動態突顯對視覺搜索績效的影響作用

朱田牧，葛列眾，李宏汀，胡信奎

(1.浙江理工大學 心理學系，杭州 310018；2.浙江大學心理科學研究中心，杭州 310028)

1 引言

互聯網時代帶來的信息過載使得人們無法簡單憑借自己的大腦在海量信息中迅速有效地尋找到關鍵信息。因為在對海量信息進行視覺搜索時，人的視覺注意和認知資源是有限的[1]。因此，如何有效在海量信息中快速有效地呈現出關鍵信息是工程心理學研究的重要問題之一[2]。從二十世紀八九十年代起，為了解決視覺信息有效呈現的研究主要集中在突顯技術領域。突顯是指在與視覺搜索任務有關的計算機屏幕顯示中，采用某種方式突出顯示多個項目中的關鍵項目，從而提高視覺搜索績效的一種方法或技術。該技術通過改變目標的顯示方式，吸引用戶的注意引導用戶進行搜索，幫助用戶更準確快捷地找到目標[3]，減少用戶的操作時間[4]，從而提高操作績效。

在以往研究中，突顯對視覺搜索操作績效的影響主要受突顯的類型、背景和材料等因素的影響。突顯類型方面的研究表明，以顏色(黃色)作為突顯類型時效果較好，閃爍[5-6 ]，相框[7]和下劃線突顯[8]對視覺搜索的促進效果顯著；逆顯(目標與目標所占的背景顏色互換)是會降低視覺搜索績效的一種突顯類型[9]。視覺背景方面的研究表明，黑背景下突顯顏色選用紅、黃、綠，突顯效果顯著，白背景下突顯效果不顯著[10]；單彩色背景和復雜彩色背景[11]以及背景的明暗程度對均對目標的突顯有著重要的影響[12]。視覺材料方面的研究表明，在以圖形為視覺搜索材料的研究中，圖形的底紋可以顯著提高視覺搜索績效[13]，此外，顏色和閃爍的突顯方式顯著促進了被試視覺搜索績效，但分別作為冗余代碼時效果不顯著[14]。在復雜情境中，突顯關鍵的圖符可以有效提示警告信息[15]。

近期突顯技術與眼控技術相結合，研究者開發了一種通過基于眼動控制的交互式的眼控突顯(也稱視線突顯)技術。該技術結合低通濾波算法，通過對用戶注視點的捕捉，隨著用戶視線的變化而改變突顯的內容，實時突顯用戶視線所在位置的信息。實驗結果證實，該技術是一種可以有效提高海量信息下的目標定位績效的新型技術[16]。

總結以往研究發現，雖然突顯技術較為成熟且一直在發展，但目前存在兩個問題:一是傳統的突顯技術是一種靜態的顯示技術，無法在視覺搜索過程中，動態地在多個目標中優先突顯重要的目標；二是視線突顯技術雖然可以根據用戶的操作的特點實時突顯視覺材料內容，但這并沒有針對任務要求或目標的重要性等特點進行突顯。因此，在以往傳統突顯的基礎上，本研究提出一種新型突顯技術，稱為動態突顯。該突顯技術可以在與視覺搜索任務有關的目標呈現方式中，根據任務要求或目標特征，優先突顯多個目標中的重要目標，從而提高視覺搜索效率。

為了驗證這種新型突顯技術的有效性，本研究采用以數字為材料的多目標視覺搜索任務，通過比較傳統突顯與動態突顯完成時間和點擊效率的差異，驗證動態突顯的有效性。

2 方法

2.1 被試

共66名(男28人，女38人)在校學生參加實驗，年齡16-25歲，平均年齡19.32±1.95歲，均為右利手，視力或矯正視力正常，無色盲或色弱，實驗結束后給予報酬。

2.2 實驗設備

實驗材料呈現在14英寸的LED防眩光屏幕上(型號為戴爾Vostro14-5 480)，分辨率為1 366×768。實驗過程中被試全程使用鼠標(型號為羅技G102有線電競鼠標)進行點擊操作。實驗程序在.NET框架下用C#編寫而成。

2.3 實驗材料

實驗材料為10×10的數字矩陣，矩陣所在區域大小為320像素×320像素(8.5 cm×8.5 cm)，視場大小約為10.20°×10.20°。矩陣位于電腦屏幕中央，矩陣中心與屏幕中心重合。矩陣內每個數字所占的區域相同，高20像素(0.53 cm)，寬14像素(0.37 cm)，視場大小約為0.65°×0.45°。每個數字的中心與其所占方塊的中心重合，相鄰的數字中心與數字中心的間距為32像素(0.85 cm)。矩陣100個數字中，目標數字為1、2、3、4，每種五個共二十個，干擾數字為5、6、7、8、9，每種十六個共八十個。目標數字的分布滿足如下五個條件：第一，每種目標數字在每個象限至少出現一個，至多出現兩個；第二，相鄰試次中兩個同一種目標數字所在的象限不同，整個實驗中兩個每種目標數字出現在每個象限的總次數相同；第三，每個象限中，每行每列只有一個目標數字；第四，目標數字之間不存在橫向、縱向的連續情況，同一種目標數字不存在斜向連續的情況；第五，10×10矩陣中心的2×2區域內沒有目標數字，矩陣的四個角也沒有目標數字。非目標數字按照5到9從矩陣的第一列第一行開始逐行依次循環填補空余位置。基于以上條件共篩選出48個數字矩陣，8個用于練習，40個用于正式實驗。

屏幕為灰色RGB(128，128，128)，矩陣所在區域的背景為黑色，數字共有三種顏色，非目標數字和沒有突顯的目標數字為白色，突顯的目標數字為紅色RGB(255，0，0)，鼠標點擊某個數字后該數字變成灰色RGB(128，128，128)。材料示意圖如圖1所示：

圖1 兩種突顯條件的材料示意圖

2.4 實驗任務

實驗任務為點擊任務，即點擊目標數字得分。要求被試盡快點擊并且盡可能多得分，點擊4得4分，點擊3得3分，點擊2得2分，點擊1得1分。點擊非目標數字5、6、7、8、9不得分。在點擊任務開始前，需要被試做好點擊的準備，把右手自然地放在鼠標上，食指放在鼠標左鍵上，中指放在鼠標右鍵上，任務中的操作均為用食指單擊鼠標左鍵。每次點擊開始時鼠標起始點位于矩陣中心。每個試次點擊任務的最長時間為16s(通過預實驗結果設定)，保證絕大多數被試可以完全點完所有的目標數字。

2.5 實驗設計

實驗為單因素被試間設計。

自變量為突顯類型，分為傳統突顯和動態突顯。

傳統突顯條件下，所有目標數字在整個被試執行點擊任務過程中均為紅色突顯，被試點擊某個紅色目標數字后獲得相應分數，同時該數字變灰，再次點擊該灰色數字不得分。

動態突顯條件下，目標數字在整個被試執行點擊任務過程中按照4-3-2-1的順序紅色突顯，并且待被試點擊完一種目標數字后再突顯下一種。首先突顯所有的4(共有五個)，待被試點擊完這五個4，突顯所有的3，待被試點擊完，突顯所有的2，以此類推。點擊某個目標數字(可能是紅色或白色)后該數字變灰，再次點擊該灰色數字不得分。

在上述兩種條件下，所有非目標數字均為白色。如果被試點擊非目標數字，不得分，但白色非目標數字也會變為灰色。

因變量為完成時間和點擊效率。完成時間為被試點擊完全部目標數字所用的時間。實驗中點擊效率的計算方式為：分數/點擊目標個數，即被試單位時間(每秒)內得到的分數除以點擊到的目標個數。因變量數據由程序自動記錄。

2.6 實驗流程

被試隨機分為兩組，對應進入傳統組(共34人，男生15人，女生19人)和動態組(共32人，男生14人，女生18人)。主試錄入被試的基本信息后進入實驗程序，請被試做好點擊的準備。實驗分為練習階段和正式實驗階段。練習階段請被試熟悉實驗流程和操作，共8個試次，隨后進入正式實驗，共40個試次，20個試次后休息30 s。

每個試次流程為，矩陣所在的區域呈現0.5 s黑屏，隨后在該區域中心呈現白色注視點“+”0.5 s，隨后呈現0.5 s黑屏，然后呈現數據矩陣，被試開始點擊操作，點擊時間最長為16 s(通過預實驗確定)，16 s之內點完或者超時，矩陣都會消失，自動進入下一個試次。

3 結果

實驗數據通過SPSS 13.0分析。剔除沒有完全點完試次的數據和三個標準差之外的數據(共占總實驗數據的2.50%)后，先分析傳統與動態突顯的完成時間，再分析點擊效率。

3.1 傳統與動態突顯的完成時間分析

對完成時間沒有要求的情況下，傳統組的完成時間(M=11.34，SD=1.41)快于動態組(M=13.17，SD=1.03)，獨立樣本T檢驗結果表明兩者差異顯著(t(64)=-6.05，P<0.001，d=1.49)。這個實驗結果說明：在區分目標重要程度的多目標視覺搜索情境中，傳統突顯比動態突顯的完成時間更短。完成時間如圖2所示:

圖2 兩種條件下的完成時間(s)

3.2 傳統與動態突顯的點擊效率分析

傳統組在1-7 s的點擊效率低于動態組，8-10 s高于動態組，11-15 s又低于動態組。1 s表示0-1 s之內，以此類推，點擊效率的平均數和標準差見表1。

表1 兩種條件下的點擊效率

10-12 s和16 s兩組差異不顯著。

這個實驗結果說明：在短時程內(1-7 s)，動態突顯的點擊效率好于傳統突顯。

每秒點擊效率差異如圖3所示：

圖3 兩種條件下的點擊效率

簡單效應分析表明，傳統突顯條件下，2-7 s每秒內點擊效率差異不顯著，動態突顯僅在2 s和3 s的點擊效率差異不顯著，說明傳統突顯點擊過程中存在一個平緩的階段，動態突顯則沒有。

4 討論

4.1 傳統與動態突顯的完成時間分析

4.2 傳統與動態突顯的點擊效率分析

在完成任務的過程中，傳統突顯的點擊效率呈現出2-7 s先達到一個平緩階段，8 s開始下降的趨勢。1 s時，大多數被試存在部分還沒有做出點擊操作的情況，所以整體點擊效率較低，2 s開始點擊效率接近隨機水平2.5((4×5+3×5+2×5+1×5)/20)，一直持續到7 s。由于7 s后已經有被試完成任務，8s開始得到的分數為0，因此整體點擊效率開始下降。動態突顯的點擊效率呈現出先高后低的趨勢，按照目標的四個重要程度大致分為四個階段，2-4 s點擊效率最較高，接近優先點擊重要目標的水平4((4×5)/5)，5-7 s點擊效率接近點擊第二重要目標水平3，8-10 s點擊效率接近2，11-12 s點擊效率接近1。因為9 s后開始有被試完成任務，所以從10 s開始點擊效率出現下降，主要是由于點擊目標的重要程度降低，以及在這個時間段已經出現有被試完成任務的情況所導致的。

比較兩種突顯方式的點擊效率特點發現:共同之處在于兩種突顯方式均可以有效引導被試的視覺搜索，與以往關于突顯可以有效引導用戶操作的研究結果一致；不同之處在于傳統突顯是以隨機的方式引導被試操作，動態突顯則按照目標的重要程度進行引導。

4.3 動態突顯的有效性

動態突顯雖然完成時間顯著慢于傳統突顯，但在短時程(1-7 s)的點擊效率顯著高于傳統突顯，說明動態突顯是一種在短時程內比傳統突顯更加有效的突顯方式，且按照目標的重要程度進行操作，可以有效提高被試的視覺搜索績效。因此，如果需要處理全部目標，傳統突顯的績效較好；如果需要在短時程內處理重要目標，動態突顯績效較好。動態突顯的理論意義在于提出一種新的突顯方式，豐富了突顯技術的類型；實際意義在于對人機界面設計提供指導，提高區分重要程度的多目標搜索的作業績效。

動態突顯選用顏色突顯(實驗中為紅色)可以有效引導操作人員對重要目標進行平行搜索。顏色是一種在視覺搜索早期階段容易被覺擦到的獨特的特征之一，而且在單一維度上的突顯通常會引起平行搜索[ 20-21]。平行搜索不但比序列搜索更加有效率，而且需要的注意資源較少[22]。因此，動態突顯條件下被試會首先同時覺察到五個紅色的4，而傳統突顯條件下被試同時覺察到全部目標。

動態突顯依次突顯重要目標，始終突顯當前情境中最重要的目標，符合格式塔心理學知覺組織原則的相似性原則，即具有相似特征(顏色、亮度等)的客體會被人們知覺為一個整體，其他客體被直覺為背景[23],而且人們傾向于對顏色相同的兩個目標進行類似的加工處理[24]。因此動態突顯時，同樣重要的目標作為一個整體，得到類似的加工處理，與其它次重要目標數字和非目標數字(均為白色)區分開，于是此時紅色的數字是目標，其它白色的目標數字和非目標數字是背景。相比之下，傳統突顯中所有的目標都是紅色，被試將所有目標知覺為一個整體，非目標數字是背景。

4.4 動態突顯的應用范圍

動態突顯這一概念的提出，主要是基于傳統突顯的不足和對實際需求的考量。傳統突顯是一種靜態的顯示方式，無法動態地優先顯示當前情境中重要的目標。傳統突顯只能突顯所有的目標，雖然在一定程度上減少了操作人員的搜索目標，但沒有直接指向重要目標，因此不適用于區分目標重要程度的多目標搜索情境或者信息過載的情境。例如，一次火車相撞事故中，監管人員花費了很多時間搜索是哪兩輛火車引起了警報[25]，如果可以及時有效地突顯即將出事故的火車，可以避免人員傷亡和財產損失。再如，核電站的操作界面會突顯(亮燈或閃爍)幾百個指示器[26]，如果可以優先突顯最需要處理的目標，會提高操作人員的效率，避免災難發生。航空管制界面中，已經運用不同顏色表示不同海拔高度的飛機，以及用相同顏色(紅色)顯示航道兩架沖突的飛機，來協助航空管制員的操作[27]，但界面的突顯設置不夠簡潔，存在信息過載時導致因突顯效果不夠明顯導致變化盲視現象出現的風險，如果可以只突顯當前情境最重要的航班，可以避免潛在事故出現。

動態突顯適用于區分目標重要程度的多目標視覺搜索的情境中，例如空間站、空中交通管制、核電站、駕駛(導航)、地圖搜索、救援、病毒傳播、大面積農業監控等等。通過有效提供重要或緊急信息，使人們更有效地獲得收益或者避免損失，尤其是防止重大事故發生。未來動態突顯可以與大數據結合，通過實時數據更新信息，更有效地突顯當前最重要的信息，也可以與歷史數據結合進行預測和比較；也可以與人工智能結合，通過一些算法分辨篩選信息，自行處理沒有爭議的重要目標，將有爭議的重要目標突顯出來，輔助操作人員進行高效操作。

4.5 研究的不足和展望

本研究只實現了動態突顯的初步的原型，視覺材料和突顯類型都比較單一，后續研究可以考察視覺材料類型和突顯類型對動態突顯績效的影響作用。又因為動態突顯的顯示方式特點是對重要目標平行加工，不需要消耗太多注意資源，所以推測這種顯示方式的績效不會受到任務負荷的影響，為后續研究提供方向。

5 結論

(1)在多目標視覺搜索任務中，當不區分目標重要程度時，傳統突顯績效較高；當區分目標重要程度時，動態突顯績效較高。

(2)在區分重要程度的多目標搜索任務中，動態突顯可以優先處理重要或緊急目標。