基于注意捕获的控制系统界面中的数据图符色彩编码

许盼盼，吴晓莉，晏 彪

(1.南京理工大学工业互联网研究院，江苏 南京 210094) (2.河海大学人因与信息系统交互实验室，江苏 常州 213022) (3.南京理工大学设计艺术与传媒学院，江苏 南京 210094)

随着智能控制系统应用日益广泛，视觉识别效率显得尤为重要。由于颜色对人的视觉识别效率的影响很大，因此需要开展智能控制系统中色彩编码对人的注意捕获机制的影响效果研究。针对色彩编码在智能控制系统中的应用研究，国内外多侧重于界面的可用性评价。Laar[1-2]在控制类型的显示设计中提出了关于颜色的视觉分层方法；Wu等[3]分析了色相、明度和饱和度在前景色和背景色搭配上的认知绩效；Ahlstrom等[4]采用层次化的明度编码对空中交通管制显示器界面进行了改良设计分析；Dennis[5]通过层次化颜色组合对信息进行重要性排序；Xue等[6]发现黑色背景上随着目标与背景间色差的增大，出现了反应渐慢的趋势；李晶等[7]通过对视觉感知分层和注意捕获程度的关联分析,提出利用两颜色之间的相互干扰反应时间之差来判断其注意捕获程度。

在颜色对注意捕获的影响方面，国内外学者针对不同因素对该机制的效率和作用进行了实验验证。Theeuwes[8-9]研究发现，在单任务条件下颜色干扰能捕获注意；白学军等[10]采用训练-测试范式考察了颜色和位置信息在价值驱动注意捕获中的作用；王慧媛等[11]采用线索化范式,在线索和靶子间建立语义关联, 考察语义关联对注意捕获的影响。

前述研究虽取得了丰硕的成果，但仍需要进一步研究色彩对各类指示图标、文字等信息元素的影响。本文从数据图符角度出发研究交互界面的色彩编码，对核电厂控制系统的数据图符色彩编码方式进行行为实验，寻求最佳的监控界面数据图符可视化呈现方式。

1 数据图符特征分析与设计

1.1 图符特征分析

提取核电系统中硼酸和水补给系统界面中的数据图符，依据功能区的监测对象不同——水、硼酸、水和硼酸混合液，将监控设备的测量数据分成3类：水数据信息、硼酸数据信息、水和硼酸混合溶液数据信息(表1)。提取起主要作用的两种元素——水、硼酸作为实验材料。

表1 原界面数据图符

1.2 图符色彩编码

数据信息图形化可以将复杂的信息简单化，使要表达的内容更加直观清晰[12]。李晶等[13]通过视觉搜索实验分析了不同形状特征对认知绩效的影响，结果表明圆弧轮廓的认知绩效最高，最容易捕获注意，即数据框下增加圆环状图表是最优的数值可视化呈现方式。圆环状的图表既可均匀表达数值大小及属性，也便于与数据框关联。

为了增加信息的可识别性和差别性，在原界面纯字符的基础上增加色彩图符——动态色环，用颜色刺激来提高用户的视觉认知效率。对显示水、硼酸数据信息区域的色环颜色在色彩的三原色——红、黄、蓝中选择，对显示水和硼酸混合液数据信息区域的色环颜色采用三原色中两者的混合色。

2 实验

2.1 实验目的

本文实验的目的是分析信息图符在不同色彩编码情况下对搜索效率的影响，分析数据图符色彩语义和字符色彩组合对注意捕获效应的影响，研究数据可视化的呈现方式。实验假设如下：1)当数据图符带有色彩刺激时，会产生注意捕获效应；2)当线索色环的色彩语义与数据图符的特征属性一致时，搜索效率最高。

2.2 实验设计

1)变量。

实验以字符组合方式(2组：白底黑字/黑底白字)、线索色环颜色(4组：红/黄/蓝/无)及线索有效性(2组：有效/无效)3个因素为自变量，通过行为指标进行数据分析。实验按照搜索任务分为“硼酸”和“水”两组。

2)实验材料。

线索画面上有以“+”为圆心的虚拟圆均匀分布的4个信息图符：色环存在时，图符都由1个数据框和1个圆环构成，其中1个圆环为满色的圆环，颜色为红(H：0，S：75，B：72)、黄(H：45，S：75，B：72)、蓝(H：195，S：75，B：72)中的一种，数据框内部数字为“10”，其余3个为灰色圆环，数据框内数字为“0”；搜索画面中的靶子信息为汉字“水”或“硼”中的一个，非靶信息有3个，分别为汉字“混”、“合”、“砂”，汉字前有一个数据框，4个数据框中分别为数字“1”“2”“3”“4”，数字与汉字随机组合。数据框字符有黑底白字和白底黑字两种形式。测试背景采用核电控制界面的主体背景色(H：240，S：0，B：87)。

3)实验流程。

实验流程如图1所示。每一个靶子进行64次搜索，共进行128次实验，搜索任务出现的顺序随机。

图1 实验流程

2.3 实验设备与被试对象

设备选用一台15.6英寸计算机显示屏呈现图片刺激，屏幕分辨率为1 366像素×768像素，实验程序采用E-prime编写。被试对象为河海大学在校研究生(男、女各11人)，均为工科背景，平均年龄23周岁，无色弱、色盲等，矫正视力在1.0以上。

2.4 实验结果

选取20组有效数据，删除反应时不到 700 ms或超过 3 000 ms的试次, 删除每个被试对象平均数上下 2 个标准差外的试次, 共删除了8.7%的数据。

对反应时间进行方差齐性检验发现，字符组合方式(p=0.416，p>0.05)、线索色环颜色(p=0.314，p>0.05)、线索有效性(p=0.682，p>0.05)的显著性p均大于0.05，即方差齐性假设成立，因此可以对数据进行下一步方差分析。

1)字符组合方式结果分析。

实验结果表明，字符组合为白底黑字的平均反应时间(1 452.87 ms)少于字符组合为黑底白字的平均反应时间(1 491.19 ms)，且在线索有效和无效两种情况下，字符组合为白底黑字的反应时间均少于字符组合为黑底白字的反应时间，如图2所示。进行反应时间的重复测量方差分析结果表明(表2)，数据字符组合的主效应不显著(F=1.572,p=0.212,p>0.05)。

表2 字符组合反应时间的主体间效应比较

图2 字符组合反应时

2)对靶子为“水”的实验结果分析。

对靶子为“水”一组的反应时间方差齐性检验发现，色环颜色(p=0.669，p>0.05)、线索有效性(p=0.301，p>0.05)的显著性p均大于0.05，即方差齐性假设成立，可对数据进行下一步方差分析。

对色环颜色、线索有效性两种变量进行重复测量方差分析表明(表3)，线索有效性主效应显著(F=9.692,p=0.003,p< 0.01)，线索有效时的反应时间(1 321.16 ms)明显少于线索无效时的反应时间(1 439.06 ms)，同时线索有效性与线索的颜色没有产生交互作用(F=0.182,p=0.670,p>0.05)。更为重要的是线索颜色的主效应显著(F=6.166,p< 0.05),如图3所示，当线索色环为蓝色时，反应时间明显少于线索色环为红色或者黄色的反应时间，且线索有效条件下的反应时间明显少于线索无效条件下的反应时间，即出现了注意捕获现象。当线索为其他颜色时，线索有效和无效两种条件下的反应时间仍有差异，但差异比线索色环为蓝色时小，即其他颜色的注意捕获量少。同时，线索色环在有色条件下的反应时间均少于线索色环无色条件下的反应时间。

图3 水实验组反应时间

表3 水实验组反应时间的主体间效应比较

3)靶子为“硼酸”的实验结果分析。

对靶子为“硼酸”一组的反应时间进行方差齐性检验发现，色环颜色(p=0.215，p>0.05)、线索有效性(p=0.338，p>0.05)的显著性p均大于0.05，即方差齐性假设成立，可对数据进行下一步方差分析。

对色环颜色、线索有效性两种变量进行重复测量方差分析表明(表4)，线索的有效性主效应显著(F=10.523,p<0.05)，线索有效时的反应时间(1 521.25 ms)明显少于线索无效时的反应时间(1 607.09 ms)，同时线索有效性与线索的颜色没有产生交互作用(F=0.375,p>0.05)。更为重要的是线索色环颜色的主效应显著(F=3.027,p<0.05),如图4所示，当靶子为“硼酸”、线索色环为红色时，反应时间明显少于线索色环为黄色和蓝色的反应时间，且线索有效条件下的反应时间明显少于线索无效条件下的反应时间，即出现了注意捕获现象。当线索色环为其他颜色时，线索有效或无效两种条件下的反应时间仍有差异，且差异与红色相比更大，但总反应时间过长，搜索效率不高。线索有色条件下的反应时间均少于线索无色条件下的反应时间。

图4 硼酸实验组反应时间

表4 硼酸实验组反应时间的主体间效应比较

对“水”“硼酸”两组反应时间进行重复测量方差分析表明，靶子身份的主效应显著(F=69.443,p<0.001)，数据表明靶子为“水”的反应时间(1 380.11 ms)明显少于靶子为“硼酸”的反应时间(1 564.67 ms)，但是靶子身份未与其他因素产生交互作用，这说明靶子身份的反应时间有差异，但不对每个靶子条件下的注意捕获现象产生影响。在两组反应时间数据中，线索有色条件下的反应时间均少于线索无色条件下的反应时间。

3 数据符优化设计

两组实验数据表明，带有蓝色圆环的水数据信息搜索效率最高，带有红色圆环的硼酸数据图符搜索效率最高。根据水的属性和一般人的认知，会自觉将水的属性和蓝色联系在一起；而根据硼酸的特征，会自觉将酸属性的溶液与红色联系在一起。实验结果与数据属性特征的色彩语义一致，根据该结果对数据图符进行优化。

在该核电厂控制系统的监控界面中，将显示水数据的数据符设计为蓝色(H：195，S：75，B：72)圆环动态图符和白底黑字的组合；将显示硼酸数据的数据符设计为红色(H：0，S：75，B：72)圆环动态图符和白底黑字的组合；显示水和硼酸混合液数据的数据符根据其信息特征，采用蓝色和红色的混合色——紫色(H：270，S：75，B：72)圆环动态图符和白底黑字的组合，如图5所示，优化后的监控界面如图6所示。

图5 优化设计的数据图符

图6 优化后的核电厂监控界面

4 结论

本文对数据图符信息特征和色彩编码设计进行实验研究，得到以下结论：

1)图符反应时间实验结果表明，在数据符的表达形式中，图符+字符组合形式下的搜索效率比纯字符形式下的搜索效率高；当靶子的属性特征与线索的色彩语义一致时线索会捕获注意，即反应时间最短，搜索效率最高；不同字符的颜色组合条件下的效应不显著，白底黑字和黑底白字这两种字符颜色组合的搜索效率无明显差异，对注意捕获能力不产生影响。

2)当刺激带有某种色彩语义时，在一定程度上具有吸引注意的能力；色彩的语义与目标的特征属性一致时，这种捕获注意的能力达到最大。

本文的研究结果为智能控制系统的数据可视化的表达方式提供了依据。