目标出现概率、目标有无和时间压力对视觉搜索绩效的影响

杨林栋， 宋馥璇， 张运红， 于瑞峰

(1. 清华大学 工业工程系，北京 100084； 2. 中国标准化研究院 人类工效学实验室，北京100191)

目标出现概率、目标有无和时间压力对视觉搜索绩效的影响

杨林栋1， 宋馥璇1， 张运红2， 于瑞峰1

(1. 清华大学 工业工程系，北京 100084； 2. 中国标准化研究院 人类工效学实验室，北京100191)

生产生活中很多视觉搜索任务是在低目标出现概率、有时间压力的条件下进行的。本研究分析了目标出现概率、目标有无和时间压力对视觉搜索任务绩效的影响。实验将目标出现概率作为组间变量，目标有无和时间压力作为组内变量，进行了完全2×2×2因子实验设计。结果表明时间压力和低目标出现概率会显著降低搜索时间、凝视时间和凝视次数。目标有无和时间压力、目标有无和目标出现概率对搜索时间的影响交互效应显著。时间压力和目标出现概率对搜索时间的影响交互效应不显著，但对凝视时间和凝视次数的影响交互效应显著。实验结果对于视觉搜索作业任务设计，尤其是如安检等有时间压力、低目标出现概率的作业任务设计具有指导意义。

目标出现概率； 目标有无； 时间压力； 视觉搜索； 绩效

视觉搜索是在视觉环境中寻找特定目标的过程，是生产生活中一项很常见的任务[1]。在机场、火车站，乘客行李要经过X光机，安检员对行李图片进行检查，以发现可能存在的违禁物品[2]；进行医学影像检查时，医生要通过观察X光片寻找可能的病灶[3]。安检和医学检查任务一般具有两个重要的特点：目标的出现概率通常比较低，搜索任务在一定的时间压力下进行。在信号检测理论中，非目标信号出现概率越大，目标测出率越低[4]。而在视觉搜索领域，最早由Wolfe等[5]采用行李安检影像比较了在目标出现概率为50%、10%、1%的情况下的搜索时间和目标漏报率，发现当目标出现概率为1%时，目标漏报率达到30%，并且这种漏报现象与项目数量没有明显关系。与之相比，50%和10%的目标出现概率分别对应7%和16%的目标漏报率。与Wolfe实验采用安检图片进行搜索的实验不同，Rich等[6]采用了简单形状的刺激物，实验发现，低概率效应在简单形状刺激物的搜索中同样存在。实验中的眼动数据表明，在低目标出现概率的情形下，凝视时间与高目标出现概率时相比没有显著区别，但凝视次数显著降低。低目标出现概率的情况下搜索时间降低、漏报率增加的现象被学术界称之为“低概率效应”。

Wolfe等[7]认为低概率效应很大程度上是由反应标准发生偏移引起的，并且很难被消除，但加入一段时间带反馈的高目标出现概率的搜索(类似于再次培训)，可以有效地控制搜索者的反应标准。Fleck等[8]的实验提供了让被试更改答案的机会，实验结果表明，当搜索者可以更改自己的回答时，漏报率明显降低。但Rich等[6]和Wert等[9]则认为，尽管按键错误在低概率效应中发挥显著的作用，但低概率效应依然存在。Lau等[10]认为，低概率效应是由经验概率带来的，而不是由期望概率带来的。Schwark等[11]发现虚假的反馈可以降低低概率效应。总的来说，低概率效应在视觉搜索中普遍存在并且很难消除。

时间压力是指由时间约束引起的压力和应对有限时间的资源需要[12]。现实生活中很多作业任务都有一定的时间要求。在时间压力下，个体会主观感受到缺乏用最佳或最优方式完成一件任务所需的认知资源[13]，且往往会改变决策过程，尤其是决策策略[14]。Walrath等[15]研究了时间压力和项目密度、颜色编码、搜索类型对视觉搜索的影响，发现时间压力对搜索时间有极大的影响，高时间压力可以抑制其他因素对搜索时间的影响；但时间压力对准确率并没有明显影响。眼动测量则表明，在时间压力下，凝视次数显著减少，但凝视时间对于时间压力的敏感性较低。Tsimhoni等[16]研究了不同环境下的驾驶行为，发现时间压力会影响驾驶员的凝视行为，具体表现在凝视总时间不变，但是次数会增加，每次的凝视时间会变短，从而提高了视觉搜索的效率，但是他没有讨论时间压力对正确率的影响。郭小筠[17]研究了在动态视觉搜索过程中时间压力对搜索绩效的影响。实验发现低水平的时间压力对搜索绩效的影响不显著，而高水平的时间压力会略微降低搜索绩效。

尽管时间压力在视觉搜索任务中非常常见，学术界目前关于时间压力对视觉搜索的影响的研究并不充分。而且绝大部分研究设定的目标出现概率都很高，并没有考虑低目标出现概率下时间压力的影响。本实验将目标出现概率作为组间变量，目标有无和时间压力作为组内变量，通过对被试在搜索任务中的绩效和眼动数据进行测量和分析，揭示了目标出现概率、目标有无和时间压力对视觉搜索任务绩效的影响。实验结果对于视觉搜索作业任务设计，尤其是如安检等有时间压力的低目标出现概率的作业任务设计具有指导意义。

1 方法

1.1 实验素材

本实验任务是在充满圆环的搜索区域中寻找兰道环。兰道环尺寸参考ISO8596:2009设计，圆环尺寸与兰道环尺寸相同，半径均为10像素。搜索区域为1 200像素×700像素，划分为35行60列，每格为20×20像素。搜索界面如图1所示。每次搜索若存在目标，则只有一个目标项，目标项的开口方向随机，且随机出现在搜索区域中。由于任务需要被试判断项目出现的位置，因此禁止目标项出现在可能干扰被试判断的中间位置，即第26～35列(中间10列)和第16～20行(中间5行)。此外，为避免由于搜索者采取某些搜索策略导致的异常小值，禁止目标项出现在搜索区域最外围。开始任务后，屏幕中央出现一个红点，鼠标单击红点即显示搜索界面。搜索过程中，界面上隐藏鼠标，并禁止被试采用手指辅助搜索。被试点击鼠标左键结束搜索，并选择是否看到目标。若被试选择“否”，则开始下一次搜索，如果选择“是”，则需要回答目标的开口方向及所在位置(左上、左下、右上、右下)，然后开始下一次搜索。

图1 视觉搜索任务界面Fig.1 Interface of visual search task

1.2 实验设计

实验自变量为目标出现概率、目标有无和时间压力。目标出现概率分为高、低两个水平，分别为50%和5%，为组间变量。目标有无分为有和无两个水平，为组内变量。时间压力分为有、无两个水平，为组内变量。在有时间压力时，被试被要求尽量缩短搜索时间，可以一定程度地牺牲正确率；在无时间压力时，被试被要求尽量提高正确率，可以一定程度地牺牲搜索时间。在高概率情况下，被试需完成有时间压力和无时间压力各100次搜索任务(其中50次出现目标)；在低概率情况下，被试需完成有时间压力和无时间压力各400次搜索任务(其中20次出现目标)。实验因变量包括搜索绩效和眼动数据两类，搜索绩效包括搜索时间和正确率，眼动数据包括凝视时间、凝视次数、眼跳幅度等。

1.3 被试

按目标出现概率分为高、低两组，每组10人，共20人。高概率组平均年龄22.6岁，低概率组平均年龄23.0岁。所有被试均视力正常(或矫正后正常)，无色盲、散光及其他眼部疾病史。

1.4 实验过程

首先向被试介绍实验目的、流程，签署知情同意书；然后测试被试主视眼，根据主视眼佩戴眼动仪并进行对标。正式实验开始前会向被试介绍实验任务并进行培训。首先采用目标出现概率为100%的素材，请被试熟悉搜索任务。然后采用目标出现概率为50%的素材，完成20次搜索任务，每次任务结束后被试获得正确与否及搜索时间的反馈。若20次任务结束后，搜索正确率大于80%，平均搜索时间小于15 s，则进行下一步；否则需重新完成20次任务，直到达到要求；再采用目标出现概率与正式实验相同的素材，完成20次搜索任务。被试不知道任务中目标出现具体概率，只被告知目标出现概率“较高”或“很低”。正式实验中，被试每组完成100次任务。高概率组完成2组任务，低概率组完成8组任务。每组实验开始前，主试向被试出示一张写有“速度”或“正确率”的纸条，纸条上包括具体要求(尽量保证正确率或尽量加快速度)，每组实验间出示的纸条都会改变，出示纸条顺序在被试间平衡。每当屏幕上出现红点时，被试可以选择自行休息；每10 min，主试会提示被试休息2 min。

2 分析和讨论

2.1 搜索时间与正确率

搜索时间是指从搜索界面出现到被试点击鼠标之间的时间间隔，能够直观地反映搜索者完成任务的速度。根据搜索任务是否有目标以及搜索者是否判断正确，将结果分为正确接受、漏报、正确拒绝以及误报4种情况。在总计8 600次无目标的搜索中，仅出现4次误报，因此不对误报数据进行统计分析。另外3种情况的平均搜索时间如图2所示。从图中可以看出，3种情况下有时间压力时的搜索时间均小于无时间压力时的搜索时间，但正确接受时间在有时间压力和无时间压力条件下很接近。两种时间压力条件下都是正确接受时间最短，正确拒绝时间最长。

图2 不同情形下搜索时间Fig. 2 Reaction time in different task conditions

由于数据方差齐性检验未通过，对搜索时间进行对数变换，变换后Levene检验结果为F(7, 72 = 1.03,P= 0.42)，说明变换后的数据符合方差齐性。在之后的分析中，均采用对数变换后的搜索时间进行分析。对目标出现概率、时间压力以及目标有无对搜索时间(对数变换后)的主效应和交互效应进行置信度水平为95%的重复度量方差分析，结果如表1所示。从表1可以看出，目标出现概率、时间压力、目标有无对搜索时间的主效应均显著。当目标出现概率低、有时间压力、有目标时，搜索时间较短。目标出现概率和目标有无的交互效应以及时间压力和目标有无的交互效应显著，而目标出现概率和时间压力的交互效应不显著。

表1 搜索时间主效应和交互效应方差分析结果1)Tab.1 ANOVA results of reaction time

1)*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001

对显著的交互效应进行简单效应分析，结果如表2所示。从表2可以看出，对目标出现概率和目标有无这两个因素而言，固定其中任意一个因素的水平，另外一个因素对搜索时间的影响都显著或边缘显著。

不同目标出现概率和时间压力下搜索漏报率的描述性统计如表3所示。从表3可以看出，目标出现概率高、无时间压力时漏报率较低，漏报率最大值出现在低目标出现概率且有时间压力的情况下。对目标出现概率和时间压力对漏报率的主效应和交互效应进行置信度水平为95%的重复度量方差分析。结果表明目标出现概率对漏报率的主效应显著(F(1,18)=17.5,P= 0.001)，低目标出现概率使漏报率显著增加。时间压力对漏报率的主效应同样显著(F(1, 18) = 34.5,P< 0.001)，时间压力的存在使漏报率显著增加。目标出现概率和时间压力对漏报率的交互效应显著(F(1, 18) = 6.8,P= 0.018)。

2.2 眼动数据

本研究使用SMI公司的BeGaze软件对眼动数据进行处理，得到凝视次数、凝视时间和眼跳幅度，其均值和标准差如表4所示。在不同情形下凝视次数差异较大，高概率无时间压力时正确拒绝的平均凝视次数为45.4次，而低概率有时间压力情况下正确接受的平均凝视次数仅为8.4次。凝视时间最大值为492.6 ms(高概率无时间压力时正确接受)，最小值为380.8 ms(低概率有时间压力漏报)。低概率有时间压力漏报时眼跳幅度最大，为7.9°，高概率有

时间压力漏报时眼跳幅度最小，为4.1°。在同一概率和时间压力条件下，正确拒绝的凝视次数最多，正确接受的凝视次数最少；正确接受的凝视时间最长；眼跳幅度没有明显的变化规律。同等情况下有时间压力时，凝视次数明显低于没有时间压力的情况；凝视时间也比没有时间压力时短，但眼跳幅度则没有明显变化规律。与高概率情形相比，低概率情况下凝视次数和凝视时间都明显降低。

表2 搜索时间交互影响显著的因素简单效应分析1)Tab.2 Simple effect analysis of reaction time’s influencing factors

1)*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001

表3 漏报率基本统计量Tab.3 Descriptive statistics of error

表4 眼动数据基本统计量Tab.4 Descriptive statistics of eye movements data

对凝视时间、凝视次数、眼跳幅度分别进行正态性检验(K-S检验)和方差齐性检验，三类数据均通过正态性检验，但凝视时间未通过方差齐性检验。因此对凝视次数和眼跳幅度进行方差分析，结果如表5所示。目标出现概率、时间压力和目标有无对凝视次数的主效应均显著：目标出现概率较低时的凝视次数显著少于高概率情形；有时间压力的凝视次数显著少于无时间压力情形；目标概率和时间压力相同的情形下，正确接受的凝视次数最少，正确拒绝的凝视次数最多。目标出现概率和时间压力的交互效应以及时间压力和目标有无的交互效应显著。不同情形下凝视次数如图3所示。从图3可以看出，在低概率情形下，有无时间压力对正确接受的凝视次数影响更大；而有无时间压力对正确拒绝的凝视次数影响在高概率情形下更大。

表5 相关因素对凝视次数和眼跳幅度影响的方差分析Tab.5 ANOVA of related factors’ effects on fixation duration and fixation times

目标出现概率、时间压力、目标有无对眼跳幅度的影响主效应均不显著，只有目标出现概率和时间压力的交互效应显著。对目标出现概率和时间压力的影响进行简单效应分析，结果表明只有当目标出现概率高时，时间压力对眼跳幅度的影响边缘显著(F(1,18)=4.3,P=0.053)，有时间压力时的眼跳幅度要低于无时间压力的眼跳幅度，而其余结果均不显著。

图3 不同情形下凝视次数均值Fig.3 Fixation times in different conditions

对不同目标出现概率下的凝视时间进行修正后的独立样本t检验，t检验的结果为t(1,55.7)=-2.6,P=0.012，说明目标出现概率对凝视时间影响显著，目标出现概率高时的凝视时间比目标出现概率低时凝视时间长。为了比较不同目标出现概率情形下时间压力和目标有无对凝视时间的影响，针对高目标出现概率和低目标出现概率的情况进行分组，按照是否有压力和是否有目标的4种情况分别进行讨论，进行配对t检验，检验结果如表6所示。可以看到，在高目标出现概率情况下，有时间压力时，是否有目标对凝视时间的效应显著，有目标时凝视时间显著增加。无时间压力时，目标有无对凝视时间的效应不显著。无论是否有目标，时间压力对凝视时间的影响都是边缘显著，无时间压力时的凝视时间都比有时间压力时的凝视时间长。在低目标出现概率的情况下，目标有无对凝视时间的影响都显著，有目标时的凝视时间显著比没有目标时的凝视时间长，但在有时间压力时，目标有无两种情形的凝视时间均值的差值比无时间压力时小，说明时间压力的存在会使目标有无对平均凝视时间的影响幅度略微降低；另一方面，时间压力的存在使凝视时间显著缩短，而在有目标的情况下这一影响更大。

表6 时间压力和目标有无对于凝视时间的影响的配对t检验结果1)Tab.6 Paired-t test of time pressure and response type’s effects on fixation durations

1)*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001

2.3 结果讨论

从实验结果分析可知，目标出现概率、目标有无和时间压力对搜索时间有显著影响，在没有目标的情况时这种影响更大。低目标出现概率对搜索时间的影响证实了Wolfe等[5]和Rich等[6]的实验结果。同时，高目标出现概率下时间压力对搜索时间的影响也证实了McCarley[18]的实验结果。目标出现概率和时间压力对漏报率同样有显著影响。由于目标出现概率和时间压力使搜索时间缩短，使得搜索者提前终止了“本应该”花费更长时间才能找到目标的搜索，这导致了漏报的发生。此外，时间压力在低目标出现概率时对漏报率的影响更大。

时间压力能够显著地影响搜索者的眼动行为。无论目标出现概率是高还是低，在时间压力的作用下，搜索者的凝视次数降低，凝视时间缩短，这与McCarley[18]的结论一致，反映了搜索者通过缩短凝视时间来加快对视觉信息的处理速度，通过降低凝视次数来进行信息过滤，凝视时间和凝视次数的降低共同导致了搜索时间的缩短。但在目标出现概率低时，时间压力对凝视次数的影响比目标出现概率高时小，而对凝视时间的影响比目标出现概率高时大。在本实验中，时间压力对于眼跳幅度的影响与预期不同。在高目标出现概率的情况下，时间压力使眼跳幅度有一定程度的下降，与McCarley的结论相反。这可能是由于实验选取的刺激物不同导致的。在McCarley的实验中，刺激物为混乱分布的X光安检图片，而在本实验中，刺激物为结构性排布的简单形状。Ariely等[14]认为，在时间压力下，人们可能会选择与无时间压力时不同的决策策略。在本实验中，搜索者在高目标出现概率的搜索中，为了响应时间压力，可能会选择引入浏览式的扫描策略[2]来避免搜索中的重复凝视，这种策略可能导致眼跳幅度的降低。而在McCarley[18]的实验中，由于刺激物的分布过于混乱，不利于扫描策略的采用，搜索者只能采用增加眼跳幅度的方式来响应时间压力。

相比于时间压力，目标出现概率同样对眼动行为有一定的影响，但影响程度较小。低目标出现概率会显著缩短凝视时间，即加快视觉信息处理的速度，同时使没有时间压力时的凝视次数显著降低，而对眼跳幅度没有显著影响。

3 结论

本实验将目标出现概率作为组间变量，目标有无和时间压力作为组内变量，进行了完全2×2×2因子实验设计。通过对被试在搜索任务中的绩效和眼动数据进行测量和分析，讨论了目标出现概率、目标有无和时间压力对视觉搜索任务绩效的影响。实验发现，时间压力和低目标出现概率使搜索者对视觉信息的处理速度提高，并采用信息过滤的策略，具体表现为凝视时间缩短和凝视次数减少。这一效应对终止阈的影响较大，对正确接受时的搜索时间影响较小。目标有无和时间压力、目标有无和目标出现概率对搜索时间的影响交互效应显著。时间压力和目标出现概率对搜索时间的影响交互效应不显著，但对凝视时间和凝视次数的影响交互效应显著。相比于高目标出现概率的情形，时间压力在低目标出现概率时对凝视时间的影响更大，而对凝视次数的影响较小，导致在两种目标出现概率情况下时间压力对搜索时间的影响幅度没有显著差异，这说明搜索者在应对时间压力时会缩短搜索时间，并且在高目标出现概率时主要策略是信息过滤，在低目标出现概率时主要策略是任务加速。实验结果对于视觉搜索作业任务设计，尤其是如安检等有时间压力的低目标出现概率的作业任务设计具有指导意义。

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Effects of Target Prevalence, Target Presence and Time Pressure on Visual Search Performance

YANG Lindong1, SONG Fuxuan1, ZHANG Yunhong2, YU Ruifeng1

(1. Department of Industrial Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. Human Factors and Ergonomics Laboratory, China National Institute of Standardization, Beijing 100191, China)

Many real-world visual search tasks are performed under low target prevalence and time pressure conditions. The present study conducted a 2×2×2 mixed experiment design with target prevalence being a between-subject factor, and target presence and time pressure within-subject factors. Reaction time and eye movement data were recorded and analyzed. It was found that reaction time, fixation times and duration had significant decrease with time pressure and low target prevalence. The interaction effects of time pressure and target presence, target prevalence and target presence on reaction time were significant. The interaction effect of target prevalence and time pressure on reaction time was not significant, but the two variables′ interaction effects on fixation times and duration were significant. The findings provide guidelines to designing visual search tasks under low prevalence and time pressure conditions.

target prevalence; target presence; time pressure; visual search; performance

2016- 05- 20

国家自然科学基金资助项目(71471098)；中国标准化研究院中央基本科研业务费项目(522015Y-3991)

杨林栋 (1991-)，男，河南省人，博士研究生，主要研究方向为人因工程、管理工效学.

10.3969/j.issn.1007- 7375.2016.06.013

B842.1

A

1007-7375(2016)06- 0083- 06