振動對人眼辨識刻度帶信息能力的影響

王黎靜，王郁琿

(北京航空航天大學，航空科學與工程學院，北京　100191)

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振動對人眼辨識刻度帶信息能力的影響

王黎靜，王郁琿

(北京航空航天大學，航空科學與工程學院，北京100191)

摘要：刻度帶是重要的顯示信息之一。為研究振動對人眼辨識刻度帶信息的影響，本文開展了在被試不動刻度帶振動的情況下振動對人眼視覺績效的影響實驗。試驗人員在水平和垂直方向振動下，完成了一種振幅(1.6mm)和四種頻率(5，10，15，20Hz)條件下的三種刻度帶(水平，豎直，扇形)辨認任務。實驗以被試完成視覺任務所需反應時間和正確率為視覺績效指標，并利用李克特量表評估不同振動條件下被試完成視覺任務的視覺舒適度。研究結果表明，振動頻率對反應時、正確率和視覺舒適度都有顯著影響(p<0.05)；振動方向對視覺舒適度和視覺績效中的辨識反應時有顯著影響(p<0.05)；刻度帶形式對反應時、正確率和視覺舒適度都有顯著影響(p<0.05)。振動頻率超過10Hz時，隨著振動頻率的升高，觀察反應時迅速增加，正確率持續(xù)降低；相比于縱向振動，橫向振動影響更大，在橫向振動條件下觀察反應時增加了近100ms；在振動條件下被試對刻度帶的觀察能力縱向刻度帶最差，橫向刻度帶次之，扇形刻度帶最好。

關鍵詞：視覺績效；視覺舒適度；刻度帶；振動特征

引言

大量研究表明，人類的視覺能力會受到振動的影響，振動往往會增加人對顯示信息的辨識難度，使得辨識時間增加，辨識正確率降低。對于交通工具而言，只要其移動，就會產生振動。而在交通工具中，存在大量顯示器，人需要辨識這些顯示器上的顯示信息。顯示信息包括字符、圖像符號及刻度帶信息，三者缺一不可[1]。

針對顯示字符和圖像，許多研究者利用振動臺或軟件模擬振動環(huán)境，從振動頻率、振動方向和被觀察目標特點等方面了解振動對人眼視覺功能的影響程度。例如，Lewis和Griffin[2]的研究表明閱讀任務更易受振動頻率為8～16Hz的振動影響，且不同振動方向影響不同；Chiuhsiang Joe Lin等人[3]、吳國梁等人[4]和王瑋[5]等人的研究結果相似：低頻振動(4～16Hz)嚴重干擾人眼視覺功能；王波等人[6]發(fā)現振動頻率在2～20Hz之間的振動對視覺識別效率有顯著影響；Andersson等人[7]發(fā)現振動對觀察不同方向符號的影響不同，具體表現為由橫線組成的符號更更難在豎直振動中被讀出。而針對刻度帶，研究者更多以靜止狀態(tài)的刻度帶畫面為目標，設計實驗研究被試辨認不同類型刻度帶畫面的視覺績效，測量數據包括反應時、正確率與主觀評價等。如熊端琴[8]等人研究了飛行員辨認有數字刻度帶和無數字刻度帶的視覺績效，研究結果表明有數字刻度帶相比無數字刻度帶可使得飛行員對顯示信息的判讀正確率提高20%。

因此，本文以研究振動對觀察刻度帶信息的影響為目的，設計實驗，利用振動臺模擬座艙振動，從振動的頻率、振動方向以及被監(jiān)控目標刻度帶的形式三方面特征對人眼視覺功能的影響進行了研究。本研究以刻度帶為觀察目標，實驗測量了不同振動頻率、不同振動方向的振動對被試辨識各刻度帶信息的影響，測量數據包括辨認反應時、正確率及主觀舒適度。研究結果表明振動頻率、振動方向以及刻度帶本身都能成為振動中影響對刻度帶觀察的因素。以上結果有助于了解振動對人眼視覺的影響規(guī)律，并以此為基礎對駕駛艙振動進行控制，設計出能被人眼迅速準確識別的刻度帶顯示。

1研究方法

1.1實驗設計

振動對人眼視覺功能的影響主要表現在低頻區(qū)[2-5]，振動干擾人眼視覺功能的敏感頻率范圍為2～20Hz，敏感振幅為1.6mm[6]。因此，本實驗中，根據人眼對振動特征的敏感范圍，根據多次預實驗結果選定四種頻率水平作為實驗變量：5Hz、10Hz、15Hz和20Hz(其中低于5Hz的頻段由于設備限制本實驗并未達到)；振幅選擇為1.6mm。不同振動方向對人眼視覺功能的影響也有所不同[2,3,7]，因此選取兩種振動方向作為實驗變量：水平振動和垂直振動。

考慮到刻度帶存在不同方向，而觀察不同方向的視覺目標受振動影響不同[7]，本實驗將刻度帶類型作為實驗變量，分三種：水平刻度帶、豎直刻度帶與扇形刻度帶。由于刻度帶在飛機姿態(tài)信息顯示中較為常用，作為視覺對象較為有代表性，因此選擇戰(zhàn)機常用的橫向、縱向及扇形三種刻度帶(圖1～圖3)作為視覺目標。刻度帶幾何數據參考GJB301《飛機下視顯示器字符》確定。其中橫向刻度帶的長線長度為4.8mm(6mr)，短線長度為2.4mm(3mr)，刻度間隔為3.2mm(4mr)，箭頭高度為4.8mm(6mr)夾角為60°；縱向刻度帶長線為4.8mm(6mr)，短線為3.2mm(4mr)，刻度間隔為2.4mm(3mr)，箭頭寬度為8mm(10mr)夾角為60°；扇形刻度帶長線長度為4.8mm(6mr)，短線長度為2.4mm(3mr)，刻度間隔為10°，箭頭為邊長8mm(10mr)的正三角形。

圖2　縱向刻度帶Fig.2　Vertical belt scale

圖3　扇形刻度帶Fig.3　Fan-shaped belt scale

圖1橫向刻度帶
Fig.1Horizontal belt scale

考慮到被觀察對象獨立振動對視覺識別干擾最大[4,9]，本實驗通過振動臺模擬對象獨立振動，采用被試內實驗設計(需要的被試較少)：頻率(5Hz、10Hz、15Hz、20Hz)×振幅(1.6mm)×方向(水平、垂直)×刻度帶類型(水平、豎直、扇形)=24種實驗處理。

1.2被試

參與實驗的被試有11人。他們的年齡為23-25歲。所有人的視力或矯正視力為正常，使其視力達到1.0以上。所有試驗人員均不存在色盲或色弱情況。

1.3實驗裝置

實驗所需的振動由振動臺產生，振動臺的振動形式、振動方向、振動頻率及振動幅度皆可通過專用程序控制。實驗中所用振動為正弦振動，其振動頻率被設置為5，10，15，20Hz四個水平，振動幅度固定，為1.6mm。

實驗通過電腦程序實現刻度帶畫面的顯示切換以及反應時數據的收集。實驗程序由Experiment Builder編寫而成。程序采用圖片形式模擬帶有示數的刻度帶，實驗程序中所有的圖片都被置于顯示屏中間，圖片都經過調整以確保在屏幕上顯示尺寸沒有變形。

將試驗程序安裝在一臺筆記本電腦上，并將此筆記本連接至一臺型號為SAMSUNG S19B300NW、分辨率為1024×768的LCD顯示器上，實驗界面將在此顯示器上顯示。顯示器通過專用夾具被垂直固定于振動臺上。實驗時被試坐在座椅上，并且雙眼高度被調整至與顯示屏幕中心高度相同，顯示屏幕中心與被試雙眼的距離為800mm。被試被要求不得隨意移動頭部。調整結束后，整個顯示器屏幕位于被試的第一視野內。實驗中，對每一個被試的設置步驟皆如上所述。

1.4視覺任務和數據收集

本實驗的視覺目標是刻度帶圖片，分別顯示不同示數。在實驗進行中，被試靜坐在屏幕前，用盡可能快的速度辨認顯示出的刻度帶示數，同時盡可能保證準確率。為了避免練習效應，每次辨認刻度帶的示數隨機出現。

實驗收集的數據為反應時、正確率與視覺舒適度主觀評分。

反應時為刻度帶出現在屏幕上到被試按下按鈕的時間，由實驗程序記錄。正確率通過比對主試人員記錄的讀數和實驗過程中出現的示數并計算獲得，正確率計算公式如下：

(1)

其中，正確辨認個數是指被試正確讀出示數的刻度帶個數，總辨認個數是指被試辨認的刻度帶數量。

在完成一組實驗后，被試需要對實驗過程中的視覺舒適度進行主觀評估。實驗采用李克特主觀量表進行評分，如圖4所示。在本實驗中，1分表示視覺極不舒適，5分表示視覺非常舒適。

圖4李克特量表
Fig.4Likert scale

1.5實驗過程

實驗以振動頻率、振動方向和刻度帶類型劃分為組，整個實驗共有4種頻率×2種方向×3種刻度帶=24個實驗組。每個實驗組含有7個測試，每次測試會隨機顯示一個刻度帶示數。每個實驗組皆有一個試驗程序。

實驗過程中，主試首先選定一個實驗組，運行相應的試驗程序。試驗程序開始后，被試先閱讀屏幕上的實驗說明，之后按照要求按壓按鈕開始試驗，分別進行7個測試。每個測試中被試先按壓按鈕觸發(fā)實驗進程，振動中的顯示器上出現示數隨機的刻度帶畫面，每一個刻度帶畫面會持續(xù)出現2s，或者在被試按壓按鈕后消失。被試被要求并盡快辨識上面的示數。在辨識出示數后被試以最快的速度按壓按鈕，之后讀出辨識的示數，由主試人員進行記錄。7個測試中，前2個測試作為預實驗，不記錄數據，后5個測試作為正式試驗，將對數據進行記錄。

每一個實驗組結束之后會暫停5分鐘以供被試進行主觀評價，之后被試休息5分鐘。休息結束后進行下一個實驗組的實驗。整個實驗大約需要1小時。

2實驗結果及分析

每組數據皆通過ANOVA方差進行了檢驗。同時，也使用Duncan檢驗檢驗了各數據間的相關性，其顯著性分為了三個水平：顯著(p<0.01)、較顯著(p<0.05)和不顯著。反應時、正確率及主觀評分都被檢驗了與三種因素(振動頻率、振動方向及刻度帶種類)的相關性水平。

2.1反應時

對被試完成視覺任務的反應時數據進行單變量多因素方差分析，記錄在表1中。

表1　反應時的ANOVA方差分析

由表1知，刻度帶類型及振動方向對反應時有顯著影響，振動頻率對反應時有較顯著的影響。圖5～圖7所示分別為刻度帶類型、振動頻率與振動方向對反應時的主效應值。反應時隨振動頻率增加而增加。縱向刻度帶反應時最長，橫向刻度帶次之，扇形最短。實際上，高頻振動、縱向刻度帶以及縱向振動都會導致反應時變長，即完成視覺任務的時間變長。

圖5　刻度帶類型對反應時的主效應值Fig.5　The main effect plot of scale type on reaction time

圖6　振動頻率對反應時的主效應值Fig.6　The main effect plot of vibration frequency on reaction time

圖7　振動方向對反應時的主效應值Fig.7　The main effect plot of vibration direction on reaction time

2.2正確率

對被試完成視覺任務的正確率數據進行單變量多因素方差分析，記錄在表2中。

表2　正確率的ANOVA方差分析

由表2知，刻度帶類型對正確率有顯著影響，振動頻率對正確率有較顯著的影響。圖8與圖9所示分別為為刻度帶類型與振動頻率對正確率的主效應值。正確率隨振動頻率的升高而降低。扇形刻度帶正確率最高，橫向刻度帶次之，縱向最低。高頻振動和縱向刻度帶會使得正確率變低。

圖8　刻度帶類型對正確率的主效應值Fig.8　The main effect plot of scale type on accuracy

圖9　振動頻率對正確率的主效應值Fig.9　The main effect plot of vibration frequency on accuracy

2.3主觀評分

對被試完成視覺任務的視覺舒適度主觀評分進行單變量多因素方差分析，記錄在表3中。

表3　主觀評分的ANOVA方差分析

由表3知，刻度帶類型與振動頻率對主觀評分有顯著影響，振動方向對主觀評分有較顯著的影響。

圖10～圖12所示分別為刻度帶類型、振動頻率與振動方向對主觀評分的主效應值。主觀評分隨振動頻率增加而降低。扇形刻度帶評分最高，橫向刻度帶次之，縱向最低。實際上，低頻振動、扇形刻度帶以及縱向振動的得分較高，視覺舒適度較好。

圖10　刻度帶類型對主觀評分的主效應值Fig.10　The main effect plot of scale type on subjective ratings

圖11　振動頻率對主觀評分的主效應值Fig.11　The main effect plot of vibration frequencyon subjective ratings

圖12　振動方向對主觀評分的主效應值Fig.12　The main effect plot of vibration directionon subjective ratings

3討論

振動頻率對人眼視覺能力的影響存在臨界點，超過此點則振動對視覺的影響急劇增加。就反應時間數據而言(見圖6)，隨著振動頻率的增加，反應時間不斷上升，而振動頻率超過10Hz后，反應時間上升速度變快。就反應正確率數據而言(見圖9)，隨著振動頻率的增加，正確率不斷下降，而振動頻率超過15Hz后，正確率下降速度變快。本實驗得出的振動頻率對反應時間的影響臨界點在10Hz，對正確率的影響臨界點在15Hz。兩個臨界點間存在差異。造成這一結果的可能原因是惡劣的閱讀條件會增強被試期望更好地去完成視覺任務的動機。這種自發(fā)激勵會讓被試在完成視覺任務時更加集中注意力[10]。當振動超過10Hz時，被試會嘗試犧牲反應時間來確保更正確地辨識刻度帶示數，此時導致反應時數據迅速升高。當振動頻率繼續(xù)增加時，被試的主動動機無法彌補閱讀條件變差帶來的影響，因此正確率數據會加速變差。

振動頻率對主觀評分的影響臨界點與正確率數據一致，在15Hz。然而，與反應時與正確率數據不同，超過15Hz后，主觀評分下降趨勢變緩。根據實際評分數據以及與被試的訪談結果來看，出現這種現象的原因是超過15Hz后被試評分已降到極低的水平，接近極限，因此下降速度變緩。這也與之前的推論一致，閱讀條件此時已到了極差的水平。

振動方向對視覺信息辨識能力存在顯著影響。圖7與圖12所示實驗數據表明橫向振動較縱向振動的影響更大。這一現象產生的一部分原因可能是由于刻度帶中存在數字，人對數字的觀察更易受橫向振動的影響[4]。

4結論

本文研究了不同方向、頻率的振動對被試觀察刻度帶的影響。實驗結果表明：

1)振動頻率會顯著影響人對刻度帶的觀察，隨著振動頻率的增加，人的觀察反應時會增加，正確率會降低，主觀舒適度會降低。振動頻率超過10Hz后，反應時間上升速度變快，而振動頻率超過15Hz后，正確率下降速度變快；

2)振動方向會影響人對刻度帶的觀察，橫向振動比縱向振動影響更大，被試觀察橫向振動的刻度帶比縱向振動的刻度帶的反應時間更長，主觀舒適度更低；

3)刻度帶設計也是影響觀察刻度帶的重要因素，現有刻度帶設計中，縱向刻度帶在振動條件下觀察難度最大，橫向刻度帶次之，扇形刻度帶最好，具體表現為觀察反應時縱向刻度帶最長，橫向刻度帶次之，扇形刻度帶最短，而正確率和主觀舒適度縱向刻度帶最低，橫向刻度帶次之，扇形刻度帶最高。

參考文獻

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Effects of Display Vibration on Visual Performance

and Fatigue in Reading Belt Scales

Wang Lijing，Wang Yuhui

(BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,SchoolofAeronauticScienceandEngineering,Beijing100191,China)

Abstract：The scale belt is one of the important display information. In order to study the influence of vibration, an experiment to test the influence to observation ability of vibration is carried out in this paper. Under horizontal and vertical vibration, the test completed three kinds of scale (horizontal, vertical, sector) identification tasks under the condition of four kinds of frequency (5, 10, 15, 20Hz). Experiments were done to test the response time and accuracy of the visual task to the visual performance, and to evaluate the visual comfort level of the visual task with the Likert scale. The results show that the vibration frequency has a significant effect on the response time, accuracy and visual comfort (p<0.05). The vibration direction has significant effect on the visual comfort and visual performance (p<0.05). When the vibration frequency is over 10Hz, with the increase of the vibration frequency, the rate of the reaction is increasing rapidly, and the accuracy is decreasing. Compared to the vertical vibration, the effect of horizontal vibration is bigger, and the reaction time increased 100ms. In the vibration condition, the observation ability of the vertical scale is the worst, and the horizontal scale is the best.

Key words:visual performance; visual fatigue; belt scale; vibration characteristics

基金項目：國家自然科學基金資助項目(資助編號：5147832)；國家自然科學基金資助項目(資助編號：51178320)

中圖分類號：TH85

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.028