挖泥船监控界面的颜色编码实验研究

钱丽娜 ，倪福生 ，吴晓莉 ，蒋 爽

（1.河海大学疏浚技术教育部工程研究中心，江苏 常州 213022；2.河海大学机电工程学院，江苏 常州 213022）

1 引言

随着现代大型挖泥船性能的复杂化，其监控任务界面的集成性程度越来越高，监控任务界面中承载了大量的信息特征，对监控界面进行合理的视觉编码可以使驾驶员快速观察和识别信息。

颜色是视觉信息的重要组成部分，其编码方式对界面设计有十分重要的影响[1]，目前已经受到国内外许多学者的关注和研究。文献[2]提出了如何通过颜色三属性对界面进行视觉分层的编码原则。文献[3]分别从文字的颜色和明度对用户的分辨和感知进行了显著性水平实验，建立了相关因素对反应时的影响公式。文献[4]认为通过控制颜色的色相、明度、纯度组成层次化色彩结构能有效提高人对重要信息的认知水平。文献[5]通过对不同色彩背景下视觉认知的研究，得出色彩可以调节操作者的生理状态，并影响任务的完成绩效。文献[6-7]通过实验得出脑力负荷对不同颜色编码的信息辨识情况影响不尽相同。文献[8]通过视觉认知实验，探讨了不同颜色视标对黑背景色的认知差异。文献[1]提出了利用两种颜色之间的相互干扰反应时间之差判断其注意捕获程度，并进行了相关实验。文献[9]提出基于BP神经网络的人机界面感性意向设计，将色彩等因素作为界面的设计要素，并建立了数学预测模型。文献[10]将颜色作为呈现复杂度的一个重要因素并通过实验分析了颜色对人的认知影响。

认知层面的信息加工对一切认知或认知过程进行研究，包括感觉、注意、记忆、思维和言语等。从视觉感知角度，颜色编码会影响注意的选择性加工过程及注意资源在信息中的优先分配。不同颜色的显示差异会形成不同的颜色感知水平，从而影响认知的注意捕获程度。在某个背景颜色下，若目标色的注意捕获程度强，则该“背景色/目标色”编码会提高人的认知效率，反之则降低。

实验以挖泥船监控界面为原型，分析不同任务水平、不同界面复杂度下“背景色/目标色”编码对信息辨识和认知绩效的影响，找出合理的颜色编码方案。得出的实验结论可为工程机械领域的相关界面设计提供一定的参考。

2 颜色编码实验

2.1 实验材料

实验以某型号绞吸挖泥船施工定位监控界面作为实验对象，刺激特征项为界面中的水底地形深度数据。将原始界面适当抽象化设计后按照复杂度分为低、中、高3个水平，界面像素大小为 740×400，如图 1 所示。图 1（a）为“低”复杂度呈现界面，包括半圆形绞刀简化图和大小随机显示的地形深度数据，字号字体为“18号宋体”；图1（b）增加了施工规划线；图1（c）在施工规划线旁增加了地形参考数据，字号字体为“10号宋体”。

黑、白、红、绿、蓝、黄这6种颜色具有很强的视觉易辨识性，因此界面的“背景色/目标色”颜色编码选取“白/红”、“白/蓝”、“白/绿”、“黑/红”、“黑/绿”、“黑/蓝”、“黑/黄”7个方案。为了更有针对性地分析黑白背景下目标颜色对操作者认知绩效的影响，界面中除了刺激项（深度数据）为有色外，其余均为黑白色。

图1 实验中的挖泥船定位监控界面Fig.1 The Dredger Monitoring-Interface of Location in Experiment

2.2 实验设计

实验采用7×3×3的被试内设计。因素1为7种不同的“背景色/目标色”编码方案；因素2为界面复杂度，分为低、中、高三个水平；因素3为任务复杂度，按照脑力水平的高低每个界面有3个不同的任务水平，如表1所示。为消除经验影响，每个界面中的深度数据均为随机分布。实验共计63个试次。

表1 实验任务Tab.1 The Tasks in Experiment

2.3 实验设备与程序

实验采用Tobii X120眼动仪记录被试的眼动行为，实验程序采用E-Prime编写。目标刺激呈现在17英寸显示器中央，屏幕分辨率为1920×1080，采样频率为120Hz。实验在人因交互实验室进行，室内照明正常（40W日光灯）。被试为20名在校本科生和研究生，10男10女，年龄在21～26岁之间，视力或矫正视力正常，无色盲色弱。本实验的数据采用统计软件SPSS进行处理分析。

实验开始前要求被试熟悉实验内容和流程，并进行2～3次的实验练习。实验开始前先对被试进行眼校准，随后实验开始，被试根据实验指导语完成相应的任务，实验过程，如图2所示。反应时和正确率作为实验结果的两大评价指标，其数据由系统程序通过记录被试的按键反应时间和眼动轨迹来采集。为保证数据采集的准确性，若被试的眼动数据采集率低于75%，则剔除该实验数据。

图2 实验过程Fig.2 The Experimental Process

3 实验数据分析与讨论

3.1 不同任务水平下各颜色编码的绩效分析

3.1.1 不同任务水平下的反应时分析

对反应时方差分析表明，在0.05的显著性水平上，无论黑白背景，任务水平I和任务水平II的目标色主效应均不显著（p>0.05），任务水平III目标色主效应均显著（白背景下为F=4.060，p＝0.027<0.05；黑背景下为 F=4.223，p＝0.011<0.05）。说明任务简单时目标色对反应时的影响不显著，对于任务难度较高时目标色对反应时的影响显著。最高水平任务和最高界面复杂度下目标颜色的最小差异法验后多重比较检验结果，如表2所示。

表2 目标颜色的最小差异法（LSD）验后多重比较检验Tab.2 Post Hoc Tests For LSD of the Target Colors

3种任务水平下“背景色/目标色”编码的反应时，如图3所示。当任务水平为I和II时，目标颜色反应时变化不明显。当任务水平为III时，目标色对反应时的影响明显扩大，显著性最强。说明在任务较复杂时，合理的颜色编码可以有效地提高任务绩效。在较高脑力负荷水平下，“白/红”、“白/蓝”的反应时最短，较适合作为界面的“背景色/目标色”组合，“白/绿”、“黑/蓝”反应时最长，不是合理的颜色编码方案。其中，“黑/黄”的明度差异最大，识别性比较高，但会导致瞳孔收缩与扩大的差距过大，容易引起眼睛疲劳[7]。实验表明，在完成较高脑力负荷任务时，高明度差异的“黑/黄”反应时较长，亦不是理想的编码方式。此外，任务水平为II和III时，黑色背景的平均反应时要明显高于白色背景，说明白色更适合作为挖泥船监控界面的背景色。

图3 3种任务水平下各“背景色/目标色”组合的反应时Fig.3 Reaction Time of“Background Color/Target Color”on 3 Task Levels

3.1.2 高任务水平下的正确率分析

对正确率数据进行统计分析，简单任务的正确率在98%以上，出错率主要集中在高水平任务中。被试完成高水平任务的正确率，如表3所示。“白/红”、“白/蓝”、“黑/绿”的正确率最高，“黑/蓝”、“黑/红”、“黑/黄”的正确率最低。

表3 高任务水平下各颜色编码的正确率（%）Tab.3 The Correction Rate of Color Encodings on High Task Level（%）

综合反应时和正确率的分析，对于复杂任务的监控界面，“背景色/目标色”较合理的 3 个方案为：“白/红”、“白/蓝”、“黑/绿”。

3.2 不同复杂度界面的反应时分析

白色背景下对反应时方差分析表明，界面复杂度I的目标色主效应（F=0.619，p＝0.545>0.05）不显著，界面复杂度 II和 III的目标色主效应（F=4.654，p＝0.02<0.05；F=5.562，p＝0.009<0.05） 均显著。黑色背景下对反应时方差分析表明，界面复杂度I、II、III的目标色主效应（F=5.484，p＝0.003<0.05；F=3.492，p＝0.026<0.05；F=3.376，p＝0.032<0.05）均显著。说明界面复杂度对目标颜色的影响较大。

图4 3种复杂度界面下的反应时Fig.4 Reaction Time on 3 Interface Complexities

表2反应了界面复杂度为III时各颜色编码的影响情况，与高任务水平时的影响情况相似，说明颜色编码在高认知负荷下的影响最显著。3种界面复杂度下各颜色编码的反应时，如图4所示。可以看出被试的反应时间存在明显差异。不考虑任务的难易，当界面呈现低复杂度内容时，“白/红”、“黑/绿”、“黑/红”的反应时最短；当界面呈现内容较复杂时，“白/蓝”、“白/红”的反应时最短。

3.3 不同任务水平对界面复杂度的影响

对反应时数据的方差分析表明，低任务水平的界面复杂度主效应（均方比值F＝3.149，P＝0.067>0.05）和中等任务水平的界面复杂度主效应（F=1.662，p＝0.223>0.05）均未达到显著性水平，高任务水平的界面复杂度主效应（F=4.755，p＝0.025>0.05）达到显著性水平。说明在完成较难任务时，界面的复杂度对反应时的影响显著。

被试在三种复杂度界面下完成三个水平任务的反应时，如图5所示。界面复杂度的高低对简单任务的反应时影响不大，但会对较难任务的反应时产生显著的影响。

图5 3种任务水平下的反应时Fig.5 Reaction Time on 3 Task Levels

4 结论

本研究从颜色编码角度，通过眼动实验研究了挖泥船定位监控界面的7种颜色编码在不同任务水平、不同界面复杂度下的影响情况。根据实验结果，可以得出以下结论：（1）不同任务水平对不同颜色编码的反应情况不尽相同：任务水平较低时，颜色编码的影响不大；当任务水平较高时，颜色编码的影响显著，“背景色/目标色”最佳的三个颜色编码方案为：“白/红”、“白/蓝”、“黑/绿”；相较于黑色，白色更适合作为界面的背景色。（2）不同界面复杂度下各颜色编码的影响具有明显差异：当界面复杂度较低时，可选择“白/红”、“黑/绿”、“黑/红”的编码组合；当界面复杂度较高时，“白/蓝”、“白/红”较适宜作为颜色编码组合。（3）界面复杂度的高低对简单任务的影响不明显，但会对较难任务产生显著的影响。在实际界面设计过程中，要综合任务水平的高低和界面的实际复杂度考虑颜色编码的选择。