面向VDT显示界面的视觉舒适度客观描述方法

姜颖，洪军，王崴，瞿珏



面向VDT显示界面的视觉舒适度客观描述方法

姜颖1，洪军1，王崴2，瞿珏2

(1. 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西西安，710054；2. 空军工程大学防空反导学院，陕西西安，710051)

通过主、客观实验相结合的方法对面向视觉显示终端(VDT)的信息显示界面视觉舒适度的客观描述模型进行研究。以不同色彩组合的仪表界面为测试对象，采集被试者的脑电信号，得到P100和P300幅值、潜伏期以及各频段下的脑波能量，并对表盘界面进行舒适度主观评分。利用多项式拟合回归，建立视觉舒适度(VC)与P4和波能量P之间的数学模型。研究结果表明：通过相关性分析，得到视觉舒适度分别与顶叶P4处的P300幅值P4(相关系数为0.644，显著性＜0.05)、波能量P(相关系数为0.850，＜0.005)及比值(α+θ)/β(相关系数为−0.872，＜0.005)均显著相关。模型显示视觉舒适度与P4呈正向线性关系，与P呈二次抛物线关系，二者的交互作用与视觉舒适度呈负相关关系。利用该数学模型对视觉舒适度进行客观描述是可行的，同时该模型可用于对VDT视觉显示界面视觉舒适度的评价。

视觉显示终端(VDT)；显示界面；视觉舒适度；客观描述；模型；脑电信号

基于视觉显示终端(visual display terminals, VDT)的视觉显示界面已被广泛应用于各种工程设备中，与传统的物理式信息界面相比，VDT界面可以实现对多个显示界面的整合，增加了人机互动。然而，不当的VDT视觉界面色彩搭配会导致视觉系统负荷过大，如在同一界面中同时使用位于可见光谱两端的颜色会造成人眼晶状体处于频繁的调节状态中，从而导致眼部肌肉疲劳并引发视觉不适；而视觉舒适度是衡量视觉不适的1个重要指标。视觉舒适度是人眼对刺激感受的舒适程度，它是1个心理感受量。通常视觉舒适度通过主观评价[1−2]方法获得，但是由于主观评价往往会受到人的心理及精神因素的影响，造成评价结果不能反映真实的视觉舒适度状态。因此，对视觉舒适度进行客观的测量是有必要的，目前的客观测量方法主要为生理指标测量。早期的生理测量指标主要是人眼生理指标，包括眼表面积[3]、瞳孔尺寸[4−5]、晶状体调节能力[4]等。视觉舒适度越高，眼表面积越小[3]；眼睛越放松，瞳孔尺寸越小[5]。但长时间的VDT操作会降低视觉舒适度，进而引发视觉疲劳，发生视觉疲劳后，人眼瞳孔反射和晶状体调节能力减弱，眼球调节和瞳孔尺寸减小。人在接收视觉刺激的过程中，由视网膜接收到的视觉刺激经视觉回路传导至枕叶皮层，引起神经信号电位变化，从而引起人体相应器官的反应。这说明以上客观指标的变化都是视觉感受器接收到视觉刺激后，人体大脑的神经信号发生变化所引起的。人体大脑的神经信号不仅会因外界的刺激而发生变化，而且会受到人体自身因素(如情绪、精神状态)的影响，因此，直接利用人眼结构的生理指标变化对视觉舒适度进行描述存在一定的局限性。脑电信号(electroencephalogram, EEG) 是大脑在活动时，脑皮质细胞群之间所形成的电位差，从而在大脑皮质的细胞外产生电流。它记录了大脑活动时的电波变化，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映[6]。目前EEG已经作为人的认知进程的直接分析工具，广泛用于分析不同认知状态下的大脑活动情况，尤其是对不易定量化的心理感受指标的评估上[7−10]。然而，上述研究的主要结果大多是停留在对心理感受指标的定性分析层面上。本文作者以航空速度表界面为测试对象，采集被试在观察不同仪表界面时的脑电信号，通过分析EEG指标和视觉舒适度之间的相关关系，建立基于EEG的仪表显示界面视觉舒适度数学模型，实现对仪表显示界面视觉舒适度的客观描述，该模型也可以用于显示界面的设计与评价。

1 EEG测试指标分析

在舒适度的研究中，疲劳是影响舒适度心理因素中最重要的因子[11]，脑电能量参数(+)/，/和/常被用来评估疲劳[12]。波(0.5~4 Hz)，波(4~8 Hz)；波(8~14 Hz)和波(14~30 Hz)是EEG信号中与精神和心理因素密切相关的4个典型节律[13]。在一般情况下，波和波的出现表明人体处于困倦和嗜睡状态，即大脑皮层的活动受到了抑制；而波是在人体清醒、安静、闭目时出现，当人睁眼、思考问题或受刺激时则会减少；波活动是与认知进程、决策、问题解决及信息处理联系紧密的[14]，当人处在警觉状态和任务状态下，波活动则会出现增多。人的脑皮层活动状态取决于存在于人脑中的活动与抑制2个神经组织系统的均衡情况，它们的机能分别为增加和降低脑皮层的激活程度。当活动系统处于优势地位时，人的机体处于兴奋状态中，表现为高频脑电波能量升高，外部生理表现为对周围事物和工作感到新鲜、兴趣浓厚和非常清醒；当抑制系统处于优势地位时，则表现为低频脑电波能量升高，生理表现为机体对刺激的应答能力减弱。脑电能量参数则反映了机体神经组织的这种均衡关系。

事件相关电位(event related potential, ERP)是通过记录头皮电压振幅或成分来反映与信息加工和有关的神经活动的时间序列，P100和P300是ERP中的主要成分。P100成分波出现在刺激出现后50~150 ms之间，P100潜伏期反映了刺激从视觉感受器官传递到视皮层所用的时间[15]。P300成分波出现在刺激出现后的300 ms之后，其幅值与所投入的心理资源量成正相关, 而刺激辨别的难易程度直接影响着潜伏期，使其随难度增加而变长[16]。因此，ERP可以客观反映刺激的显示属性，同时也能反映出操作者对刺激的应答状态。

2 基于EEG的视觉舒适度客观描述模型建立

2.1 实验设计

影响视觉舒适度的主要因素有光照水平[5]、屏幕显示的亮度对比[17]及色彩组合等因素。相对于环境照明、亮度水平和刺激类型，不同目标色和背景色的组合对视觉舒适度的影响更为显著[18]。因此，本文将以不同色彩组合的仪表显示界面为测试对象。采用背景色、指针色、安全区刻度色3个仪表设计因素建立虚拟实验表盘。依据航空仪表中的常用色彩[2]，建立如表1所示的仪表设计因素水平表。此外，表盘数字均使用白色Arial字体，警戒区和危险区刻度的颜色分别为黄色 (RGB(255,255,0)) 和红色(RGB (255,0,0))。根据正交实验设计方法，选用L9(34)正交表设计实验，得到如图1所示的9个实验表盘。把每个表盘界面做成一个刺激图片，图片长×宽为8 cm×8 cm，作为本文的测试材料，同时采集被试者在观察每个刺激时的脑电信号。

表1 仪表界面设计因素

(a) Dial 1；(b) Dial 2；(c) Dial 3；(d) Dial 4；(e) Dial 5；(f) Dial 6；(g) Dial 7；(h) Dial 8；(i) Dial 9

2.2 实验过程

实验是在室内正常照明、安静、舒适的环境下进行，室温(25 ℃)，光照强度为450 lux。被试者为25名年龄在20~28岁之间的志愿者(男20名，女5名)，且均身体健康，右利手，无脑部疾病史和心理疾病，视力或矫正视力正常，色觉正常。实验前被试者要保证睡眠充足，避免酒、茶和咖啡等任何中枢兴奋或抑制性的食物和药物，避免剧烈运动，并完全了解整个测试程序和要求。所有被试者均自愿参加且合作态度良好。

实验分为客观测试和主观评分2部分。在客观测试中，采用心理学实验范式Oddball范式，并利用E-Prime®呈现刺激。将上述9个表盘图片依据背景颜色的不同被分为3组，每组中的每个图片依次作为目标刺激(TS)，剩下的2个表盘作为非目标刺激(NTS)进行测试。每个图片单独作为一个刺激呈现在23″液晶显示屏中央，图片呈现背景为黑色，显示器的分辨率为1 440×900，显示屏亮度为72 cd/m2。目标刺激的出现概率为20%，每个目标刺激的出现次数为40次；刺激呈现时间为150 ms，两刺激之间的时间间隔为800 ms，刺激为随机呈现。被试者双目距显示器的水平距离为60 cm，被试者通过鼠标仅对目标刺激进行反馈操作。实验过程中，使用Neuroscan®40通道脑机接口设备采集全程被试者在观察表盘时的脑电信号，采样频率为1 kHz，采用国际上常用的10~20导联方法联接电极，采用的电极位为Fz，FCz，T3，C3，Cz，C4，T4，CPz，P3，Pz，P4，O1，Oz和O2，各导联阻抗均小于5 kΩ。

客观测试结束后，将上述9个刺激图片单独并随机地呈现在显示屏中央，每个图片显示15 s，显示的时间间隔为10 s，被试者需在每个图片消失前按相应键进行主观舒适度评分，分值设定为5个等级：1表示不舒适，2表示较不舒适，3表示一般，4表示较舒适，5表示舒适。

2.3 结果

2.3.1 视觉舒适度与ERP的相关性

利用scan®4.5对脑电数据进行预处理，选取刺激前100 ms至刺激发生时(−100~0 ms)的脑电信号作为基线，用于校正刺激后脑电信号，选取刺激发生时至刺激后700 ms时间段(0~700 ms)进行分析，得到每个表盘作为目标刺激时的P100和P300幅值与潜伏期。

主观评价结果如图2所示。由图2可以看出：灰色背景下的主观舒适评价值显著低于其他2种背景下的分值。

针对各因素及其组合的交互作用对主观舒适度的主效应进行方差分析，结果如表2所示。不同背景色及不同的色彩组合对主观舒适度的主效应影响显著，显著性均小于0.05，不同指针色和刻度色对主观舒适度的主效应影响不显著。

图2 主观舒适度评价结果

表2 主观舒适度方差分析结果

注：*号表示显著性＜0.05。

对主观舒适度与P100和P300幅值和潜伏期之间的相关性进行相关分析，结果显示，主观舒适度仅与P4处的P300幅值P4的相关性显著，相关系数为0.644 (＜0.05)(见表3)，这表明视觉舒适度与P4处的P300幅值呈正相关关系。

2.3.2 视觉舒适度与脑电波能量的相关性

通过Scan® 4.5计算得到4个脑电频段(0.5~4 Hz)，(4~8 Hz)，(8~14 Hz)和(14~30 Hz)的脑电波能量。将主观舒适度分别与各频段的脑电波能量进行相关性分析，结果如表4所示。主观舒适度与波、波和波能量之间的相关性均不显著，与波能量P和脑电能量参数P/β，P/β和(α+θ)/β的相关性均高度显著，相关系数分别为0.850(＜0.005)，−0.750 (=0.005)，−0.887(＜0.005)和−0.872(＜0.005)，这表明视觉舒适度与P呈正相关关系，与P/β，P/β和(α+θ)/β呈负相关关系。

表3 视觉舒适度与P100和P300的幅值与潜伏期的相关系数及显著性

注：括号外数据表示相关系数；括号内数据表示显著性，下同。

表4 视觉舒适度与脑电波能量的相关系数及显著性

注：*号表示＜0.01；**号表示＜0.005。

综上所述，主观评价与客观生理指标测量结果一致，说明测试结果可信度较高，即P4处的P300幅值P4及波能量P和脑电能量参数P/β，P/β和(α+θ)/β均可定性描述视觉舒适度。

2.4 视觉舒适度客观描述模型建立

根据上述实验结果，视觉舒适度与P，P/β，P/β和(α+θ)/β的相关性均显著，而P/β，P/β和(α+θ)/β之间具有数值关系P/β+P/β=(α+θ)/β，因此，模型的自变量将不考虑P/β和P/β。由于P和(α+θ)/β具有相关性，故P和(α+θ)/β将分别作为自变量建立方程。

令Pa=P/10，a=P4/10，分别将P4和P调整到与主观舒适度相一致的范围。将a，Pa和(α+θ)/β作为自变量1，2和3，将视觉舒适度作为因变量，同时考虑因素间的交互作用，分别建立与1和2以及与1和3之间的回归方程。

两因素交互作用的回归模型为

式中：和表示因素。

利用SPSS®，采用向后剔除(Backward)分析方法进行回归分析，分别得到与1和2以及与1和3之间的回归方程：

(3)

分别对方程(2)和(3)及其回归系数进行显著性检验(见表5)。

表5 回归方程及其回归系数的显著性

回归方程(2)和(3)在零水平上均高度显著(＜0.001)，且方程(2)的回归系数显著性均达到了＜0.05的显著水平；而方程(3)的交互作用项的系数显著性为=0.075，未达到＜0.05的显著水平，且拟合度0.799低于方程(2)的拟合度0.856，故选择方程(2)作为视觉舒适度(VC)客观描述模型，即

3 讨论

3.1 视觉舒适度与脑电波能量的关系

本文的研究结果显示视觉舒适度仅与波能量相关，与，和的能量均不相关，该结果与文献[8]中的研究结果一致，但与文献[10]中的研究结果不一致，这主要是由于本文的测试任务本身具有紧迫感。由于刺激展示时间较短，造成被试者的紧张感，从而导致波活动减弱，波活动增加，引起波能量增加。这也表明此时大脑处于兴奋状态，即机体处于活动系统占优势的状态，大脑的主动应答能力处于增强的状态，其生理表现为大脑清醒，对刺激物感到新鲜、兴趣浓厚，这与机体主观感受舒适的生理表现相吻合。同时说明视觉舒适状态下，机体的主动应答能力较高；相反，在视觉舒适度较低显示界面下，人的主动应答能力将被削弱。

3.2 视觉舒适度的影响机理

根据上述模型，视觉舒适度与顶叶的P300幅值呈正向线性关系，与波能量呈二次正向抛物线关系。这是由于顶叶皮层是负责注意力分配的脑皮层，顶叶P300幅值的增加表明大脑分配给刺激的注意力资源增加[19]，而舒适程度高的VDT视觉界面会较舒适程度低的界面更吸引操作者的注意力。这也说明注意力是受界面的舒适度影响的，VDT视觉界面的舒适度越高，大脑分配给它的注意力资源也就越多。

上述模型的通用方程式为

方程(5)有解的条件为

()=()2−4(+)≥0 (6)

由于本文中视觉舒适度只能为正值，因此，需要根据()的值域范围对的值域范围进行讨论。针对本文内容，确定式(5)中各系数为：=2.14,=−8.57,=20.25,=−10.021,=Pa，=a，=VC，故

当=0时，方程(7)的解为a1=0.660，a2=1.997(见图3)。

图3 ()曲线

Fig. 3 Curve of ()

1) 当0.660＜a＜2.000时，＜0。此时＞0，且最小值的点在=−/(2)处，即Pa在1.18~3.56之间，视觉舒适度会出现最小值。

2) 当a为0.660或2.000时，=0。此时，曲线与轴有1个交点，交点为0=1.18或0=3.56。当＜0时，随增大而减小；当＞0时，随增大而增大，即，Pa的值域范围为Pa＜1.18或Pa＞3.56，并且当Pa＜1.18时，视觉舒适度随Pa增加而减小，Pa＞3.56时，视觉舒适度随Pa的增加而增大；而当1.18＜Pa＜3.56时，视觉舒适度的变化趋势受顶叶P300幅值的变化影响。

3) 当a＜0.660或a＞2.000时，＞0，此时，的解无法确定，即这种情况下无法确定视觉舒适度的变化趋势。

因此，该模型只针对顶叶P300幅值在6.6~20.0 μV范围内的情况，当波能量占比在11.8%~35.6%之间时视觉舒适度较低，而当占比小于11.75%时，视觉舒适度随P增加而减小，当大于35.55%时，视觉舒适度随P增加而增大。原因是波是一种低幅的快波,代表大脑皮层的去极化，在大脑皮层被激活，人体处于觉醒、兴奋状态以及波中断时在脑电图中出现，P是波在整个信号谱中的占比，它表示着大脑皮层的活跃程度。当人处于放松休息的状态中时，此时舒适程度较高，低频波活动占主要地位，机体的波活动很少；当人出现紧张和忧虑时，波活动都会增加，而随着波的增加，人的舒适程度会逐渐降低，而当人处于神经兴奋的状态时，波活动会出现大幅增加，而此时，舒适程度会随兴奋程度增加。然而，当波能量和顶叶P300幅值同时增大时，则会对视觉舒适度的提升产生抑制作用。

本文中，当色彩对比较弱时(如图1所示表盘4和5)，其信息的可辨性差，被大脑分配的注意资源较少，故顶叶P300波幅较低；并且较弱的色彩对比不能引起较大的视觉刺激，因此，引起的神经冲动也较小，但同时人在辨认目标中所耗费的时长增大，负向情绪将产生，因此，负向情绪会消耗一部分的心理负荷量，导致其他操作的注意资源减少，随着操作时间的增加，人脑疲劳感也会加速产生。当色彩对比过于强烈时(如图1所示表盘2，6和7)，更多的注意资源被吸引到该界面中，顶叶P300幅值增大，同时，机体的神经冲动也较大，人脑处于一种高度紧张的状态下，反应时间缩短，但随着操作时间的增加，操作者若长时间处于这种高度刺激强度的状态下，大脑的疲劳将加速形成。由于脑电能量参数(α+θ)/β通常可以作为评估和预测疲劳的标准，当该比值增大时，表明疲劳趋势增强，相反，当比值减小时，则表明疲劳趋势减弱。本文中，该参数和视觉舒适度呈负相关关系，说明主观舒适度评分低的表盘界面，其加速诱发大脑疲劳的趋势也较大，即由于表盘2，4，5，6和7的疲劳趋势较高，视觉舒适度得分较低。

综上所述，所得视觉舒适度客观描述模型可对VDT视觉显示界面的视觉舒适度进行客观定量测量与评价。

4 结论

1) P4处的P300幅值及脑电能量P/β，P/β和(α+θ)/β均可描述视觉舒适度。

2) 建立了以P4处的P300幅值和β波能量为自变量的视觉舒适度客观描述模型。

3) 视觉舒适度与P4处的P300幅值呈正向线性关系，与波能量呈二次抛物线关系，二者的交互作用与视觉舒适度呈负相关关系。

4) 视觉舒适度客观描述模型可以用于对VDT视觉界面舒适度的客观定量测量与评价研究。

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(编辑 杨幼平)

An objective description method of visual comfort for VDT display interface

JIANG Ying1, HONG Jun1, WANG Wei2, QU Jue2

(1. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710054, China;2. College of Air and Missile Defense, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

An objective description model was established by a combination of subjective and objective approaches. The test objects were the instrument interfaces with different color combinations. Through collecting electroencephalogram EEG signals of subjects, the amplitude and latency of P100 and P300 induced by different combinations were obtained, as well as EEG power under different bands. A subjective evaluation was carried out after the objective tests. Through the polynomial regression fitting, a mathematical model of visual comfort (VC) was established withP4andPas independent variables. The results show that through correlation analysis, the highly relevant relationships are found among the visual comfort and P300 amplitude at the parietal lobe (P4)P4(correlation coefficient of 0.644, significance＜0.05),band powerP(correlation coefficient of 0.850,＜0.005) and the rate of/(+)(α+θ)/β(correlation coefficient of −0.872,＜0.005). The relationship between VC andP4is positive linear and the relationship between VC andPis quadratic parabola, and a negative relation is found between VC and the interaction ofP4andP. It is feasible to use this model for the objective evaluation of visual comfort. Meanwhile, this model can be used to evaluate the visual comfort of VDT display interface.

visual display terminals (VDT); display interface; visual comfort; objective description; model; EEG signal

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.01.011

TH702

A

1672−7207(2017)01−0077−07

2016−01−17；

2016−03−24

航空科学基金资助项目(20131996014) (Project(20131996014) supported by the Aeronautical Science Foundation of China)

洪军，博士，教授，从事人机界面设计研究；E-mail: jhong@mail.xjtu.edu.cn