基于视觉搜索的飞机显示界面设计原则

范晓丽，周前祥*，柳忠起，解芳

(1.北京航空航天大学 生物与医学工程学院，北京100191;2.中国北方车辆研究所，北京100072)

随着航空科学技术的发展，尽管现代飞机设计中充分利用了高科技成果，使自身的设计日渐完善，从而使固有的故障大幅度减少，但是随着飞行高度、速度、巡航时间的不断增加以及显示系统、操作系统的自动化，任务都逐渐集中到一人或少数几个人来完成，使飞行员的生理、心理承受的负荷越来越大，因工效学问题考虑不当而导致飞行故障成为制约飞行安全的主要因素［1－2］.视觉是人重要的信息获取渠道，大约80% ～90%的信息来自于视觉.飞行员在飞行过程中，中枢神经和视觉器官始终处于注意力集中的紧张状态:不断进行信息收集、分析、判断、发出指令等处理过程.信息接收－分析－处理过程是引起眼疲劳和中枢神经系统疲劳的主要因素［3］.因此，在飞机座舱界面设计时应考虑飞行员的视觉认知特点［4］.

在飞行活动中，飞行员除了需要监视外部环境的变化，还要了解自身战机的飞行状况.系统的工作条件参数、输入参数、工作状态参数等，大多数都是由显示仪表传递给飞行员的.飞行员需要时刻通过视觉搜索座舱显示界面的仪表群，对目标仪表信息进行监视判断，进而实施对系统的操纵与控制.但是，随着飞机性能的提高，座舱仪表明显增多，搜索难度增大，虽然目前综合显示仪表被广泛应用，对减少座舱仪表起了很大的作用，但没有从根本上改善这一状况.飞行员视觉搜索的过程还受时间限制，不能随心所欲搜索到任何时刻，即面临着一定的时间压力.时间限制和搜索难度构成的综合压力会对人的生理和心理产生影响，进而导致搜索绩效改变［5－6］.

目前国内外关于座舱视觉显示界面工效的研究多集中于如何对信息进行编码(字符种类、符号形状、大小、颜色、背景色、亮度、对比度等)以提高辨识效率以及如何通过视区划分来对显示界面进行布局等方面［7－9］，而关于显示界面视觉搜索设计的工效学研究还未见相关的报道.本文通过视觉搜索程序来模拟飞行员在飞行过程中通过视觉搜索来监视界面复杂的仪表信息过程，并通过设置不同的时间压力水平和搜索难度水平来研究其对视觉搜索绩效的影响，研究结果将为我国新型飞机显示界面的工效学设计提供科学依据.

1 研究方法

1.1 志愿者

研究生，共10人，年龄23～30岁，视力矫正在1.0以上，均为右手使用鼠标且使用灵活.

1.2 实验任务及界面设计

采用C++语言设计了视觉搜索程序并将其在屏幕分辨率为1 440×900，尺寸44 cm，亮度为68 nit的计算机上运行.搜索程序界面如图1所示，界面中搜索区域出现的符号分别表示不同的虚拟仪表，其中，表示靶子，、、、、、、为干扰项.程序界面左上一栏设有屏显时间和行/列数(n)参数输入框，屏显时间代表每幅搜索画面呈现的时间;行/列数输入值是指将搜索区域分成n×n个小区，n×n个虚拟仪表随机呈现在这些小区中，即干扰项数为 n×n－1(图1中n=4).实验中，不同的屏显时间代表不同水平的时间压力，不同的干扰项数目代表不同水平的搜索难度.在重复呈现的画面中可能“有靶子”，也可能“没有靶子”，有靶子的概率是50%.实验开始后，每呈现一幅画面时，需志愿者观察是否有靶子符号:①若发现靶子，则迅速按下鼠标左键;②若通过搜索之后确定没有靶子则按鼠标右键;③有限屏显时间范围内若不确定是否有目标或者无法确定没有目标，则此时不做反应.实验程序会自动记录每次操作的正确性和反应时间.

图1 搜索程序界面Fig.1 Visual search program interface

1.3 实验条件控制

由于人类视野中不同的空间位置有着不同的视觉搜索绩效［10］.为减少空间位置对本实验的影响，在设计视觉搜索程序时，将搜索区域(灰色部分)置于屏幕的最佳视区范围内.选择不同的行/列参数对搜索区域进行划区时，整个搜索区域的位置和尺寸是保持不变的，发生变化的是虚拟仪表群的数目以及密度，搜索难度程度因此而发生变化.其次，实验安排在一个相对比较安静的实验室，便于集中精力.室内照明条件良好，符合GJB455—88标准.另外，在实验过程中允许志愿者自由选择坐姿，放置鼠标以及调整显示器的角度，以减轻身体疲劳对监视作业的影响.

1.4 实验步骤

1.4.1 预实验

选取4名志愿者进行预实验，通过设置不同屏显时间和干扰项数来探测是否满足实验以及实验数据量的需要，综合考虑人的脑力负荷承载、疲劳等因素，最后结合主观问卷调查来确定屏显时间和干扰项数范围，如表1所示.

表1 视觉搜索任务平均反应时间和正确率Table1 Average reaction time and accuracy of visual search task

1.4.2 正式实验

实验准备阶段，主试首先向志愿者宣读指导语并让其练习，志愿者确信自己完全理解实验要求并熟悉整个实验流程后进入正式实验.实验开始前，主试首先输入每组实验对应的屏显时间、干扰项数目以及志愿者姓名.同时要求志愿者盯着视野搜索区域中央的“﹢”，点击右上角的“开始”按钮开始实验.每组实验结束后，志愿者可根据个人情况进行休息和调整.

2 结果

2.1 屏显时间、干扰项数对正确率的影响

程序记录了10名志愿者的实验结果，对反应正确率数据进行统计见表1.将屏显时间和干扰项数量视为对反应正确率影响的两个因素，应用SPSS进行双因素方差分析，得到结果如表2所示.由表2可知，屏显时间(F=157.2，P＜0.05)和干扰项数(F=140.2，P＜0.05)分别在 α=0.05的显著性水平下主效应显著，它们之间的交互效应显著(F=18.1，P＜0.05).进一步通过简单效应分析，来探讨屏显时间和干扰项数之间关系.根据被试内因素实验编写相应程序，结果见表3.由表可见，屏显时间在不同干扰项数水平下具有显著性差异(均有P＜0.05).反之，干扰项数在不同的屏显时间水平下也具有显著性差异(均有P＜0.05).

表2 不同屏显时间和干扰项数的正确率效应分析Table2 Effect analysis of accuracy at different display time and disturbances

表3 不同屏显时间与干扰项数之间的简单效应分析Table3 Simple effect analysis between different display time and disturbances

将表1中数据分别以干扰项数和屏显时间为横坐标，以志愿者反应正确率为纵坐标将结果表示在图2与图3中.由图2可以看出，当屏显时间一定时，志愿者通过视觉搜索获取靶子的正确率随着干扰项数的增加而呈下降趋势，即视觉搜索难度越大，正确率就越低.通过回归分析，获取各个屏显时间下曲线的最佳函数表达式，并求导，结果如表4所示.由表4可见，各曲线可用二次估计方程来表示，在一定范围内，均有|y′6|＜|y′5|＜|y′4|＜|y′3|＜|y′2|＜|y′1|，即屏显时间越大，正确率的变化率随着干扰项数的增大而变小，即搜索难度对正确率的影响程度变小.

图2 不同屏显时间下的干扰项数/正确率Fig.2 Disturbtances/accuracies at different display time

图3 不同干扰项数下的屏显时间/正确率Fig.3 Display time/accuracies at different disturbtances

表4 不同屏显时间下的反应正确率回归函数Table4 Regression function of reaction accuracy at different display time

从图3中各条曲线的趋势来看，随着时间的增大，正确率先增大后逐渐稳定，但会发现稍微有下降趋势.如在干扰项数为0，即单项目符号识别任务中，正确率在屏显时间为1 s时较低，这是因为屏显时间太短，时间压力水平较高，造成眼睛跟不上或者是操作跟不上从而导致错误.而到2 s后，正确率基本都稳定在98%左右，屏显时间为3 s时正确率达到最大，以后逐渐有轻微的下降趋势，这是由于计算机屏幕上显示的画面显示时间太长，容易造成注意力不集中.同样在多干扰的目标识别任务中，也存在着相同的规律.将志愿者反应正确率达到90%以上作为标准，统计在不同屏显时间所对应的所能识别的最大干扰项数，即视觉搜索难度阈值，见表5.通过线性回归建立自变量为屏显时间，因变量为此屏显时间内所能识别的最大干扰项数的线性拟合方程式(R2=0.937，P＜0.05)∶y=－7.2+3.5x，即在屏显时间为t时，干扰项数选取N≤3.5t－7.2范围内的值时，能取得较好的视觉搜索绩效.因此在人机界面设计时，一定要考虑到屏显时间和搜索难度的最佳匹配.

表5 不同屏显时间下的视觉搜索难度阈值Table5 Visual search difficulty threshold at different display time

2.2 屏显时间、干扰项数对反应时间的影响

由于反应速度和准确性之间存在着内在的联系，二者之间存在着权衡关系，若反应正确率太低，研究其反应速度是没有任何意义的.本研究中，屏显时间与干扰项数匹配超过人的视觉搜索能力范围，往往会造成反应正确率较低.在这里主要研究在视觉搜索任务中正确率达到90%以上时，屏显时间以及干扰项数对反应时间的影响规律.表1显示的是在不同屏显时间和干扰项数下反应正确率在90%以上的平均反应时间.进行双因素方差分析，结果见表6.屏显时间(F=1.4，P＞0.05)在α=0.05的显著性水平下主效应不显著，干扰项数(F=213.1，P＜0.05)在α=0.05的显著性水平下主效应是极其显著的，它们之间的交互效应(F=0.435，P＞0.05)是不显著的.

表6 不同屏显时间和干扰项数下的反应时间效应分析Table6 Effect analysis of reaction time at different display time and disturbances

将表1中数据分别以干扰项数和屏显时间为横坐标，以志愿者平均反应时间为纵坐标将结果表示在图4与图5中.由图4可知，在一定范围内，平均反应时间是随干扰项数目呈线性增长的，利用表1的数据求出各屏显时间下的平均反应时间回归方程表达式，如表7所示.由4个方程可知，每增加一个干扰项，反应时间将增加154 ms;由图5可以看出，在干扰项数相同的视觉搜索画面中，随着屏显时间的增大，平均反应时间基本处于稳定状态.在记录反应时间的数据中，可以发现随着屏显时间增大，部分志愿者的反应时间反而会略有升高，这主要是因为屏显时间越大，对于志愿者来说，时间压力变小，造成注意力不集中而导致反应时间变大.

图4 不同屏显时间下的干扰数/反应时间Fig.4 Disturbtances/reaction time at different display time

图5 不同干扰数下的屏显时间/反应时间Fig.5 Display time/reaction time at different disturbances

表7 不同屏显时间下的反应时间回归函数Table7 Regression function of reaction time at different display time

3 讨论

本研究采用不同的屏显时间取值代表不同的时间压力水平，不同的干扰数代表不同的搜索难度.从实验结果来看，屏显时间和干扰项数在α=0.05的显著性水平下主效应显著，它们之间的交互效应也显著.即时间压力水平和搜索难度水平共同影响着搜索任务的正确率，并通过简单效应分析可知，时间压力在不同的搜索难度水平下都具有显著性差异，反之，搜索难度在不同的时间压力水平下也具有显著性差异.只有二者达到最佳匹配时，才能取得较高的反应正确率.

时间压力水平一定时，正确率会随着搜索难度的增大而减小.其逐渐发展过程大致为:①判断正确，操作正确;②判断正确，操作错误或来不及操作;③判断错误，操作跟不上;④反应跟不上，来不及判断.在搜索难度一定时，随着时间压力水平的减小，正确率逐渐增大，当增大到一个点后趋于稳定.这是因为这个点之前，较高的时间压力水平对人体自身神经系统高级中枢的加工能力、生理、情绪等造成限制，导致反应以及操作的错误［11］.而在达到这个点之后，时间压力水平的高低就对正确率没有显著影响，甚至会有轻微的反弹现象，这是因为时间压力太低，志愿者心理没有了时间压力，精神过度放松，造成误判或者是操作错误［12］.

同时，由于反应速度和准确性之间存在着内在的联系，二者之间存在着权衡关系，故只研究了在反应正确率较高的情况下，时间压力和搜索难度对反应时间的影响，实验表明，时间压力对反应时间的主效应不显著，但是搜索难度对反应时间的主效应显著，并且在一定时间压力下，视觉搜索任务的反应时间跟画面中干扰项的个数成线性递增关系，这与默尔克(Merkel，1885)［13］早年提出的对数论有些差别，分析原因，一方面由于刺激材料和实验的难度差异所致，另一方面是由于在实验中将“有靶子”和“无靶子”两种情况混在一起进行研究，未区别对待，但是这对本文要探究的视觉搜索规律没有任何影响.

4 结束语

在飞机座舱显示界面仪表板的布局设计时，要综合考虑时间压力水平和信息搜索难度两个因素，根据仪表监视任务的轻重缓急以及人本身认知能力特征，合理设计仪表盘上仪表数目及认知难度.对于一些紧急的需要及时作出响应的仪表，要减小信息搜索难度.同时由于时间压力水平是相对搜索难度而言的，如果相对时间压力水平太小，反而会导致乘员注意力不集中，在某种程度上影响工作绩效.因此，只有将时间压力水平和信息搜索难度进行最佳匹配，才能取得较好的绩效.

本研究未考虑多任务状态下注意力分配情况以及目标位置对视觉搜索绩效所造成的影响，只将时间压力和搜索难度作为两个变量来进行讨论.关于搜索难度，它不仅与在座舱显示界面搜索的仪表数目有关，同时仪表的形状、大小特征不同导致本身的认知难度也是有区别的［14］.建议在后续的研究过程中，把以上情况考虑在内，进一步探索单目标或者更多目标的视觉搜索能力变化规律［15］，从而为飞机座舱显示界面的布局设计提供工效学的指导意义.

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