振动对人眼辨识刻度带信息能力的影响

王黎静，王郁珲

(北京航空航天大学，航空科学与工程学院，北京　100191)



振动对人眼辨识刻度带信息能力的影响

王黎静，王郁珲

(北京航空航天大学，航空科学与工程学院，北京100191)

摘要：刻度带是重要的显示信息之一。为研究振动对人眼辨识刻度带信息的影响，本文开展了在被试不动刻度带振动的情况下振动对人眼视觉绩效的影响实验。试验人员在水平和垂直方向振动下，完成了一种振幅(1.6mm)和四种频率(5，10，15，20Hz)条件下的三种刻度带(水平，竖直，扇形)辨认任务。实验以被试完成视觉任务所需反应时间和正确率为视觉绩效指标，并利用李克特量表评估不同振动条件下被试完成视觉任务的视觉舒适度。研究结果表明，振动频率对反应时、正确率和视觉舒适度都有显著影响(p<0.05)；振动方向对视觉舒适度和视觉绩效中的辨识反应时有显著影响(p<0.05)；刻度带形式对反应时、正确率和视觉舒适度都有显著影响(p<0.05)。振动频率超过10Hz时，随着振动频率的升高，观察反应时迅速增加，正确率持续降低；相比于纵向振动，横向振动影响更大，在横向振动条件下观察反应时增加了近100ms；在振动条件下被试对刻度带的观察能力纵向刻度带最差，横向刻度带次之，扇形刻度带最好。

关键词：视觉绩效；视觉舒适度；刻度带；振动特征

引言

大量研究表明，人类的视觉能力会受到振动的影响，振动往往会增加人对显示信息的辨识难度，使得辨识时间增加，辨识正确率降低。对于交通工具而言，只要其移动，就会产生振动。而在交通工具中，存在大量显示器，人需要辨识这些显示器上的显示信息。显示信息包括字符、图像符号及刻度带信息，三者缺一不可[1]。

针对显示字符和图像，许多研究者利用振动台或软件模拟振动环境，从振动频率、振动方向和被观察目标特点等方面了解振动对人眼视觉功能的影响程度。例如，Lewis和Griffin[2]的研究表明阅读任务更易受振动频率为8～16Hz的振动影响，且不同振动方向影响不同；Chiuhsiang Joe Lin等人[3]、吴国梁等人[4]和王玮[5]等人的研究结果相似：低频振动(4～16Hz)严重干扰人眼视觉功能；王波等人[6]发现振动频率在2～20Hz之间的振动对视觉识别效率有显著影响；Andersson等人[7]发现振动对观察不同方向符号的影响不同，具体表现为由横线组成的符号更更难在竖直振动中被读出。而针对刻度带，研究者更多以静止状态的刻度带画面为目标，设计实验研究被试辨认不同类型刻度带画面的视觉绩效，测量数据包括反应时、正确率与主观评价等。如熊端琴[8]等人研究了飞行员辨认有数字刻度带和无数字刻度带的视觉绩效，研究结果表明有数字刻度带相比无数字刻度带可使得飞行员对显示信息的判读正确率提高20%。

因此，本文以研究振动对观察刻度带信息的影响为目的，设计实验，利用振动台模拟座舱振动，从振动的频率、振动方向以及被监控目标刻度带的形式三方面特征对人眼视觉功能的影响进行了研究。本研究以刻度带为观察目标，实验测量了不同振动频率、不同振动方向的振动对被试辨识各刻度带信息的影响，测量数据包括辨认反应时、正确率及主观舒适度。研究结果表明振动频率、振动方向以及刻度带本身都能成为振动中影响对刻度带观察的因素。以上结果有助于了解振动对人眼视觉的影响规律，并以此为基础对驾驶舱振动进行控制，设计出能被人眼迅速准确识别的刻度带显示。

1研究方法

1.1实验设计

振动对人眼视觉功能的影响主要表现在低频区[2-5]，振动干扰人眼视觉功能的敏感频率范围为2～20Hz，敏感振幅为1.6mm[6]。因此，本实验中，根据人眼对振动特征的敏感范围，根据多次预实验结果选定四种频率水平作为实验变量：5Hz、10Hz、15Hz和20Hz(其中低于5Hz的频段由于设备限制本实验并未达到)；振幅选择为1.6mm。不同振动方向对人眼视觉功能的影响也有所不同[2,3,7]，因此选取两种振动方向作为实验变量：水平振动和垂直振动。

考虑到刻度带存在不同方向，而观察不同方向的视觉目标受振动影响不同[7]，本实验将刻度带类型作为实验变量，分三种：水平刻度带、竖直刻度带与扇形刻度带。由于刻度带在飞机姿态信息显示中较为常用，作为视觉对象较为有代表性，因此选择战机常用的横向、纵向及扇形三种刻度带(图1～图3)作为视觉目标。刻度带几何数据参考GJB301《飞机下视显示器字符》确定。其中横向刻度带的长线长度为4.8mm(6mr)，短线长度为2.4mm(3mr)，刻度间隔为3.2mm(4mr)，箭头高度为4.8mm(6mr)夹角为60°；纵向刻度带长线为4.8mm(6mr)，短线为3.2mm(4mr)，刻度间隔为2.4mm(3mr)，箭头宽度为8mm(10mr)夹角为60°；扇形刻度带长线长度为4.8mm(6mr)，短线长度为2.4mm(3mr)，刻度间隔为10°，箭头为边长8mm(10mr)的正三角形。

图2　纵向刻度带Fig.2　Vertical belt scale

图3　扇形刻度带Fig.3　Fan-shaped belt scale

图1横向刻度带
Fig.1Horizontal belt scale

考虑到被观察对象独立振动对视觉识别干扰最大[4,9]，本实验通过振动台模拟对象独立振动，采用被试内实验设计(需要的被试较少)：频率(5Hz、10Hz、15Hz、20Hz)×振幅(1.6mm)×方向(水平、垂直)×刻度带类型(水平、竖直、扇形)=24种实验处理。

1.2被试

参与实验的被试有11人。他们的年龄为23-25岁。所有人的视力或矫正视力为正常，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。

1.3实验装置

实验所需的振动由振动台产生，振动台的振动形式、振动方向、振动频率及振动幅度皆可通过专用程序控制。实验中所用振动为正弦振动，其振动频率被设置为5，10，15，20Hz四个水平，振动幅度固定，为1.6mm。

实验通过电脑程序实现刻度带画面的显示切换以及反应时数据的收集。实验程序由Experiment Builder编写而成。程序采用图片形式模拟带有示数的刻度带，实验程序中所有的图片都被置于显示屏中间，图片都经过调整以确保在屏幕上显示尺寸没有变形。

将试验程序安装在一台笔记本电脑上，并将此笔记本连接至一台型号为SAMSUNG S19B300NW、分辨率为1024×768的LCD显示器上，实验界面将在此显示器上显示。显示器通过专用夹具被垂直固定于振动台上。实验时被试坐在座椅上，并且双眼高度被调整至与显示屏幕中心高度相同，显示屏幕中心与被试双眼的距离为800mm。被试被要求不得随意移动头部。调整结束后，整个显示器屏幕位于被试的第一视野内。实验中，对每一个被试的设置步骤皆如上所述。

1.4视觉任务和数据收集

本实验的视觉目标是刻度带图片，分别显示不同示数。在实验进行中，被试静坐在屏幕前，用尽可能快的速度辨认显示出的刻度带示数，同时尽可能保证准确率。为了避免练习效应，每次辨认刻度带的示数随机出现。

实验收集的数据为反应时、正确率与视觉舒适度主观评分。

反应时为刻度带出现在屏幕上到被试按下按钮的时间，由实验程序记录。正确率通过比对主试人员记录的读数和实验过程中出现的示数并计算获得，正确率计算公式如下：

(1)

其中，正确辨认个数是指被试正确读出示数的刻度带个数，总辨认个数是指被试辨认的刻度带数量。

在完成一组实验后，被试需要对实验过程中的视觉舒适度进行主观评估。实验采用李克特主观量表进行评分，如图4所示。在本实验中，1分表示视觉极不舒适，5分表示视觉非常舒适。

图4李克特量表
Fig.4Likert scale

1.5实验过程

实验以振动频率、振动方向和刻度带类型划分为组，整个实验共有4种频率×2种方向×3种刻度带=24个实验组。每个实验组含有7个测试，每次测试会随机显示一个刻度带示数。每个实验组皆有一个试验程序。

实验过程中，主试首先选定一个实验组，运行相应的试验程序。试验程序开始后，被试先阅读屏幕上的实验说明，之后按照要求按压按钮开始试验，分别进行7个测试。每个测试中被试先按压按钮触发实验进程，振动中的显示器上出现示数随机的刻度带画面，每一个刻度带画面会持续出现2s，或者在被试按压按钮后消失。被试被要求并尽快辨识上面的示数。在辨识出示数后被试以最快的速度按压按钮，之后读出辨识的示数，由主试人员进行记录。7个测试中，前2个测试作为预实验，不记录数据，后5个测试作为正式试验，将对数据进行记录。

每一个实验组结束之后会暂停5分钟以供被试进行主观评价，之后被试休息5分钟。休息结束后进行下一个实验组的实验。整个实验大约需要1小时。

2实验结果及分析

每组数据皆通过ANOVA方差进行了检验。同时，也使用Duncan检验检验了各数据间的相关性，其显著性分为了三个水平：显著(p<0.01)、较显著(p<0.05)和不显著。反应时、正确率及主观评分都被检验了与三种因素(振动频率、振动方向及刻度带种类)的相关性水平。

2.1反应时

对被试完成视觉任务的反应时数据进行单变量多因素方差分析，记录在表1中。

表1　反应时的ANOVA方差分析

由表1知，刻度带类型及振动方向对反应时有显著影响，振动频率对反应时有较显著的影响。图5～图7所示分别为刻度带类型、振动频率与振动方向对反应时的主效应值。反应时随振动频率增加而增加。纵向刻度带反应时最长，横向刻度带次之，扇形最短。实际上，高频振动、纵向刻度带以及纵向振动都会导致反应时变长，即完成视觉任务的时间变长。

图5　刻度带类型对反应时的主效应值Fig.5　The main effect plot of scale type on reaction time

图6　振动频率对反应时的主效应值Fig.6　The main effect plot of vibration frequency on reaction time

图7　振动方向对反应时的主效应值Fig.7　The main effect plot of vibration direction on reaction time

2.2正确率

对被试完成视觉任务的正确率数据进行单变量多因素方差分析，记录在表2中。

表2　正确率的ANOVA方差分析

由表2知，刻度带类型对正确率有显著影响，振动频率对正确率有较显著的影响。图8与图9所示分别为为刻度带类型与振动频率对正确率的主效应值。正确率随振动频率的升高而降低。扇形刻度带正确率最高，横向刻度带次之，纵向最低。高频振动和纵向刻度带会使得正确率变低。

图8　刻度带类型对正确率的主效应值Fig.8　The main effect plot of scale type on accuracy

图9　振动频率对正确率的主效应值Fig.9　The main effect plot of vibration frequency on accuracy

2.3主观评分

对被试完成视觉任务的视觉舒适度主观评分进行单变量多因素方差分析，记录在表3中。

表3　主观评分的ANOVA方差分析

由表3知，刻度带类型与振动频率对主观评分有显著影响，振动方向对主观评分有较显著的影响。

图10～图12所示分别为刻度带类型、振动频率与振动方向对主观评分的主效应值。主观评分随振动频率增加而降低。扇形刻度带评分最高，横向刻度带次之，纵向最低。实际上，低频振动、扇形刻度带以及纵向振动的得分较高，视觉舒适度较好。

图10　刻度带类型对主观评分的主效应值Fig.10　The main effect plot of scale type on subjective ratings

图11　振动频率对主观评分的主效应值Fig.11　The main effect plot of vibration frequencyon subjective ratings

图12　振动方向对主观评分的主效应值Fig.12　The main effect plot of vibration directionon subjective ratings

3讨论

振动频率对人眼视觉能力的影响存在临界点，超过此点则振动对视觉的影响急剧增加。就反应时间数据而言(见图6)，随着振动频率的增加，反应时间不断上升，而振动频率超过10Hz后，反应时间上升速度变快。就反应正确率数据而言(见图9)，随着振动频率的增加，正确率不断下降，而振动频率超过15Hz后，正确率下降速度变快。本实验得出的振动频率对反应时间的影响临界点在10Hz，对正确率的影响临界点在15Hz。两个临界点间存在差异。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[10]。当振动超过10Hz时，被试会尝试牺牲反应时间来确保更正确地辨识刻度带示数，此时导致反应时数据迅速升高。当振动频率继续增加时，被试的主动动机无法弥补阅读条件变差带来的影响，因此正确率数据会加速变差。

振动频率对主观评分的影响临界点与正确率数据一致，在15Hz。然而，与反应时与正确率数据不同，超过15Hz后，主观评分下降趋势变缓。根据实际评分数据以及与被试的访谈结果来看，出现这种现象的原因是超过15Hz后被试评分已降到极低的水平，接近极限，因此下降速度变缓。这也与之前的推论一致，阅读条件此时已到了极差的水平。

振动方向对视觉信息辨识能力存在显著影响。图7与图12所示实验数据表明横向振动较纵向振动的影响更大。这一现象产生的一部分原因可能是由于刻度带中存在数字，人对数字的观察更易受横向振动的影响[4]。

4结论

本文研究了不同方向、频率的振动对被试观察刻度带的影响。实验结果表明：

1)振动频率会显著影响人对刻度带的观察，随着振动频率的增加，人的观察反应时会增加，正确率会降低，主观舒适度会降低。振动频率超过10Hz后，反应时间上升速度变快，而振动频率超过15Hz后，正确率下降速度变快；

2)振动方向会影响人对刻度带的观察，横向振动比纵向振动影响更大，被试观察横向振动的刻度带比纵向振动的刻度带的反应时间更长，主观舒适度更低；

3)刻度带设计也是影响观察刻度带的重要因素，现有刻度带设计中，纵向刻度带在振动条件下观察难度最大，横向刻度带次之，扇形刻度带最好，具体表现为观察反应时纵向刻度带最长，横向刻度带次之，扇形刻度带最短，而正确率和主观舒适度纵向刻度带最低，横向刻度带次之，扇形刻度带最高。

参考文献

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Effects of Display Vibration on Visual Performance

and Fatigue in Reading Belt Scales

Wang Lijing，Wang Yuhui

(BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,SchoolofAeronauticScienceandEngineering,Beijing100191,China)

Abstract：The scale belt is one of the important display information. In order to study the influence of vibration, an experiment to test the influence to observation ability of vibration is carried out in this paper. Under horizontal and vertical vibration, the test completed three kinds of scale (horizontal, vertical, sector) identification tasks under the condition of four kinds of frequency (5, 10, 15, 20Hz). Experiments were done to test the response time and accuracy of the visual task to the visual performance, and to evaluate the visual comfort level of the visual task with the Likert scale. The results show that the vibration frequency has a significant effect on the response time, accuracy and visual comfort (p<0.05). The vibration direction has significant effect on the visual comfort and visual performance (p<0.05). When the vibration frequency is over 10Hz, with the increase of the vibration frequency, the rate of the reaction is increasing rapidly, and the accuracy is decreasing. Compared to the vertical vibration, the effect of horizontal vibration is bigger, and the reaction time increased 100ms. In the vibration condition, the observation ability of the vertical scale is the worst, and the horizontal scale is the best.

Key words:visual performance; visual fatigue; belt scale; vibration characteristics

基金项目：国家自然科学基金资助项目(资助编号：5147832)；国家自然科学基金资助项目(资助编号：51178320)

中图分类号：TH85

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.028