基于眼动实验的飞机座舱界面字符编码分析

宋知潼, 刘玉雪, 刘洋, 任宏*

(1.辽宁省通用航空研究院, 沈阳 110136; 2.沈阳航空航天大学大学设计艺术学院, 沈阳 110136)

近年来,随着航空工业的迅猛发展以及人们生活水平的提高,飞机成为人们出行必不可少的交通工具,保障乘客及机组人员的飞行安全尤为重要。根据国际航空运输协会的航空安全报告,2020年全球航班飞行总量相比2019年减少53%,但2020年空难仍造成全球132人死亡。引发事故的主要原因是人为因素,占飞行事故发生率的70%～80%[1]。驾驶舱是飞机的命令中枢,其中飞机座舱界面不仅是飞行员获取飞行信息的载体,也是飞行员执行飞行任务的工具,驾驶舱显控系统设计的好坏,直接影响到飞行员能否顺利、安全的完成飞行任务[2]。驾驶舱的综合航电系统集合了飞机上各种电子设备的信息,如空速信息、高度信息、航向信息、飞机姿态信息、告警信息、飞行信息、时间信息等。这些信息以字符形式显示在飞机座舱界面中,例如F-18战斗机飞机座舱内包括62幅显示画面、675个缩写符号,信息总量达到1 000个以上[3]。小型飞机界面由不同的设计元素构成,其中主要功能信息以字符编码的形式组合呈现。对字符信息进行有效的编码,不仅可以增强飞行员对飞行信息的直观感知,也可以降低飞行员认知负荷,大大提高飞行员辨识信息的精度和速度。因此,在设计过程中将飞行员的认知模式、生理特征及主观感受与字符信息相匹配,设计出适用于飞机座舱界面的字符编码形式至关重要。而国内对飞机座舱显示界面字符元素的研究较少,郭云东等[4]研究了飞机驾驶人因可靠性评估模型,将人机界面性能作为一项影响因素进行探讨,说明了飞机座舱界面的重要性;王群等[5]采用工效学实验方法对驾驶舱显示界面文字编码进行研究,研究发现数字辨识度最高,其次是英文字母,汉字辨识度最低,字号与视距都对目标辨识有较大的影响;吴薇等[6]研究发现飞机座舱界面告警信息字体颜色对飞行员信息加工有一定影响。

眼动追踪技术发展较为成熟,在各个领域应用广泛。靳慧斌等[7]研究了眼动指标在心理负荷上的应用;杨坤等[8]运用眼动追踪法研究了飞机平视显示器中字符色彩对飞行员的影响。综上所述,飞机座舱界面字符编码研究是必要的,而目前国内从字号等字符编码特征出发的研究极少。在此背景下,现通过眼动追踪实验研究方法,探索字符的字形字体、大小、宽度、字符间距等元素对飞行员的影响,探究飞行员对不同字符编码的识别效率,以期为飞机座舱界面中的字符设计提供理论依据。

1 飞机座舱界面字符编码概念及设计原则

1.1 飞机座舱字符编码

文字是语言的载体,字符则是计算机处理文字信息的最基本抽象元素[9]。字符编码是视觉信息编码方式的一种,配合形状编码、色彩编码对显示信息进行系统编码。优化字符编码可以降低信息加工深度, 激发短时记忆,并唤醒长时记忆。飞机座舱界面中常用的字符包括数字、字母、特殊符号等,这些字符元素通过多维的字符编码方式(字体、尺寸、间距等)显示在飞机座舱界面上,用来传递飞行信息。

飞机座舱界面的信息通常以标记、数值、文本信息在飞机座舱界面中显示,这些信息呈现方式多为字母、数字、特殊符号及其组合[10]。这些字符信息通过数字字母编码、字体字形、字符大小等方式,使飞行员能够准确获取并快速识别。

1.2 飞机座舱界面字符编码设计原则

在复杂的飞机座舱界面中,字符编码的主要目的是确保信息能够准确、高效地传递,从飞行安全角度来看,提升识别效率是字符编码设计的重要原则,字符编码设计应该遵循可读性、易读性、一致性和闭合原则。

1.2.1 易读性原则

易读性原则是指单个字母和短语中字符编码标准。良好的易读性可以使飞行员快速且连贯地识别信息,并迅速地将字符转化为其所指代的意义。从字体设计的角度来看,无论何种字体,其字体字型、笔画宽度都对文字的易读性和识别效率有着显著影响。字体字形相近容易混淆难以辨认;笔画宽度太小注目性不够,笔画宽度太大文字拥挤,同样难以识别。在动态飞行环境下仍需要保证字符信息良好的易读性,防止因误读、误判导致的人为因素事故发生。

1.2.2 可读性原则

可读性原则是指包含大量信息的段落文本的字符编码标准。在确保字符编码满足易读性原则的前提下,协调的字符大小、间距、段落排列方式可以使文本信息更容易被飞行员接受。字符太小看不清细节,字符太大导致注意力分散;字间距过小,字符不易识别,字间距过大,扫视路径长,阅读速度慢。飞机在飞行过程中,需要保证在振动、强光等不利条件下仍然具备良好的可读性。

1.2.3 一致性原则

一致性原则是指字符编码节奏的一致性和在不同使用场景下的统一标准。节奏的一致性可以产生韵律美,协调的字母排列及重复的间距运用可以提高飞行员信息识别效率。字体大小运用重复原则,以保证一致性。在不同的使用场景下,对显示相同功能的字符信息采用同种编码方式,以减少飞行员解码过程中的误差,降低认知负荷。

1.2.4 闭合原则

根据格式塔完形心理学原则,在人的认知系统中,常常将具有视觉暗示的物体进行靠拢合并,比如将开放的图形封闭成一个整体,即人的视觉将这些信息元素相互联系起来,从而使它们保持连续,而非独立存在[11]。字符作为信息的载体,在编码过程中既要满足信息传递要求,也要符合视觉认知特性。在设计字母和数字时,不仅要考虑单独字体字形效果,也要注意整体性,如笔画之间的连续性、字母之间的相互关系等。单独出现的数字或字母既破坏了界面的整体效果,也阻碍了短语的形成,从而影响信息的传递。

2 字符元素提取

现代飞机电子仪表由电子飞行仪表系统(electronic flight instrument system, EFIS)、发动机指示和机组告警系统(engine indication and crew alerting system, EICAS)组成[12]。现代电子仪表系统将复杂的飞行信息集成化,在实现信息综合的同时降低飞行员的工作负荷。相较国内,国外飞行仪表系统发展较早,20世纪90年代便开始使用电子飞行仪表系统,并制定了一系列适航标准。也有一些国外学者在字符大小、类型、颜色等方面进行研究,但对字符元素进行整体而系统的研究较少,且国外标准及研究数据并不一定适用于中国飞行员。

国内外现有民用飞机仪表多采用“T”形布局,两块主飞行仪表同时为主副驾驶提供飞行数据、导航、通信、监视等信息。如图1所示为国产大型客机C919的飞行仪表系统,通过对大飞机C919的主飞行显示器、辅助显示器以及发动机及机组告警显示器中的字符信息元素进行分析,在这3种显示界面中,字符信息通常以数字、字母、数字与字母组合的形式显示。通过总结飞机座舱界面中字符编码元素,构建如图2所示的飞机座舱界面字符编码结构模型。

图1 C919飞行仪表系统Fig.1 C919 electronic flight instrument system

图2 飞机座舱界面字符编码元素Fig.2 Aircraft cockpit interface character encoding element

飞机座舱界面中的字符元素主要分为基础的数字编码、字母编码以及数字与字母的组合编码,以上字符编码元素具备相同的字符编码属性:字体字形、字符大小、笔画宽度、字符间距,这4种字符编码方式是影响飞机座舱界面识别效率的重要元素。

2.1 字体字形

字体字形是文本信息中的一个重要因素,可以影响文本的情感传达以及识别效率[13]。在屏幕尺寸有限的条件下,字体成为影响文字信息识别的关键因素。英文字体可根据笔画处有无额外的装饰分为两大体系:衬线体和无衬线体。无衬线体字形简洁,笔画平直、细节较少,因此在屏幕显示中更为清晰。字体的笔画细节和样式都会都对界面信息的识别效率产生影响,因此可以通过选择合适的字体来提高信息识别效率。

2.2 字符大小

Chung等[14]发现英文字体大小对视觉识别效率的影响有限。在飞机座舱界面设计中,飞机界面中字符大小的相关标准则尚未制定。观察距离对字符大小有很大的影响,字符大小会随观察距离的增加而变大。字符大小同样受字体影响,比较同一种字号下的衬线体和无衬线体,发现无衬线体略大于衬线体。飞机座舱界面上字符大小直接影响飞行员判断决策的速度与准确性。

2.3 笔画宽度

Bernard等[15]对印刷文本中字母笔画宽度与阅读速度的关系进行了研究,并得出中央视觉和周边视觉对阅读速度的影响。笔画宽度决定字体重量,大致可以分为细体、标准体、粗体(Light、Regular、Bold)。笔画宽度会直接影响字母的正负形。字母正负形对字体易读性和识别效率有较大影响,正形和负形粗细对比强烈,也会降低字体的识别。笔画宽度对飞行员信息识别效率有较大影响,笔画宽度过宽或过细均不利于信息识别。

2.4 字符间距

包海默等[16]发现字符间距对文章易读性具有显著影响性。段落文本中的字符间距对易读性有较强的影响,字符间距的调整通常与文本环境及字体字形有关。在屏幕尺寸有限的情况下,可以通过适当增加字符间距提高易读性和可读性。字符间距的调整也是有限度的,过度的调整会使单个字母隔离,从而降低飞行员对整个单词和短语的感知力。

3 眼动实验研究

眼动追踪法是指运用眼动仪记录被试在完成任务的过程中眼球的运动,并提取眼动指标进行数据分析的方法。目前,认知测量方法主要有眼动追踪法和行为绩效法[17]。眼动追踪法被广泛地应用于飞机座舱界面信息的研究中,可以从生理指标的角度反应飞行员的认知负荷。

3.1 实验环境及程序

实验设备为产自美国的Mobile Eye-XG眼动仪。该便携式眼动仪采样率为30 Hz,跟踪分辨率为0.1°,精确度为0.50°,追踪范围为水平±50°,垂直±40°。保持实验室内照度良好(400～800 lx),温度适宜(18～24 ℃),实验过程中保持安静,无噪音干扰。实验计算机屏幕尺寸34 cm×27 cm,被试平视实验计算机,控制视距在600 mm左右,在戴眼动仪完成定标后,要求被试保持头部不动,确保眼动数据的准确性。

实验程序采用E-prime软件进行编写,实验前,对被试进行眼动仪的定标,之后请被试阅读引导语,首先让被试注视屏幕中央“+”形图标,集中注意力。然后随机呈现5组预实验,使被试熟悉测试过程,避免误操作的发生。系统自动记录被试的行为数据。首先呈现500 ms的十字注视点,被试集中注意力,然后是刺激界面,被试需要在该界面进行按键操作,被试按键反馈后出现1 000 ms的空屏,防止被试出现视觉残留。重复此操作直至试验结束。

3.2 实验对象

实验选取12名被试,均为驾驶过塞斯纳-172型模拟飞行器且模拟飞行经验4 h以上的飞行专业本科生。被试视力或矫正视力正常,无色弱、色盲及散光等特殊情况,被试均具有良好的认知能力,无精神疾病及脑部损伤。

3.3 实验材料

根据美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration, FAA):飞行甲板显示和控制设计与人为因素评估[18]字体编码中使用无衬线字体,可以提高字符的可读性。无衬线体设计风格简洁,没有过多的装饰性线条,在飞行过程中降低飞行员的视觉干扰,且适用范围广,抗干扰能力强,即使在极端光照条件下也能够清晰辨认。重点研究文字大小、笔画宽度、字符间距对字体识别效率的影响,为控制变量,字体选择同一字体。在现有通用无衬线常用字体中,Helvetica字体笔画舒展,应用范围广泛,故实验选取字体为Helvetica。

实验共为3组眼动实验,分别研究字符大小、笔画宽度、字符间距对识别效率的影响。为屏蔽其他干扰,有利于注意力集中,实验材料尺寸为297 px×210 px,整体背景模拟真实飞机主飞行显示器(primary flight display, PFD),采用主流主飞行显示器的配色与布局,模拟背景由蓝色“天空”和棕色“大地”两部分组成(色号分别为#3F89C5和#8F4C13)。字符文本以黑的背景白色字符方式呈现,符合真实PFD中常见的文字识别场景。为了屏幕亮度和对比度对识别效率的影响,照度统一控制在实验室室内明亮照明即400 lx,屏幕亮度控制为在此环境照度下比较舒适的470 cd/m2符合《飞机座舱照明基本技术要求及测试方法》(GJB 455—1988)[19]的亮度要求;字符与背景间的对比度大于70%,确保可以清晰准确地传达信息[20]。实验材料上显示无实际意义的文本段落,目标字符在前、中、后3个位置显示,同时设置一张不包含目标字符的界面作为干扰选项。实验材料共计12组,为保证实验材料的随机性,再进行一次重复实验,因此实验材料共计24组。实验任务设计为判断段落中是否有目标字符“TOGETHER”,如有按“A”,反之则按“L”。

测试1为研究飞机座舱界面字符大小对识别效率的影响。为控制变量唯一,笔画宽度统一固定为400W3C,字符间距为0。根据航标规定显示字符大小为5～8 mm[21],这里将字符大小分别设定为8、6.5、5 mm。如图3所示。

图3 字符大小实验材料示意图Fig.3 Schematic diagram of the character size experimental material

测试2为研究飞机座舱界面字符笔画宽度对识别效率的影响。为控制变量唯一,字符大小统一设置为6.5 mm,字符间距为0。设计字符笔画宽度分别为(200W3C/400W3C/600W3C)。如图4所示。

图4 字符笔画宽度实验材料示意图Fig.4 Schematic diagram of the experimental material for character stroke width

测试3为研究飞机座舱界面字符间距对识别效率的影响。为控制变量唯一,字符大小统一为6.5 mm,笔画宽度为400W3C。设置字符间距分别为(间距-100、间距0、间距100)。如图5所示。

图5 字符间距实验材料示意图Fig.5 Schematic diagram of character spacing experimental material

4 数据分析

4.1 行为数据分析

测试1中,6.5 mm字高的反应时最短为10.68 s,5 mm字高的反应时最长为13.89 s。在0.05的显著性水平下,字符大小对反应时有显著影响(F=4.15,P=0.019<0.05)。根据表1中最小显著差异法(least significant difference,LSD)多重比较结果显示,5 mm字高与6.5 mm字高及8 mm字高在反应时上存在显著性差异,而6.5 mm字高及8 mm字高在反应时上无显著性差异。

表1 字符大小实验反应时LSD多重比较Table 1 The character size experiment responds to multiple comparisons of LSD

测试2中400W3C的反应时最短为6.36 s,200W3C的反应时最长为11.50 s。在0.05的显著性水平下,笔画宽度对反应时有显著影响(F=5.01,P=0.012<0.05)。根据表2中LSD多重比较结果显示,笔画宽度400W3C与笔画宽度200W3C及600W3C在反应时上存在显著性差异,而笔画宽度200W3C与笔画宽度600W3C在反应时上无显著性差异。

表2 字符笔画宽度实验反应时LSD多重比较Table 2 Multiple comparison of LSD in experimental response to character stroke width

测试3中间距100的反应时最短为5.55 s,间距-100 的反应时最长为10.15 s。在0.05的显著性水平下,字符间距对反应时有显著影响(F=7.246,P=0.002<0.05)。根据表3中LSD多重比较结果显示,间距100与间距-100及间距0在反应时上存在显著性差异,而间距0与间距-100在反应时上无明显显著性差异。

表3 字符间距实验反应时LSD多重比较Table 3 Multiple comparison of LSD in response to character spacing experiments

4.2 眼动数据分析

柳忠起等[22]用眼动测量设备,通过被试模拟飞行任务研究了注视点百分比、注视时间百分比等眼动指标与飞行员注意力分配及工作负荷的关系。Wilson[23]在真实飞行中进行了眼动测量,研究表明认知负荷的大小与任务难度可以引起瞳孔直径的增加。故本论文使用眼动仪采集总注视时间、注视点百分比和瞳孔直径等眼动指标,综合分析飞机座舱界面中字符编码与识别效率及认知负荷的影响。

4.2.1 总注视时间

测试1中,如图6所示,6.5 mm字高总注视时间最短为1.98 s,被试搜索信息时间短,识别效率较高。5 mm字高总注视时间最长为3.71 s,视觉搜索时间最长,该字符大小识别困难,识别效率低。6.5 mm字高分值最小,说明被试在字符大小实验中完成视觉搜索所产生的负荷最小。如表4所示,6.5 mm字高与另外两种字符高度之间均有显著性差异,5 mm字高和8 mm字高在主观评价量表分值上虽有差异,但不具有显著性。

表4 字符大小实验总注视时间LSD多重比较Table 4 Character size experiment total fixation time LSD multiple comparison

图6 字符大小与总注视时间的关系Fig.6 The relationship between character size and total fixation time

测试2中,如图7所示,600W3C笔画宽度总注视时间最长,说明被试搜索信息花费的时间最长,该笔画宽度被试识别困难,认知效率低。400W3C笔画宽度中注视时间短,被试搜索信息时间短,识别效率高。通过SPSS软件进一步进行数据统计分析,在0.05的显著性水平下,笔画宽度对总注视时间有显著影响(F=5.402,P=0.007<0.05)。如表5所示,400W3C的笔画宽度与200W3C和600W3C在总注视时间上均有显著性差异,200W3C与600W3C在总注视时间上虽存在差异,但不明显。数据表明笔画宽度对总注视时间有显著影响,且400W3C笔画宽度的识别效率更高。

表5 字符笔画宽度实验总注视时间LSD多重比较Table 5 Multiple comparison of character stroke width experiment total fixation time LSD

图7 字符笔画宽度与总注视时间的关系Fig.7 The relationship between character stroke width and total fixation time

测试3中,如图8所示,间距100总注视时间最短为1.67 s,被试在进行视觉搜索花费的总时间最短,识别效率较高。间距-100的总注视时间最长为1.96 s,视觉搜索时间最长,识别效率最低。通过SPSS软件进一步进行数据统计分析,在0.05的显著性水平下,字符间距对总注视时间没有显著影响(F=0.991,P=0.376>0.05)。

图8 字符间距与总注视时间的关系Fig.8 The relationship between character spacing and total fixation time

4.2.2 注视点百分比

测试1中,6.5 mm字高的注视点百分比最小为1.12%,识别效率更高,而5 mm字高的注视点百分比最大为2.04%。进一步对数据进行统计分析,如表6所示,得出在0.05的显著性水平下,字符大小对注视点百分比有显著影响(F=3.762,P=0.026<0.05)。6.5 mm字高与5 mm字高和8 mm字高在注视点百分比上存在显著性差异。

表6 字符大小实验注视百分比LSD多重比较Table 6 Character size experimental fixation percentage LSD multiple comparison

测试2中,400W3C的笔画宽度的注视点百分比最小,识别效率更高。而600W3C的笔画宽度的注视点百分比最大,因此在飞机座舱显示界面中不易应用字重为200W3C的笔画宽度。反之600W3C的笔画宽度识别绩效相对较好可以用于飞机座舱的显示字体设计中。进一步对数据进行统计分析,如表7所示,得出在0.05的显著性水平下,笔画宽度对注视点百分比有显著影响(F=3.246,P=0.047<0.05)。400W3C的笔画宽度与200W3C和600W3C在注视点百分比上存在显著性差异,200W3C与600W3C在总注视时间上虽存在差异,但不显著。数据表明笔画宽度对注视点百分比有显著影响,且400W3C笔画宽度的识别绩效最高。

表7 字符笔画宽度实验注视百分比LSD多重比较Table 7 Character stroke width experimental fixation percentage LSD multiple comparison

测试3中,如图9所示,间距100的注视点百分比最小为0.73%,绩效最高。间距-100的注视点百分比最大为0.96%,绩效最低。经过SPSS分析得出(F=0.843,P=0.435>0.05)注视点百分比数据之间不存在显著性差异。

图9 字符间距与总注视百分比的关系Fig.9 The relationship between character spacing and total fixation percentage

4.2.3 瞳孔直径

测试1中,6.5 mm字高的瞳孔直径最小,认知负荷最小,被试在6.5 mm字高下处于舒适状态;而5 mm字高的瞳孔直径最大,被试在5 mm字高下容易产生较大的心理负荷。

测试2中,200W3C的笔画宽度的瞳孔直径最小,认知负荷最小;而600W3C的笔画宽度的瞳孔直径最大,认知负荷最大。

测试3中,其中间距0的瞳孔直径最小为2.69 mm,认知负荷最小,被试在0间距下处于舒适状态;而间距-100的瞳孔直径最大,被试在间距-100下容易产生较大的心理负荷。通过SPSS软件进一步进行数据统计分析,在0.05的显著性水平下,字符间距对瞳孔直径有显著影响(F=3.54,P=0.04<0.05)。间距0与间距100在瞳孔直径上存在显著性差异。

5 结论

从飞机座舱界面字体编码元素出发,提取了字体字形、字符大小、笔画宽度、字符间距4个字体编码元素,对飞机座舱界面中的字符元素进行了更加系统且全面的研究,结果表明设计优化字体在一定程度上可以有效降低信息加工负荷,并提升用户对信息的识别效率,对后续的飞机座舱界面研究存在参考价值。

由于飞机座舱字体多为无衬线字体,以界面显示推荐的Helvetica字体作为实验选定字体,在控制观察视距为600 mm、屏幕亮度对比度为舒适范围的前提下,以字符大小、笔画宽度、字符间距作为实验变量展开研究,对不同字符编码特征属性进行了行为数据、眼动实验分析,得到字符大小、笔画宽度、字符间距的识别效率及认知负荷,得出以下结论。

(1)字符大小对被试反应时有显著性影响。6.5 mm字高在段落文本中反应时最短,说明字符大小6.5 mm更易识别。行为数据结果表明字符大小对被试信息识别效率影响显著。

(2)字符大小对总注视时间有显著性影响,其中6.5 mm字高总注视时间最短,说明6.5 mm字高识别效率高。字符大小对注视点百分比有显著性影响,其中6.5 mm字高注视点百分比最小,说明6.5 mm字高信息传递效率更高。字符大小对瞳孔直径虽有影响,但不显著。

(3)笔画宽度对被试反应时有显著影响。400W3C笔画宽度在段落文本中更容易辨识。行为数据结果表明笔画宽度对被试信息识别效率影响显著。

(4)笔画宽度对总注视时间有显著性影响,其中400W3C笔画宽度总注视时间最短,说明400W3C笔画宽度识别效率高。笔画宽度对注视点百分比有显著性影响,其中400W3C笔画宽度注视点百分比最小,说明400W3C笔画宽度信息传递效率更高。笔画宽度对瞳孔直径虽有影响,但不显著。

(5)字符间距对被试反应时有显著性影响。间距100在段落文本中反应时最短,说明间距100更易识别。行为数据表明字符间距对被试信息识别效率影响显著。

(6)字符间距对总注视时间虽有影响,但不显著,间距-100的总注视时间最长,间距100总注视时间最短。字符间距对注视点百分比虽有影响,但不显著。间距-100的注视点百分比最大,间距100注视点百分比最小。字符间距对瞳孔直径有显著性影响。间距-100瞳孔直径最大,而间距0的瞳孔直径最小。