車載中控屏信息布局對視覺搜索績效的影響

褚英帆， 秦華,2*， 冉令華， 郭恒瑞， 張欣

(1.北京建筑大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院， 北京 102616； 2.北京建筑大學(xué)北京建筑安全檢測工程技術(shù)研究中心， 北京 102616； 3.中國標準化研究院， 北京 100191)

近年來自動駕駛技術(shù)飛速發(fā)展，車載中控屏作為車輛智能化的最直觀表現(xiàn)，在駕駛過程的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。作為智能化和多樣化的車內(nèi)飾代表，車載中控屏承載了包括娛樂、通信、導(dǎo)航、駕駛等多種信息任務(wù)。目前車內(nèi)中控屏的布置一般位于駕駛員的右側(cè)，影響了駕駛過程快速、準確地獲取遠離有效視野范圍的信息[1]。有關(guān)信息呈現(xiàn)的研究結(jié)果表明：界面的視覺信息應(yīng)進行合理的排布，這樣操作者進行視覺搜索的反應(yīng)時長會大大縮短[2-3]。在視覺搜索的研究中通常將頭部和眼球都固定后所能看到的范圍, 定義為“靜視野”；把頭部固定不動而眼球可以自由轉(zhuǎn)動所能看到的范圍, 定義為“動視野”[4]。駕駛過程中，交互界面在進行信息布局時可以充分利用不同視野條件的視覺績效并以此緩解駕駛員視覺疲勞，提高駕駛安全。

中外學(xué)者對交互界面信息布局設(shè)計已有一些研究。Raeisi等[5]通過鏈值分析方法計算面板元素間鏈路的重要性和頻率綜合權(quán)重，進行交互界面的信息布局設(shè)計。李晶等[6]的研究結(jié)果表明，交互界面中符合認知特征的信息布局設(shè)計可以提高操作人員的工作效率。李慧芬等[7]為了提高車內(nèi)信息系統(tǒng)的使用效率, 從布局和顯示數(shù)目兩個方面展開研究, 得出有利于提高使用效率的界面設(shè)計方案。閆云豪等[8]針對智能駕駛環(huán)境, 重點進行了駕駛信息與顯示位置的匹配與駕駛信息顯示界面的布局設(shè)計兩方面的研究，提出了使用戶感知滿意的界面布局方案。在視覺感知的有關(guān)研究中表明，駕駛過程中駕駛員30%～40%的視覺注意力資源將被用于執(zhí)行非駕駛?cè)蝿?wù)[9]。對此，秦華等[10]提出，駕駛過程中應(yīng)減少次任務(wù)占用的視覺注意資源。此外，隨著年齡增加，人的視覺功能會逐漸衰退，視野范圍從55歲就開始變窄[11]，因此駕駛中視覺績效也會隨之下降，尤其是當(dāng)界面信息呈現(xiàn)時長較短時[12-13]。針對老年人的視覺功能性衰退，在臨床實驗中有視敏度和視覺對比度等相關(guān)的測試研究，但對老年人在駕駛過程中的視覺行為不具有預(yù)測性[14]。

綜上所述，已有大量對人機交互界面的信息位置、布局和數(shù)量的研究實驗，其中也不乏針對老年人群視野變化特點進行的醫(yī)學(xué)測試。但目前的研究中暫未考慮基于駕駛環(huán)境中界面信息位置的視野測試，以及從不同年齡分組測試的角度來直觀構(gòu)建老年駕駛員與車載中控屏進行視覺信息交互過程中的視野特征。現(xiàn)以車載中控屏作為不同年齡人群在駕駛中的視野研究對象，重點探究老年駕駛員在中控屏不同信息布局位置下的視覺績效，以確定中控屏的最佳信息布局位置。通過合理的中控屏信息布局設(shè)計減少老年駕駛員在駕駛中的讀取交互信息的時間，提高駕駛安全性。

1 研究方法

針對老年人視覺衰退引起在駕駛時的視覺注意分散問題，以減少老年人在讀取中控屏信息時對視覺注意資源的占用、降低駕駛風(fēng)險為研究目標，從視覺搜索的感知與識別兩個層次尋找中控屏中的最佳信息布局位置。實驗一共包括兩個自變量：年齡、信息布局位置。因變量為視覺搜索的反應(yīng)時長、正確率和眼動數(shù)據(jù)。

1.1 參試者

在北京招募20～70歲不同年齡段的人群，分為青年、中年和老年3個年齡組，所有被試的身體健康狀況良好，視力或矯正視力良好。各年齡組被試的基本信息如表1所示。

表1 參試者年齡信息表Table 1 Participant age information form

1.2 實驗平臺

本次視覺搜索實驗使用E-prime實驗平臺編制程序，以白色為實驗背景。實驗場景最大程度還原了駕駛過程的車內(nèi)位置布局，主屏幕承擔(dān)參試者實驗時的主要視覺注意，模擬駕駛情景下的視覺注意分配策略；側(cè)面屏幕模擬了比亞迪-元Pro的DiLink 10.1 in(1 in=2.54 cm)中控屏幕，搜索區(qū)域為240 mm×180 mm，在分辨率為1 080 p、刷新頻率為60 Hz的模擬屏幕上顯示。參試者使用外接鍵盤進行輸入，其他輔助設(shè)備包括德國SMI 公司的眼鏡式眼動儀、可調(diào)式座椅以及用于測量距離的米尺。

靜視野測試由24種刺激范圍不同的線條圖形構(gòu)成實驗材料，且每種圖形具有不同的語義內(nèi)容；動視野測試的實驗材料為簡單圖形線條進行填充后的24種形象剪影。參試者對簡單線條圖形的視覺加工過程是整體的，填充后的剪影圖形會對語義加工產(chǎn)生干擾，增加加工復(fù)雜度的同時不會影響對填充圖形的視覺特征加工過程。實驗材料選取的依據(jù)來源于視覺搜索的感知與識別過程，從語義加工的角度進行此次基礎(chǔ)性測試。實驗在模擬日間行車的環(huán)境中進行。實驗為保證被試的頭部始終保持駕駛過程中一致的狀態(tài)，采用了語音提示的方式，過程中實驗員通過一直觀察眼動儀的錄制過程確保實驗數(shù)據(jù)的真實性。

1.3 實驗任務(wù)

實驗?zāi)M了駕駛員對靜態(tài)車載中控屏信息的視覺搜索過程，對橫向和縱向兩種擺放方式分別進行實驗測試。

(1)靜視野測試。參試者在保持眼球不動的前提下，對屏幕中不同視野位置呈現(xiàn)的內(nèi)容進行掃描，看到有內(nèi)容出現(xiàn)即可按鍵反應(yīng)。以探究靜視野條件下不同布局位置的視覺感知績效。

(2)動視野測試。參試者可以轉(zhuǎn)動眼球，對屏幕中不同布局位置呈現(xiàn)的內(nèi)容進行識別，看清楚內(nèi)容即可按鍵反應(yīng)并作出應(yīng)答。以探究動視野條件下不同布局位置的視覺識別績效。為深入探究動視野條件下的眼動機制，證實行為實驗的推斷，對動視野條件下參試者的視覺行為數(shù)據(jù)進行記錄。

在動視野目標的搜索過程中，參試者對目標內(nèi)容的判斷與實際情況相符合時，認為這次搜索反應(yīng)為正確，否則為錯誤。參試者僅需判斷出刺激材料所屬的種類即判定為正確，在一次反應(yīng)中可明確說出刺激材料最具體名稱的參試者將被判定為在視覺搜索過程中的精準程度更高。

1.4 實驗過程

實驗采用3(青年組、中年組、老年組)×6(6個信息布局位置)組內(nèi)設(shè)計。同一初始項中實驗材料不重復(fù)出現(xiàn)。如圖1所示，實驗流程為：閱讀實驗指導(dǎo)語，按鍵開始實驗。提示音結(jié)束后，實驗材料將在模擬中控屏的6個位置隨機出現(xiàn)，呈現(xiàn)1 000 ms后，要求參試者在盡量準確的前提下做出快速應(yīng)答。靜視野測試下，參試者看到圖形按1鍵，未看到圖形按2鍵；動視野測試下，參試者看清圖形按1鍵并回答內(nèi)容，未看清圖形按2鍵。參試者做出反應(yīng)后自動進入下一個試次。根據(jù)不同的模擬中控屏擺放，本次實驗分為橫向擺放測試和縱向擺放測試2個項目，共48組測試。正式實驗之前被試需要進行18個試次的練習(xí)，實驗過程中參試者持注意力集中，完成整個實驗大約40 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時長的描述性統(tǒng)計結(jié)果

表2為兩種測試方法下各個年齡段人群在視覺搜索過程中的反應(yīng)時長的均值與標準差，可以發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增加，反應(yīng)時長隨之增加。表明，無論視野測試條件如何，老年人的反應(yīng)時長相對于青、中年人的反應(yīng)時長存在明顯增加現(xiàn)象。信息布局位置對老年人的視覺搜索績效也存在影響顯著，縱向擺放方式下老年人的反應(yīng)時長高于青、中年人。

表3為兩種測試方法下參試者在不同布局位置進行視覺搜索時反應(yīng)時長的均值與標準差。

從表3中發(fā)現(xiàn)，在橫向擺放方式中位置1、4、5三個位置的反應(yīng)時長表現(xiàn)為優(yōu)于其他位置；在縱向擺放方式下位置1、4、6三個位置的反應(yīng)時長表現(xiàn)為優(yōu)于其他位置。從不同測試方法看，靜視野測試條件下位置3、4(橫向)、位置1、4、6(縱向)的視覺搜索績效優(yōu)于其他位置；動視野測試條件下位置1、4、5(橫向)、位置3、4、5(縱向)的視覺搜索績效優(yōu)于其他位置。

表2 各個年齡段人群反應(yīng)時長的描述性統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Descriptive statistical results of response time of people of all ages

圖1 實驗流程圖Fig.1 Experimental flow chart

表3 不同視野位置反應(yīng)時長的描述性統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Descriptive statisticalresults of response time at different visual field positions

2.2 眼動數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果

圖2 不同位置的平均注視點分布Fig.2 Average fixation distribution at different visual field positions

動視野測試下，為進一步探究導(dǎo)致視覺搜索績效降低的深層次原因，對參試者進行了眼動追蹤，得到進行視覺搜索時在不同位置的注視數(shù)據(jù)，如圖2所示。

由圖2可知，老年人在對模擬中控屏幕的信息進行識別的過程中會耗費更多的視覺注意力、注視點分布更集中，橫向擺放方式中的注視點集中程度高于縱向擺放方式。同時，注視區(qū)域的集中分布點也呈現(xiàn)出加大差異，但總體表現(xiàn)為注視區(qū)域集中分布在距離上更接近參試者的視野位置。正如郭鳳香等[15]等研究表明，老年人的視覺認知機能存在衰退現(xiàn)象。研究結(jié)果顯示，不同年齡段人群均將多數(shù)視覺注意分配在車載信息界面的左側(cè)區(qū)域和中心區(qū)域。

2.3 方差分析結(jié)果

表4為靜視野測試對反應(yīng)時長分別進行年齡組、信息布局位置的異方差單因素分析，其中F為檢驗統(tǒng)計量，P為顯著性水平。

結(jié)果表明，兩種擺放設(shè)置下，年齡組對反應(yīng)時長有顯著差異(P<0.05)，根據(jù)不同的擺放方式可以發(fā)現(xiàn)，縱向擺放設(shè)計下年齡組作為影響因素對反應(yīng)時長的影響更為顯著(P<0.01)。表明不同年齡段人群作為自變量在各種測試條件及擺放方式下的視覺搜索績效普遍較差。

表5為動視野測試條件下，對反應(yīng)時長和正確率分別進行年齡組、信息布局位置的Kruskal-Wallis檢驗。其中，χ2為檢驗統(tǒng)計量，P為顯著性水平。

結(jié)果顯示，兩種擺放設(shè)置下，年齡組對反應(yīng)時長有顯著差異(P<0.05),表明隨著年齡的增加視覺搜索績效存在明顯的下降趨勢。通過觀看實驗視頻可知，老年組的精準程度明顯低于青、中年組，其中青年組的精準程度更高。結(jié)合目前L3級自動駕駛車輛面臨嚴峻的挑戰(zhàn)考慮，若駕駛?cè)藢⒆⒁饬D(zhuǎn)移至路面外并沉浸于次任務(wù)中，其接管反應(yīng)時間長達6 s[16-17]。未來的對次任務(wù)承載界面，即中控屏的研究中如可以充分考慮駕駛員從主任務(wù)到次任務(wù)的視覺搜索時間間隔，可以顯著提高未來交通出行的安全性。

表4 反應(yīng)時長方差分析(靜視野測試)Table 4 Response time heteroscedasticity test results (static visual field test)

表5 反應(yīng)時長K-W檢驗結(jié)果(動視野測試)Table 5 Reaction time K-W test results (moving field test)

2.4 分析與討論

靜視野測試中，年齡組在橫向和縱向擺放方式中對認知績效均有顯著影響，老年人群的反應(yīng)時長在信息布局邊緣位置的反應(yīng)時明顯大于其他年齡段，但為表現(xiàn)出布局位置對搜索績效的顯著影響。從描述性統(tǒng)計結(jié)果中可見，隨著年齡的增加，靠近有效視野邊緣的位置是視覺搜索過程中主要的認知編碼[18]。針對老年人的視野研究中可以發(fā)現(xiàn)，在青年人和中年人之間就存在大幅度的增齡性減退，老年人群中的衰減趨勢尤為明顯。隨著在駕駛中對中控屏信息搜索難度的不斷增加，有效視野能力的增齡性減退明顯，身處高風(fēng)險的駕駛環(huán)境中將使得老年駕駛?cè)税l(fā)生交通事故風(fēng)險率增加。目前中外部分學(xué)者通過有效視野測試(UFOV)[19-20]來評價駕駛?cè)说鸟{駛績效，研究內(nèi)容多在有效視野范圍的形狀及績效層面，本研究則重點針對中控屏不同信息的布局位置對各個年齡段進行視覺搜索測試，將有效視野測試(UFOV)的結(jié)論應(yīng)用在具體的駕駛生活中。通過實驗測試明確更符合老年人視覺特征的信息布局位置，從而為今后中控屏信息顯示設(shè)計提供參考，更切實有效地減低因非駕駛信息引發(fā)交通事故的風(fēng)險。

動視野測試中，將有語義的簡單線條圖形填充為有語義剪影圖形，搜索條件從靜視野轉(zhuǎn)換到動視野，進而提高了對視覺特征加工的難度。動視野測試的結(jié)果依舊表明，隨著年齡的增長和信息布局位置的邊緣性移動，老年人群的視覺搜索績效會顯著降低。正符合吳曉莉等[21]的研究結(jié)果，人機交互過程中遵循視野位置呈現(xiàn)規(guī)律的目標所對應(yīng)的反應(yīng)時長更短、出錯率更低。同時剪影圖形作為一種較高層次水平的知覺屬性，可增加被試在視覺識別過程中加工的難度，反映出在動視野條件下對信息的搜索績效。通過對視覺行為數(shù)據(jù)的收集發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增長，搜索過程中會占用更多的視覺注意力。由目前的研究可知，視覺搜索過程中影響認知負荷來源包括：任務(wù)(環(huán)境)、操作者、人機交互過程[22]，新穎多樣的中控屏設(shè)計則在在原有的設(shè)計中加入了更多的非駕駛?cè)蝿?wù)[23]，無形中增加了駕駛?cè)说囊曈X搜索壓力。手機界面的適老化相關(guān)研究中[24]可以發(fā)現(xiàn)，老年人生理視覺能力退化導(dǎo)致其對界面信息輸入的有限性降低，具體表現(xiàn)為對圖形、文字和顏色的識別準確度降低[25]。同時，老年人對手機屏幕中央位置的視覺感知更敏感，符合從中央眼窩、附中央眼窩視區(qū)到邊緣視覺區(qū)搜索績效遞減的視野規(guī)律。

由此可知，車載中控屏所涵蓋的娛樂資訊、導(dǎo)航、通信等眾多功能進行設(shè)計時，應(yīng)該充分考慮老年人的視覺特點、遵循視野規(guī)律，對重要信息進行細致、合理的布局規(guī)劃就顯得十分必要，以此使得老年人在駕駛中對車載交互信息搜索的效果達到最佳，提高駕駛安全性得同時亦可高效地緩解由監(jiān)視自動駕駛系統(tǒng)引發(fā)的工作無聊現(xiàn)象。

3 結(jié)論

利用視覺搜索實驗探究了不同年齡段人群在中控屏幕不同信息布局位置下影響績效得視覺機理。在靜視野實驗中，驗證了隨著年齡的增加，不同年齡段人群對車載信息視覺感知過程中的差異。在動視野測試中，驗證了不同信息布局位置對信息視覺識別過程中的影響。最終，信息布局位置與年齡組對視覺搜索績效的影響機理顯示，中年組和老年組在信息布局位置1、2、4、5(橫向擺放)，信息布局位置1、3、5(縱向擺放)顯著提高了視覺績效。本文所提出的研究結(jié)論可以應(yīng)用于具有語義的車載中控信息、指向性圖標等方面的設(shè)計，對人機交互界面中信息呈現(xiàn)的位置布局具有理論指導(dǎo)意義，為提高駕駛過程中執(zhí)行次任務(wù)時的駕駛安全性提供參考。

同時本研究存在一些局限性。首先，研究范圍為車載中控屏所包含的信息集群，需要深入調(diào)查各種車載信息界面的視覺復(fù)雜性。其次，僅采用視覺行為與特征指標來評估視覺搜索績效，未來研究中應(yīng)充分考慮腦電、心電等多種生理指標進行綜合分析。