不同工作载荷下的警示性图标认知机理

金 涛 牛亚峰 周 蕾

(1中国石油大学(华东)机电工程学院, 青岛 266580)(2东南大学机械工程学院, 南京 211189)



不同工作载荷下的警示性图标认知机理

金 涛1牛亚峰2周 蕾2

(1中国石油大学(华东)机电工程学院, 青岛 266580)(2东南大学机械工程学院, 南京 211189)

采用工作载荷范式研究警示性图标在不同工作载荷下的认知机理,以及视觉突显性与图形语义信息对警示性图标认知的作用．首先进行了有语义图标实验,以检验具有语义信息的警示性图标在高低知觉负载下的注意捕获效应,结果表明,在高、低工作载荷下警示性图标都比普通图标具有加工优先性,但与任务无关的警示性图标在高、低工作载荷下的注意捕获能力没有显著差异,说明警示性图标能够自动获取注意系统的加工．为分离突显性视觉特征与语义信息2个因素对实验结果的影响,进行了无语义图标实验,将警示性图标转换为具有突显性但无语义信息的转置图标,发现警示性图标在高工作载荷下的注意捕获效应显著小于低工作载荷,即工作载荷能够显著调节其注意捕获能力,说明警示性图标在有语义图标实验中的注意捕获效应应归因于其本身携带的语义信息．本研究证实语义明确的警示性图标能够被注意系统自动捕获,图形语义信息在其中起到关键性作用,突显性的视觉特征也会增加警示性图标的注意捕获效应．

认知机理;警示性图标;图形语义;突显性;工作载荷

具有警惕性或威胁性信息的视觉刺激,通常比一般刺激更容易吸引人们的注意[1]．如遇到毒蛇图标、红色按钮和道路禁止路标,都会马上引起注意[2]．可见,警示性图标比一般图标会更容易获取人们的注意而获得优先加工[3],但这种现象的原因尚不明确．

Young[4]利用彩色几何图形和线条等视觉特征素材,发现突显性视觉特征会自下而上地自动引导注意．Theeuwes[5]提出的额外奇异刺激范式是自下向上注意捕获方式最有说服力的证据,发现颜色突显刺激从下而上地捕获了注意．研究表明[6-7],注意资源会被与任务无关的突显刺激无意识的吸引,突显视觉特征是图标刺激获得优先加工的重要因素之一,而有些研究[8-9]发现语义信息在图标认识中起着重要作用,在不同搜索任务中大脑会采用视觉表征、语义信息表征或两者同时使用等不同的策略．警示性图标之所以会被注意优先捕获还可能有以下原因:图形的语义信息与记忆内容的含义相近时,大脑选择与工作记忆最相关的目标刺激,从而激发自上向下的注意捕获[10-11]．验证此解释对提高警示性图标的认知绩效非常重要:若视觉特征会导致图标的优先捕获注意,则通过提高视觉特征的突显性可以增强警示性图标的注意捕获能力;若是图形含义可引起优先捕获注意,则应建立更易被用户接受的图形语义表达方式．本文将研究在不同知觉负载条件下,视觉特征与语义信息在警示性图标注意加工过程中的作用,并揭示其视觉认知加工机理．

目前对警示性图标的视觉认知机理研究尚不多见,但在相关领域已开展了大量研究[12-13]．这些研究所用实验材料难以有效分离图形的视觉特征和语义信息,无法研究2个因素在图标注意加工中的各自作用与机理．本研究采用经典的知觉负载范式,以正置图标(具有视觉特征和图形语义信息)和倒置图标(只有视觉特征)为实验材料[14],研究视觉特征因素和图形语义信息在高低知觉负载条件下对警示性图标注意捕获能力的影响,及警示性图标的认知加工机理．

1 有语义图标实验

1.1 被试

选择21名在校大学生和研究生,右利手,年龄在20～27岁,平均年龄为23岁(SD=311)．被试视力正常,无色盲色弱．被试均自愿参加实验,实验前不知道实验意图．

1.2 实验材料

搜索集画面是虚拟圆上均匀分布的6个灰色字母(见图1),被试距画面中心约600 mm,圆的直径视角为58°,字母视角为1.0°×1.2°．圆心有一个灰色“+”是注视点,视角为0.7°×0.7°．干扰刺激为警示性图标或普通图标,呈现于直径视角为8.7°的虚拟大圆上的6个可能位置,图标视角为5.6°×5.6°．警示性图标由外部粗方框(线宽0.8 mm)和内部图形组成,普通图标由外部细方框(线宽0.6 mm)和内部图形组成．选出20个常见易辨、含义明确、灰度一致的图标作为内部图标,经测试,2 s内的正确识别率为100%,倒置或旋转±90°后的可识别率为0．

图1 单个子试验的实验流程图

刺激画面呈现于亮度为95 cd/m2、分辨率为1 280×1 024 dpi的17 inch(566.67 mm)显示屏上．利用Matlab PsychToolBox编制实验程序．

1.3 实验过程

实验利用2(高/低载荷)×3(警示性图标/普通图标/无干扰)被试内设计．注意捕获效应量(AC)为干扰图片出现与不出现2种情况下的反应时之差．

实验流程如图1所示．测试背景为黑色,首先灰色注视点“+”在屏幕中央呈现1 500 ms．随后搜索集在显示屏上出现并保持800 ms,要求被试在搜索集中尽快搜索目标字母(X或N),如果是X按A键,如果是N按L键．被试单击后或3 000 ms后无反应,进入下一轮实验．在低载荷情况下,搜索集的6个字母由1个目标字母(X或N)、1个非目标字母(任意选自A,E,F,K,H,M)和4个字母O组成;在高载荷情况下,搜索集的6个字母由1个目标字母(X或N)和5个不同的非目标字母(任意选自A,E,F,K,H,M)组成．所有字母随机呈现于虚拟内圆的6个位置．

在16%的子试验中,干扰图标随机呈现于搜索集外围,持续200 ms．干扰图标分为警示性图标和普通图标,出现概率各为8%．为克服干扰图标对目标字母认知反应的影响,所有试验中目标字母与干扰图标至少间隔1个字母大小．在其他84%的子试验中,搜索集外围无干扰图标．正式实验分为6个组,每组有80个试验,高低工作载荷情况混合均等出现．正式实验之前,各位被试要进行40个子试验,外围不呈现干扰图标,以免被试对干扰图标产生预期．每组测试结束后休息1 min,整个实验过程耗时约30 min．

1.4 实验结果

利用传统知觉载荷数据排除方法剔除大于2 s和小于0.2 s的反应时数据,然后基于保留的正确数据,将平均反应时进行重复测量方差分析,结果如图2所示．由图可见:工作载荷主效应显著,F(1, 20)=156.85,p< 0.01,表明工作载荷对操作绩效有明显影响；干扰图标主效应显著,F(2,40)=18.91,p<0.01；二者之间交互效应不显著(p> 0.05)．对干扰图标主效应的事后多重比较结果表明:警示性图标(883 ms)的反应时显著高于普通图标(874 ms)和无干扰图标(797 ms)(p< 0.01)．证明无论知觉特征是否突显,图标都可捕获注意并获得加工．

图2 不同视觉突显程度的干扰图标在高低工作载荷下的平均反应时

注意捕获效应量为有干扰图标与无干扰图标的反应时差值．为深入比较警示性图标与普通图标的注意捕获量大小,对2类干扰图标在不同工作载荷下的注意捕获效应量进行重复测量方差分析,结果如图3所示.由图可见:工作载荷主效应未达到显著水平,F(1,20)=3.43,p>0.05,工作载荷高低对总注意捕获效应量的影响无显著差异;干扰图标主效应显著,F(1,20)=599,p<0.01；警示性图标的平均注意捕获效应量(87 ms)显著高于普通图标(39 ms),前者的注意捕获能力高于后者;工作载荷和干扰图标的交互作用不显著,F(1,20)=0.23,p>0.05,高低工作载荷下2种干扰图标的注意捕获能力没有显著变化．可见,警示性图标的注意捕获能力强于普通图标,但在高低载荷下2种干扰图标的注意捕获能力无显著变化．

图3 不同类型的干扰图标在高低工作载荷下的注意捕获效应量

对错误率进行重复测量方差分析,结果表明:工作载荷主效应显著,F(1,20)=32.94,p<0.01,高载荷条件下的错误率明显高于低载荷;干扰图标主效应不显著,F(2,40)=1.42,p>0.05;两者交互作用不显著(p>0.05),故不存在反应时与正确率的权衡．

有语义图标实验结果表明,警示性图标的总注意捕获量显著高于普通图标,证明视觉特征的突显性可影响图标的注意捕获能力;在搜索集外围出现的图标可获得注意的优先加工,且这种加工性不受知觉载荷的影响．图标的这种自动捕获注意的能力,可能存在2种解释:① 突显性视觉特征无意识引起人们自下而上的注意;② 图标语义与人脑记忆内容一致导致从上而下的注意．为深入解析这2种因素的影响,在无语义图标实验中,分离了同一图标的视觉特征与图形语义信息,进一步研究图标的视觉认知机理．

2 无语义图标实验

2.1 方法

将有语义图标实验中的干扰图标改为倒置图标(或旋转±90°),使图标失去语义信息,而不影响对图标的视觉特征加工[14]．实验采用2(高/低载荷)×3(警示性图标/普通图标/无干扰)被试内设计．其余皆同有语义图标实验．

2.2 实验结果

删除大于2 s和小于0.2 s数据，对反应正确的平均反应时进行重复测量方差分析,结果如图4所示．由图可见:工作载荷主效应显著,F(1,20)=167.33,p<0.01,失去语义显著增加了任务难度,降低了认知绩效;干扰图标的视觉特征主效应显著,F(2,40)=9.02,p<0.01;工作载荷与视觉特征的交互效应显著,F(2,40)=5.10,p<0.01．对干扰图标视觉特征的主效应进行事后多重比较表明:出现警示性图标(850 ms)和普通图标(840 ms)的反应时均显著高于无干扰图标的情况(823 ms)(p<0.01),其他无显著差异(p>0.05),证明具有2种知觉特征的干扰图标捕获了注意．工作载荷与干扰图标视觉特征的交互效应进行简单效应检验结果表明:低载荷条件下,警示性图标、普通图标和无干扰3种情况之间的两两差异全部显著(p<0.01);高载荷条件下,除警示性图标与普通图标条件之间无显著差异之外(t(20)=1.89,p>0.05),其他差异全部显著(t(20)=4.72,p<0.01;t(20)=3.18,p<0.01)．可见,警示性图标和普通图标都可捕获注意,在低载荷下前者比后者更易捕获注意,但在高载荷下两者的捕获注意能力相当．

图4 不同视觉特征的干扰图标在高低工作载荷下的平均反应时

对2类干扰图标在不同载荷下的注意捕获效应进行重复测量方差分析,结果如图5所示. 由图可见:工作载荷主效应不显著,F(1,20)=0.21,p>0.05,高低载荷下的注意捕获效应量没有明显差异;视觉特征的主效应不显著,F(1,20)=0.93,p>0.05,警示性图标与普通图标的总注意捕获效应量无显著差异;工作载荷与视觉特征的交互效应显著,F(1,20)=6.11,p<0.01．

图5 不同视觉特征的干扰图标在高低工作载荷下的注意捕获效应量

进一步简单效应检验结果表明:低载荷下,普通图标的注意捕获效应量(28 ms)显著低于警示性图标(79 ms),t(1,20)=2.57,p<0.01;高载荷下,普通图标与警示性图标的注意捕获效应量并无显著差异,前者较后者的注意捕获效应呈现出减小趋势,t(1,20)=0.29,p>0.05,证明在低载荷下警示性图标的注意捕获能力明显强于普通图标,而在高载荷下,2种图标的捕获注意能力趋于一致．此外,普通图标在高低载荷下的注意捕获量无显著差异,t(1,20)=1.31,p>0.05,普通图标作为一种突然出现的干扰图标刺激,在高低载荷下都能取得注意捕获而得到加工．但警示性图标在高低载荷下的注意捕获效应存在显著差异,t(1,20)=0.40,p<0.01,说明警示性图标的注意捕获能力受到工作载荷的影响．

对错误率进行重复测量方差分析显示:工作载荷主效应显著,F(1,20)=50.02,p<0.01,高载荷条件下的错误率高于低载荷;视觉特征主效应显著,F(2,40)=7.21,p<0.01;工作载荷与视觉特征的交互作用不显著,F(2,40)=1.67,p>0.05．对视觉特征主效应进行事后多重比较发现:警示性图标呈现时的错误率显著高于普通图标和无干扰图标呈现时的错误率,因此不需要进行反应时与正确率的权衡．

3 讨论

本研究通过有语义图标实验的研究发现,高低载荷下语义明确的图标均能捕获注意,而警示性图标比普通图标具有更强的注意捕获能力;视觉特征的突显性会增加图标的注意捕获能力;图标作为与任务无关的干扰刺激,能获取优先加工,并且不受工作载荷的影响．可见,图标能突破知觉和注意资源的限制,自动获取注意的优先选择．

无语义图标实验通过倒置图标保留了视觉特征而去掉了语义信息,成功分离了图标中的视觉特征与语义信息．据前人研究可知,倒置图形干扰对刺激的整体加工,但不影响对刺激的视觉特征加工[15]．通过无语义图标实验说明失去语义信息的倒置图标的注意捕获效应受到高低工作载荷的影响,在低载荷下警示性图标比普通图标具有更强的注意捕获能力,而在高载荷下前者与后者的注意捕获能力却趋于一致．可见,语义信息是影响图标获得自动注意加工的重要因素,而视觉特征作为低水平简单知觉属性并不具备这种调节能力．故有语义图标实验中不受工作载荷调节的注意捕获效应可归结为自身语义信息的作用,当图标语义信息与记忆内容相匹配时,图标激活了工作记忆中的语义表征,以自上而下的方式优先获取注意．可见,图标的语义信息越明确,越与记忆中熟悉的内容一致,越容易捕获注意．

4 结语

利用有语义图标实验检验了具有语义信息的警示性图标在高低知觉负载下的注意捕获效应,在无语义图标实验中,采用无语义信息的倒置图标作为干扰刺激,验证语义信息及视觉特征在警示性图标认知中的作用及影响机理．通过上述实验,得到警示性图标的3种认知机理:① 突显的视觉特征会导致自下而上的注意优先捕获．② 图标语义信息与人脑记忆内容一致时,会引起从上而下的注意捕获．③ 语义信息明确的图标之所以能突破认知资源的限制而自动化获得加工,更多是得益于图标本身的图形语义信息,而突显的视觉特征会增加图标的注意捕获效应．

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Cognitive mechanism of warning icons under different working loads

Jin Tao1Niu Yafeng2Zhou Lei2

(1College of Mechanical & Electrical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)(2School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)

The classic paradigm of perceptual load was used to study the cognitive mechanism of warning icons under different working loads and the effects of visual features and semantic information. Semantic icon experiment was conducted to examine the attentional capture effect of the warning icons with semantic information under high and low perceptual loads. It is found that warning icons have a processing priority to regular icons under both high and low working loads, but the abilities of warning icons irrelevant to task to capture the attention under both high and low working loads have no significant difference, showing that warning icons can obtain the automatic processing of the noticed system. For separating the effects of visual features and semantic information on the cognitive experimental results of warning icons, reverse warning icons with salient visual features but without semantic information were used in the non-semantic icons experiment, it is found that the attention capture effects of reverse warning icons under high working loads are lower than those under low working loads, that is, working loads can significantly adjust the attention capture ability of reverse warning icons, which suggests that the attentional capture effect of a warning icon in the semantic icons experiment should be attributed to its semantic information. Results show that warning icons with explicit semantics can be automatically captured by the attention system, where the semantic information of graphics plays a key role, and the salient visual features can also increase the attention capture effects of warning icons.

cognitive mechanism; warning icons; graphics semantics; salience; working load

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.016

2016-02-16. 作者简介: 金涛(1980—),男,博士,讲师,jzht126@163.com.

国家自然科学基金资助项目(51405514)、教育部人文社会科学研究青年基金资助项目(16YJCZH037)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(15CX02032A).

金涛,牛亚峰,周蕾.不同工作载荷下的警示性图标认知机理[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(6):1204-1208.

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.016.

TB472;B849

A

1001-0505(2016)06-1204-05