航天器报警界面警示色反应绩效关联研究

沈 艳, 姚 湘, 江 奥,, 冯 博,, 郭雨晴,

(1.湘潭大学工业设计系, 湘潭 411100; 2.钱学森空间技术实验室, 湘潭 411100)

1 引言

随着中国载人航天事业的不断发展,航天员面临的信息加工越来越多,色彩是视觉感知信息的最快途径[1]。大量研究发现,色彩作为人机界面的构成元素在航天员的工作和生活中发挥着重要作用,有助于提高心理舒适度、工作绩效、安全性和环境满意度,减少环境压力、工作疲劳以及身心问题[2-6]。同时研究表明,人的生理参数、认知和决策能力、心理因素是受色彩影响的主要方面[7]。因此,在航天设计研究中,色彩作为重要的航天适居性因素被高度重视。

报警和故障界面色彩设计对乘组人员有明显的影响,在以往的航天器人机操作界面设计中,色彩因素对人的绩效影响较少被考虑。国际空间站的航天显示界面多以数据信息呈现为主,很少使用颜色对不同功能层次的信息显示进行布局设计与规划,信息层次表达不够清晰。现有的航天任务绩效研究中,关于颜色改善任务表现和工作绩效的相关研究也较为少见。如何通过色彩的科学应用提升航天员对信息的接收与辨识效率,成为航天色彩绩效研究方向的一大重点。

通过对以往的色彩研究发现,不同颜色所传达的危险信息遵循着一致模式,即:红色导致的危险等级最高[8],其次是橙色、黄色、蓝色、绿色和白色,但是这些颜色具体是如何影响和改变人的视觉感知以及工作绩效并没有做过多的研究。本文从航天安全的角度出发,以警示色为例重点考查不同色相、明度、饱和度对人的反应绩效的影响。

2 颜色视觉与航天安全

人对颜色的辨认及感知能力称为颜色视觉。色觉是人体视觉器官在不同色光的波长作用下产生的感觉[9],是视觉的基本机能。视觉感受一种颜色取决于颜色的3 个特性,即色相、明度和饱和度[10]。颜色视觉在航天色彩显示中具有重要意义,在太空微重力和密闭空间环境下,安全标志、紧急信号显示、安全线都是用不同的颜色来表示不同的含义,传达不同的信息。关于颜色和应急的文献表明[11],颜色会影响警告的显著性和记忆,影响遵从行为和传达的危险程度,颜色刺激-用户反应框架图见图1。例如NASA 对航天器标签的彩色版本和非彩色版本进行了比较,发现彩色标签比黑白标签更具吸引注意力;在记忆方面,带有高度饱和的橙色的字体比黑色字体记的更持久;关于应急的依从性,消色差颜色标识比有颜色的标识更具有吸引力。

图1 颜色刺激-用户反应框架图Fig.1 Diagram of color stimulus-user response frame

陈善广等[12]提到,长期空间飞行中人在视觉感知方面存在着局限性,包括人的敏感性、反应时间、响应速度等。人对刺激信息的响应存在延迟,例如对声音刺激响应延迟100 ms,视觉刺激延迟120 ms,选择反应延迟1 s。在航天器信息显示界面的色彩设计方面,要充分考虑人在太空环境中的这一视觉感知能力变化,设计者要充分研究以往地面上被定义为安全色[13]的颜色在太空微重力环境中是否与航天员在地面上的视觉感知遵循一致的规律。在航天微重力环境下,安全色的色彩变化是否会对人的反应绩效产生不同的影响。

在以往的研究中,红色一直被评为感知危险程度最高的颜色[8]。红色一定程度上也可以被称为警示色或者安全色。李晓明等[14]研究表明,红色作为一种危险警示颜色确实可以激发出个体更强的风险回避行为。但是目前关于红色作为一种危险警示色的相关研究大多停留在理论层面[15],或者从色彩心理学理论角度论述红色对人的心理感受会产生什么样的影响,很少从实践应用角度去研究颜色属性(色相、明度、饱和度)与人应激反应之间的具体联系。火灾是航空航天环境中最难应对的危险之一,其危险程度和紧急程度都非常高,需要快速的信息警报显示以及机组人员的响应,这对报警信息显示以及信息的色彩设计都提出了较高的要求,火警警报信息色彩需要快速激发航天员的应激反应。因此,本文从航天用色安全角度出发,以红色警示色为研究对象,探讨不同警示色色相、明度、饱和度对人的信息辨认情况,以反应时间和正确率为绩效指标来评价各个颜色的优劣[16],为航天紧急报警界面信息色彩设计提供更好的警示色彩使用建议。

3 警示色彩研究实验

3.1 警示色色彩样本拓展与遴选

本研究采用HSB 色彩模式,这种模式是通过色相(Hue,H)、饱和度(Saturation,S)、明度(Brightness,B)来控制颜色。H 的取值范围是色环(图2)上0°～360°的圆心角度;而S 与B 是在0～100%的量占比。因为HSB 色彩模式对应的媒介是人的眼睛,它使用了更贴近人类感官直觉的方式来描述色彩,将色彩分为了色相、明度、饱和度3 个因素,也就是将人脑中的“深浅”概念扩展为饱和度和明度来看待,更符合人眼对颜色的直观感受。

图2 圆形色相环Fig.2 Circular hue ring

由于警示色红色在色相环上取值角度范围较大,本文研究选取了H=0 的正红色色相为主要研究色相,再分别选取色相环右偏移20°的H=20的橙红色(偏暖)和色相环左偏20°H=340 的紫红色(偏冷)为另外2 种测试色相。本实验还需探讨明度和饱和度变化对信息辨认绩效的影响,因此在3 种色相的基础上分别对其明度和饱和度进行0～100%的量占比变化。然后,摒除明度变化中过暗和饱和度变化中过浅的色彩,同时为了扩大测试色彩间的视觉差异性,在明度方面确定了100%、80%、60% 3 个取值量,在饱和度方面确定100%、70%、40% 3 个取值量,最终选取了27个警示色色彩样本,如图3 所示。

图3 27 个红色警示色测试色彩样本Fig.3 Color samples of 27 red warning color test

3.2 实验测试程序设计

本实验为色彩按键反应实验,实验程序利用软件E-prime 编写,软件背景界面是核心舱操作系统显示界面,报警弹窗参考航天相关影视资料,弹窗背景色采用选取的27(3 色相×3 明度×3 饱和度)个警示色彩样本。同时为了防止被试在按键时形成节奏感,测试程序中增加了绿色色彩样本为干扰,使被试需要先对报警弹窗的颜色进行辨认,然后做出相对应的按键操作。以往心理学研究还发现人的反应时和正确率会受到刺激出现概率的影响[10],因此本实验程序中对红色和绿色刺激出现的概率进行了约束,2 次色彩弹窗在500～1000 ms 随机出现。

测试程序分为3 个部分:①是实验指导语部分,目的是指导志愿者实验操作的细则和流程,帮助并确保志愿者理解实验基础操作;②是实验程序练习阶段,让志愿者了解色彩对应的按键操作,防止出现因不熟悉实验操作而出现的错误按键操作影响正确率的统计结果。练习阶段会告知按键的正确与错误情况,反应时间由程序自动记录,但不对其进行统计分析;③是正式测试程序部分,在正式测试过程中不会告知测试结果,即测完一种颜色马上会弹出下一个色彩弹窗,直到测试完所有的色彩样本。实验测试程序界面见图4。

图4 实验测试程序界面Fig.4 Test program interface

在正式测试程序中,研究人员需要对每一位参与正式实验的志愿者进行编号(按实验顺序)并做好登记。志愿者会阅读实验指导语,阅读完成后进入实验练习阶段。练习通过后进入正式测试程序,测试界面出现30 s 后会出现一段报警音频,然后出现“+”号注视点。注视点出现后间隔500～1000 ms 随机出现火警报警弹窗刺激,志愿者需要判断报警弹窗的颜色,根据实验要求按下相应的按键,完成判断后再次呈现“+”号注视点,然后随机间隔500 ～1000 ms 出现下一个弹窗刺激并判断其颜色做出相应的按键反应,以此类推,直到测试完所有的色彩样本。测试程序设计流程见图5。

图5 测试程序设计流程图Fig.5 Flow chart of test program design

3.3 志愿者

实验志愿者均为在校大学生及研究生,共招募80 名志愿者进行实验测试,男女比例为1 ∶1,年龄为18～26 岁,平均年龄及标准差为(21.14±2.38)岁。在开始正式实验测试之前,所有志愿者都进行了石原色在线色盲测试,正确率均100%,无色盲情况,视力或矫正视力正常。均无心、脑血管疾病以及精神病史。所有志愿者在实验前均未接触过本实验的测试材料,在实验开始前对实验程序做了详细说明,均签署了实验知情同意书。

3.4 实验方法与流程

微重力环境下,人体体液出现再分配,血液向头胸部转移[17],从而造成脑部充血。在这种环境下长期空间飞行,航天员的视功能、手眼协调作业能力及认知能力存在着不同程度的下降[18]。头低位卧床实验(Head-Down Tilt Bed Rest,HDBR)造成的生理条件变化与微重力的影响十分相似,是地面失重生理效应研究的主要手段之一[19],一直应用于地面模拟失重效应的研究[20-23]。NASA绩效评估工作站利用头低位卧床考察了8 名男性的认知表现[20],中国也有广泛的使用了头低位卧床的方法来探索人类潜在的生理和心理变化的规律。其中一些研究进行了(t＜4 h)12°头低位卧床以模拟微重力条件下发生的头向体液移动[21],或者选择更大的角度,以在更短的时间内引起失重效应[22],如中国航天员科研训练中心通过30 min-15°头低位卧床来研究眼内压和视觉能力的变化[23]。受客观条件限制,本文研究采用了与中国航天员训练中心相似的短时头低位的方式来引起志愿者的失重生理效应。同时为了更好的模拟航天紧急情况,在测试程序中增加了报警音频,音频素材取自网络。

本文实验采用三因素被试内实验设计,自变量是火警报警弹窗色彩的色相、明度、饱和度,因变量是被试的反应时间和正确率。志愿者的任务是识别火警报警弹窗的颜色,判断是红色信号还是绿色信号,红色弹窗按下键盘F 键,绿色弹窗则按下键盘J 键,测试程序会自动记录志愿者对报警弹窗的反应时间和正确率,被试按键正确程序自动记录为1,按键错误记录为0。

正式实验流程分为4 个阶段:①是石原色觉测试阶段;②是头低位卧床模拟阶段,志愿者保持头低位-15°姿态静卧15 min;③是实验测试程序练习阶段;④是正式实验测试阶段,实验流程示意图见图6。

图6 实验流程示意图Fig.6 Schematic diagram of experimental flow

3.5 头低位与非头低位对照实验

为了探讨短时头低位卧床是否能够达到失重环境下生理效应的模拟效果,本文研究在正式实验之前招募了一批志愿者进行了头低位与非头低位的预实验。预实验志愿者平均分为2 组,一组是头低位组,需要进行15 min 头低位卧床后进入正式实验测试;另一组是非头低位组,不需要进行头低位卧床模拟直接进行测试。

对预实验的2 组志愿者实验数据进行统计,初步发现头低位组志愿者的反应时间普遍高于非头低位组志愿者的反应时间。为了进一步检验反应时间上是否存在显著性差异,用SPSS 软件对2组实验数据进行独立样本t检验,头低位组与非头低位组志愿者反应时间独立样本检验结果如表1。分析结果显示头低位组与非头低位组的反应时间在0.001 显著性水平下呈现差异。这也与以往的研究结论相符,即人在微重力环境下视功能会受到影响,反应能力会产生延迟,证明了本实验头低位卧床模拟实验设置的必要性和有效性。

表1 头低位与非头低位组反应时间独立样本t 检验Table 1 t-test of independent sample of reaction time in head down tilt group and non-head down tilt group

3.6 数据采集与预处理

实验共计收集到80 位志愿者的有效实验数据,由心理学实验软件E-prime 采集。实验主要采集了2 个指标:色彩反应时间(Reaction Time,RT)和正确率(Accurate,ACC)的测试数据,并在SPSS 17.0 软件中进行统计分析,分别对反应时间和正确率进行了重复测量方差分析和事后多重比较。

实验一个重要指标就是色彩反应时间,需要收集有效反应时间的实验数据,而测试程序收集到的反应时间包含了正确的反应时间、按键错误的反应时间和未反应的时间,因此在统计分析之前还需要对原始实验数据进行预处理,筛选出错误反应时间(“按键错误”或“没反应过来”)的数据,保留正确(按键错误为0,按键正确为1)的反应时间数据进行统计分析。

4 实验结果

4.1 反应时间分析结果

反应时间是评价反应绩效的重要指标,首先对反应时间进行重复测量方差分析,重点分析志愿者在不同色相、明度、饱和度属性下的反应时间差异以及这些因素之间的交互作用是否存在显著性差异。80 位志愿者反应时间方差分析结果见表2。根据志愿者的反应时间分析结果,在正确实验操作条件下,本实验色彩样本的色相、明度、饱和度单一自变量对志愿者的反应时间均存在显著性影响;色相×明度、色相×饱和度、明度×饱和度双因素交互作用之间没有显著性差异,色相×明度×饱和度三者交互作用对反应时间也无显著性影响。

表2 志愿者反应时间方差分析结果Table 2 Variance analysis of subjects' reaction time

实验色彩样本的色相、明度、饱和度对志愿者的反应时间都有显著性差异,说明在头低位卧床模拟失重条件下,志愿者反应时间与警示色的色相、明度、饱和度3 个属性具有较强的关联性。

4.2 色相-反应时多重比较结果

色相-反应时的多重比较结果见表3,从3 个色相间的多重比较结果来看,实验色彩样本中色相主效应显著:色相H=0 与H=20 有显著性差异,差异性小于0.001;色相H=0 与H=340 之间差异性不显著;色相H=20 与H=340 之间也有显著性差异,P值为0.004。

表3 色相的多重比较结果Table 3 Multiple comparison results of hue

结合图7 色相-反应时的估算边际平均值数据结果来看,纵坐标表明反应时间的长短,色相H=0 的反应时最短,H=20 的反应时最长,色相H=340 的反应时间介于H=0 和H=20 之间。色相H=0 与H=20 之间有显著性差异,且色相H=0 的反应时平均值最低,低于H=20 和H=340 的平均值,说明在色相属性方面H=0 时人的反应是最快的,也就是反应绩效最高;色相H=20 与H=340 之间有显著性差异,且H=340 时的反应时平均值比H=20 要短,说明色相H=340 时人的反应速度要比H=20 要快,反应绩效更高。

图7 色相-反应时的估算边际平均值Fig.7 Estimated marginal average reaction time to hue

4.3 明度-反应时多重比较结果

明度-反应时的多重比较结果见表4。根据明度的数据分析结果,实验色彩样本中明度的主效应显著:明度80%与100%之间有显著性差异,P值为0.025;明度60%与80%、60%与100%之间没有显著性差异。

表4 明度的多重比较结果Table 4 Multiple comparison results of luminance

结合图8 明度-反应时的估算边际平均值结果来看,明度80%的反应时间最短,60%的反应时间居中,明度100%的反应时间最长。综合上述多重比较结果(明度80%和100%之间有显著性),明度为80%人的反应时间最短,反应绩效最高。从整体数据可以看出,在一定范围内明度值上升,人的反应时间存在着先下降后上升的变化,反应绩效在明度80%左右达到峰值,随后下降。

图8 明度-反应时的估算边际平均值Fig.8 Estimated marginal average reaction time to luminance

4.4 饱和度-反应时多重比较结果

饱和度-反应时的多重比较结果见表5。根据饱和度的数据分析结果,实验色彩样本中饱和度的主效应显著:饱和度40%与70%之间有显著性差异,P值为0.001;饱和度40%与100%之间有显著性差异,P值小于0.001;饱和度70%与100%之间也呈现显著性差异,P值为0.015。

表5 饱和度的多重比较结果Table 5 Multiple comparison results of saturation

饱和度-反应时的估算边际平均值结果如图9 所示,饱和度40%的反应时间最长,饱和度70%的反应时间居中,饱和度100%的反应时间最短。结合上述饱和度的多重比较结果,可以得出:人的反应时间与饱和度之间呈负相关,即饱和度越高,志愿者反应时间越短,色彩反应绩效越高。

图9 饱和度-反应时的估算边际平均值Fig.9 Estimated marginal average reaction time to saturation

4.5 正确率分析结果

本实验另一个重要的指标就是反应正确率,80 位志愿者的色彩样本正确率见图10。志愿者正确率的重复测量方差分析结果显示,在正确实验操作下,实验色彩样本的色相、明度、饱和度单因素之间对志愿者的正确率没有显著性影响;色相×饱和度、色相×明度、明度×饱和度、色相×明度×饱和度三者之间交互作用也不显著。说明本志愿者对色彩报警信号辨认的正确率都很高,头低位卧床模拟条件下色彩对人的辨认正确率情况无差异性。

图10 志愿者对27 个色彩样本的平均正确率Fig.10 Average correct rate of 27 color samples in the subjects

5 讨论

5.1 反应时间

在短时头低位卧床条件下,志愿者的应急反应时间受到颜色信号的色相、明度、饱和度3 个因素的影响。从色相的分析结果来看,色相H=0 为反应时间最短即视觉反应绩效最高的色相,这与以往人们对色彩感应危险程度的经验一致[8]。其次是H=340(偏冷)的色相,视觉反应绩效最低的是色相H=20(偏暖)。因此,在警示色色相应用方面建议使用H=0 也就是正红的色相,最能提高人的视觉反应绩效。

明度对反应时间的影响比较特殊,反应时间由短到长依次是80%、60%、100%。通过明度-反应时的估算边际平均值结果可以看出:明度值持续增加时,人的反应时间呈现先下降后上升的变化规律,反应时间并没有随着明度的升高而降低。因此可以推断,明度-反应时的变化不是线性的,并且在明度80%左右可能存在反应绩效最高的明度值。由此说明红色在作为警示色使用时明度值不是越高越好,而是在80%左右最佳。

饱和度对反应时间的影响则十分清晰,3 个饱和度之间的比较结果都存在显著性差异且反应时间随着饱和度值的升高而减少,因此可以推断饱和度越高,人的反应绩效越好。

综上所述,航天界面警示色使用方面需要综合考虑警示色的色相、明度、饱和度这三者因素,并且需要对设计方案中警示色色值进行模拟微重力环境下的人因工效测试,进一步探究色彩与人反应绩效的影响规律,最终确定色彩反应绩效最佳的色彩取值。

5.2 正确率

根据正确率的统计分析结果,实验色彩样本的色相、明度、饱和度单因素之间以及交互作用之间对志愿者的正确率没有显著性影响,分析其可能的原因有:①志愿者参加实验测试之前经过石原色色盲测试,测试通过率都在99%以上,说明志愿者群体的色彩视觉,也就是颜色辨识情况没有问题,不会出现无法辨别色彩的情况。②志愿者进入正式测试程序之前,需要通过练习阶段的测试,在此阶段色彩辨认正确率需要达到90%以上,才能保证志愿者清楚实验的按键反应操作,确保主观上不会出现按键错误的情况。结果说明:实验志愿者在正式测试中,注意力高度集中且态度认真,实验配合度和参与度都很高。另外,在航天员选拔要求中,色觉是一项重要的选拔要求及标准,对航天员色彩辨认的要求会更高。因此,可以推断:航天员在微重力和应急情况下对色彩的辨认情况基本不会出现错误。

6 结论

1) 警示色的色相、明度、饱和度属性对人的反应时间均有显著性影响,但是在正确率方面没有显著性影响。

2) 在色相方面,色相H=0 时,人的反应时间最短,即人对色相值为0 的警示色的视觉反应绩效最高,警示作用最好。

3) 在明度方面,明度值为80%时人的反应时间最短,视觉反应绩效最高,警示效果最好。

4) 在饱和度方面,饱和度越高,人的反应时间越短,色彩反应绩效越高,警示作用越好。

5) 具体到实验色彩样本的色值来看,实验色彩样本Red4(H=0、B=80%、S=100%)的视觉反应绩效最高,警示作用最突出。