不同认知负荷下图标类型对注意的影响

赵敏君,宫勇,张三元

(1.宁波大学 潘天寿建筑与艺术设计学院， 浙江 宁波 315211;2.浙江大学 计算机科学与技术学院， 杭州 310027)

1 引言

图标作为人机沟通的重要手段之一，具有超越语言障碍的特性，被广泛应用于人们生产生活的各个领域。图标能够帮助人们快速的识别和理解所要传递的信息，指导人的行为，避免发生不必要的危险。图标的类型多种多样，包括安全标志、交通标志、警示标志、提示标志等等，具有显著特征的图标易于引导人注意，能增加阅读、理解和回忆等的可能性[1]。

有研究表明，人趋向于对更吸引人注意的图标做出遵循和服从行为。可见，注意是图标信息处理的第一步，图标只有首先被注意到，才能吸引人进行下一步的加工、识别和理解[2-3]。因此，增加图标对人的注意力和吸引力，对于帮助人们高效抓取及认知图标信息并作出相应反应具有一定作用。

在图标的设计中，有很多因素都会对图标的识别、理解以及注意捕获产生影响，如颜色、形状、图像、警示词等。Young[4]以彩色几何图形和线条等作为视觉特征素材进行实验研究，发现注意能被突显性视觉特征自下而上地自动引导，并且此类突显性视觉特征能够增加警示图标的注意捕获效应[5]。牟兵兵等[6]也发现，视觉突显特征即便与任务无关，其作为图标获得优先加工的重要因素之一，也能无意识地吸引注意资源。宫勇等[7]研究表明，颜色数量会影响视觉搜索的效率，当图标颜色存在差异时，搜索效率明显更高，且搜索效率随着颜色数量的减少而增加。也有学者发现可以通过增加颜色对比产生的色差，使得目标项从干扰项中隔离出来，并以此提高搜索效率[8-9]。除此之外， Byrne[10]利用 ACT-R 模型模拟图标搜索任务,证明图标边框可以增加图标语义。并且，边框形状的不同会导致认知结果存在区别，在面积相等的情况下，图标的外框形状中存在越多的锐角则越容易识别，存在越多的钝角则越难以进行识别[11]。但是，过多的图标形状在凸显目标项的同时，也会增加界面的复杂度，加大人的认知负荷，降低搜索和识别图标的效率，所以需要通过控制图标形状的种类以达到有效凸显目标项的目的[12]。

对于图标，人们首先关注的是其物理性质，其次是它们的语义关联[13]。文字是呈现语义的方式之一，Wogalter 等人[14]发现信号词的使用可以增加警示标志的有效性。金涛[5]通过采用工作载荷范式进行的无语义图标实验证实，注意系统能自动捕获具有明确语义信息的警示性图标，其中图形语义信息是影响图标获得加工的关键因素。这是因为图片具有直观性，加工层次浅，使得其与句子理解相比更为简单[15]。图形作为传递和表达语义的另一种方式，其具体展现形式对图标的认知绩效也存在影响。在工业系统图标设计中，语义特征为类象符号的图标相比其象征符号的图标，识别性更强[16]。扫视动作主要是沿着图形的轮廓进行的[17]，在图标的搜索任务中，简单的图标比复杂图标的搜索效率更高；形象图标比抽象图标所需要的反应时更长，正确率也更低。但Young等人[18]有不同的研究结果，他们发现生动形象的绘画可以增加对图标信息的注意和理解，从而增强对图标信息的记忆效果，这可能是由于针对人群的不同而造成的。此外，根据执行语义可以把图标划分为名词图标和动词图标[19]，通过访谈发现，“名词”与“名词+名词”图标是对物体和状态的直接表示，辨识较为直接简单，而“动词”图标需要用户想象动作的流程和进行动作的步骤[20]。具有一定的抽象性，因此会带给用户更多的挑战。

人物形象作为图标常用的表达元素，被广泛应用于图标设计中。目前关于图标的研究中，大多集中在颜色、形状以及有无语义等方面，对于图标内不同语义产生的注意吸引程度的研究较少，因此，本研究将主要探讨人物形象作为图标的语义内容，是否会比非人物形象更容易吸引人们的注意。

2 对象与方法

2.1 被试

选择20名在校大学生和研究生参与本次实验，被试年龄在20-25岁之间，均为右利手，视力或矫正视力正常，无色盲或色弱，无任何心理或精神疾病。被试此前从未参加过类似实验，本次均为自愿参加，且实验前不知道实验意图。

2.2 实验材料

实验材料为一组风格相同的图标，共四十个，根据图标的图形语义分为两组，一组语义为人物形象图标，每一组采用正方形和三角形两种不同的边框形状；一组为非人物形象图标，每一组同样采用正方形和三角形两种不同的边框形状。所有图标均为150×150像素，统一为黑底白线，存储格式为PNG。实验材料如图1所示。

图1 图标示例

2.3 实验设计

本实验为2(高/低认知负荷)×2(三角形/正方形图标边框形状)×2(人物形象/非人物形象图标图形语义)被试内设计。以白色“+”注视点为圆心，半径为170.5 mm构成一个虚拟圆形轨迹，6个字母均匀分布在该圆形轨迹上，构成一个搜索集。在搜索集外围以16%的几率随机出现干扰刺激，干扰刺激都由外部边框(线宽0.3 mm)和内部图形组成，且分为两类，一类有三角形和正方形两种边框形状，一类有人物形象和非人物形象两种图形语义。其中,在高认知负荷条件下,一个字母X或字母N和五个不相同的非目标字母(在A,E,F,K,H,M中任选5个)构成搜索集；在低认知负荷条件下，一个目标字母X或N、一个非目标字母(在A,E,F,K,H,M中任选1个)和四个字母O构成搜索集。所有的字母随机出现在搜索集虚拟圆形轨迹的六个位置上。

2.4 实验仪器

2.9 Hz CPU的计算机一台，刺激材料显示在一个19英寸的Dell显示器中央，显示器屏幕分辨率为1 024×768像素，刷新率为75 Hz。眼睛与显示屏中心的距离大约为600 mm。实验控制程序采用Experiment Builder软件编写。

2.5 实验程序

实验流程如图2所示，测试背景为黑色，在呈现完指导语后，显示屏中央会出现并持续呈现一个白色注视点“+”1 500 ms，随后注视点消失，搜索集出现在屏幕中央并且持续呈现800 ms，要求被试在搜索集中尽快找到目标字母X或N，并做出相应按键反应：如果找到X则按下X键，如果找到N则按下N键，若被试按键后或1 500 ms后无反应，则进入下一轮实验。干扰图标有16%的几率出现在正式实验中的搜索集外围，并持续300 ms，其中，各种类别的干扰图标出现几率相等。为了避免搜索集内字母对干扰刺激产生认知干扰，所有试次中的干扰图标出现位置均与搜索集中的字母间隔至少一个字母大小。在另外84%的正式实验试次中，搜索集外不出现干扰图标。

图2 实验过程示例

在正式实验之前，要进行10个试次的预实验，预实验的搜索集外围不出现干扰图标，以免被试对干扰图标的出现产生预期。正式实验分为五组，每组50个试次，共250个试次，且每组的前10个试次不会出现干扰图标，每组实验的高低认知负荷情况混合出现且概率均等。实验前告知被试实验全程保持头部不动，整个实验过程耗时约15 min。

3 结果

本文实验测试了不同认知负荷下，图标的边框形状和图形语义对被试注意捕获能力的影响，实验结果中的行为数据包括平均反应时间和反应正确率。采用SPSS软件对平均反应时间和反应正确率进行分析。

表1所示为反应时间和正确率的平均值及标准差。对于平均反应时间，重复测量方差分析结果表明，认知负荷的主效应非常显著，F(1，19)=54.942，P<0.001，高认知负荷下的平均反应时间(986.325 ms)显著高于低认知负荷下的平均反应时间(836.093 ms)。图标边框形状的主效应也显著，F(1，19)=7.240，P=0.014，三角形边框的平均反应时间(935.872 ms)显著>正方形边框的平均反应时间(886.546 ms)。图形语义的主效应也显著，F(1，19)=8.701，P=0.008，人物形象语义图标的平均反应时间(936.836 ms)显著高于非人物形象语义图标的平均反应时间(885.582 ms)。认知负荷与图标边框形状之间的交互作用不显著，F(1，19)=1.213，P=0.284；认知负荷与图形语义之间的交互作用不显著，F(1，19)=0.453，P=0.509；图标边框形状和图形语义之间的交互作用不显著，F(1，19)=0.312，P=0.583；三个因素之间的三重交互作用边缘显著，F(1，19)=3.835，P=0.065。

表1 反应时间和正确的平均值及标准差

对于正确率，重复测量方差分析结果表明，认知负荷的主效应非常显著，F(1，19)=40.812，P<0.001，高认知负荷下的正确率(74.5%)显著低于低认知负荷下的正确率(93.5%)。图标边框形状的主效应不显著，F(1，19)=3.484，P=0.077。图形语义的主效应也不显著，F(1，19)=0.021，P=0.885。认知负荷与图标边框形状之间的交互作用显著，F(1，19)=7.316，P=0.014，进一步简单效应检验表明，在高认知负荷情况下，图形边框形状的简单效应非常显著，F(1，19)=7.36，P=0.014；在低认知负荷情况下，图形边框形状的简单效应不显著，F(1，19)=0.00，P=1.000.由此可见，在高认知负荷情况下，三角形边框图标的正确率显著<正方形边框图标；在低认知负荷情况下，图形边框形状的正确率不存在显著差异。认知负荷与图形语义之间的交互作用不显著，F(1，19)=0.304，P=0.588；图标形状与图形语义之间的交互作用不显著，F(1，19)=1.879，P=0.186；三因素之间的三重交互作用不显著，F(1，19)=1.412，P=0.249。

4 讨论

本文通过视觉搜索实验，考察了认知负荷、图标边框形状和图形语义对图标视觉搜索效率的影响。结果发现，认知负荷、图标边框形状和图形语义均对图标注意吸引能力有显著影响。

与高认知负荷相比，在低认知负荷情况下被试的搜索反应时间更短，正确率更高。认知负荷理论认为，人的认知结构由工作记忆系统与长时记忆系统构成[21]，工作记忆在接受、保持、加工信息过程中的容量是有限的，如果工作记忆容量超载，加工的信息就会受到一定的影响[22]。在本实验中，高认知负荷情况下任务相对困难，被试需要分配更多的注意资源，投入更多的努力来完成相关搜索任务，分配给作为干扰出现的图标的注意则较少，因此完成搜索任务的反应时间相对较长，正确率较低；而在低认知负荷的情况下，任务相对简单，被试无需花费过多的注意资源完成相关搜索任务，因此完成搜索任务的反应时间相对较短，正确率相对较高，此时图标的干扰效应增强，被试有多余的注意资源可以分配给作为干扰出现的图标。因此，当图标在低认知负荷的环境中时，更能吸引到人的注意，从而更高效地起到提醒和警示的作用。

与正方形边框图标相比，三角形边框图标的搜索反应时间更长，说明边框为三角形图标的注意吸引能力更强。视觉注意机制是一种信息处理瓶颈机制，足够显著的视觉刺激能够从整个画面中凸显出来[23]，这种显著性是自下而上的，与观察的目的无关。Desimone和Duncan提出的偏向竞争模型也认为，视野中出现的各种刺激总是通过相互的竞争来引导注意，足够凸显的刺激能自动获取人的注意[24]。形状、颜色的调整和变化都能够使图标产生显著的视觉刺激，而这种视觉刺激产生的突显性特征能自上而下地引导注意[25]。研究发现，图形的锐角越多，越能吸引人的注意[11]。在本实验中，出现三角形边框图标时所需的搜索反应时间比出现正方形边框图标时更长，注意吸引能力更强。这可能是由于三角形的锐角数量比正方形更多，而锐角越多的图形体现出的尖锐感更强烈，更能激发被试内心的警惕感，从而吸引被试把更多的注意资源分配于此。

在高认知负荷下，三角形边框图标出现时的搜索正确率显著低于正方形边框图标。这可能是由于，在高认知负荷下，被试的注意资源使用状态已经趋于饱和的状态，剩余可进行分配的注意资源并不充足，而三角形边框作为十分显著的视觉刺激，有很强烈的注意吸引能力，一方面给被试的搜索任务产生干扰效应，另一方面其尖锐感也给被试叠加了任务过程中的紧张感，使得被试给三角形边框图标分配了更多的注意资源，压缩了分配给搜索任务本身的资源，造成搜索正确率降低。

与人物形象语义图标相比，非人物形象语义图标的搜索反应时间更短，正确率更低。这说明相比非人物形象语义图标，人物形象语义图标的注意吸引能力更强。在本实验中人物形象语义图标中展现的人物形象，大部分可以视为由人物形象、动作及相关辅助图形构成的组合图标。因此，做出两种假设：其一，人物形象语义图标的组合特征使得其搜索反应时间更长，正确率更高；其二，人物形象语义图标的动作特征使得其搜索反应时间更长，正确率更高。

首先，人物形象语义图标的组合特征使得其搜索反应时间更长，正确率更高。Wolfe[26-27]等提出的视觉搜索模型认为，视觉注意的加工分为两个阶段：采用平行加工方式的前注意阶段和采用序列加工方式的注意阶段。特征整合理论[28]也认为，视觉加工第一阶段的前注意阶段是同时对视野内全部刺激基本特征进行的加工，此时是一种自动化的、平行的加工，无需注意的参与。第二阶段的特征整合阶段则需要针对各个具体的刺激及特征进行非自动化的、序列的加工。在本实验中，被试首先需要对人物形象语义图标的基本特征进行整体性的加工，随后在特征整合阶段，把各个分散的信息组合后再进行整体特征和语义的认知，因此程序的增加导致搜索任务时间增加。

其次，人物形象语义图标的动作特征使得其搜索反应时间更长，正确率更高。从语言学的视角，词汇可以划分为名词和动词[29]。延伸到符号学领域，图标也可以根据执行语义划分为名词图标与动词图标[16]。相比起名词图标，动词图标需要用户想象从静止到动作的步骤[17]，具有更加抽象和复杂的认知过程。在本实验中，人物形象语义图标的展现形式实质上是对人的动作进行的动词化描述，被试需要通过联想把动作与语义进行匹配，因此会捕获更多的注意和认知资源，搜索任务的反应时间相应增加。

5 结语

本研究探究了在不同认知负荷下，通过边框形状和图形语义变化产生的两种图标类型对搜索效率及注意吸引能力的影响。实验发现：①高认知负荷下的反应时间显著长于低认知负荷，注意捕获能力更强，正确率显著低于低认知负荷；②三角形边框图标的反应时间显著长于正方形边框图标，注意吸引能力更强，正确率差异不显著；③在高认知负荷下，三角形边框图标出现时的搜索正确率显著低于正方形边框图标，但在低认知负荷下并无显著差异；④人物形象语义图标反应时间显著长于非人物形象语义图标，注意吸引能力更强，正确率差异不显著。

未来的研究工作将进一步结合眼动及脑电技术，深入探索图标中人物形象在语义加工的哪一阶段开始引起人的注意，以及图标边框、图形语义及颜色之间的关系对图标视觉搜索和眼动特征的影响。这些研究工作对提高图标搜索效率及认知效率具有指导意义。