振动对人眼视觉绩效的影响研究

王 玮 孙耀杰 林燕丹

(复旦大学信息科学与工程学院光源与照明工程系，上海 200433)

1 引言

许多研究已经表明人类的视觉系统会受到振动的影响。因此，当在一个振动环境中对一些显示设备上的字符进行辨认时，振动往往会增加人对字符辨认的错误率，并降低识别速度。虽然关于显示器上字符设置的研究很多［1］，但是大部分都以处于静止状态的显示器为研究对象，针对动态环境中的显示器上字符设置的研究并不多［2］。因此，在进行显示器上字符设计时，必须了解振动对人眼视觉绩效的影响规律，以便对振动进行控制，设计出能被人眼迅速准确识别的显示器字符。

利用振动台设备，大部分的研究都从振动频率、幅度和方向等方面，了解振动对人眼视觉功能的影响程度［3］。例如，Lewis和Griffin发现对于8～16Hz的振动，阅读任务更易受垂直方向振动的影响［4］。Lin等人发现当观察者处于振动而屏幕固定时，只要频率不超过8Hz，仍有较好的视锐度［2］。吴国梁等人的研究指出影响视觉绩效最严重的振动频率范围是低频段，约4～14Hz。此外，如果字体很小，振动对于视觉绩效的影响尤为明显［5］。

另一类关于振动对视觉影响的研究比较了三种观察条件下振动对视觉绩效的影响:观察者振动、视觉目标振动和观察者与视觉目标同时振动。Moseley和Griffin研究了这三种振动形式并得出结论:当视觉目标独自振动时，振动造成的视觉功能衰退最严重［6］。吴国梁［5］和 Moseley［7］也得出结论:当视觉目标独自振动时，完成视觉任务出现的错误最多。

上述研究有助于我们理解振动对于弱化视觉绩效的影响机制，但实验中的视觉任务并非标准视觉任务。无论是采用字母还是数字作为视觉目标，字符种类本身带来的影响并不能消除。因此，本研究的目的在于通过研究振动对于完成标准视觉任务的影响，了解振动本身对人眼视觉绩效的影响。本文的观察条件采用视觉目标单独振动的方式。与之前多数使用振动台作为振动产生设备的研究不同，本研究无需借助振动设备，而是开发了一款专门用于模拟人眼看到的振动视觉目标的软件，用于产生振动的视觉目标。使用软件模拟振动视觉目标的方式可以更经济方便地研究视觉目标单独振动情况下振动因素对人眼视觉绩效的影响。实验以被试完成视觉任务所需时间和正确率为视觉绩效指标;并结合心理量表法，利用Borg CR 10量表评估不同振动条件下被试完成视觉任务的困难程度。

2 研究方法

2.1 被试者

共有22名试验者 (10名男性，12名女性)参加了本文实验，年龄在22至26岁之间，具备大学本科及以上学历。部分试验者存在不同程度的视力近视，但通过佩戴眼镜进行视力矫正，使其视力达到1.0以上。所有试验人员均不存在色盲或色弱情况。

2.2 实验设置

本实验通过控制视觉目标的高度，开展了4'和8'两种视张角下被试对振动目标的辨认实验。整个实验采用组内和组间设计相结合的方式。不同视张角采用组间设计，各有11名被试参加实验;每个视张角下的实验采用组内设计，每名被试参加所有振动条件下的实验。实验中振动方向有水平和垂直两种，振幅有0.4、0.8和1.6mm三个水平，振动频率有2、4、8和16Hz四个水平。因此，每名被试需参加24(2×3×4)组振动组，整个实验共有48(24×2)组振动组。此外，每名被试还需参加两组静止视觉目标的辨认任务，作为实验对照组。

2.3 实验装置

利用Delphi7开发工具，本实验编写了一套专用软件来模拟人眼看到的处于振动环境中的显示器上的视觉目标。通过控制视觉目标的移动方向、速率、周期和距离，软件可以模拟人眼看到的处于不同量级的振动环境中的视觉目标。软件的界面如图1所示。左侧是振动参数和视觉目标大小设置以及结果显示的界面，右侧是被试看到的振动视标区域。主试完成振动参数的设置后，软件右侧界面的朗道尔环就会按照既定的方向、频率和振幅进行移动，从而达到模拟振动视觉目标的效果。

图1 实验所用振动模拟软件主界面Fig.1 The interface of the software used in the study

将软件安装在一台笔记本电脑上，并将此笔记本连接至一台EIZO的24.1英寸色彩全保真LCD显示器上，显示器放置在一张高度为0.75米的实验桌上。实验开始前，调节座椅和托架高度，确保被试眼位高度与前方显示器中央高度一致。实验中，被试就坐于调节好高度的座椅上，通过托架观察正前方LCD显示器上的视觉目标。调节显示器倾角，确保屏幕上不会有反射眩光。被试观察距离为60cm。整个实验装置的示意图如图2所示。

图2 实验装置示意图Fig.2 The apparatus in the study

2.4 视觉任务和视觉绩效

本实验的视觉目标是由100个朗道尔环组成的朗道尔环表，朗道尔环开口方向有上下左右四种。为了便于阅读，100个朗道尔环被分成了2×2形式的分块矩阵，每一分块都是5×5形式的矩阵，如图1所示。每个分块矩阵中两个朗道尔环之间的距离与朗道尔环直径大小相同，每两个分块之间的间隔距离为两倍朗道尔环直径。

实验在暗室中进行，整个环境中只有来自显示器的光，测得此时的眼位照度为13lx。被试静坐在实验椅上，用尽可能快的速度辨认显示器上的朗道尔环表中指定开口方向的朗道尔环的个数，同时尽可能保证准确率。为了避免练习效应，每次辨认的朗道尔环表的排列顺序随机，每个方向的朗道尔环个数也随机。此外，每名被试完成振动组的顺序也随机，以消除习惯误差。朗道尔环大小在眼位处形成的视张角为4'和8'。被试完成一组辨认任务的时间由软件记录;在主试输入被试的辨认个数后，软件按照以下公式计算正确率:

其中，正确个数是指软件产生的指定方向的朗道尔环的个数，辨认个数是指被试辨认的该方向的朗道尔环的个数。

在完成一组辨认任务后，被试还需对这个辨认过程的困难程度进行评估。实验采用的心理量表是Borg CR10量表，如表1所示。在人机工效学中，该量表常用于评估认知上的强烈程度［8］。在本实验中，0分表示完成这一视觉任务的过程对被试而言毫不困难，5分表示困难，10分表示极其困难。

表1 实验所用Borg CR10心理量表Table 1 The Borg CR10 scale

2.5 实验过程

在实验开始前，进行如下的准备工作:

·将实验中用于被试观察的LCD显示器屏幕上左侧的软件参数设置和结果显示区域用黑纸进行覆盖，确保只有朗道尔环表区域对试验人员可见，以避免主观评价过程中试验人员在获知实验条件前提下带来的期望效应。

·确保每位试验人员都明确实验流程以及需完成的视觉任务，并完成两组静态朗道尔环表的辨认任务，以熟悉实验操作。

实验在暗室中进行。两组视张角下的实验安排在不同时间段进行。在10分钟的暗适应后，两组静态朗道尔环表的辨认任务被安排在振动条件下的辨认任务之前，以避免被试在长时间阅读振动视觉目标后可能引起的视觉疲劳或其他不适症状。随后，试验人员以随机顺序完成24组 (2种振动方向×4种频率×3种振幅)振动条件下的视觉任务。每次实验有两名被试交替参与，在每完成四组条件后就更换人员，以确保另一人可以得到一定的休息。两名被试交替参与并完成所有振动条件下的实验大约需要1小时。

主试设置振动参数后告知被试需辨认的朗道尔环开口方向，同时主试点击软件上“开始”按钮，显示器上的视觉目标开始抖动，计时器开始计时。被试完成辨认过程后，立即发出信号告知主试，同时主试停止计时。主试向软件输入被试辨认的视标个数，由软件计算正确率。之后，被试对此种条件下完成视觉任务的困难程度按照Borg CR10量表进行评分，口头报告主试。由于实验过程中有两位被试在场，因此主试在实验开始前就告知被试振动条件的随机性以及不同人之间主观感受的差异性，以消除被试相互间主观评价的干扰。

3 实验结果

对被试完成视觉任务所需时间、正确率和对完成过程的困难程度评价得分进行单变量多因素方差分析，记录在表2中。

表2 完成视觉任务所需时间、正确率和困难程度评价得分的方差分析结果 (F值)Table 2 ANOVA table with F-values and significance for time，accuracy and subjective rating scores

3.1 完成视觉任务所需时间

从表2中可以看出，视张角、振动频率和振幅对完成视觉任务所需时间的影响是显著的。图3和图4展示了垂直振动时两种视张角下平均完成时间随频率变化的趋势图。从图中可以看到，当振幅为0.4mm和0.8mm时，四种振动频率间被试完成视觉任务的平均用时并不存在明显的差别或规律性;但是，当振幅达到1.6mm时，随着振动频率的增加，完成时间呈现单调增加的趋势，且8Hz时与2Hz时相比有明显的增加。当振动方向为水平方向时，也有类似结果。两两比较结果表明，0.4和0.8mm、0.8和1.6mm两组振幅间被试完成视觉任务所需的时间存在显著差异 (P＜0.05)。

图3 垂直振动时8'视张角下平均完成时间随频率变化图Fig.3 Average time spent to count Landolt rings at 8'visual angle plotted of frequency during vertical vibration

图4 垂直振动时4'视张角下平均完成时间随频率变化图Fig.4 Average time spent to count Landolt rings at 4'visual angle plotted of frequency during vertical vibration

表3列举了水平振动时，振动组和对照组的平均视觉任务完成时间。从中可以看出，当振动频率或振幅相对较小时，振动条件下完成视觉任务用时并不比辨认静态视标的时间长;但是，当频率或振幅达到一定程度后 (例如振幅为0.8mm，频率为16Hz)，振动条件下被试完成视觉任务所需时间与对照组相比有显著差异。

表3 水平振动时振动组与对照组完成视觉任务所需时间Table 3 The average time spent to complete the visual task of the vibrating group and control group(horizontal vibration，4'and 8'visual angles)

3.2 正确率

从表2中可以看出，视张角对正确率的影响是显著的。当视张角较小时，被试完成视觉任务更容易出现差错。此外，振动方向对正确率的影响也是显著的。表4列举了两个视张角下不同振动方向时被试完成视觉任务的正确率。从中可以看到，两个视张角下，垂直振动时得到的正确率均比水平振动时的高。

表4 两个视张角下不同振动方向时试验人员完成视觉任务的正确率Table 4 Average accuracy of different vibrating directions at two visual angels

对振动组和对照组的正确率进行比较，结果表明这两种条件下正确率之间并不存在显著差异(P＞0.05)。甚至在一些条件下，尽管振动频率或振幅很大，但振动组的正确率反而比对照组的高。正确率随着频率或者振幅的变化并不呈现单调增加的趋势。

3.3 困难程度评价得分

从表2中可以看出，视张角、振动频率和振幅对被试完成视觉任务过程的困难程度评价得分的影响是显著的。图5和图6展示了垂直振动时两种视张角下完成视觉任务的困难程度评价得分随频率变化的趋势图。从两幅图中可以看到，两种视张角下同一振幅时被试完成视觉任务的困难程度评价得分随着振动频率的增加，呈现单调递增的趋势，即频率越大，主观评价得分也越高;且振幅越大，得分也越高。当频率大于2Hz后，评价分数呈现显著的增加趋势。两两比较结果表明，任意两个水平的振幅和频率间评价分数均存在显著差异 (P＜0.05)。

表5中列举了垂直振动时振动组和对照组的完成视觉任务的困难程度评价得分。从中可以看到，当振动频率达到8Hz后，振动组与对照组之间困难程度评价得分出现显著性差异。当视张角较小时，振动因素对困难程度评价得分的影响比视张角较大时更显著。换言之，当视张角为4'时，被试在相同振动条件下完成视觉任务的困难程度比8'视张角时更强烈。

图5 垂直振动时8'视张角下完成视觉任务的困难程度评价得分随频率变化图Fig.5 Average rating score at 8'visual angle plotted of frequency during vertical vibration

图6 垂直振动时4'视张角下完成视觉任务的困难程度评价得分随频率变化图Fig.6 Average rating score at 4'visual angle plotted of frequency during vertical vibration

表5 两种视张角下垂直振动时振动组与对照组完成视觉任务的困难程度评价得分Table 5 Average rating score of the vibrating group and controlled group(vertical vibration，4'and 8'visual angles )

4 讨论

本实验的研究成果将为静暗座舱理念下的飞机驾驶舱光环境设计提供参考依据。由于静暗驾驶时驾驶舱内只有显示器、导光板等少数发光光源，所以飞行员会长时间处于一个相对较暗的环境中面对显示器执行各项飞行任务。因此，本实验选择在只有显示器打开的暗室中进行。实验过程中，由于只有显示器这一放光器件，而环境亮度又很低，因此，这样的实验环境不可避免地会让被试觉得有一定的不舒适感。但是，已有研究表明，在照明条件不佳的情况下，虽然会引起视觉上的不舒适感，但由于在实验室中被试往往处于一种注意力高度集中的状态，这种不舒适感并不一定会引起视觉绩效的下降。且在实验过程中，保证了被试有一定的休息时间，因此，可以排除视觉疲劳等因素对实验结果的干扰。

本实验的预期结果是随着振动频率或振幅的增加，被试完成视觉任务所需的时间和困难程度评价得分呈现增加趋势，而正确率呈现下降趋势。然后，实验结果表明，当振动频率和振幅相对较小时，与对照组相比，振动因素并未增加被试完成视觉任务的时间，或呈现增加趋势。造成这一结果的可能原因是恶劣的阅读条件会增强被试期望更好地去完成视觉任务的动机。这种自发激励会让被试在完成视觉任务时更加集中注意力［9］。但是，当振动频率和振幅增加到一定强度后，被试的主观动机无法弥补阅读条件变差带来的影响后，其完成视觉任务的时间会显著增加。

实验中振动组与对照组之间以及振动组不同振动条件之间，被试完成视觉任务的正确率都没有显著差异。这一结果表明，只要被试集中注意力，频率为0.5至16Hz的振动并不会显著降低其辨认视觉目标的能力，但会显著增加其完成视觉任务的难度。

Andersson的研究表明在振动环境中视觉目标的方向对可读性存在重要影响［10］。在本文中的设计中，虽然每次让被试辨认的朗道尔环开口方向随机，但是，只要是同一频率和振幅的振动，无论是水平还是垂直振动，主试要求被试辨认的开口方向是相同的。这导致在后期数据处理时无法单独分析朗道尔环开口方向与振动方向的一致性与否是否会影响被试辨认朗道尔环的视觉绩效。此研究需进一步开展。

5 结论

本文研究了两种视张角下，不同方向、频率和振幅的振动对被试完成一个标准视觉任务的影响。尽管被试完成此视觉任务的正确率并没有因为振动因素而显著降低，但是振动频率和振幅对其完成此视觉任务的时间和困难程度评价得分都有显著影响。当振幅达到2Hz后，完成视觉任务的难度会显著增加，而且这种现象在视张角较小的情况下更加明显;当振动频率达到8Hz后，完成视觉任务的时间也会显著增加。当振幅达到1.6mm后，完成视觉任务的时间会随着振动频率的增加呈现单调增加的趋势。此外，随着振幅或者频率的增加，被试完成视觉任务的困难程度都会出现单调增加的趋势。

［1］ Sanders，M.S，Mccormick，E.J.Human Factors in Engineering and Design(7th ed.) ［M］.Mcgraw-Hill Book Company:New York，1993.

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［3］ Moseley，M.J， Greffin， M.J. Effectsofdisplay vibration and whole-body vibration on visual performance［J］.Ergonomics，1986，29(8):977 ～983.

［4］ Lewis，C.H，Griffin，M.J.Predicting the effects of vertical vibration frequency，combinations of frequencies and viewing distance on the reading of numeric displays ［J］.Journal of Sound and Vibration，1980，70(3):355～377.

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［9］ Peter R.B.Human factors in lighting(2nd ed.)［M］.Taylor＆ Francis:London，2005:186.

［10］ Andersson，P，von Hofsten C.Readability of vertically vibrating aircraft displays［J］.Displays，1999，20(1):23～30.