基于認知負荷的中老年界面背景色相差異的視覺工效研究

單潤后 孫慶偉　

基于認知負荷的中老年界面背景色相差異的視覺工效研究

單潤后1孫慶偉2

（1.南京理工大學，江蘇南京 210094；2.南京林業大學，江蘇南京 210037）

移動信息技術的高速發展促使中老年人學習和使用智能設備，鎖屏界面是中老年人使用頻率最高的手機界面之一，科學合理的壁紙色彩選取有助于提升中老年人對界面信息的辨識體驗。文章基于認知負荷理論和HSB色彩模式，采用眼動實驗數據與主觀測量相結合的技術路線，以認知負荷值、反應時間、準確率、眼動注視點作為評價指標，考察鎖屏壁紙間色相差異和色相復雜程度對中老年人認知負荷和認知工效的影響。結果表明，在明度飽和度不變時背景的色相差異和色相復雜程度對中老年人認知負荷的影響顯著，對認讀效率的影響顯著。

認知負荷；中老年；鎖屏界面；背景色相；眼動實驗

引言

隨著中老年人文化素養和知識水平的提高，很大一部分老年人開始接觸、學習新鮮事物，智能電子產品成為很多老年人日常使用的設備。但目前智能手機交互界面的研究對象主要是年輕人，缺乏針對老年人的交互界面設計研究。此外，過去有關老年人數字界面的研究主要關注老年人閱讀的效率和文字設計的可讀性[1]，忽視了對于中老年人體驗關于界面色彩的認知研究。從老年人認知特征出發探討相關設計原則來指導設計，有助于減輕老年人對于新技術存在的陌生、排斥的態度和科技恐懼心理。

認知負荷理論核心觀點是：工作活動記憶和各種認知信息處理任務均需消耗有限的認知資源，過多和過于復雜的信息都會導致用戶認知資源不夠用[2]。通常影響老年人數字界面視認體驗的因素可分為內因與外因。內因方面，中老年人正在經歷認知老化的過程[3]，主要表現在注意力、工作記憶、反應時間、感知能力等方面的變化。有研究證明，使用同一交互界面的老年人比年輕人更容易經歷認知負荷過載[4]。外因方面，文字大小、字間距、界面布局、圖案背景等都會影響閱讀體驗。認知負荷過高或過低都會使用戶交互體驗受到影響，因此探究認知負荷的影響因素對于優化中老年用戶交互體驗具有重要意義。

色彩的飽和度、亮度等因素對閱讀效果的影響是綜合性的[5]，顏色是在數字界面上對信息進行編碼的有效方法。Wang等[6]的研究發現，文本與背景的顏色組合對閱讀成績有顯著影響，顏色對比度越大成績越好。Pastoor等[5]研究了數字文本易讀性的主觀偏好影響因素，發現在主觀評價和閱讀效率兩個標準上，顏色、飽和度和亮度等因素對文本閱讀的影響并不顯著。探討背景色彩與中老年人認知負荷關系的文獻尚不多見，界面色彩對于老年人認知負荷的影響尚待研究證實。隨著年齡增長，老年人對于色彩的感知能力逐漸下降，對于光線變化的調節能力逐漸減弱。另外，退休后的孤獨感、社會遺棄感使得老年人的心理上更偏向于絢麗的顏色，因此，老年人普遍偏好于易感知、視覺沖擊力強的色彩配置，以及中高明調的色彩搭配。

綜上所述，本文從色相方面研究相關色彩設計原則，采用客觀眼動數據與主觀量表相結合的研究方法，以智能手機鎖屏界面壁紙為例，通過視覺認讀實驗，研究背景圖的色相差異、色相復雜度對老年人視覺認知工效和認知負荷的影響。

1 研究方法

HSB色彩模式通過色彩三要素（色相、明度、飽和度）來定義色彩，色相是區分不同色彩的主要特征，色相的取值為色相環（如圖1所示）中對應的度數，范圍是0°～360°，不同角度代表的色相不同。本文按照HSB色彩模式確立壁紙的色相差異角度作為自變量對實驗材料進行處理，將鎖屏背景色彩量化，控制明度飽和度不變，且為高明度、高飽和度的色彩（明度值為90%，飽和度值為90%），操縱色相變化。

NASA 認知負荷指標量表（NASA-TLX量表）是最為標準的量化認知負荷結果的工具[7]，它從腦力需求（Mental Demand）、體力需求（Physical Demand）、時間需求（Temporal Demand）、績效水平（Performance）、努力程度（Effort）和挫折程度（Frustration Level）六個維度對參與作業者的心理負荷進行評定，并計算總負荷水平，是廣泛用于績效研究的多維評估量表[8]。采用NASA認知負荷量表作為手機鎖屏界面認知負荷的主觀評價工具，被試評分結束后對認知負荷因素進行權重加分。用認讀正確率、反應時間、注意力狀態等客觀數據判斷認知效率變化，研究色相差異對于中老年用戶體驗的影響。

圖1 色相環

1.1 實驗設計

研究采用3（壁紙色相組合程度：單色，雙色，三色）×3（壁紙色相對比程度：弱對比，中對比，強對比）的多因素混合實驗、被試內實驗設計，在不同測試階段下每名被試需對鎖屏界面中心偏上位置的信息進行認讀。所有階段認讀完成后，要求被試根據識別情況完成對應的NASA認知負荷指標量表，并做相關訪談調查。

1.2 被試和實驗設備

實驗共選取10名中老年人作為被試，其中女性6名，男性4名。年齡范圍在56～74歲，平均年齡65歲，被測對象的視力或矯正視力正常，且均無色盲色弱。實驗設備是一臺Tobii Pro X3-120眼動儀，使用配套軟件操作平臺Tobii Studio進行實驗程序控制。

1.3 實驗材料

實驗材料鎖屏界面的尺寸、比例按目前通用的智能手機屏幕規范設置（6.5英寸和19.5∶9）。測試材料背景圖按色相復雜程度分為三個層級，第一層級為單色相背景，以色相值0°為起點，在色相環上每隔60°選取一種色相，共選取6種；第二層級為兩種色相組合的背景，共6種，兩種色相將背景圖均分為上下兩等份；第三層級為四種色相組合的背景，共6種，四種色相將背景均分為由上到下四等份。各色相在色相環上相差角度決定了色相對比效果的強弱，角度越大對比越強[9]，第二、三層級分別設置三種水平的色相對比，以色相值0°（紅色）為基準色，設置了色相差異角度為從弱到強三個水平。具體色相值如表1所示。前景信息采用易于辨認的無襯線字體，顏色為白色，與背景圖呈負對比度極性。前景信息包括時間和日期，固定位置且始終位于單色背景上。

表1 實驗材料色相值

實驗材料示例見圖2，每份材料約10字（SD=3.1），對材料測試進行單因素方差分析，替換差異顯著材料，確認實驗所用18份實驗材料難度沒有顯著差異。

圖2 實驗材料示例

1.4 實驗程序

實驗程序如圖3所示，在實驗正式開始前，由主持人向被試介紹操作方法，被試在了解實驗規則流程后，首先進行模擬練習，確定其準備充分。正式實驗開始，屏幕呈現“開始認讀”持續 2000 ms，隨后屏幕中呈現單色相實驗鎖屏界面中的一個，要求被試認讀界面中信息后并按下空格鍵，即完成一次認讀，重復上述步驟6次后，完成單色相階段認讀。同理，完成雙色相階段、四色相階段認讀。在每兩個階段間穿插間隔頁面持續3000 ms，被試得到短暫休息，防止疲勞和近因效應。實驗過程中記錄被試的反應時間和正確率。其中，反應時間為從鎖屏界面呈現到被試讀完內容后按下空格之間的時間。在完成眼動測試后，要求被試填寫NASA-TLX量表，每一階段界面分別填寫一份。

圖3 實驗程序

2 結果與分析

實驗結束后，對實驗結果進行檢驗，排除操作失誤和眼動儀未捕捉到的極端數據，最后有效樣本為8人。

2.1 認知負荷分析

通過分析NASA-TLX主觀量表六個測量因素發現，腦力負荷程度評分范圍為18～75，表現出被試較高的關注度，體力負荷程度關注度較少。時間緊迫感是被試在認讀過程中自身認讀節奏和心理壓力的反映，隨著色相復雜度的提升，被試獲得了更高的壓力和緊張感，誤讀錯讀的幾率提升；績效是被試對于認讀任務的滿意程度，所有被試對自己的認讀結果基本滿意，分數均≥50；努力程度在一定程度上反映了被試對自身表現的評估，受到關注較低，并且被試均未表現出受挫和對界面的惱怒。

將量表的測試因素兩兩配對進行運算，確定各因素的加權系數（腦力負荷水平、體力負荷水平、時間緊迫感、績效、努力程度、挫折程度，比值為0.3∶0.1∶0.2∶0.2∶0.1∶0.1），之后對分數進行加權運算，得出認知負荷總值，并綜合統計被試的打分情況，見表2。

表2 不同色相復雜程度的認知負荷值

不同被試認知負荷總值呈現出不同的特點。其中，一部分被試的認知負荷值隨著色相組合程度的增加而增長，這說明不同色相復雜程度的背景確實會影響到他們的主觀認讀體驗；另一部分被試呈現的認知負荷變化是不顯著的，隨著色相復雜程度的增加并沒有呈現出逐漸增長趨勢，這很可能是由于不同被試的文化認知水平、個人經驗以及生理能力具有一定的差距。制作認知負荷趨勢圖，觀察認知負荷整體變化情況，分析得出認知負荷隨著界面色相復雜度層級的上升而逐漸提升，提升幅度明顯。

由圖4可以看出，中老年人認知負荷與性別差異的關系上，女性被試比男性被試獲得了更大的認知負荷值。實際參與實驗的女性比男性多，男性組的最大負荷值和最小負荷值分別為20和55，平均負荷值為38.7。女性組的最大負荷值和最小負荷值分別為30和70.5，平均負荷值為41.5。

圖4 中老年人認知負荷與性別的關系圖

2.2 眼動指標分析

2.2.1 興趣區注意力狀態分析

完成實驗得到不同階段的眼動注視點圖，如圖5所示。注視點圖反映注視點軌跡、注視點個數、注視點的持續時間等參數。圓形標記代表注視點，線條代表眼跳軌跡，圓形越大代表注視點時間越長。三組注視點圖的注視焦點無顯著差異，與實驗前預期相符。通過對比三組注視點圖發現，隨著色相復雜程度的增加，認讀區域以外的注視點逐漸減少：單色相組的離散注視點數量最多，四色相組的離散注視點數量最少。分析原因可能是實驗材料壁紙上下色相差異的設定造成了縮小認讀區域的視覺分割效果，縮小了被試的視覺認知任務范圍，提升了被試認讀效率。由此可見，色彩有一定的視覺引導作用，適當的色彩配置可以幫助用戶更便捷地獲取信息。基于注視點指標，四色相組的材料背景圖最容易使用戶的視線聚焦。

(a) 單色相組眼動注視點

(b) 雙色相組眼動注視點

(c) 四色相組眼動注視點

2.2.2 色相組合復雜度對認讀效率的影響

實驗假設隨著壁紙色相復雜程度的提升，被試的認讀效率逐漸下降。與實驗前假設不符，被試對色相復雜程度的平均反應時間趨勢總體呈“V”形。如表3所示，雙色相組的反應時間最短，波動水平最小（SD=0.41），準確率也最高。從總體上來看，三組的反應時間和準確率差異不大。經觀察分析可能的原因是：在單色相認讀階段，由于被試正式實驗開始時有一定的適應階段，前幾次認讀的效果會受到一定影響。從單色相到雙色相，壁紙開始出現視覺分割效果，提升了被試認讀效率。隨著色相逐漸增多，被試認知負荷增大，反應時間有所增加，壁紙色相差異造成的視覺分割、縮小認讀區域效果沒有繼續提高視認工效。實驗結束后，被試也表達出了在四色相組認讀時認知的壓力和緊張情緒。綜上所述，在三種色相復雜程度的背景影響下，認讀效率最優組為雙色相。

表3 不同色相復雜程度的平均反應時間和準確率

2.2.3 色相差異對比對認讀效率的影響

通過對雙色相組和四色相組的色相差異對比度分析發現，色相對比程度對被試的反應時間有較為顯著的影響，如圖6，隨著界面壁紙色相對比程度的提升，反應時間整體呈下降趨勢，下降幅度趨緩。對比雙色相和四色相發現，雙色相組在不同色相對比程度下的認讀時間均低于四色相組。在準確率方面，雙色相組認讀準確率總體呈下降趨勢，經過分析可得，反應時間和準確率有一定相關性，反應時間縮短，認讀準確率也降低。四色相色組的認讀準確率與色相對比缺乏相關性，隨著色相對比程度的提升，認讀準確率呈無規律變化。雙色相組的平均準確率高于四色相組。

綜合考慮，在壁紙有色相對比的情況下，認讀效率最優值為強對比（色相差異角度為90°），但是相對的過強的色相對比度會刺激視覺神經，易引起視覺疲勞，有被試反饋對此類對比的不適感。因此，背景圖的色相為中對比（色相差異角度為60°）是更好的選擇。

圖6 同色相對比程度的平均反應時間

3 討論

上述實驗綜合考察了中老年人的認知負荷和認讀效率，結果表明，在具有高明度高飽和度的中老年人機交互界面中，色相復雜程度對認知負荷具有顯著影響（認知負荷隨著界面色相復雜度層級的上升而逐漸提升），對認讀效率具有顯著影響（在色相復雜程度為雙色相，強對比時視覺工效最佳）。證明了通過控制界面中色相差異和色相復雜程度來提高中老年人視覺工效和用戶體驗這一方法的可行性。

在數字閱讀和數字交互中，認知負荷一直是影響閱讀工效和學習績效的主要因素。認知負荷分為中樞處理資源、響應資源、空間編碼資源、語言編碼資源、視覺接收資源、聽覺接收資源、操作資源7個維度[10]。本文通過控制背景色相，測試了視覺接收資源的變化，不涉及其他維度。李晶等[11]的研究提出，平衡認知負荷是提升工作績效的重要方式，有助于提升閱讀體驗。如表3所示，隨著色相復雜程度增加，認知負荷呈緩慢提升趨勢，認讀效率并沒有顯著下降，反而有小幅提升，這說明控制認知負荷并非越低越好。

隨著計算機輔助設計的不斷發展，色彩設計作為界面設計的重要組成部分，也在朝著更加科學與便捷的智能色彩設計的方向不斷發展[12]。近年來研究者試圖通過色彩調和、色彩情感屬性、配色美度等方面找到色彩規律的表示與計算方法，將色彩認知規律和感性因素轉化成計算機可處理和計算的數學模型來實現計算輔助色彩設計[13,14]。面向中老年人交互界面色彩設計不僅要考慮到中老年用戶的審美需求，同時也應該發揮色彩對界面的編碼作用以提高交互工效，避免因長時間的視認過程使中老年人產生反感情緒，甚至失去對產品使用的信心。

綜上分析本文提出基于認知負荷理論和HSB色彩模式的中老年人界面背景色彩設計原則：盡量控制界面背景的色相數量，背景中的色相差異角度為60°可以達到良好視覺工效，發揮色彩對界面的編碼作用，使認知負荷值保持在較低水平，增強界面的易用性。

4 結束語

數字閱讀比傳統紙張閱讀具有更多的交互空間和可能性，只有通過良好的適老化交互設計才可能為中老年用戶帶來比傳統閱讀更好的體驗。本文通過實驗驗證了控制背景色相復雜程度來改善視認工效方法的可行性，并提出相關原則。但研究目前還存在著一定局限，如本實驗選取對象過少，不能完全代表國內中老年人的普遍水平，而且由于樣本中沒有視力障礙的參與者，因此本實驗結果并不適用于低視力的中老年人群，因此后續還需對此進行補充，以期更加深入地揭示用戶體驗與認知負荷的關系。

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Study on Visual Ergonomics of Interface Background Hue Difference between Middle-Aged and Elderly Based on Cognitive Load

The rapid development of mobile information technology promotes the middle aged and elderly to learn and use smart devices. The lock screen interface is one of the most frequently used interfaces among the middle aged and elderly, a scientific and reasonable selection of wallpaper color is helpful to improve the middle aged and elderly's identification experience of the lock screen interface. Based on the cognitive load theory and the HSB color model, a technical route combining eye movement experiment data with subjective measurement was adopted. cognitive load value, reaction time, accuracy and fixation points were used as evaluation indexes to investigate the influence of hue difference and hue complexity on the cognitive load and cognitive efficiency of the middle aged and elderly. The results show that the color difference and color complexity of the background have a significant impact on the cognitive load and reading efficiency of the middle-aged and elderly when the lightness and saturation are unchanged. It has a significant effect on reading efficiency.

cognitive load; the middle aged and elderly; lock screen interface; background hue; eye movement experiment

TP391.4

A

1008-1151(2022)07-0196-05

2022-04-20

單潤后（1998－），男，山東德州人，南京理工大學在讀碩士研究生，研究方向為人機交互、產品適老化設計方法研究。