以視野位置為因素的復雜信息視覺搜索實驗

吳曉莉,李奇志,張科

(1.南京理工大學 設計藝術與傳媒學院，南京 210094；2.河海大學 機電工程學院人因與信息系統交互實驗室，江蘇常州 213022)

1 引言

復雜信息界面廣泛應用于核電操控，戰場指揮，船舶駕駛等環境中，具有信息量大、交互內容復雜、容易出錯等特點。為了減少人為出錯、提高搜索效率和安全性，對復雜信息界面開展視覺搜索實驗，通過眼動生理指標測評搜索任務績效。

國內外現有研究中，對復雜信息界面的設計布局提供了一些方法。Jaydeep[1]對交互界面布局提出了一種新的啟發方式方法。Friedhelm[2]分析了現有復雜控制界面的人因失誤，并且進行重新設計。Anokhin[3]對核電站主控制室的交互界面進行了人機工程學分析，提出了布局不規則和設備之間的不兼容是最典型的錯誤。Heather[4]等研究了自動化作戰系統的信息呈現方式。吳曉莉[5-7]研究了復雜信息界面的視覺局限生理實驗方法，提出出錯因子概念并且通過實驗進行驗證。吳曉莉、薛澄岐等人[8]開展眼動實驗，研究了數字化信息界面中操作員搜索信息的注意資源分配，得到了認知信息處理與任務的關系、信息搜索與監控區域的關系以及信息特征的集簇關系。Wilson[9]，王海燕等人[10-11]運用眼動技術在航戰界面上開展實驗，分別計算了任務復雜度和做出了優化方案。劉青[12]建立基于CAS的界面評估標準。李晶等人[13-14]探討不同時間壓力下的認知績效問題，并提出了多維信息可視化的設計方法。

在對于視野位置的研究中，Posner[15]發現在空間流程任務中，有效線索能明顯提高搜索效率，以此提出了注意的“聚光燈”模型。Eriksen[16]等人在Posner研究的基礎上，提出了“透鏡”模型，該模型把注意資源的空間分布看作連續的、逐漸變化的。Pomplun[17]將落在視網膜上的一行文字分為三個區域，中央窩視覺區(foveal region )、副中央窩視覺區(parafoveal region)和邊緣視覺區(perpheral region )。臧傳麗[18]研究了副中央窩視覺區在語意加工時的作用。中央窩視覺區與視線成1°到2°的視角，在此區域內，視覺靈敏度最高；在視線2°到10°的范圍內，是副中央窩視覺區[19]。本文將中央窩、附中央窩視區結合復雜信息的視野位置，開展視覺搜索實驗。

2 對象與方法

2.1 實驗假設

在復雜信息界面中進行目標搜索任務時，可以是否符合野位置規律作為變量，研究搜索任務的凝視和掃視，反應時間和搜索正確率的變化。提出如下假設：

(1)不符合視野位置規律的目標比符合視野位置的目標，凝視掃視時間更長，掃視軌跡復雜；

(2)不符合視野位置規律的目標比符合視野位置的目標，難以搜索到；

(3)目標之間間距越小，越容易被找到；反之，難以搜索到。

2.2 實驗設計

實驗選取核電站硼和水補給系統界面為對象，提取該界面三種常用操作步驟：補給，稀釋和硼化。每一步操作都有若干對應任務。

根據視野位置理論，取視距為500 mm，中央窩視覺區視角為2°以內，副中央窩視覺區視角為10°以內。不同視覺區的半徑大小S=視距*tan(視角)。所以，中央窩視覺區的半徑為500*tan(2°)=17.5mm。副中央窩視覺區的半徑為500*tan(10°)=88.2mm。如圖1所示，由此在原界面上標出中央窩和副中央窩視覺區：灰色區域為副中央窩視覺區范圍，中心高亮度區域為中央窩視覺區范圍，中心圓區域為第一步任務所對應的信息塊(稀釋任務第一步操作為例)，中央窩視覺區正對應第一步任務所對應的信息塊。

做出如下定義：如果該任務第二步任務所對應的信息塊在第一步操作的副中央窩視覺區內，則定義為第二步信息塊符合視野位置規律。反之，如果第二步任務所對應的信息塊不在第一步操作的副中央窩視覺區內，則定義為不符合視野位置規律。

該界面三種常用操作補給、稀釋和硼化分別有7、4、3共計14個任務。如表1所示，在這14個任務中，有8個任務屬于符合視野位置規律的任務，6個任務屬于不符合視野位置規律的任務。

3 結果

選出采樣率為70%以上的8名被試數據作為有效數據。將有效實驗數據(8名被試*14個任務)按任務類型進行整理，計算出每種任務8名被試的平均凝視時間、平均凝視次數、平均掃視時間、平均掃視次數、平均反應時間和找到次數。以是否符合視野位置規律作為變量，將任務分為符合視野位置規律和不符合視野位置規律兩種類型，從凝視、掃視、總反應時間和找到次數與視野位置的關系。

3.1 凝視和掃視

3.1.1 凝視

凝視與認知加工有密切的關系。在大腦做出判斷、選擇、決策等活動時，眼睛會開始凝視。

在對平均凝視次數和平均凝視時間的Levene檢驗中，平均凝視次數(顯著性P=0.737>0.05)和平均凝視時間(顯著性P=0.865>0.05)，均滿足方差齊性，可以使用單因素方差分析法。表2中，平均凝視次數(P=0.028，P<0.05，F=6.217)和平均凝視時間(P=0.033，P<0.05，F=5.839)主效應均顯著。這表明，視野位置因素對認知加工有影響。

在圖2-a，2-b中，可以看出“不符合視野位置規律”一類的任務的平均凝視次數和平均凝視時間均高于“符合視野位置規律”一類任務。說明對于不符合視野位置要求的任務，大腦需要花費更多精力辨識和思考。

表2 平均凝視次數和平均凝視時間方差分析表

3.1.2 掃視

眼睛在尋找目標的過程稱之為掃視。在對平均掃視次數和平均掃視時間的Levene檢驗中，平均掃視次數(顯著性P=0.791>0.05)和平均掃視時間(顯著性P=0.811>0.05)，均滿足方差齊性，可以使用單因素方差分析法。表3中，平均掃視次數(P=0.019，P<0.05，F=7.266)和平均凝視時間(P=0.006，P<0.05，F=11.362)主效應均顯著。這表明，視野位置因素對掃視有影響。

在圖3-a、3-b中，可以看出“不符合視野位置規律”一類的任務的平均掃視次數和平均掃視時間均高于“符合視野位置規律”一類任務。說明對于不符合視野位置規律一類的任務，眼睛需要花費更多時間尋找目標。

表3 平均掃視次數和平均掃視時間方差分析表

3.1.3 凝視、掃視和眼動軌跡

根據凝視和掃視的分析結果，可以進一步分析視野位置規律和掃視軌跡的關系。表4為各任務8名被試的掃視軌跡圖和對應步驟的副中央窩視覺區的疊加圖。如圖分析可知，對于符合視野位置規律的任務，掃視軌跡更加緊密，大部分分布在副中央窩視覺區內。結果表明眼睛在副中央窩視覺區內搜索目標。而不符合視野位置規律的任務(見表5)，部分掃視軌跡分布于副中央窩視覺區內，部分掃視軌跡分布于副中央窩視覺區外，即邊緣視覺區內，并且沒有規律。表明眼睛先搜索副中央窩視覺區內的目標，在沒有找到對應目標后，開始在邊緣視覺區內尋找目標。

表4 符合視野位置規律的任務掃視軌跡和視覺區疊加圖

表5 不符合視野位置規律的任務掃視軌跡和視覺區疊加圖

3.2 反應時間和找到個數

在一次搜索任務中，被試尋找目標的時間總和，稱為反應時間。對于所有14種任務，每名被試成功尋找到某一目標，記為一次找到個數。

在對反應時間和找到個數的Levene檢驗中，總反應時間(顯著性P=0.716>0.05)和找到個數(顯著性P=0.660>0.05)均滿足方差齊性，可以使用單因素方差分析法。

在表6中，反應時間(P=0.007，P<0.05，F=10.485)主效應顯著。這表明，視野位置因素對反應時間有影響。

表6 反應時間和找到個數方差分析表

在圖4-a、4-b中，可以看出“不符合視野位置規律”一類的任務的反應時間高于“符合視野位置規律”一類任務。說明對于不符合視野位置規律一類的任務，被試需要更多時間才能找到目標。找到個數(P=0.020，P<0.05，F=7.164)主效應顯著。這表明，視野位置因素對找打個數有影響。“不符合視野位置規律”一類的任務的找到個數高于“符合視野位置規律”一類任務。說明對于不符合視野位置規律一類的任務，目標更加難以被找到。

4 討論

將14個任務按照信息塊間距的大小升序排列，順序為“硼化2、補給4、硼化1、稀釋2、補給3、稀釋3、硼化3、補給6、補給5、補給7、補給1、補給2、稀釋1、稀釋4”。分析其反應時間和找到個數。將符合視野位置規律的任務和不符合視野位置規律的任務單獨分析，如圖5-a、5-b所示，可以看出反應時間和找到個數并在變化上出現了一些波動，反應時間沒有隨著信息塊間距的增大而增大，找到個數沒有隨著信息塊間距的增大而減少。再將這兩種類型任務合并分析，信息塊間距在突破副中央窩視覺區范圍時，即從符合視野位置規律變成不符合視野位置規律后，找到個數明顯減小，反應時間明顯增加。這說明，在給定一個目標尋找下一個目標時，眼睛會優先搜索前一個目標副中央窩視覺區范圍內的信息。而對于在副中央窩視覺區內的目標，信息塊間距對目標搜索沒有直接影響。

5 結論

(1)符合視野位置規律的目標搜索，比不符合視野位置規律的目標搜索，凝視時間少，眼動軌跡較為集中，反應時間短及出錯率低，認知效率高。

(2)視覺搜索中，對于給定一個目標尋找下一個目標時，眼睛會優先搜索給定目標副央窩視覺區內的區域。

該實驗結論能夠作為信息界面布局的重要指標，能夠提高操作員的搜索效率，減少出錯。