基于视觉感知的人机交互界面优化设计研究

刘亚明，黄 慧

(1.北京师范大学珠海分校设计学院，广东 珠海 519087) (2.湖南工业职业技术学院工业设计与艺术学院，湖南 长沙 410082)

人机交互界面是操作人员获取各种装备运行特征和对装备实施有效控制的有效途径，其界面设计是否科学、合理将直接影响操作者对装备的操作及时性与准确性，特别是在重要或危险的情况下，及时、准确地完成操作更为重要，否则可能造成巨大的人员伤亡和经济损失[1]。在进行人机交互界面设计的过程中要考虑多种因素的影响，如操作单位的重要性、危险性、使用频率、功能分组等，同时也要考虑人体工程学。张云鹏[2]在对人类认知规律分析的基础上总结了人机交互界面优化设计的原则，同时通过建立数学模型对人机交互界面进行优化设计。宋正河等[3]建立了以元件可布置位置为约束条件、以界面匹配优度为目标函数的人机界面优化模型，同时将所建模型应用于具体的人机交互界面设计中。目前，人机交互界面优化设计已成为学术界关注的焦点。本文通过人眼视锥细胞感知特性构建人机交互界面感知强度等级模型，从视觉感知的角度建立人机交互界面优化设计的模型，并采用遗传算法进行求解，达到了提高装备系统人机界面操作及时性和准确性的目的。

1 相关理论概述

1.1 视锥细胞视觉特征

眼睛是心灵的窗户，人所感知的外部信息80%是通过眼睛获得的。人的眼睛在生理结构上具有人眼视锥细胞非均匀分布的特性，如图1所示[4]。

图1 人眼视锥细胞非均匀分布特性

由图1可知，人眼睛视网膜上视锥细胞呈现出典型的“离心效应”，即伴随着注视点和目标之间距离的增大，眼睛对目标定位的难度也越大。在人机交互界面中，视觉感知元素的不同布置位置会产生不同的视觉感知强度。

1.2 人机交互界面视觉感知强度等级

结合视锥细胞视觉特征可知，目标和视觉中心的距离越近，其视觉感知强度越高；目标和视觉中心的距离越远，其视觉感知强度越低。人眼视线聚焦凝视角为24°～26°，人的视线从视域的中心往外围扩散的视觉强度高低和人眼睛视网膜上视锥细胞的分布特性一致[5]。基于此，可以建立不同感知强度等级的感知域。设人眼与人机交互界面的距离为l，人眼到目标点视线和中心线的夹角为θ，视觉感知域半径为r，人眼视觉感知域如图2所示。

图2 人眼视觉感知域

由图2可知，视觉感知域半径r为：

r=ltanθ

(1)

以人机交互界面的视觉感知中心为圆心，将人机交互界面划分为不同视觉感知等级的区域，视觉感知等级由内向外依次递减。人机交互界面一般为矩形界面，根据视觉感知强度的分布特性将人机交互矩形界面划分为不同视觉感知等级的视觉域，如图3所示。

图3 人机交互矩形界面视觉感知强度模型

设最小单元正方形的边长为a，最小单元的面积与视觉感知域第一等级的面积大小相等，即

a2=πr2

(2)

图4 人机交互界面视觉感知域划分

2 人机交互界面优化设计方法

2.1 人机交互界面优化模型

人机交互界面布局优化的原则是依据重要性进行布局，在视觉感知强的区域布置重要元素，视觉感知弱的区域布置非重要元素，人机交互界面优化以最终界面的视觉感知强度为目标。为了建立人机交互界面优化模型，给出如下定义：

1)yi为人机交互界面视觉感知元素，Y={y1,y2,…,yn},为所有元素的集合；

2)di为人机交互界面视觉感知元素重要度，D={d1,d2,…,dn},为重要度元素集合；

3)si为人机交互界面视觉感知元素面积，S={s1,s2,…,sn},为所有面积集合；

4)xi为人机交互界面各区域划分的感知强度等级，X={x1,x2,…,xn},为所有视觉强度集合；

5)qi为人机交互界面各强度等级感知区域面积，Q={q1,q2,…,qn},为所有面积集合；

6)ri为人机交互界面视觉感知强度指数，R={r1,r2,…,rn},为所有感知强度指数集合，其中视觉感知强度指数ri为[6]：

(3)

式中：di为第i个视觉感知元素重要度；xj为第j个视觉感知区域的感知强度等级；qij为视觉感知元素i在第j强度区域所占单元格数。

某一视觉感知元素被布置到人机交互界面的某一位置上，若其视觉感知强度指数ri越大，则所在的区域越靠近人机交互界面的核心区域。基于视觉感知的人机交互界面优化设计数学模型为[7]：

(4)

满足

(5)

(6)

(7)

式中：Z为视觉传达指数。Z值越大，说明重要性越高的视觉感知元素位于视觉感知强度高的区域，人机交互界面的设计越合理。

2.2 优化模型求解

基于视觉感知的人机交互界面优化设计数学模型是典型的NP问题，本文采用遗传算法求解该问题[8]。假定有8个视觉感知元素需要布置在人机交互界面上，可以用视觉感知元素的编号作为染色体的基因片段[9]。结合编码规则，采用遗传算法求解该问题的流程如图5所示。

图5 模型求解流程图

3 实例分析

以某公司试验中心液压操作界面为例进行分析，根据多次试验统计数据将人眼与操作台的界面距离设定为60 cm。由视觉感知域半径公式得到视点为1°、5°、9°、13°和17°时的半径，来确定最小单元正方形的边长。结合视觉感知等级划分模型对基本单元所在区域的等级进行标识，获得由基本单元组成的人机交互界面等级图。结合试验中心液压操作系统的功能，将液压操作界面划分为6个模块，如图6所示。

图6 液压操作人机界面模块

对液压操作人机界面6个模块进行分析，比较6个模块的重要程度，同时采用优序法得到6个视觉元素的重要性程度排序，见表1。

表1 视觉元素重要性程度排序表

液压操作系统人机界面上的基本单元数量共有386个，同时对6个区域基本单元的数量进行统计，分别记为a1，a2，a3，a4，a5，a6，统计值分别为1，23，51，110，81，120个，其对应的视觉感知等级分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。结合当前人机交互界面的布局，各视觉感知元素的布局见表2。

表2 当前布局各模块不同等级基本单元

结合图7中6个模块在不同强度等级区域所占据的基本单元数量可以得到该液压系统人机交互界面的视觉传达指数Z为4 718。为了提高视觉传达指数，采用遗传算法求解人机交互界面设计数学模型，并采用视觉感知元素编码规则对染色体进行编码，单个染色体编码长度为6，遗传算法参数见表3。

图7 视觉传达指数Z计算参考图

表3 遗传算法参数

采用遗传算法(genetic algorithm，GA)求解本文所建立的人机交互界面优化设计数学模型，求得一组最优解。优化后的人机交互界面各模块不同重要等级基本单位构成见表4。

表4 优化布局后各模块不同等级基本单元

由表4数据计算得到优化后该液压系统人机交互界面的视觉传达指数Z为4 869，与优化前相比有了较大的提高，即人机交互界面视觉元素的布局更为合理，具体如图8所示。实际人机交互界面的设计不仅要考虑视觉传达指数，同时还要考虑人机交互界面的美观性，因此要对视觉传达指数优化后的人机交互界面从美学的角度进行局部调整，从而获得最终的人机交互界面设计方案。

图8 优化后参考人机界面

4 结束语

科学的人机交互界面对避免生产事故的发生起到了至关重要的作用。本文从视觉感知角度对人机交互界面的优化设计进行了研究，基于视锥细胞视觉特征对人机交互界面视觉感知强度等级进行划分，建立了人机交互界面优化模型，采用遗传算法对所建立的模型进行求解。以某公司试验中心液压操作界面为例，采用该方法对液压操作界面进行优化设计，通过对比优化前后人机交互界面视觉传达指数的变化验证了方法的有效性。本文方法对机械设备控制系统的人机交互界面优化设计有一定的参考价值。