知覺反饋不能提高安檢視覺搜索績效

劉西

摘 要：醫學放射影像診斷的研究發現知覺反饋能有效地提高搜索績效。通過實驗檢驗該方法在行李安檢任務的有效性，兩組安檢員隨機分配到反饋組和無反饋組，反饋組第二次搜索的圖片是將第一次搜索時注視時間大于1000ms的區域突出顯示出來；無反饋組第二次搜索的圖片就是原圖片。結果表明，兩組被試第二次的搜索績效和第一次之間沒有差異，知覺反饋的方法不能提高安檢視覺搜索績效。第二次搜索的反應時比第一次短；眼動數據表明第二次搜索時對興趣區域的注視時間比第一次短。眼動信息知覺反饋沒有提高安檢員的搜索終止閾值，沒有起到吸引安檢員仔細觀察識別的作用。眼動信息的傳遞方式是值得進一步研究的問題。

關鍵詞：視覺搜索 知覺反饋 眼動

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（a）-0148-04

Abstract： Perceptual feedback is an effective tool to improve visual search performance in diagnostic radiology field. An experiment was conducted to explore the application of this method in security screening task. The image with circles which had been fixated for more than the threshold fixation time of 1000ms in the first presentation was re-presented to observers of feedback group for second view. Observers in the no-feedback group simply had a second view at the stimuli. The result showed that the performance of second view was not better than that of the first view， which indicated that perceptual feedback did not yield reliable performance benefits. The reaction time of second view was shorter than that of the first view. The eye movements showed that the dwell time on the AOI for the first view was longer than that of the second view. The perceptual feedback with eye movement information did not increase quitting thresholds and screeners did not perform a more thorough search. How to convey eye movement information to the user is a challenge problem.

Key Words： Visual search； Perceptual feedback； Eye movements

工業檢測、軍事雷達目標檢測、放射影像診斷和公共交通行李安全檢查等任務，漏檢的危害無可估量，但在實際生產生活中漏檢率很高。例如在醫學放射影像診斷中漏檢率高達30%[1]，低事件率是可能的原因之一。低事件率導致觀察者降低終止閾值，即沒有全面檢查，反應時短，漏檢率高[2]。Wolfe等人通過穿插沒有反饋的低事件率區組在有基于績效反饋的高事件率區組中的實驗，發現提高了檢出率，但假陽性的數量也增加了[3]；X光醫學診斷任務中通過判斷正確與否的反饋訓練同樣提高了診斷績效[4]。安檢員通過每天例行的搜索任務積累經驗，即從經驗中學習從而提高搜索能力，這個過程很漫長，而富信息反饋是提高搜索績效準確性的捷徑，通過正式的訓練和反饋能更快地提高認知分析能力[5]。基于績效的反饋可以提高搜索終止閾值，但在實際的任務中無法事先知道有無目標，所以此類反饋方法不可行。而眼動信息的反饋不用事先知道有無目標，也不受事件率的影響，理論上會影響搜索終止閾值而使得搜索更徹底，提高檢出率。

但以何種方式反饋眼動信息是值得研究的問題，反饋哪些搜索過了哪些沒有的眼動信息并沒有提高搜索績效[6]。Kundel和Nodine[7-8]的研究發現根據注視時長，漏檢目標可以從真陰性判斷中區分出來，進而提出基于注視時間測量信息處理的確定漏檢肺結節位置的方法。Krupinski[9-10]等將其總結成一套完整的知覺反饋方法：X光圖片呈現給經驗豐富的被試并記錄下他們的判斷和眼動數據，如果發現目標需要指出具體位置。根據眼動數據，基于注視時長分析可疑區域的注視閾值算子，將圖片上大于注視閾值的區域突出顯示出來，被試再次觀察并做出判斷。通過分析各種醫學圖片，包括胸片、乳腺鉬靶攝片、骨創傷和骨外傷等，得到1000ms的注視閾值是有效的[10]。知覺反饋在放射醫療領域被證實是一種有效提高搜索績效的方法[8-10]，提高了將近20%的績效。

X光行李安全檢查類似醫學放射影像診斷，是復雜背景中搜索低對比度目標的任務。知覺反饋方法假設注視時間長的位置存在可疑特征（有的觀察者能有意識地知曉該特征，而有的不能），從而觀察者能再次慎重地分析這些位置，提高判斷的準確性。本文探討這種知覺反饋方法在行李安檢領域的有效性，為設計出更有效的安檢輔助方式提供理論依據。

1 實驗設計

1.1 實驗被試

8名至少有1年機場安檢工作經驗的安檢員參加實驗，視力或矯正視力正常。

1.2 實驗材料

實驗材料是50張機場X光行李圖片，其中25張圖片中有危險品，25張圖片中沒有危險品。有危險品的圖片中有且只有一個危險品：刀、槍或者簡易爆炸裝置（Improvised Explosive Devices，IED）。

1.3 實驗過程

被試被隨機分配到“無反饋”組和“反饋”組，每組4人。50張圖片隨機顯示在顯示器上，被試的任務是在圖片中搜索危險品并指出其位置。一個“1-肯定沒有危險品”到“5-肯定有危險品”的5點量表用于被試評估自己的判斷，如果認為有危險品的，需要指出危險品在圖片中的位置。Tobii眼動儀記錄眼動數據，主試記錄被試判斷結果和位置。對于每一張圖片，知覺反饋方法的具體步驟：（1）觀察者第一次搜尋圖片并判斷；（2）應用注視閾值算子分析眼動數據；（3）將注視時長大于1000ms的區域用5°視角的圓圈突出顯示出來；（4）觀察者再次搜尋圖片并判斷。結束后按鍵盤上任意鍵切換到下一張圖片，直到50張圖片判斷結束。“無反饋”組也是同樣的實驗程序，只是第二次呈現給被試的圖片是原圖。告知被試再一次認真地搜索圖片并做出判斷，可以改變前一次的判斷結果。

利用最小凝視時間200ms和最小凝視半徑50像素（對于1280×1024像素的分辨率在電腦屏幕上大概是2.5°的視角）的過濾器對原始眼動數據進行整合歸集成注視點。所有注視時間大于1000ms的注視點都用圓圈圈起來反饋給被試，并解釋這些區域是根據之前搜索時記錄的眼動數據得到的注視時間長的區域，圓圈越大表示注視時間越長（反饋圖片見圖1）。要求被試第二次搜索是要留意這些突出顯示的區域再做出判斷。

2 數據分析

2.1 判斷績效

按5個分界值分別統計被試第一次檢視和第二次檢視的判斷結果的數量：真陽性（TP）、真陰性（TN）、假陽性（FP）和假陰性（FN）。從表1可以看出，兩種實驗條件下被試第二次檢視時都有把陰性判斷（沒有危險品）改為陽性判斷（有危險品）的趨勢，最多的是“無反饋”組第二次檢視后真陽性增加了14個，但t檢驗顯示增加量并不顯著。

無反饋組和反饋組第二次檢視的檢出率稍比第一次好，但變化不大，說明無論是無信息反饋還是眼動信息反饋都沒有提高危險品的檢出率。

判斷數據用受試者工作特性方法（ROC）進行分析，ROC方法不受不同判斷標準的限制，以假陽性率（False positive rate）為橫軸、真陽性率（True positive rate）為縱軸組成的坐標圖繪制曲線，ROC曲線越靠近左上角，試驗的準確性就越高，ROC曲線下的面積Az值越大判斷正確率越高。表3是兩種實驗條件下的Az值。單因素方差分析顯示無反饋組和反饋組第一次檢視的Az值沒有差異，說明兩組被試搜索危險品的能力沒有差別。雖然兩組被試第二次檢視的績效比第一次稍好，但t檢驗顯示兩次檢視的績效沒有差異，說明反饋眼動信息并沒有降低漏檢率。

2.2 反應時

無反饋組第一次和第二次檢視時間分別為8.16s和3.51s，反饋組第一次和第二次檢視時間分別為8.32s和3.35s。第二次檢視時間明顯比第一次短，t檢驗顯示二者差異顯著，P<0.001。反饋組第二次檢視時間和無反饋組沒有差異。即使在實驗前的指導語中要求被試第二遍也要仔細搜索，被試仍然很快結束并進入下一張圖片的搜索任務。尤其是反饋組，圓圈的突出顯示沒有起到提醒被試仔細觀察和識別圖片的作用。

2.3 眼動數據分析

在指導語中要求被試第二次檢視時仍要仔細搜索識別并重新做出判斷，但績效和反應時的分析顯示兩種實驗條件下反饋并沒有提高搜索績效，第二次的反應時遠遠比第一次短。為了理解兩次檢視中被試是如何搜索圖片的，圖片中的危險品被定義為興趣區域，并對首次進入興趣區域的時間和興趣區域的注視時間兩個相關變量進行分析計算。如表3所示兩種實驗條件下，安檢人員第二次檢視對興趣區的注視時間都比第一次短，P<0.05。兩個實驗組第二次檢視對興趣區的注視時間沒有差異，在有40%的危險品包含在圓圈里反饋給被試的情況下，反饋組的注視時間比無反饋組略短。被試對待眼動信息反饋區域跟其他區域是一樣的，沒有額外注意。首次進入興趣區的時間第二次比第一次略短，但不顯著。第二次檢視時被試加快了加工識別速度，從一個區域迅速轉移到下一區域或直接做出判斷。X光行李圖片背景復雜、干擾項太多、目標外形不確定，另外漏檢的危害性無法估量，安檢員對圖片中出現電線、暗色或者橙色區域都會額外留意，從而第二次檢視首次注視危險品的時間會有所縮短但不顯著。

3 結語

雖然第二次檢視后部分FN判斷改為TP判斷，但檢出率的提高并不顯著。這種在醫學領域被證明有效的知覺反饋方法沒有改善安檢員的判斷績效和檢出率。和X光行李圖片搜索相比，X光醫學診斷有解剖學結構和醫學知識作為參照和依據，而且諸如乳腺鉬靶攝片的投照體位包括頭尾位及內外側斜位，同一物體從多個角度拍攝更易于發現目標。X光行李圖片缺乏參照，行李里的物體一件件都是孤立隨機的，沒有內在聯系。而且物品的擺放雜亂無章，互相遮擋，往往物體的重要特征被掩蔽了，安檢員特別注意暗色的、密度大的地方，并據此做出判斷。在實驗開始前，反饋組的被試被告知圖片中被圈定的區域是第一次檢視時注視時間長的區域，或許包含有值得注意的可疑特征信息，但第二次檢視的反應時比第一次短得多。眼動信息并沒有改變安檢員的搜索終止閾值，對興趣區域的注視時間甚至比無反饋組短。尋找有效傳遞眼動信息的方式是研究如何提高搜索績效的關鍵和挑戰。

參考文獻

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