基于眼動追蹤技術的WinCC界面評價

王 京, 馬 峻, 呂世霞

(北京電子科技職業學院 汽車工程學院， 北京 100176)

WinCC作為一種過程監視系統,為工業領域提供了完備的監控與數據采集功能。WinCC的顯示界面能直觀、明了地顯示設備有關參數和狀態,可以使操作者實時了解相關設備運行狀態、注意到當前模擬值在全量程范圍內所處的位置,為及時準確地做出處理決定提供了依據,所以顯示方式和布局是提高監控工效中需要重點研究的問題。

Barkana等[1]的研究指出,依據眼動特性對外科手術界面進行改進可提高界面的可用性。Shrestha等[2]指出了更多的注視信息集中在圖片上。Radecky等[3]設計了5種包括不同滾動圖片的界面,并使用眼動指標對其進行了評價。程時偉等[4]對手機界面的3種基礎布局結構，即宮格與框架、標簽式框架和側邊展開式框架進行了測評。本文借助眼動測量手段，并結合主觀調查問卷對WinCC顯示界面的樣式設計進行驗證評估，其結果將為工業控制領域中各種顯示信息的布局設計提供理論依據和數據支持。

1 實驗設計

傳統的顯示界面評價方法如模擬任務、用戶訪談、實驗者觀察、問卷調查等[5],無論是在測試前完成，還是在測試后進行,都會在實驗的客觀性方面存在一定缺陷。眼動儀可以在人機交互過程中觀測眼球運動,使獲得交互過程中的數據成為可能,為評價提供了更加客觀的依據。李永鋒等[6]對車載信息系統界面進行了評價，并對相應界面的改進提供了參考。

1.1 實驗被試者

本實驗選取12名在校學生,年齡為22～25周歲。所有被試者均沒有遺傳性家族神經疾病史,裸眼視力或矯正視力在1.0以上,均為右利手。在進行實驗前已征得被試者同意,并有適量報酬。

1.2 實驗設備

本實驗使用德國SMI公司的iViewX RED 桌面式眼動測量系統。其硬件主要包括一臺筆記本電腦,一個609.6 mm2(24英寸)的顯示器和眼動追蹤模塊。系統的采樣率為60 Hz,追蹤分辨率為0.03°,凝視定位精度為0.4°。筆記本電腦為控制機,由主機控制實驗進程,顯示器呈現界面給被試者。眼動追蹤模塊安裝在顯示器的下方,它可以實時追蹤、采集被試者的視線位置,并將采集到的數據信號存儲到控制機筆記本電腦中,經BeGaze軟件系統的計算處理,可以得到注視、掃視、瞳孔和眨眼的眼動數據。

1.3 評價對象

評價對象為3種不同樣式的WinCC工業控制儀表所構成的視覺操作界面。其中原始界面(圖1(a))中儲液罐的容量和加熱槽溫度顯示采用的傳統的數值顯示設計,以“界面1”表示。圖1(b)在原始界面的基礎上將堿水罐、溶劑罐、加熱槽的顯示值改為更加醒目的顏色,更有利于操作人員進行認讀及觀察。此外,將界面中按鈕區域用醒目的色框標識,使按鈕界面更加醒目、生動防止誤觸,以“界面2”表示。圖1(c)在原始界面的基礎上參考現代工業儀表視覺顯示的設計,使界面更具有現代化；并在數字顯示與刻度顯示相結合的基礎上,增大數字顯示的字號,增加儲液罐及加熱槽的刻度顯示,讓儀表的認讀更加精準。該界面還增加顯示數字周圍的背景色變化來提示儀表異常,使操作人員能更加清晰地觀測到異常儀表,以“界面3”表示該界面。

圖1 視覺操作界面

1.4 實驗任務

每名被試首先從界面的可用性、舒適性及美觀性3個角度綜合考慮選出最好界面、中等界面、最差界面。并對最好界面與中等界面、中等界面與最差界面通過兩兩比較的方法[7]進行打分,打分量表見表1。

表1 兩兩比較法打分量表

主觀評價后,將12名被試者分為3組,分別按“界面1、界面2、界面3”“界面2、界面3、界面1”“界面3、界面1、界面2”的順序進行實驗。每種界面包括20張儀表指針位置不同的圖片,20張圖片中有4張所有儀表全部正常、8張有1個儀表異常、6張有2個儀表異常、4張有3個儀表異常。

每張測試圖片之前有一張緩沖界面用來提示下一張圖片需要認讀的儀表,實驗要求被試者首先以最快速度讀出需要認讀儀表的當前數值,然后找出當前圖片中異常的儀表和需要完成的“升高”或“降低”操作。若被試者在某張圖片中存在儀表認讀錯誤、異常儀表搜索不全或異常儀表需要進行的操作錯誤中的任何一項失誤,則將該張圖片記為任務失敗。

1.5 實驗流程

(1) 讓被試者熟練記住界面中各儀表所在位置,并進行練習至熟悉實驗任務和流程。

(2) 調整被試者的位置和坐姿,使被試者眼睛距離屏幕50 cm左右。

(3) 調整屏幕的高度和角度,使被試者視線放松時視線中心落在屏幕的中心附近,且視線與屏幕之間的角度大約保持90°。

(4) 進行眼動儀的標定。

(5) 進入實驗任務界面,被試者調整好后按下空格鍵開始實驗,完成當前界面的20張實驗圖片后,讓被試休息1～2 min后,重新進行眼動儀的矯正,并開始下一種界面的實驗。

2 實驗結果與分析

2.1 主觀評價結果

12名被試者中有10名被試者選擇的最好界面、中等界面、最差界面排序為界面3、界面2、界面1,另2名被試的排序為界面3、界面1、界面2。這10名被試按表1中打分量表的打分結果為：界面3與界面2比較的打分平均值為6.4,界面2與界面1比較的打分平均值為3.2。因此被試者主觀評價結果為界面3比界面2明顯好,界面2比界面1稍好。這說明更具現代感的界面3更容易被人們所接受,使人在視覺感受上更加舒適、美觀。

2.2 反應時間及正確率結果

總共12名被試者,每種界面進行測試的總圖片張數為12×20=240張。界面1中實驗任務失敗的圖片總數為10張,正確率為95.8%;界面2中實驗任務失敗的圖片總數為7張,正確率為97.1%;界面3中實驗任務失敗的圖片總數為3張,正確率為98.8%。

表2為12名被試者完成實驗任務時每張圖片所需的平均時間結果。利用單因素方差分析方法對3種界面的反應時間進行兩兩比較,界面1與界面2之間沒有明顯差異(p>0.05),界面1與界面3之間有顯著性差異(p<0.05)。由于本文討論的是2個修改界面(界面2、界面3)對原始界面(界面1)的改進,因此本文不對界面2與界面3進行單因素方差分析比較。

表2 每種界面完成實驗的平均時間 ms

表2(續) ms

為了進一步分析界面3所需反應時間顯著性小于原始界面的原因,將反應時間按異常儀表個數進行分類統計,其結果如表3所示。通過單因素方差分析法對界面1與界面3的反應時間進行方差分析,當異常儀表個數為0個、1個或2個時,反應時達到了顯著性水平(p<0.05);當異常儀表個數為3個時候,反應時沒有顯著性差異(p>0.05)。

為了更直觀反映界面3在不同異常儀表個數的情況下反應時的變化規律,對界面3與界面1的比值進行了計算。由表2中得到的結果表明，界面1與界面2之間均沒有明顯差異,因此這里不對界面2與界面1的比值進行計算。

表3 反應時間分類統計結果

從表3中可以看出,隨著異常儀表的個數增加,3種界面的任務完成時間均隨之增加,這符合真實任務難度的情況。

2.3 眼動數據結果

本文分析的眼動指標包括注視點個數、注視總時間、眼跳次數、掃視總長度、平均瞳孔直徑,這些指標統計結果見表4。利用單因素方差分析方法對3種界面的眼動指標進行方差分析,這5項眼動指標在界面1與界面2之間均沒有明顯差異(p>0.05);5項眼動指標在界面1與界面3之間均存在顯著性差異(p<0.05)。該結果與上文得到的反應時結果相符合。

表4 反應時分類統計結果

與反應時間結果的分析方法類似,將上述5個眼動指標按異常儀表個數分類統計，結果如表5—表9所示。單因素方差分析法對界面1與界面3的眼動指標比較結果為：注視點個數、眼跳次數和掃視總長度3個眼動指標在異常儀表個數為0個、1個、2個時有顯著性差異(p<0.05);當異常儀表個數為3個的時候沒有顯著性差異(p>0.05)。注視總時間在異常儀表個數為0個、1個時有顯著性差異(p<0.05);當異常儀表個數為2個、3個的時候沒有顯著性差異(p>0.05)。平均瞳孔直徑在任何時候均沒有顯著性差異(p>0.05)。

表5 注視點個數指標分析

表6 注視總時間指標分析

表7 眼跳次數指標分析

表8 掃視總長度指標分析

表9 平均瞳孔直徑指標分析

從表5—表9中可以看出,隨著異常儀表的個數增加,3種界面的眼動指標均隨之增大,這與反應時間結果所得到的規律相符合,證明了這5種眼動指標用于界面評價的可靠性。

3 分析與討論

從主觀評價結果中可以看出，12名被試者均將界面3選擇為最好界面,且兩兩比較結果為明顯好于中等界面。這說明在原始操作人員界面的基礎上增大顯示數字,增加顯示數字周圍的背景色變化來提示儀表異常、將界面設計得更具現代化、更容易被人們所接受。

從表2與表3的反應時間結果中可以看出,界面3相對與原始界面有顯著改善,因此在儀表異常時增加顯示數字周圍的背景色變化,使異常提示顏色面積更大,從而便于被試者更加快速、準確地找到異常儀表。這與Hayashi等人[8]對顯示方式評價結果相一致。因此，不管是從任務完成時間，還是正確率來看,界面3都是3種界面中最好的。此外,從表3中的界面3與界面1的比值可以看出,異常儀表個數越少的時候,反應時間縮短的越明顯。

表4中各項眼動指標均反映了界面3相對于原始界面有顯著改進,而界面2相對于原始界面沒有顯著改進,這與主觀評價結果和反應時結果均相符合。此結果不僅進一步從客觀角度體現了改進后的界面3優于原始界面,而且證明了表4中所使用的眼動指標對于操作人員界面評價的有效性。從表5—表9的結果中可以看出,除平均瞳孔直徑外,各個眼動指標都是在異常儀表的個數越少的時候,界面3與界面1的比值越小,即修改界面對原始界面的改進效果越顯著。該結果也與反應時間按異常儀表個數分類的分析結果相符合,進一步證明了界面3中的改進措施具有推廣應用價值。

從表9中可以看出,由于人眼本身的結構特性,平均瞳孔直徑的變化范圍很小,因此很難從界面3與界面1的平均瞳孔直徑比值中反映界面的改進程度。平均瞳孔直徑反映的是在完成實驗任務時,信息加工負荷的大小與任務難度的變化,因此無論是原始界面還是修改界面,平均瞳孔直徑都隨著異常儀表個數的增加(任務難度的增加)而增大。這與Hess等[9]在研究眼動指標和任務難度變化之間的關系中得出的結論相符合。表4中界面3的平均瞳孔直徑小于界面1的平均瞳孔直徑,界面2的平均瞳孔直徑與界面1的平均瞳孔直徑基本相同,這證明了界面3中的改進措施可以有效降低被試者完成任務時的認知復雜度。此結論也與反應時和其余眼動指標分析得到的結論相符合。

圖2更直觀地展示了反應時間和眼動指標在每種界面中所占比例的歸一化結果。從圖中可以看出,除平均瞳孔直徑以外,反應時間和各項眼動指標的變化趨勢基本相同。因此,本文提到的5項眼動指標可以為工程實際中各種顯示信息的布局設計提供理論依據和數據支持。

圖2 反應時間和眼動指標歸一化結果

4 結論

本文所使用的基于主觀評價與客觀眼動數據相結合的視覺操作界面評價方法,在滿足了以往傳統的可用性和用戶體驗的評估方法基礎上,利用眼動數據為界面評價提供更加客觀的依據,為新型WinCC界面設計提供了新思路。

主觀數據和客觀眼動數據均反映了對界面進行顯示數字增大、增加儀表異常時顯示數字周圍的背景色變化、采用現代化的界面設計有助于數據認讀的效率提高。

本文通過主觀評價、反應時與眼動指標比較,證明了注視點個數、注視總時間、眼跳次數、掃視總長度、平均瞳孔直徑這5項眼動指標可用于客觀評價界面的可用性。眼動追蹤技術對界面中儀表樣式的設計、界面布局等的評價工作有較強的實用性,可以提供客觀的、可相互比較的、量化的度量標準。