驾驶舱显示界面文字编码工效学实验研究

王 群，解 芳，魏中亮，凌 亮，郑思涓，师 雪

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

驾驶舱显示界面中的文字编码是驾驶员获取车辆驾驶过程中的各种信息的一个重要的途径，其字体、视距和字号的工效学设计问题已受到人机工效研究专家的高度关注［1-2］.对显示文字进行合理的视觉编码可以大大提高信息的辨识精度和速度［3］.

在视觉显示系统中最常见的是图形、文字/数字和标识符号.其中文字占很大一部分比重，而且文字一般表示的都是较重要的内容，因此合理设计显示界面的文字的大小对于快速地接受信息非常重要.

对于文字的高度，有很多种计算模型，如有的用视距的1/200表示，有的用公式H=视距×最小视角/3600表示，Peters和Adams建议的文字的高度公式为［4］:

式中:H为文字/数字的高度，mm;D为人眼到所观察的文字/数字的距离，mm;K1为与照明条件相关的系数，对应K1的取值分别取0.06、0.16和0.26;K2为与内容重要性相关的系数，一般情况取0，重要的情况取0.075.这是对于英文字母的显示研究，对于数字和汉字的显示有待于进一步研究.

本研究将开展字体大小工效实验，设置3种字体，5种字号，要求被试者分别在3种视距下作实验，对实验结果进行分析，通过作图比较不同字号的平均反应时间和正确率，利用一定的数学方法找到不同字体的临界字体大小，并得到不同条件下英文字母、数字、汉字各自的视距与临界字体大小之间的关系式，研究显示界面字体的大小、字号和视距之间的关系.

1 工效评价指标的选取

选择反应正确率(简称正确率)和反应时间分别对被试作业业绩的有效性和高效性进行客观评价.正确率定义为作业者做出正确反应的次数与总次数之间的比值.反应时间定义为从信息出现到被试对象做出正确反应之间的时间差.

1)反应时间［5］.

反应时间又称反应潜伏期或反应时，是指由外界的刺激引起机体内部的生理心理过程，进而产生的机体外效应的时间.人体对刺激信号的反应时包括:感觉器官接收适当信号刺激产生冲动，并由感官神经传至大脑的时间;大脑对信号进行加工产生指令的时间;指令由神经传给肌肉并作用于客体的时间.通过测量被试对象对各种信息辨识的反应时间，可对信息的辨识工效进行评估.

2)正确率.

正确率是指被试对象对不同信息显示格式的正确辨识次数占该信息显示格式出现总次数的百分比.显而易见，正确率越高的显示格式越适于作为信息编码方式.因此，将正确率作为一种工效评价指标.

2 实验设计

2.1 实验方案

实验采用3×3×5的混合实验设计，其中因素一视距为被试间设计，分别为:50 cm、70 cm、90 cm;因素二和因素三为被试内设计，分别为字体和字号，字体有3种:英文、数字、汉字;字号有5 种:5、8、13、20.5、33.

在实验过程中，被试者通过选择字号来进行实验.一半被试者选择从小到大的顺序，即从5号到33号;另一半被试者选择从大到小的顺序，即从33号到5号.字体随机出现.

信息的呈现方式参照目前比较成熟的快速系列视觉呈现方式(RSVP)，这种呈现方式是在屏幕固定区域每次呈现一个或多个字符，间隔一定时间后，后续字符覆盖前次字符，一次呈现完一个刺激序列，同时可以根据实验需要改变文字呈现的速度、呈现字数、字体大小、字符颜色、背景颜色和目标颜色等参数.本实验采用在屏幕的中央位置每次呈现一对字符或一个数字，时间间隔设置为2 s，在字符呈现期间要按下特定的按键对其进行响应，系统会自动记录按键的正确或错误，以及反应时间.

2.2 实验设备和对象

实验设备:实验界面通过VB语言编程实现，实验界面显示在17英寸宽屏液晶显示器上，被试者通过按键对目标进行响应，系统自动记录反应的正确率与反应时间.

三因素的选取:界面中呈现的信息有中文、英文和数字3种字体.其中汉字100个，选用的是《现代汉语常用字表》(国家语言文字工作委员会汉字处编，语文出版社出版)中的高频常用字，其中近义词和反义词各50个.英文为英文字母的大、小写各26个.数字为随机出现的三位数.连续两次出现信息不相同.字号的选择采用文献［6］中的方法，字号的增率取0.2对数单位，从0开始选取7种字体大小，由于0和0.2对数单位的字体大小基本无法辨认，所以实验的字体大小为 (0.4～1.2)LogMAR，即0.20°～1.33°，换 算 成 字 号 为 5、8、13、20.5、33.视距选取了VDT作业的一般范围的两个极值50 cm和90 cm，以及中间值70 cm.

2.3 被试者选取

被试者共28人，无色盲，矫正视力均在1.0以上，年龄在25～30岁之间，其中男11人、女17人.以视距为因素将被试者分成3组，每个人分别要做固定视距下的五种字号的测试，每种字号测试60次.

2.4 实验步骤

被试者分别坐在距离计算机显示器50 cm、70 cm或90 cm的位置，实验正式开始后尽量保持身体上身特别是头部位置不动.进入正式试验界面后，在屏幕的中央每次呈现一组字符，呈现时间为2 s，字符出现后迅速按键作出反应 (见图1).

图1 实验界面的3种形式

首先屏幕上出现的是英文字母的大小写随机组合，如“a-A”“d-H”等，如果大小写是对应的，如“a-A” “b-B”，则按键盘上的数字7键;如果大小写不对应的，如“f-A”“b-R”，则按键盘上的数字8键.

英文字母出现20次后，紧接着出现的是从100～999之间的三位数字，如果数字大于500，则按键盘上的数字7键;如果小于500，则按键盘上的数字8键.

最后紧接着出现的是一组汉字，如“远-近”“眠-睡”，如果两个字是近义字，则按键盘上的数字7键;如果是反义字，则按键盘上的数字8键.

3 实验数据处理

3.1 数据处理方法

运用统计学方差分析对实验测得的正确率和反应时间进行统计分析.实验数据利用 SPSS for Windows 13.0统计分析软件进行处理.

对于临界字体大小的计算方法，可以采用最小二乘拟合法对采集的5种字号的点进行拟合，两条拟合线的交点对应的字体大小就是达到最大阅读速度的临界字体大小，然后用Matlab进行作图分析.

3.2 处理后的结果

3.2.1 SPSS方差分析

对英文、数字、汉字3种字体分别进行方差分析.

1)英文.

就正确率的方差分析表明:在0.05显著性水平上，视距的主效应不显著(P=0.076)，字号的主效应显著(P=0.007)，视距与字号的交互作用也显著(P=0.022).就反应时间的方差分析表明:在0.05显著性水平上，视距的主效应显著(P=0.029)，字号的主效应也显著(P=0.001)，视距与字号的交互作用不显著(P=0.289).

2)数字.

就正确率的方差分析表明:在0.05显著性水平上，视距的主效应显著(P=0.009)，字号的主效应也显著(P=0.014)，视距与字号的交互作用不显著(P=0.479).就反应时间的方差分析表明:在0.05显著性水平上，视距的主效应显著(P=0.003)，字号的主效应也显著(P=0.000)，视距与字号的交互作用不显著(P=0.350).

3)中文.

就正确率的方差分析表明:在0.05显著性水平上，视距的主效应不显著(P=0.078)，字号的主效应非常显著(P=0.000)，视距与字号的交互作用不显著(P=0.125).就反应时间的方差分析表明:在0.05显著性水平上，视距的主效应显著(P=0.013)，字号的主效应非常显著(P=0.000)，视距与字号的交互作用不显著(P=0.713).

3.2.2 数学拟合法数据处理

采用最小二乘拟合法对英文实验数据进行处理，可以分别得到字体大小与正确率以及反应时间的曲线，其中拐点处为临界字体大小.图2～图3为英文字体大小与正确率、反应时的拟合曲线，同理可以得到数字和汉字的拟合曲线.3种字体在3种不同视距下的临界字体大小如表1所示.

图2 英文正确率的临界字体大小

图3 英文反应时间的临界字体大小

表1 3种字体在3种不同视距下的临界字体大小

4 分析与讨论

根据Peters和Adams建议的文字的高度公式可以看出，视距与字号是线性的关系，因此可以假设视距与字号的关系为H=a×D+b，其中a和b是未知数.只需要两组数据就可以确定关系式.为了使结果更准确，采用多次求解取均值的方法.实验中每种字体都有3种视距下的3组数据，从3组数据中任取两组就可以确定1组a和b的值;总共可以求解出3组a和b的值，然后再对这3组a和b的值求平均值，确定最终a和b值，从而确定这种字体的视距与字号的关系式.

4.1 字号与视距的关系

按照上述方法可以得到英文的视距与字号的关系式为:

与公式(1)进行比较验证公式(2)的正确性.在光照条件较好的情况下 K2取0.06，即此时Peters和Adams建议的文字的高度公式为 H=0.0022×D+1.524.分别用公式(1)和公式(2)对3种视距下的字体高度进行计算可知:3种视距下计算的结果分别相差0.66 mm、0.92 mm、1.18 mm.如表2所示.

从表2可以看出:在一般视距水平上(500～900 mm)，两者的高度值相差0.66～1.18 mm，在最大视距900 mm水平上仅相差1.18 mm.这个差距水平可以认为是非常小的，可看作是实验条件的正常误差.因此可以证明公式(2)是正确的，从而也证明了此种实验方法和数据处理方法是合理可行的.

表2 公式(1)和公式(2)的计算结果比较

用同样的方法可以得到数字字号与视距的关系式为:

汉字字号与视距的关系式为:

从英文、数字、汉字3个公式可以看出:在同样的视距水平上，所需的3种字体的大小顺序为:数字＜英文＜汉字.即数字是最容易辨识的，其临界字号最小;英文字母介于数字和汉字之间;汉字最不容易辨识，所需的临界字号最大.这和许多标准中规定汉字的字号选取要大于英文数字的字号是一致的.

4.2 字体、视距和字号对目标辨识的影响

可以看出:在相同的字号或相同的视距下得到的结论是一致的，即数字最容易辨识，其正确率最高，反应时最少;英文次之;汉字最不容易辨识，正确率最低，反应时最大.在相同的字号下，随着视距的增加，正确率下降，反应时增加.在相同的视距下，随着字号的增大，正确率逐渐增加并趋于一个稳定的数值，反应时逐渐减少并趋于一个稳定的数值.

从3.2.1小节中的方差分析数据来看:总体而言，字号与视距都对目标辨识有较大的影响.从正确率上来分析，对于视距而言，对数字的主效应(P=0.009)最显著，对英文和汉字的主效应都不显著;对于字号而言，对汉字的主效应(P=0.000)最显著，也就是说汉字受字号影响最大，英文次之，数字影响最小.从反应时间上来分析，对于视距而言，对数字的主效应最显著，其次是汉字，英文影响最小;对于字号而言，对汉字和数字的影响效应都非常显著，英文次之.因为从反应时间上来说，无论是字号还是视距，对3种字体辨识的主效应均比从正确率上分析的主效应要显著，因此可以说反应时间更适合作为研究字体、字号与视距关系的评价指标.

5 结束语

从人的认知特性出发，对显示界面文字的视觉编码进行了研究，分别探讨了英文、数字和汉字的字体大小与视距的关系，通过合理地设计实验方案和科学地整理实验数据分别得出了英文、数字和汉字3种字体的视距与字号的关系式，并与国外学者得到的结论做了比较，验证了所得公式的正确性以及实验方法的可行性;分析了字体、视距和字号对目标辨识的影响.

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