释任务第一步操作为例)，中央窝视觉区正对应第一步任务所对应的信息块。

做出如下定义：如果该任务第二步任务所对应的信息块在第一步操作的副中央窝视觉区内，则定义为第二步信息块符合视野位置规律。反之，如果第二步任务所对应的信息块不在第一步操作的副中央窝视觉区内，则定义为不符合视野位置规律。

该界面三种常用操作补给、稀释和硼化分别有7、4、3共计14个任务。如表1所示，在这14个任务中，有8个任务属于符合视野位置规律的任务，6个任务属于不符合视野位置规律的任务。

3 结果

选出采样率为70%以上的8名被试数据作为有效数据。将有效实验数据(8名被试*14个任务)按任务类型进行整理，计算出每种任务8名被试的平均凝视时间、平均凝视次数、平均扫视时间、平均扫视次数、平均反应时间和找到次数。以是否符合视野位置规律作为变量，将任务分为符合视野位置规律和不符合视野位置规律两种类型，从凝视、扫视、总反应时间和找到次数与视野位置的关系。

3.1 凝视和扫视

3.1.1 凝视

凝视与认知加工有密切的关系。在大脑做出判断、选择、决策等活动时，眼睛会开始凝视。

在对平均凝视次数和平均凝视时间的Levene检验中，平均凝视次数(显著性P=0.737>0.05)和平均凝视时间(显著性P=0.865>0.05)，均满足方差齐性，可以使用单因素方差分析法。表2中，平均凝视次数(P=0.028，P<0.05，F=6.217)和平均凝视时间(P=0.033，P<0.05，F=5.839)主效应均显著。这表明，视野位置因素对认知加工有影响。

在图2-a，2-b中，可以看出“不符合视野位置规律”一类的任务的平均凝视次数和平均凝视时间均高于“符合视野位置规律”一类任务。说明对于不符合视野位置要求的任务，大脑需要花费更多精力辨识和思考。

表2 平均凝视次数和平均凝视时间方差分析表

3.1.2 扫视

眼睛在寻找目标的过程称之为扫视。在对平均扫视次数和平均扫视时间的Levene检验中，平均扫视次数(显著性P=0.791>0.05)和平均扫视时间(显著性P=0.811>0.05)，均满足方差齐性，可以使用单因素方差分析法。表3中，平均扫视次数(P=0.019，P<0.05，F=7.266)和平均凝视时间(P=0.006，P<0.05，F=11.362)主效应均显著。这表明，视野位置因素对扫视有影响。

在图3-a、3-b中，可以看出“不符合视野位置规律”一类的任务的平均扫视次数和平均扫视时间均高于“符合视野位置规律”一类任务。说明对于不符合视野位置规律一类的任务，眼睛需要花费更多时间寻找目标。

表3 平均扫视次数和平均扫视时间方差分析表

3.1.3 凝视、扫视和眼动轨迹

根据凝视和扫视的分析结果，可以进一步分析视野位置规律和扫视轨迹的关系。表4为各任务8名被试的扫视轨迹图和对应步骤的副中央窝视觉区的叠加图。如图分析可知，对于符合视野位置规律的任务，扫视轨迹更加紧密，大部分分布在副中央窝视觉区内。结果表明眼睛在副中央窝视觉区内搜索目标。而不符合视野位置规律的任务(见表5)，部分扫视轨迹分布于副中央窝视觉区内，部分扫视轨迹分布于副中央窝视觉区外，即边缘视觉区内，并且没有规律。表明眼睛先搜索副中央窝视觉区内的目标，在没有找到对应目标后，开始在边缘视觉区内寻找目标。

表4 符合视野位置规律的任务扫视轨迹和视觉区叠加图

表5 不符合视野位置规律的任务扫视轨迹和视觉区叠加图

3.2 反应时间和找到个数

在一次搜索任务中，被试寻找目标的时间总和，称为反应时间。对于所有14种任务，每名被试成功寻找到某一目标，记为一次找到个数。

在对反应时间和找到个数的Levene检验中，总反应时间(显著性P=0.716>0.05)和找到个数(显著性P=0.660>0.05)均满足方差齐性，可以使用单因素方差分析法。

在表6中，反应时间(P=0.007，P<0.05，F=10.485)主效应显著。这表明，视野位置因素对反应时间有影响。

表6 反应时间和找到个数方差分析表

在图4-a、4-b中，可以看出“不符合视野位置规律”一类的任务的反应时间高于“符合视野位置规律”一类任务。说明对于不符合视野位置规律一类的任务，被试需要更多时间才能找到目标。找到个数(P=0.020，P<0.05，F=7.164)主效应显著。这表明，视野位置因素对找打个数有影响。“不符合视野位置规律”一类的任务的找到个数高于“符合视野位置规律”一类任务。说明对于不符合视野位置规律一类的任务，目标更加难以被找到。

4 讨论

将14个任务按照信息块间距的大小升序排列，顺序为“硼化2、补给4、硼化1、稀释2、补给3、稀释3、硼化3、补给6、补给5、补给7、补给1、补给2、稀释1、稀释4”。分析其反应时间和找到个数。将符合视野位置规律的任务和不符合视野位置规律的任务单独分析，如图5-a、5-b所示，可以看出反应时间和找到个数并在变化上出现了一些波动，反应时间没有随着信息块间距的增大而增大，找到个数没有随着信息块间距的增大而减少。再将这两种类型任务合并分析，信息块间距在突破副中央窝视觉区范围时，即从符合视野位置规律变成不符合视野位置规律后，找到个数明显减小，反应时间明显增加。这说明，在给定一个目标寻找下一个目标时，眼睛会优先搜索前一个目标副中央窝视觉区范围内的信息。而对于在副中央窝视觉区内的目标，信息块间距对目标搜索没有直接影响。