车载中控屏信息布局对视觉搜索绩效的影响

褚英帆， 秦华,2*， 冉令华， 郭恒瑞， 张欣

(1.北京建筑大学机电与车辆工程学院， 北京 102616； 2.北京建筑大学北京建筑安全检测工程技术研究中心， 北京 102616； 3.中国标准化研究院， 北京 100191)

近年来自动驾驶技术飞速发展，车载中控屏作为车辆智能化的最直观表现，在驾驶过程的应用愈发广泛。作为智能化和多样化的车内饰代表，车载中控屏承载了包括娱乐、通信、导航、驾驶等多种信息任务。目前车内中控屏的布置一般位于驾驶员的右侧，影响了驾驶过程快速、准确地获取远离有效视野范围的信息[1]。有关信息呈现的研究结果表明：界面的视觉信息应进行合理的排布，这样操作者进行视觉搜索的反应时长会大大缩短[2-3]。在视觉搜索的研究中通常将头部和眼球都固定后所能看到的范围, 定义为“静视野”；把头部固定不动而眼球可以自由转动所能看到的范围, 定义为“动视野”[4]。驾驶过程中，交互界面在进行信息布局时可以充分利用不同视野条件的视觉绩效并以此缓解驾驶员视觉疲劳，提高驾驶安全。

中外学者对交互界面信息布局设计已有一些研究。Raeisi等[5]通过链值分析方法计算面板元素间链路的重要性和频率综合权重，进行交互界面的信息布局设计。李晶等[6]的研究结果表明，交互界面中符合认知特征的信息布局设计可以提高操作人员的工作效率。李慧芬等[7]为了提高车内信息系统的使用效率, 从布局和显示数目两个方面展开研究, 得出有利于提高使用效率的界面设计方案。闫云豪等[8]针对智能驾驶环境, 重点进行了驾驶信息与显示位置的匹配与驾驶信息显示界面的布局设计两方面的研究，提出了使用户感知满意的界面布局方案。在视觉感知的有关研究中表明，驾驶过程中驾驶员30%～40%的视觉注意力资源将被用于执行非驾驶任务[9]。对此，秦华等[10]提出，驾驶过程中应减少次任务占用的视觉注意资源。此外，随着年龄增加，人的视觉功能会逐渐衰退，视野范围从55岁就开始变窄[11]，因此驾驶中视觉绩效也会随之下降，尤其是当界面信息呈现时长较短时[12-13]。针对老年人的视觉功能性衰退，在临床实验中有视敏度和视觉对比度等相关的测试研究，但对老年人在驾驶过程中的视觉行为不具有预测性[14]。

综上所述，已有大量对人机交互界面的信息位置、布局和数量的研究实验，其中也不乏针对老年人群视野变化特点进行的医学测试。但目前的研究中暂未考虑基于驾驶环境中界面信息位置的视野测试，以及从不同年龄分组测试的角度来直观构建老年驾驶员与车载中控屏进行视觉信息交互过程中的视野特征。现以车载中控屏作为不同年龄人群在驾驶中的视野研究对象，重点探究老年驾驶员在中控屏不同信息布局位置下的视觉绩效，以确定中控屏的最佳信息布局位置。通过合理的中控屏信息布局设计减少老年驾驶员在驾驶中的读取交互信息的时间，提高驾驶安全性。

1 研究方法

针对老年人视觉衰退引起在驾驶时的视觉注意分散问题，以减少老年人在读取中控屏信息时对视觉注意资源的占用、降低驾驶风险为研究目标，从视觉搜索的感知与识别两个层次寻找中控屏中的最佳信息布局位置。实验一共包括两个自变量：年龄、信息布局位置。因变量为视觉搜索的反应时长、正确率和眼动数据。

1.1 参试者

在北京招募20～70岁不同年龄段的人群，分为青年、中年和老年3个年龄组，所有被试的身体健康状况良好，视力或矫正视力良好。各年龄组被试的基本信息如表1所示。

表1 参试者年龄信息表Table 1 Participant age information form

1.2 实验平台

本次视觉搜索实验使用E-prime实验平台编制程序，以白色为实验背景。实验场景最大程度还原了驾驶过程的车内位置布局，主屏幕承担参试者实验时的主要视觉注意，模拟驾驶情景下的视觉注意分配策略；侧面屏幕模拟了比亚迪-元Pro的DiLink 10.1 in(1 in=2.54 cm)中控屏幕，搜索区域为240 mm×180 mm，在分辨率为1 080 p、刷新频率为60 Hz的模拟屏幕上显示。参试者使用外接键盘进行输入，其他辅助设备包括德国SMI 公司的眼镜式眼动仪、可调式座椅以及用于测量距离的米尺。

静视野测试由24种刺激范围不同的线条图形构成实验材料，且每种图形具有不同的语义内容；动视野测试的实验材料为简单图形线条进行填充后的24种形象剪影。参试者对简单线条图形的视觉加工过程是整体的，填充后的剪影图形会对语义加工产生干扰，增加加工复杂度的同时不会影响对填充图形的视觉特征加工过程。实验材料选取的依据来源于视觉搜索的感知与识别过程，从语义加工的角度进行此次基础性测试。实验在模拟日间行车的环境中进行。实验为保证被试的头部始终保持驾驶过程中一致的状态，采用了语音提示的方式，过程中实验员通过一直观察眼动仪的录制过程确保实验数据的真实性。

1.3 实验任务

实验模拟了驾驶员对静态车载中控屏信息的视觉搜索过程，对横向和纵向两种摆放方式分别进行实验测试。

(1)静视野测试。参试者在保持眼球不动的前提下，对屏幕中不同视野位置呈现的内容进行扫描，看到有内容出现即可按键反应。以探究静视野条件下不同布局位置的视觉感知绩效。

(2)动视野测试。参试者可以转动眼球，对屏幕中不同布局位置呈现的内容进行识别，看清楚内容即可按键反应并作出应答。以探究动视野条件下不同布局位置的视觉识别绩效。为深入探究动视野条件下的眼动机制，证实行为实验的推断，对动视野条件下参试者的视觉行为数据进行记录。

在动视野目标的搜索过程中，参试者对目标内容的判断与实际情况相符合时，认为这次搜索反应为正确，否则为错误。参试者仅需判断出刺激材料所属的种类即判定为正确，在一次反应中可明确说出刺激材料最具体名称的参试者将被判定为在视觉搜索过程中的精准程度更高。

1.4 实验过程

实验采用3(青年组、中年组、老年组)×6(6个信息布局位置)组内设计。同一初始项中实验材料不重复出现。如图1所示，实验流程为：阅读实验指导语，按键开始实验。提示音结束后，实验材料将在模拟中控屏的6个位置随机出现，呈现1 000 ms后，要求参试者在尽量准确的前提下做出快速应答。静视野测试下，参试者看到图形按1键，未看到图形按2键；动视野测试下，参试者看清图形按1键并回答内容，未看清图形按2键。参试者做出反应后自动进入下一个试次。根据不同的模拟中控屏摆放，本次实验分为横向摆放测试和纵向摆放测试2个项目，共48组测试。正式实验之前被试需要进行18个试次的练习，实验过程中参试者持注意力集中，完成整个实验大约40 min。

2 结果与讨论

2.1 反应时长的描述性统计结果

表2为两种测试方法下各个年龄段人群在视觉搜索过程中的反应时长的均值与标准差，可以发现随着年龄的增加，反应时长随之增加。表明，无论视野测试条件如何，老年人的反应时长相对于青、中年人的反应时长存在明显增加现象。信息布局位置对老年人的视觉搜索绩效也存在影响显著，纵向摆放方式下老年人的反应时长高于青、中年人。

表3为两种测试方法下参试者在不同布局位置进行视觉搜索时反应时长的均值与标准差。

从表3中发现，在横向摆放方式中位置1、4、5三个位置的反应时长表现为优于其他位置；在纵向摆放方式下位置1、4、6三个位置的反应时长表现为优于其他位置。从不同测试方法看，静视野测试条件下位置3、4(横向)、位置1、4、6(纵向)的视觉搜索绩效优于其他位置；动视野测试条件下位置1、4、5(横向)、位置3、4、5(纵向)的视觉搜索绩效优于其他位置。

表2 各个年龄段人群反应时长的描述性统计结果Table 2 Descriptive statistical results of response time of people of all ages

图1 实验流程图Fig.1 Experimental flow chart

表3 不同视野位置反应时长的描述性统计结果Table 3 Descriptive statisticalresults of response time at different visual field positions

2.2 眼动数据的统计结果

图2 不同位置的平均注视点分布Fig.2 Average fixation distribution at different visual field positions

动视野测试下，为进一步探究导致视觉搜索绩效降低的深层次原因，对参试者进行了眼动追踪，得到进行视觉搜索时在不同位置的注视数据，如图2所示。

由图2可知，老年人在对模拟中控屏幕的信息进行识别的过程中会耗费更多的视觉注意力、注视点分布更集中，横向摆放方式中的注视点集中程度高于纵向摆放方式。同时，注视区域的集中分布点也呈现出加大差异，但总体表现为注视区域集中分布在距离上更接近参试者的视野位置。正如郭凤香等[15]等研究表明，老年人的视觉认知机能存在衰退现象。研究结果显示，不同年龄段人群均将多数视觉注意分配在车载信息界面的左侧区域和中心区域。

2.3 方差分析结果

表4为静视野测试对反应时长分别进行年龄组、信息布局位置的异方差单因素分析，其中F为检验统计量，P为显著性水平。

结果表明，两种摆放设置下，年龄组对反应时长有显著差异(P<0.05)，根据不同的摆放方式可以发现，纵向摆放设计下年龄组作为影响因素对反应时长的影响更为显著(P<0.01)。表明不同年龄段人群作为自变量在各种测试条件及摆放方式下的视觉搜索绩效普遍较差。

表5为动视野测试条件下，对反应时长和正确率分别进行年龄组、信息布局位置的Kruskal-Wallis检验。其中，χ2为检验统计量，P为显著性水平。

结果显示，两种摆放设置下，年龄组对反应时长有显著差异(P<0.05),表明随着年龄的增加视觉搜索绩效存在明显的下降趋势。通过观看实验视频可知，老年组的精准程度明显低于青、中年组，其中青年组的精准程度更高。结合目前L3级自动驾驶车辆面临严峻的挑战考虑，若驾驶人将注意力转移至路面外并沉浸于次任务中，其接管反应时间长达6 s[16-17]。未来的对次任务承载界面，即中控屏的研究中如可以充分考虑驾驶员从主任务到次任务的视觉搜索时间间隔，可以显著提高未来交通出行的安全性。

表4 反应时长方差分析(静视野测试)Table 4 Response time heteroscedasticity test results (static visual field test)

表5 反应时长K-W检验结果(动视野测试)Table 5 Reaction time K-W test results (moving field test)

2.4 分析与讨论

静视野测试中，年龄组在横向和纵向摆放方式中对认知绩效均有显著影响，老年人群的反应时长在信息布局边缘位置的反应时明显大于其他年龄段，但为表现出布局位置对搜索绩效的显著影响。从描述性统计结果中可见，随着年龄的增加，靠近有效视野边缘的位置是视觉搜索过程中主要的认知编码[18]。针对老年人的视野研究中可以发现，在青年人和中年人之间就存在大幅度的增龄性减退，老年人群中的衰减趋势尤为明显。随着在驾驶中对中控屏信息搜索难度的不断增加，有效视野能力的增龄性减退明显，身处高风险的驾驶环境中将使得老年驾驶人发生交通事故风险率增加。目前中外部分学者通过有效视野测试(UFOV)[19-20]来评价驾驶人的驾驶绩效，研究内容多在有效视野范围的形状及绩效层面，本研究则重点针对中控屏不同信息的布局位置对各个年龄段进行视觉搜索测试，将有效视野测试(UFOV)的结论应用在具体的驾驶生活中。通过实验测试明确更符合老年人视觉特征的信息布局位置，从而为今后中控屏信息显示设计提供参考，更切实有效地减低因非驾驶信息引发交通事故的风险。

动视野测试中，将有语义的简单线条图形填充为有语义剪影图形，搜索条件从静视野转换到动视野，进而提高了对视觉特征加工的难度。动视野测试的结果依旧表明，随着年龄的增长和信息布局位置的边缘性移动，老年人群的视觉搜索绩效会显著降低。正符合吴晓莉等[21]的研究结果，人机交互过程中遵循视野位置呈现规律的目标所对应的反应时长更短、出错率更低。同时剪影图形作为一种较高层次水平的知觉属性，可增加被试在视觉识别过程中加工的难度，反映出在动视野条件下对信息的搜索绩效。通过对视觉行为数据的收集发现，随着年龄的增长，搜索过程中会占用更多的视觉注意力。由目前的研究可知，视觉搜索过程中影响认知负荷来源包括：任务(环境)、操作者、人机交互过程[22]，新颖多样的中控屏设计则在在原有的设计中加入了更多的非驾驶任务[23]，无形中增加了驾驶人的视觉搜索压力。手机界面的适老化相关研究中[24]可以发现，老年人生理视觉能力退化导致其对界面信息输入的有限性降低，具体表现为对图形、文字和颜色的识别准确度降低[25]。同时，老年人对手机屏幕中央位置的视觉感知更敏感，符合从中央眼窝、附中央眼窝视区到边缘视觉区搜索绩效递减的视野规律。

由此可知，车载中控屏所涵盖的娱乐资讯、导航、通信等众多功能进行设计时，应该充分考虑老年人的视觉特点、遵循视野规律，对重要信息进行细致、合理的布局规划就显得十分必要，以此使得老年人在驾驶中对车载交互信息搜索的效果达到最佳，提高驾驶安全性得同时亦可高效地缓解由监视自动驾驶系统引发的工作无聊现象。

3 结论

利用视觉搜索实验探究了不同年龄段人群在中控屏幕不同信息布局位置下影响绩效得视觉机理。在静视野实验中，验证了随着年龄的增加，不同年龄段人群对车载信息视觉感知过程中的差异。在动视野测试中，验证了不同信息布局位置对信息视觉识别过程中的影响。最终，信息布局位置与年龄组对视觉搜索绩效的影响机理显示，中年组和老年组在信息布局位置1、2、4、5(横向摆放)，信息布局位置1、3、5(纵向摆放)显著提高了视觉绩效。本文所提出的研究结论可以应用于具有语义的车载中控信息、指向性图标等方面的设计，对人机交互界面中信息呈现的位置布局具有理论指导意义，为提高驾驶过程中执行次任务时的驾驶安全性提供参考。

同时本研究存在一些局限性。首先，研究范围为车载中控屏所包含的信息集群，需要深入调查各种车载信息界面的视觉复杂性。其次，仅采用视觉行为与特征指标来评估视觉搜索绩效，未来研究中应充分考虑脑电、心电等多种生理指标进行综合分析。