旋挖钻线性图标线宽和面积比对搜索绩效的影响

朱 惠， 邵 将， 张 滢

（中国矿业大学 建筑与设计学院， 江苏 徐州 221116）

0 引言

随着我国基础施工范围的不断扩大，旋挖钻作为一项先进高效的灌注桩式成孔设备， 被广泛应用于水利、高层建筑、城市建筑、铁道公路桥梁等桩式基础工程的施工。 在智能制造信息系统集成化发展趋势的影响下，工业信息系统图标量相应增加，而图标复杂性也有所增加。 图标设计不合理，会加重操作者的认知负荷，甚至造成操作失误，继而引发事故。 因此，对工业信息图标进行合理化设计，对降低操作者认知负荷，准确、高效获取界面信息，及时得到反馈有重要意义。

1 研究现状

目前已有较多学者对图标特性展开了大量研究。 图标特性包括图标尺寸，图标的视觉复杂度，图标颜色，图标风格等。 结果发现，多数图标特性对图标的搜索绩效有显著影响。

图标尺寸。 设计元素图标尺寸会影响图标搜索的速度和准确性。 人眼是外界信息输入的主要渠道，在特定观察距离范围内图标尺寸决定了视网膜成像的大小， 进而影响视觉信息的处理。 因此，过大的图标尺寸和过小的图标尺寸都会增加视觉搜索的难度。 Lindberg 等研究发现，随着图标尺寸的减小，搜索性能下降。 并提出图标（界面元素）的最小尺寸不应小于0.7°的视角[1]。 Zhangfan Shen等[2]研究了颜色组合、亮度对比度和图标面积比对搜索绩效的影响， 认为中低面积比更有利于被试识别图标。 此外， 不同类型的图标对图标尺寸的要求也是不同的。 例如，常凯[3]通过研究发现：拟物化图标需要设置更大的图标尺寸，扁平化图标具有较高的认知效率，较小的图标尺寸也可以满足搜索需要。

图标风格。 吴晓莉等[4]按照图标风格将工业信息图标分为四类：面性图标、线性图标、拟物图标和3D 图标。 研究表明，不同风格的图标对视觉搜索绩效有显著影响。 任宏等[5]采用ERP 技术研究发现，相比于拟物图标，扁平化图标更易于被试识别，反应时更短。然而Burmistrov 等[6]的研究给出了相反的结论， 他们发现扁平化图标的反应时是拟物图标的两倍。 所以扁平化图标与拟物图标在搜索绩效方面仍需深入研究。 胡莹[7]选取智能手机APP 图标作为研究对象进行分析， 研究结果得出面性图标与线形图标相比较，面性图标更容易引起用户视觉注意，从视觉舒适度来看，二者并无显著性差异。

综上，之前学者的研究大多以手机图标为载体，研究简单几何线形图标中，图形面积比对搜索绩效的影响。对于复杂的工业信息图标少有涉及。 旋挖钻图标作为典型的线性工业图标，图标复杂度高，图标面积比对搜索绩效的影响还有待探究。 此外线性图标的线宽也是重要的图标特征。因此，线性工业图标设计的面积比和线宽问题还需要进一步研究。本文以不同线宽、不同面积比的组合图标作为实验材料，研究交互效应对搜索绩效的影响。

2 视觉搜索实验

2.1 实验材料

图标面积比是图标的图形面积与背景面积的比例[10]。但是，由于图标中的图形大多不是规则的几何图形，所以计算图标中图形的面积大小不够精确。 本文将采用图标上下左右切线所围成的正方形面积表示图形的面积大小。 因此，我们使用图标中图形所围正方形区域（中的灰色区域，图1）来代替图形的面积来计算相对图标面积比。

图1 图标面积比

旋挖钻机控制界面图标采用矩形线框， 本实验主要研究线性图标的图标面积比及图标线形粗细的变化对图标搜索反应时及准确率的影响。实验以旋挖钻机控制界面图标为背景，根据实际图标大小，线框采用大小为15mm×15mm 的矩形。 实验各线框之间的间距为5mm。自变量主要包括：（A）图标线宽和（B）图标面积比，因子A 有4 个水平（0.5px、1px、1.5px、2px），因子B 有5 个水平（30%、40%、50%、60%、70%）即（8.2mm×8.2mm、9.5mm×9.5mm、10.6mm×10.6mm、11.6mm×11.6mm、12.5mm×12.5mm）5 个等级，见图2。 因变量是用户反应时间（RT）及正确率（ACC）。

图2 自变量A 和B

2.2 实验设备及被试

实验所使用的仪器是Tobii Pro X3-120 屏下非接触式眼 动 仪。 23.5 英 寸显示屏呈现刺激。 液晶显示器（惠普u2414h）具有1920×1080 分辨率和100Hz 刷新频率。 观看距离设定并保持在离屏幕50cm。被试为中国矿业大学建筑与设计学院在校研究生，年龄在22～28 岁，矫正视力1.0 以上，无色盲或色弱。实验会对被试的姓名、年龄、性别等信息进行收集。

2.3 实验设计

自变量A、B 均相同的情况下，即图标线宽和面积相同，随机选取3 个目标图标进行重复实验。设定同一图标面积比为一组，共5 组实验（5 级图标面积比），每组实验包括4 种线宽，共60 次实验。 每组实验结束由被试自行决定休息时间。在执行视觉搜索任务时，被试要先记忆目标图形。 本实验目标搜索页面采用4×4 矩形阵列的方式进行实验。为消除位置效应的影响，目标图标均呈现在屏幕中央75mm×75mm 的矩形中（视角为距视线水平±4.1°，观察距离500mm）。图3 分别为目标图标呈现页面和图标的搜索页面，目标呈现页面中央呈现单独的图标，目标搜索页面呈现4×4 的图标阵列。

图3 目标图标呈现页面和图标搜索页面

2.4 实验程序

实验采用ErgoLAB 全程录屏，每个试验组的亮度、颜色、记忆时间是相同的。搜索任务为被试先对目标图标进行记忆，2s 后， 屏幕出现测试的一组目标搜索图标。被试需要找到目标图标并用鼠标点击相应位置。 为了排除熟练度对实验结果的干扰，被试会在正式实验开始前进行10 次训练实验。 图4展示了实验流程图。

图4 实验流程图

3 实验结果及分析

当被试搜索目标图标位置时，ErgoLAB 人机环境平台自动收集被试的反应时、正确率及多维眼动数据。 实验数据由内置于ErgoLAB 的实验程序记录，剔除无效数据和极端值后，通过SPSS 对线宽主效应、面积比主效应、线宽面积比交互效应进行分析。实验设定的显著性水平值P=0.05。

3.1 图标线宽

对线宽的4 个水平的视觉搜索任务实验的反应时和正确率进行统计分析。 图5 显示了不同线宽的平均反应时。 图6 显示了不同线宽的正确率。

图5 不同线宽的反应时

图6 不同线宽正确率

对线宽的4 个水平的实验数据进行重复测量。 结果表明，不同线宽对反应时有显著影响（F=3.6，P=0.02＜0.05），线宽1.0px 的反应时间最短， 线宽1.5px 反应时间最长。不同线宽对正确率的影响也具有显著性（F=5.279，P=0.003＜0.05），线宽为0.5px 时正确率最低。

3.2 图标面积比

对图标面积比的5 个水平的视觉搜索任务实验的反应时和正确率进行统计分析， 图7 显示了不同线宽的平均反应时。 图8 显示了不同线宽的正确率。

图7 不同面积比的反应时

图8 不同面积比正确率

对面积比的5 个水平的实验数据进行重复测量。 结果表明，不同面积比对反应时有显著影响（F=3.6，P=0.02＜0.05），面积占比为50%时，反应时最短；面积比为30%时，反应时最长。不同面积比对正确率的影响没有显著性差异（F=1.471，P=0.221＞0.05），随着面积比增大，视觉搜索的正确率逐渐增加， 面积比50%时正确率最高，60%时下降，70%时有所回升。

3.3 线宽面积比组合

线宽（4 个水平）和面积比（5 个水平）共20 种组合方式， 对组合视觉搜索任务实验的反应时和正确率进行统计分析，不同组合的反应时及正确率见图9、图10。

图9 不同线宽与面积比组合的反应时

对组合图标的实验数据进行重复测量。结果表明，不同线宽和面积比的组合对反应时有显著影响 （F=3.855，P=0.007＜0.05），在线宽为1px，面积比为50%时反应时最短，搜索绩效最佳。 在线宽为1.5，面积比为30%时平均反应时最长。不同线宽和面积比组合对正确率的影响也具有显著性（F=3.192，P=0.000＜0.05），线宽为1.5px，面积比为30%时正确率最低。 综上所述，复杂的线性工业图标的图标特征推荐值为线宽1px，面积比50%。

4 讨论

上述研究发现， 图标线宽与面积比对搜索绩效均有显著影响， 两者的交互效应也具有显著性。 当改变线性图标线宽时，完成视觉搜索任务的反应时呈现波动性变化。 线宽为0.5px～1px 时，视觉搜索任务的反应时变短，搜索绩效提高，推测这是由于图标的线宽较细时，图标的可识别性较低， 被试执行视觉搜索任务的时间长。 随着线宽的增加，图标更易识别，从而缩短了搜索时间。这与先前学者[9]的研究结果一致。 线宽为1px～1.5px 时，视觉搜索任务的反应时变长，且正确率降低，推测是由于图标线宽增加，对视觉舒适度产生了影响，同时随着线宽的增加，图标的特征性减弱，相似性图标的差异性减弱。 根据刺激相似度理论， 目标与干扰物之间的相似程度会影响搜索任务的难度[10]，当干扰物在视觉上与目标视觉属性相似时，被试搜索的难度会增大[11]。因而被试用于记忆目标图形，分辨、识别、确认搜索图标的时间增加，搜索绩效降低。线宽为1.5px～2px 时， 被试用于视觉搜索任务的时间变短， 推测是由于当线宽为2px 时， 图标更类似于面性图标，面性图标的搜索绩效高于线性图标[7]，因而缩短了搜索时间。

当改变线性图标面积比时，反应时随着面积比增大而缩短。当面积比达到60%以上时，面积比对搜索绩效的影响不再显著。 这与Huang K C 等[8]关于图形/背景区域比例和颜色组合对搜索绩效的影响结论一致。

通过观察用户眼动轨迹发现， 被试在视觉搜索过程中使用了“分组策略”。针对多特征的图标的视觉搜索实验，图11（a）是执行同一搜索任务的两个用户的眼动路径图，目标图标设置在图标搜索页面的左上方（第一行第二列），绿色轨迹的被试在搜索时第一个注视点落在了屏幕的中心位置上，随后沿从左到右，从下到上的搜索路径最终找到目标图标，注视点先后落在含有英文字符串、单个的英文字母、数字、的图标上。 蓝色轨迹的用户在搜索时注视点首先落在了屏幕的中心位置上，在向左、向上寻找目标图标的过程中， 注视点先后落在含有英文字符串、单个的英文字母的图标上，而跳过了其他形状的图标。 图11（b）是多个被试的眼动轨迹图，大多数被试在视觉搜索中采用了相同的搜索策略。 图11（c）是被试的眼动热点图，这些图片说明被试视觉在搜索过程中对目标图标的特征进行了分解。

图11a 用户的眼动路径路

图11b 部分用户眼动轨迹图

图11c 部分用户眼动热点图

通过分析发现， 当目标图标是包含多特征的复杂图标时，被试的首次注视点均为页面中心，眼动的注视点基本都先后落在了与目标相似， 图标中包含英文字母、数字、箭头类指示图标上，直到搜索到目标图标后，搜索任务完成。注视点群组均很容易回避其它纯图形图标，说明针对单一色彩图标的搜索实验被试都采用了以字母 （单独字母/字符串）优先再到数字、 再到箭头等指示类图形、 纯图形的目标分解过程。 被试在视觉搜索时视觉模块进行自上而下的认知加工过程，并对目标图标特征进行了提取、分解和记忆。 图标分解过程见表1。

表1 目标图形特征分解

5 结束语

本文以旋挖钻控制界面图标为背景，研究了图标线宽、面积比组合效应对视觉搜索绩效的影响。 结果表明复杂的线性工业信息图标采用线宽为1px 和面积比50%的组合时，搜索绩效最优。 研究结果揭示了①复杂的线性图标设计时图标内在尺寸的设计规范；②通过观察用户浏览路径，提出了基于目标图标的图形特征分解的“分组搜索”策略。

综上，本文研究对线性工业信息图标的优化设计，减轻操作员的认知负荷，快速高效准确获取界面信息具有重要意义。 同时，对其它工程类界面图标设计具有借鉴意义。 但是本文的研究仍存在一定的局限性，如实验中未探讨不同图标复杂度和相似性图标对研究结果造成的影响， 还需要展开进一步研究。