晃动环境下信息元素设计对视觉搜索的影响

陶 达，蔡 剑，张 旭，刘 双，曲行达

1)深圳大学人因工程研究所，广东深圳 518060； 2)中国船舶工业综合技术经济研究院船舰人因工程实验室，北京 100081

随着船舰信息系统的发展，越来越多有关视觉搜索的人机交互任务需要在晃动环境下进行．人在晃动环境的状态有别于其在一般静态下的情况．人体在晃动环境下需努力保持身体平衡，心理因素对平衡能力造成影响[1]，生理反馈机制也与一般静态下不同[2]．长期在晃动环境工作与腰酸背疼密切相关[3-4]．更重要的是，晃动环境下的人机交互方式和绩效与一般静态下不同[5-6]．GOODE等[6]指出，程度较大的晃动会降低操作人员对触摸屏设备的信息输入绩效，并增加其心智负荷．可见，环境会影响信息系统输入设备的使用绩效[5, 7-9]．LIN等[8]比较了3种常用输入设备在3种晃动状态下的点击操作绩效，发现在静态研究下，触摸屏的输入绩效最好，而晃动环境下，鼠标是最好的输入设备．YAU等[10]在静止、升沉、横摇、俯仰和随机运动5种环境下研究轨迹球和触摸屏的使用绩效，发现输入设备和运动环境对运动速度和精度都有显著影响．KUJALA等[7]也证明晃动环境下触摸屏界面的菜单结构方式和触摸操作方式也对视觉搜索任务有不同的影响．

视觉搜索是指在一定范围内，将目标特征与所有项目特征进行匹配，以找到目标种类或位置的活动．日常视觉搜索行为是在充满其他分散注意力的物品的视觉世界中找到一件物品[11]，如在雷达界面上侦测目标物[12]．元素大小和密度是影响视觉搜索的重要因素[13-15]．TAN等[16]发现在晃动环境中，随着汉字字号的增大，视觉搜索绩效会提高．张梦醒[17]发现目标元素越小，用户找到目标需要的时间越长，准确率越低．丁月华等[18]探讨了方块大小对不同明暗弱对比的颜色突显及视觉搜索绩效的影响，发现在中灰背景中，搜索目标方块和背景方块等大的前提下，方块大小并不会对视觉搜索产生影响．宫殿坤等[19]研究字体特征与搜索方式对视觉搜索的影响，发现在字体相同的情况下，用户对22磅字的反应时间显著少于15磅字．李静等[20]发现网页字符显示密度对人视觉识别效率有显著影响．李诗慧[21]也发现网页的空间密度和信息密度会影响客观视觉搜索绩效．吕绍爱[22]发现画面大小(由干扰元素数目定义)对任务完成时间有显著影响．KRAUSE等[23]要求实验参与者从较小(或较大)的干扰物中检测出一个较大(或较小)的目标．结果表明从小目标干扰物中检测大目标的速度要快得多．可见，元素特征对视觉搜索的影响还是很大的．

然而，模拟晃动环境的场景和运动条件[24-25]的难度限制了有关晃动环境下的视觉搜索研究．本研究基于六自由度晃动平台模拟船舶的晃动，探索晃动环境下元素密度和大小对视觉搜索的影响，为船舶信息界面的人机交互提供可行的设计方案．

1 研究方法

1.1 受测者

实验有效数据来自24名具有正常(或矫正)视力，无认知障碍的在校大学生，平均年龄为21.2岁，标准方差为2.4，男女各12名．

1.2 实验设计及变量

实验采用组内设计方式，组内因子即晃动状态、元素密度和元素大小．视觉搜索绩效通过任务完成时间和正确率两个指标来测量．用户对界面设计方案的主观偏好通过问卷收集．

晃动状态根据中国船舶工业总公司《CB1146.8—96船舰设备环境实验与工程导则：倾斜和摇摆》规定的设定[26]，分为静止、轻微晃动和中度晃动3种情况，具体参数如表1．考虑到安全原因，在满足上述导则的情况下，本研究采用的晃动都比较温和，纵摇和横摇幅度分别为5°和6°，中度晃动的纵摇和横摇幅度均为轻微晃动的2倍，分别为10°和12°．两种晃动的周期一致，纵摇和横摇周期分别为4 s和8 s．轻微晃动约为海况等级2级，中度晃动约为海况等级4级[27]．

表1 晃动参数Table 1 Vibration parameters

界面通过模拟船舶雷达搜索直径12海里(即113平方海里)的圆形区域，呈现的所有元素(包括指定目标元素和干扰元素)数目来表示元素密度．综合考虑实际船舰雷达筛选图的情况并结合专家意见，将在此区域内的元素密度分别定为低(8个)、中(28个)、高(48个)．元素大小根据文献[28]采用1/3、1/2和2/3 rad 3种设计．在实验视距为600 mm的情况下，计算所得元素大小分别为3.49 mm(小)、5.24 mm(中)和6.98 mm(大)．

1.3 实验材料和流程

图1 任务界面示例(双目标搜索任务)Fig.1 (Color online) A task interface example (double-target search tasks)

实验采用Matlab编程，通过戴尔灵越一体机(23 in(1 in=25.4 mm)屏幕，分辨率1 600×900像素)来呈现．实验双目标界面如图1，信息界面元素类型如表2．实验界面模拟船舶雷达圆形搜索区域．正式实验前，受测者坐上晃动平台将座椅自动调整好，系上安全带，在静止状态下完成5 min的练习任务．之后根据实验设计中常用的平衡对抗顺序，选定某种晃动状态进行正式实验．实验任务包括单目标和双目标两类搜索任务．单目标任务中一个搜索界面只有一个待搜索目标，而双目标任务中一个搜索界面有2个待搜索目标，受测者需连续进行2次目标搜索方能完成任务．每类搜索任务均是在元素大小和密度的9种随机组合下重复搜索3次．因此在每种晃动状态下，共计54次搜索任务，需时约10 min，不同晃动状态间休息3 min．受测者完成全部搜索任务后接受偏好问卷调查．实验时长约50 min．

表2 信息界面元素类型Table 2 Information interface element types

1.4 数据分析

重复测量的方差分析用来分析元素特征因素和晃动状态对绩效指标的影响，球形检验用来判断数据是否符合球形假设．若数据违反球形假设，则使用经Greenhouse-Geisser校正的自由度、方差分析的F值和P值．卡方检验用来分析用户对不同元素偏好的差异性．显著性水平设置为0.05，数据用SPSS 22软件分析．

2 结果及分析

表3和表4分别为自变量在单、双目标搜索任务的完成时间和正确率．

2.1 晃动状态对搜索绩效的影响

晃动状态分别对单目标任务完成时间(F(1.532, 35.242)=0.445,P=0.592)和双目标任务完成时间(F(2, 46)=0.070,P=0.932)， 单目标(F(2, 46)=0.456,P=0.637)和双目标(F(2, 46)=0.363,P=0.698)正确率均无影响．在单、双目标任务中，任务完成时间分别在轻微晃动下、静止状态下最短，正确率分别在静止状态下、轻微晃动下最高．

2.2 元素密度对搜索绩效的影响

元素密度对单目标任务完成时间(F(1.147, 26.376)=106.045,P<0.001)和双目标任务完成时间(F(1.273, 29.287)=249.570,P<0.001)均有显著性影响．两种任务均是高元素密度任务完成时间最长，低元素密度的任务完成时间最短．元素密度对单目标任务(F(2, 46)=0.714,P=0.495)和双目标任务(F(2, 46)=2.763,P=0.074)正确率均无影响．

2.3 元素大小对搜索绩效的影响

元素大小对单目标完成时间(F(1.240, 28.513)=42.154,P<0.001)和双目标完成时间(F(2, 46)=30.653,P<0.001)均有显著性影响．

表4 不同晃动状态下元素设计方式的双目标搜索任务绩效Table 4 Double-target search task performance of element design in varied vibration states

两种任务中均是小目标任务完成时间最长．单、双目标任务中分别是中、大目标物的任务完成时间最短．元素大小对单目标(F(2, 46)=0.901,P=0.413)和双目标正确率(F(2, 46)=0.071,P=0.931)均无影响．

2.4 元素密度与大小对搜索绩效的交互作用

图2为元素密度和元素大小在单任务和双目标任务中的交互绩效.元素密度和大小对单目标任务完成时间(F(1.904, 43.786)=7.094,P=0.002)有显著的交互作用，但对单目标任务的正确率(F(2.967, 68.238)=0.040,P=0.989)双目标任务时间(F(2.858, 65.745)=1.083,P=0.360)和正确率(F(4, 92)=0.269,P=0.897)均无交互作用．数据显示，在单目标任务中、低密度和中尺寸组合的任务完成时间显著低于其他组合．

2.5 用户偏好

图2 元素大小与密度在单、双目标任务中的交互作用Fig.2 The interaction between element size and element density in single-target and double-target tasks

表5 用户对信息元素设计的偏好情况Table 5 User preferences for information element design %

3 讨 论

本研究通过模拟一般大型舰船上人机界面操作情景，探究了晃动状态下元素密度和大小对视觉搜索绩效的影响．实验结果表明，晃动状态对单、双目标视觉搜索绩效均无影响，确认了两种不同任务在不同晃动状态下的一致性．该结论说明个体能在我们实验中的晃动环境下取得和静止状态下一致的视觉搜索绩效．这表明在静止状态下有关视觉搜索中元素界面设计方案仍可谨慎地应用在接近以及低于本实验的晃动环境中．但是该结果与GOODE等[6]的研究结果，即晃动虽然对信息提取等认知任务(如阅读坐标等)无影响，但会影响触摸屏信息输入操作绩效，不一致．分析原因，可能从受测者的角度来说，本实验所用的输入设备鼠标为日常频繁使用的工具，较触摸操作难度低．从晃动对人的角度来说，本实验的3种晃动状态差别明显但并不剧烈，其中两种晃动仍在ISO推荐的“稍微不舒服”范围内[29]．受测者似乎仍可利用自身的认知和运动控制能力来应对晃动产生的潜在影响，在晃动环境下维持正常的上肢以及手指运动能力．

元素密度和元素大小对单、双目标的任务完成时间有显著影响，但对搜索正确率无影响．元素密度太低，虽然会显著缩短视觉搜索时间，但也会使搜索界面的信息量太小．元素密度太高，又会增加视觉搜索时间．由于用户比较喜欢低密度，因此综合来看，中密度的元素设计(如约18个元素，即中、低密度的中间值)是比较适合的．另外，元素太小会显著增加视觉搜索时间，影响实用性；元素太大又会使搜索界面的信息量太少，且会影响界面的整体美观．因此，本实验推荐晃动情境下视觉搜索元素大小为5.24 mm．

元素密度和信息物大小存在交互作用．首先，6.98 mm的大元素和8个的低元素密度的组合能产生最优的视觉搜索绩效，其次是5.24 mm的中元素和8个低元素密度的组合．但以上两种组合的搜索绩效差别不大，这在一定程度上说明元素大小达到5.24 mm后搜索绩效趋于稳定．

从用户偏好的角度看，用户偏好于中低密度和中大尺寸的元素设计，即用户总体上偏好于能产生较优绩效的信息物设计方案．这与前人在其他界面设计的研究以及我们前期的研究结论一致[30]，即用户主客观指标结论具有一致性．在任务搜索效率要求不高的情况下，考虑用户偏好，也是一种重要的人机界面设计思路．

结 语

本研究通过探究晃动状态和两种元素设计因素(密度和大小)为晃动状态下界面设计提供了新的见解．未来的研究应通过综合考虑多种目标设计因素以及主观感知来深入探究优化的人机界面设计方案．但是，研究亦存在一些局限．首先，只考虑了元素大小和元素密度两种因素，未涉及其他一些也可能对搜索绩效产生重要影响的因素，如目标元素与背景颜色等．其次，晃动条件是模拟一种规律性的舰船晃动，所以研究结果是否适应随机晃动的情况需要进一步实验验证．此外，研究并未测量视觉搜索后受测者的主观感知指标(如身体不舒适程度、视觉疲劳和感知任务难度等)，而这些指标对人员在晃动环境下的操作活动也十分重要，是舰船人机交互设计中值得考虑的因素．若在相同晃动条件下，晃动对主观指标都无影响，则证明晃动程度还不够．下一步可结合这些指标对实验设计方案进行综合评价，在解决本研究局限的基础上对舰船晃动状态下视觉搜索界面设计方案进行深入研究．