显控台屏幕布局方式对用户态势感知能力的影响

杨 毅

(中国电子科学研究院，北京 100043)



显控台屏幕布局方式对用户态势感知能力的影响

杨 毅

(中国电子科学研究院，北京 100043)

为了优化显控台上显示器的布局，利用主次任务法针对不同屏幕布局方式对用户态势感知能力的影响进行量化评价。分别对比了3种垂直布置方式和1种窗口嵌入方式的屏幕布局对用户态势感知能力的影响。实验结果显示，采用窗口嵌入方式可以使用户保持更好的态势感知能力，并且用户的主观负荷最低。结合实验结论，提出了针对显控台屏幕布局方式的一些建议。

屏幕布局;态势感知;显控台

现代电子信息系统融合了大量传感器数据和来自多平台的丰富信息。作为电子信息系统的终端和人机交互的接口,显控台需要将这些信息有组织的输出给操作员。由于信息量庞大,使用单个显示器往往不能满足使用要求。因此,通过对显示器进行合理布局使信息合理显示是提高操作员工作绩效和信息系统综合处理能力的重要问题。

在实际应用中,显控台屏幕的布局形式往往需要根据应用环境和使用情况进行设计。比如,美国“捕食者”系列无人机的地面显控台采用“一上一中二下”方式排列4个液晶显示器用于模拟有人机的驾驶环境:最上方的显示器用于显示无人机路线图;中间的显示器用于显示无人机前视摄像机拍摄的画面,其作用相当于战斗机的平视显示器;最下方的2个显示器用于显示各种传感器信息,包括飞行参数、战场态势和传感器图像等,其作用相当于战斗机的下视显示器[1]。在有些使用环境下(如机载),显控台的尺寸受到使用空间的限制。这时,显控台通常要设计成竖直方向上多个显示器分布的布局。在其他应用领域,也存在单屏、横向双屏和竖向双屏等设计[2]。然而,从人机工程的角度对显控台屏幕布局方式进行的研究还较少。

在日常工作中,多显示器的应用已经日趋广泛。相应的,一些研究对多屏幕与单屏幕的组织方式进行了比较。GRUDIN et al记录了用户使用多屏幕的习惯,发现第二个及以上的屏幕主要用于辅助任务[3]。HUTCHINGS et al比较了单屏和多屏用户在窗口管理和屏幕空间分配方式的差别[4]。BI et al对比了日常使用单屏和双屏的用户在使用巨屏(4.9 m×1.8 m)前后的使用习惯和工作模式[5]。TRUEMPER et al比较了使用2×2布局的4个17吋(432 mm)显示器和使用单个17吋(432 mm)显示器对用户完成网页制作任务的影响。研究发现多显示器布局方式更利于用户进行多任务同步操作。然而,由于2×2布局的显示器使用户缺少对显示中心的认知,用户使用多显示器和单显示器的操作效率并没有显著差别[6]。CZERWINSKI et al比较了由3个15吋(381 mm)显示器横向投影拼接成的DSharp显示器与单个15吋(381 mm)显示器对用户工作绩效的影响。在完成一组Office相关任务中,使用DSharp显示器的用户能够更高效的完成任务,并且更青睐这种大屏显示器[7]。相似的,KANG et al比较了用户使用两个水平放置的17吋(432 mm)显示器和单个17吋(432 mm)显示器完成旅程预订工作的绩效。结果显示,使用多屏的用户能够更快的完成任务,且主观工作负荷更小。此外,先前没有使用多屏经验的用户更容易利用多屏方案提高工作绩效[8]。Owens et al对比了17吋(432 mm)和22吋(559 mm)2种尺寸的单双显示器布局,发现2种尺寸下双显示器布局都比单显示器更受用户青睐。以上这些研究主要针对横向布局的多个显示器与单显示器进行比较,显现出多显示器在复杂多任务处理中的优势[9]。王献青等比较了一个20吋(508 mm)大屏和两个14吋(355 mm)小屏以水平和竖直2种方式布置,并以9种显示器夹角组合对被试进行目标搜索任务的影响。研究发现,以水平方式布置的显示器组合总体上比垂直布置的方式要好,被试可以更快的完成搜索任务[10]。然而,此实验只要求被试按照大屏的目标要求在小屏上完成单一的搜索任务,并没有对被试协同使用多个屏幕的能力进行评价。在实际使用时,操作员往往需要对多个信息进行处理。因此,需要对操作员在多任务环境下的态势感知能力进行综合评价以确定屏幕的组织形式。此外,现有研究主要使用22吋(559 mm)及以下的显示器进行比较,单个显示器往往不能容纳用户需要同时查看的所有信息。这种情况下,用户需要频繁进行窗口切换,造成绩效下降。然而,随着显示技术的发展,越来越多的大尺寸显示器逐渐成为主流。当单个显示器足以容纳所有信息时,额外增加的显示器对用户使用效果的影响还需要进一步研究。

1 多屏任务实验

比较2类屏幕布局方式对用户态势感知能力的影响。第一类为垂直布局方式,即一个大屏在上方,一个小屏在下方。第二类为窗口嵌入方式,即在一个大屏内设置一个与小屏等大的窗口。本文通过这两类屏幕布局方式的比较,为显控台屏幕布局提供设计依据。

1.1 实验对象

12名在校学生作为本实验的被试,其中6名女性,6名男性。被试年龄在20至25岁之间,视力或矫正视力正常,此前无类似任务的操作经验,以右手为常用手。

1.2 实验设备

实验设备包括2台显示器,一台尺寸为27吋(686 mm),分辨率为1 920×1 080,用于大屏显示;另一台显示器利用笔记本电脑的14吋(355 mm)显示器模拟一个尺寸为10吋(254 mm),分辨率为1 024×768的小屏,如图1(左图)所示。这样做的目的是可以方便地设置小屏的尺寸和位置,用来在实验中模拟某型显控台的屏幕布局[11]。27吋(686 mm)大屏显示器由一台CPU为intelXeonE3-1230的Think Station主机控制。每台显示器配备一个键盘用于被试在实验中做出反应。

1.3 实验设计

实验采用主次任务的方法测试实验对象在多任务环境下的态势感知(Situation Awareness)能力[12]。实验主任务是在小屏上完成搜索任务:在小屏上呈现6×6个字母,包括随机排布的18个字母R和18个字母P(字母大小为8 mm×10 mm).实验过程中,每隔1 s有一个随机字母变红。被试在P变红时用键盘输入“1”,R变红时输入“2”.

实验的次任务是对大屏的态势感知任务,大屏背景为一张散布若干飞机符号(障碍物)的地图。在实验过程中,屏幕上的9个区域(按照水平方向和竖直方向平分成9块区域)中的某个随机区域的中心每隔一段时间会出现一个新的飞机符号,飞机符号停留时间为1 s.被试在进行主任务的同时,若能够感知到新的飞机出现,则按“空格”键。所有飞机符号为绿色三角形,大小为10 mm×10 mm,这种图形具有较好的辨识效果[13]。

实验中小屏上的字母P与R各出现36次,大屏上的飞机目标共出现27次(每个区域随机出现3次)。主次任务中各目标的出现次序随机,避免用户形成预期。

实验比较两类4种屏幕布局方式。其中,第一类为“一大一小”竖直布置,第二类为在大屏幕中嵌入小窗口。在第一类布局中,比较了小屏放置在大屏以下左(Small-Left)、中(Small-Center)、右(Small-Right)3个位置的布局效果。在第4种布局方案中,采用小窗口嵌入的方式(Embedded),小窗口被设为半透明(透明度为50%),尺寸与小屏方式相同,如图1所示。

图1 屏幕的4种布局方式Fig.1 Four display layouts

实验采用4×9重复测量的双任务被试内(repeated-measures within-subject design)设计。对4种布局方式的实验顺序采用平衡拉丁方方法实现在实验对象间的平衡。实验研究4种屏幕布局方式和9种目标位置对用户在多任务环境下的反应绩效和主观心理负荷的影响。因变量包括小屏搜索任务的反应时和正确率,对大屏中飞机符号出现的反应时,以及大屏飞机符号的错过率。在实验开始前,每名被试有十分钟左右的时间熟悉实验任务,使其能够在RP选择实验中达到90%以上的正确率。在每种布局的实验结束后,被试完成NASA-TLX量表[14]进行心理负荷的测量。

1.4 实验结果

1.4.1 主任务反应时

主任务反应时分析被试对字母R和P做出正确反应的反应时。通过ANOVA方差分析,发现屏幕布局方式(F3,33=24.948,p<0.001)对被试反应时具有显著影响。通过对4种布局方式的均值进行比较,发现窗口嵌入式布局所对应的反应时最短(p<0.001),而三种“一上一下”方式布局的反应时之间没有显著差异(p>0.1),如图2所示。

图2 主任务反应时Fig.2 Respond time of the primary task

1.4.2 主任务正确率

在实验前的训练中,每名被试对RP任务的反应正确率能够达到90%以上。然而,当主次任务同时呈现时,被试的RP任务正确率有所下降。方差分析表明,屏幕布局方式对主任务正确率有显著影响(F3,33=9.442,p<0.001).窗口嵌入方式的任务正确率最高(p<0.001),其他三种 “一上一下”布局方式的正确率间没有显著差异(p>0.10),如图3所示。

图3 主任务正确率Fig.3 Correct rate of the primary task

1.4.3 次任务反应时

次任务反应时分析被试对大屏中出现的飞机符号做出正确反应的反应时。通过ANOVA方差分析,发现屏幕布局方式(F3,33=4.31,p<0.05)对被试次任务反应时具有显著影响,飞机符号出现位置(F3,33=1.173,p=0.324)对被试反应时没有显著影响,但是屏幕布局方式和飞机符号出现的位置之间具有交互作用(F24,264=2.747,p<0.001)。通过对4种布局方式的均值进行比较,发现窗口嵌入式布局所对应的反应时比“一上一下”中左侧放置小屏方式的反应时更短(p<0.001),但和其他2种方式没有显著差异(p>0.10).如图4所示。

图4 次任务反应时Fig.4 Respond time of the secondary task

由于屏幕布局方式和飞机符号出现的位置之间具有交互作用,分析了不同布局方式下,在不同位置出现飞机符号时被试的反应时,如图5所示。

图5 在不同位置出现飞机符号的被试反应时Fig.5 Average respond time of subjects when plane signals appeared

从图5中可以看出,在各种布局方式下,被试对不同位置出现的飞机符号的反应时的分布不尽相同。但总体来说,被试对屏幕中心和左上方位置出现飞机符号的反应时相对较短;对屏幕右侧,特别是右下方出现飞机符号的反应时相对较长。特别的,在屏幕右下方嵌入窗口的布局方式会因窗口叠放或部分遮挡(50%透明度)主屏幕导致被试对该区域出现目标的感知效率降低。

1.4.4 次任务漏报率

在被试进行主任务时,增加次任务产生了较高的次任务漏报率(平均漏报率为37.2%)。方差分析结果表明,屏幕布局方式(F3,33=3.785,p<0.05)对被试漏报率具有显著影响,飞机符号出现位置(F3,33=7.158,p<0.001)对被试漏报率具有显著影响,屏幕布局方式和飞机符号出现的位置之间没有交互作用(F24,264=1.521,p=0.06)。窗口嵌入式布局所对应的漏报率比“一上一下”中左侧和右侧放置小屏方式的漏报率低(p<0.05),但和中间放置方式没有显著差异(p>0.10),如图6所示。

图6 四种布局方式的次任务漏报率Fig.6 Miss rate under four display layouts

图7展示了不同位置的次任务漏报率。从漏报率的空间分布来看,屏幕中心偏下的区域漏报率相对较低(排除屏幕右下角区域),这部分区域与主任务工作区位置接近,而在远离主任务区的屏幕上方,漏报率则相对高。此外,同样可能由于窗口遮挡,导致屏幕右下方的漏报率相对较高。

图7 不同位置的次任务漏报率Fig.7 Miss rate of the secondary task at different locations

图8 主观工作负荷Fig.8 Subjective workload

1.4.5 主观工作负荷

主观工作负荷使用NASA-TLX量表进行测量,结果如图8所示。在大屏中嵌入窗口的方式产生的主观工作负荷最小,而小屏在左侧的布置方式使被试产生了最高的心理负荷。然而,不同布局方式的各项指标统计结果没有显著差异(p>0.05).

2 结果与讨论

比较了4种屏幕布局方式对用户态势感知能力的影响。总体来说,在大屏幕中嵌入小窗口的方式相对于在大屏幕下方增加小屏幕显示器更有利于被试进行多任务协同操作,用户的态势感知能力也更好。前人研究发现,视觉系统沿横向比纵向具有更快的信息处理能力[12]。在本文比较的4种布局方式中,在嵌入窗口的方式中,被试在2个界面中水平扫视的比例更高,而在“一上一下”的三种布局中,垂直扫视的比例更高,因此被试对信息的处理能力也就相对较差。此外,在前人对多屏布局的研究中发现,沿水平方向布置显示器可以提高用户工作绩效[9],而采用垂直方式布置显示器则没有显著提高用户工作绩效[6]。因此,更推荐在水平方向上布置显示器,或采用屏幕中以水平方式划分窗口的方式进行信息显示。

从空间分布的角度,对比了在大屏幕9个不同位置出现目标时被试的反应效率。发现被试对屏幕中心目标的感知能力要优于其他区域,这与前人关于画面中心更吸引注意力的研究结论一致[15]。此外,被试能对大屏左侧的目标比右侧的目标做出更快的反应,这可能与自然扫视从左到右的顺序有关[12,16];然而,从漏报率的角度看,大屏幕下方目标的漏报率更低,说明与被试注视位置更接近的目标更易于被关注。这一结果与文献[17]在多任务环境下对不同位置目标探测的研究结果相符。

结合本文研究结果,从操作员态势感知的角度对显控台屏幕布局方式提出以下建议:

1) 在水平空间约束较小时,优先在水平方向布置显示器;空间有限时,可以考虑以窗口嵌入的方式将显示内容显示在大屏幕内;

2) 窗口嵌入方式会造成窗口遮挡背景视图,如果显示空间允许,可以采用视图分割的方式,将辅助窗口布置于屏幕右侧,将主要显示区域布置于屏幕左侧;

3) 相对而言,将小屏幕(窗口)布置于大屏幕(窗口)下方不利于需要用户在大小屏幕(窗口)间进行协同任务的情况;应尽可能将信息相关的窗口以水平方式接近布置;

4) 在水平空间有限,需要采用多屏幕沿竖直方向布置时,尽量将小屏放置于大屏下方中间或右侧位置。

[1] DING Lin.Introduction of UAV human-machine interface.[C]∥Proceedings of the Fourth Chinese Aviation Technology Symposium.[S.l.]:[s.n.]2010:782-786.

[2] ZHU Hui.Study on the meaning,pedigree and classification method for display console[J].Telecommunication Engineering,2012,52(10):1706-1710.

[3] GRUDIN J.Partitioning digital worlds:focal and peripheral awareness in multiple monitor use[C]∥ACM.Proceedings of ACM CHI'2001 Conference on Human Factors in Computing Systems:2001.New York:ACM:2011:458-465.

[4] HUTCHTING D,SMITH G,MEYERS B,et al.Display space usage and window management operation comparisons between single monitor and multiple monitor users[C]∥ACM.Proceedings of the Working Conference on Advanced Visual Interfaces:2004.New York:ACM:2004:32-39.

[5] BI Xiaojun,BALAKRISHNAN R.Comparing usage of a large High-Resolution display to single or dual desktop displays for daily work[C]∥ACM.Proceedings of ACM CHI’2009 Conference on Human Factors in Computing Systems:2009.New York:ACM:2009:1005-1014.

[6] TRUMPER J.Usability in multiple monitor displays[J].Advances in Information Systems,2008,39(A):74-89.

[7] CZERWINSIKI.Toward Characterizing the productivity benefits of very large displays[C]∥ACM.Proceedings of INTERACT 2003.New York:ACM,2003:9-16.

[8] KANG Y ,STASKO J.Lightweight task/application performance using single versus multiple monitors:a comparative study[C]∥ACM.Proceedings of Graphics Interface:2009.New York:ACM:2008:17-24.

[9] OWENS.Examination of dual vs. single monitor use during common office tasks[C]∥ACM.Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society 56th Annual Meeting:New York:ACM:2012:1506-1510.

[10] WANG Xianqing,ZHENG Youcai,QIU Ping.Comparative studies between single and multiple monitors[C].Proceedings of the Third Human-Mahcine-Environment Conference,[S.l.]:[s.n.]1997:137-140.

[11] 海军机载显控台通用要求.GJB6674-2009[S].北京：总装备部军标出版发行部,2009.

[12] WICKENS C D,HOLLANDS J,BANBURY S.Engineering psychology and human performance[M].New York：Taylor&-Francis,2000.

[13] ZHUANG Damin,WANG Rui.Research of target identification based on cognitive characteristic[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2003,29(11):1051-1054.

[14] HART S G,STAVELAND L E.Development of NASA -TLX (Task Load Index):results of empirical and theoretical research[J].Human Mental Workload,1988,52:139-183.

[15] CAO Weizhen,CHE Xiaoqiong,QI Lu,et al.The eye movement experiment of the layout of the main subject in the picture and its inspiration in the network bideo resources’ construction[J].Journal of Distance Education,2013,5:97-106.

[16] ZHUANG Damin.Text and position coding of human machine display interface[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2011,37(2):185-188.

[17] ZENG Qingxin,ZHUANG Damin.Target detection under multi-task environment[J].Human Ergonomics,2007,13(1):31-33.

(编辑：刘笑达)

The Effect of Monitor Layout on Control Station Users’ Situation Awareness

YANG Yi

(ChinaAcademyofElectronicandInformationTechnology,Beijing100043,China)

Control stations are terminals of modern electronic and information systems. Managing monitor layout on a control station is a key problem. This paper presents experimental studies of four monitor layouts. We compared the effect of monitor layout on users’ situation awareness,and found that embedding a sub-window in the main display is the best way to maintain higher situation awareness of users and to obtain lower subjective workload as compared with placing sub-monitors under the main display. We offer guidelines on how to manage monitor layout on a control station at the end of this paper.

monitor layout;situation awareness;control station

1007-9432(2016)03-0399-06

2015-10-12

杨毅(1985-)，男，北京人，博士，工程师，主要研究领域为人机交互技术与人因工程，(E-mail)easyyy2004@163.com

TP399

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.023