基于ERP的人机交互界面设计方法研究

沈擎阳　薛澄岐　牛亚峰

摘要：几年来，人机交互界面在操作逻辑和表现形式上都发生着日新月异的变化。学者和设计从业者开始寻求新的，更为客观理性的人机交互界面设计方法及评价方法，本文综合运用脑电科学，认知心理学等学科，建立基于ERP闯值的人机交互设计方法。为设计从业者及研究人员提供界面设计指导，也为界面设计提供科学可靠的理论依据支撑。

关键词：人机界面 界面设计要素 平衡度计算

中图分类号：TB47 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2018）03-0134-02

引言

人机界面正在经历着飞速的发展，人机交互数字界面经历了三次巨大的变革，无论是操作逻辑还是表现形式上都越来越易于学习和使用。从最初的指令式界面发展到后来的图像用户界面，而到了自然交互界面时代，用户在与计算机系统进行交互时无需学习成本，使用自然的肢体和语言就可以和系统进行流畅的交流实现功能的使用。

在现阶段，数字界面设计已经有了非常明确成熟的，包含三个设计阶段的设计开发流程。第一个设计阶段是需求分析阶段。用户界面设计是以用户为中心的设计使用客观有效的用户调研方法洞察和了解用户的需和求是非常重要的设计流程。第二个阶段是界面设计阶段。设计者要根据用户调研结果设计出满足其需求的功能，建立可以实现功能的逻辑架构和交互流程，并完成数字界面的表现层视觉设计。设计师首先需要在明确用户需求和产品目标的基础上制定和规范功能规格和内容需求。综合考虑色彩的搭配、字体的选择以及界面布局、图标和导航等元素的使用，来赋予用户界面最佳的视觉呈现和感知体验。第三阶段是界面可用性评价阶段，这一阶段是评估人机交互效率和界面表现方式及UI界面的用户满意度，来确保用户界面可以在可用性、可学性和有效性这三个指标上满足用户的使用需求，这三个方面也是数字界面可用性评价和测试过程中最重要的方面。

近年研究显示，事件相关电位的波幅、潜伏期被认为是十分有效的，可以用来评价界面可用性的生理指标。本文将数字界面视觉设计和神经科学进行融合研究，通过对现有数字界面解构和分类得到的视觉信息元素进行ERP脑电实验研究，分析处理实验得出的反应时、准确率以及脑电波波幅或潜伏期等数据，结合主观测评、行为测试和脑电测试可学定量地评价界面可用性，提出基于事件相关电位的数字界面设计方法。

一、人机交互界面视觉元素解构

人机交互界面内包含有大量的对用户能产生视觉感官刺激的视觉元素，使用户在进行人机交互时的脑电波产生影响，所以对界面中所有视觉元素开展分析和解构工作成为开展数字界面脑电实验前一个不可缺少的关键步骤。在对视觉元素解构完成之后就可对这些一个个单独的视觉元素开展它们相关的脑电实验。

如今，已可以通过很多种分类方法来对数字界面的视觉设计要素进行结构分类，以宏观的角度分类，数字界面视觉元素可以被解构为图形、色彩、质感以及交互。而界面视觉元素已微观的角度来解构则可被分为图标、文字、色彩、导航、布局、控件以及交互。图标作为计算机图形拥有明确的语义，以简洁的图标或抽象的符号来指代信息，在图标的设计过程中需要特别注意图标使用系统所在行页的专业性，以及语义重叠在系统中的运用。控件作为图形用户界面中构件的总和，包括窗口、菜单、列表、按钮、文本框、滚动条等。在控件的设计过程中要注意选择合理的导航方式，控制界面控件的视觉上的统一性来确保控件的有序性。布局是对数字界面上的视觉元素分布排列的设计过程，优秀的布局设计可以降低用户在交互过程中的认知负荷，提高用户满意度。交互作为人与数字界面之间的一种互动机制使用户在使用系统功能时高效且拥有良好的用户体验。在交互动作的设计过程中要体现三个特性，首先是隐喻性即交互要符合用户的心智模型，其次是高效性即交互动作必须能够高效地完成学习传递，第三个特性是趣味性即交互动作与交互反馈应在保证效率的前提下增加用户的愉悦感。

二、ERP脑电实验在人机交互界面设计中的运用

（一）脑电技术的相关概念

事件相关电位（ERP，event-related potential）是人脑的高级功能电位。ERP是从自发电位（EEG）中经过脑电波分析软件計算分析而获得的。事件相关电位是指与判断、注意、感知、决策及工作记忆内容等认知过程联相关联的脑电位变化。

近年来的研究表明，事件相关电位（ERPs）的波幅和潜伏期被认为是反映人认知负荷的非常重要的评价指标。潜伏期可以被分为峰潜期和峰间潜伏期。峰潜期指的是从刺激开始到波峰之间的时间间隔。峰间潜伏期则指的是一个波峰到另一个波峰的时间间隔。波幅是波顶到波底间的垂直高度，它表示的是脑电活动的程度，又称振幅或电压，一般以微伏为单位来表示。

在ERP研究工作中，脑电实验范式的选择是其中重要组成部分，Oddball范式和Go-Nogo实验范式是在对数字界面视觉元素做脑电实验分析时通常会使用到的两种实验范式。1.Oddball范式指的是在一项实验中对被试施加两种同一感觉通道上的刺激，一种刺激出现的频率很高概率很大，而另一种刺激频率很低，这种出现频率很低的偶发刺激被称为偏差刺激。2.Go-Nogo实验范式是一种以标准刺激与偏差刺激相同概率出现的实验范式。靶刺激（Go刺激）是指被试需要对它作反应的刺激；Nogo刺激在实验中被试作不需要对它做出任何反应。Go-Nogo范式在脑电实验中会有效产生N2，P3，MMN等脑电成分。

（二）ERP在人机交互领域的研究现状

目前，ERP脑电实验已成为在人机交互设计中分析用户使用界面时的认知符合以及评价界面可用性的一种有效方法，国内外学者用ERP实验结果作为参考来评价数字界面可用性优劣。Alexandra在绩效测量和主观测评的基础上还从生理测量的层面对无人驾驶汽车中控界面进行了可用性评估，由此来对用户行为的认知绩效方面的表现和特性进行全面考察。在ERP脑电研究领域，Ullsperger等人进行实验显示，P300随着任务需求量的变化而变化，随着记忆数字量的增多，P300的幅度变大。并且实验中错误率和主观任务难易值是呈正相关。Rasmussen等人通过实验发现，在认知任务中表现要比基于情感任务中表现低很多，这表明P300的波幅是随着任务类的差异型而发生变化。Wilson等人在做有关地形图分析的空间认知任务时发现，P300波的潜伏期会随着分析任务难度增加而缩短。Brunken则阐述了在多媒体学习中直接测量认知负荷的双任务法的概念基础和实际应用。这种以计算机为基础的实验方法提供了一种结合直接和客观的措施，弥补了其他间接和主观实验方法的缺点，使研究人员能够验证认知负荷理论的经验理论预测。

三、基于ERP脑电实验的交互界面设计方法探索

（一）基于ERP阈值的人机界面可用性评价模型

在交互界面设计流程之中，可用性评估阶段时在需求分析和界面设计之后的第三个阶段。用户对界面满意度测试以及用户的行为测试是界面设计中可用性评价两个重要组成部分。易用性、易学习性、用户满意度是数字界面满意度测试中最为有效的三个维度。使用主观评测法和灰色关联评价法对数字界面样本中的图标、控件、色彩进行可用性评价并分析其优劣度。由此可以获得一批已知可用性优劣程度的数字界面实验样本，为下面的ERP脑电实验结果提供参考。

对数字界面进行解构，将其视觉信息按元素分类，开展脑电实验获得用户在执行这些针对界面视觉元素的实验任务过程中产生的相关脑电指标。结合样本在用户主观评价、满意度测试和行为实验中测得的可用性，分析比对脑电指标和样本可用性之间联系的ERP波幅以及潜伏期的变化规律。这里引入ERP闽值的概念，脑电信号的阈值在这里是指当被试面对不同人机交互界面样本刺激所产生的脑电波的波幅差异达到一定程度就可以引起这一对样本的可用性优劣质变，这种刚好可以反应出数字界面可用性发生了优劣质变的脑电波潜伏期或波形幅度的最小差异百分比，就被称为ERP闽值。通过上述传统界面可用性评价方法与ERP脑电实验的对照便可以总结出人机交互界面各视觉元素能引起可用性优劣变化的ERP阈值。由此得到基于ERP阈值的数字界面可用性评价模型。

（二）基于ERP阈值的人机界面设计方法

通过将上述基于ERP阈值的数字界面可用性评价模型引入到现有的总结出基于ERP阈值的数字界面视觉设计方法。对比已有的数字界面设计方法，利用传统数字界面评价方法来分析评估这套基于ERP阈值的设计方法。主要内容包括：1.总结出基于ERP阈值的数字界面设计方法。2.用此设计方法设计一批数字界面样本。3.利用主观评测法对参与任务测试的用户进行问卷调查，通過主观评价数据来基于ERP阈值界面设计方法的合理性和可行性。

在这一基于ERP阈值的人机交互界面设计方法中，首先要对设计好的实验样本的视觉元素进行分析结构，将图标、导航栏、布局、色彩等界面信息元素单独抽离出来分别对其设计脑电实验任务获得用户在执行实验任务过程中的相关脑电指标。然后对照基于ERP阈值的数字界面可用性评价模型，对比实验数据是否超出相应视觉元素的ERP闽值便可得到该视觉元素的可用性优劣程度，以此来判断评价设计备选方案的优劣与否。（图1）给出了构建基于ERP阈值的数字界面设计方法的一种技术路线，仅供参考。

结语

本文利用设计科学与界面可用性等领域的知识，在总结现有界面设计方法及评价方法的基础上，归纳出基于ERP阈值的人机交互界面设计方法通过ERP技术对特征频率波的提取和分析，获得对应于可用性评估指标的频率波，并获取两者的相关关系。通过对ERP脑电曲线的分析，获得引起界面可用性优劣质变的ERP阈值，并提出基于ERP阈值的人机交互界面可用性评价模型，为今后通过脑生理进行人机交互界面设计提供参考。