人機顯示界面中的文字和位置編碼

張 磊 莊達民

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院,北京 100191)

人機顯示界面中的文字和位置編碼

張 磊 莊達民

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院,北京 100191)

飛行員在駕駛飛機的過程中需要用到大量的信息,對信息進行合理的編碼可以提高駕駛安全性.根據研究的需要,開發一個用于工效實驗的作業任務模型.通過測量被試完成作業任務的正確率和反應時間,結合眼動儀測得的眼動數據,分析文字和位置編碼對信息辨識的影響,為顯示界面適人性設計提供科學依據.實驗結果表明:人對文字信息的辨識受到位置編碼影響,位置編碼方式與視野范圍和注意力分配策略相關;中心位置的辨識效率優于邊緣位置,左側位置優于右側位置;中文信息的辨識效果優于英文信息,實際應用時應考慮母語的影響.

界面設計;編碼;眼動;人機工效

飛機駕駛艙是信息高度密集的特殊環境.隨著飛機性能的提高和顯示信息的日益增多,飛行員對飛機控制信息的傳感及顯示裝置的依賴性也不斷增加.在通信系統通道中實現信息傳遞需要對信息進行編碼,人的感覺信息的傳遞也是以各種編碼方式進行的.對顯示信息進行合理的視覺編碼可以大大提高信息的辨識精度和速度[1].視覺編碼是指用顏色、數字、字母、圖形等視覺刺激對信息進行編碼,分為單維視覺編碼和多維視覺編碼.單維視覺編碼是指用一種視覺刺激對信息進行編碼;多維視覺編碼是指將兩種或多種視覺屬性結合起來作為代碼的信息編碼方式[2].視覺編碼對信息辨識的影響,需要通過工效實驗來進行研究.外國學者對此進行了一些研究,如文獻[3-4]研究了數字顯示和圖形顯示信息的辨識效率;文獻[5]就亮度對信息辨識的影響進行了實驗研究;文獻[6]研究了顏色和亮度編碼對電子地圖信息辨識的影響.但由于國外的研究成果均是以本國人作為被試而得出的,是否適用于中國飛行員值得商榷.國內的研究主要集中在不同形狀和顏色編碼信息的辨識情況[7-8],以及信息顯示界面的顏色匹配特性[9-10].關于文字和位置編碼對信息辨識的影響,目前還無相關報道.

隨著我國大飛機項目的啟動和大量新型設備裝備與國產戰機的研制,如何設計出適合中國飛行員特點的人機界面,是一個亟待解決的問題.本研究以自主開發的飛機信息顯示界面模型為背景開展實驗.以正確率和反應時間作為績效評價指標,結合眼動儀測得的眼動數據,就文字編碼和位置編碼對信息辨識的影響進行探討,為我國新型飛機顯示界面的工效學設計提供參考.

1 實驗方法

1.1 實驗儀器和材料

飛機信息顯示界面模型利用 Visual C++6.0計算機編譯技術開發,通過分析飛行員駕駛戰斗機過程中的任務特征,模型確定了 4個任務界面.上方有 3個界面,從左到右依次為儀表監視信息界面、計算記憶信息界面和攻擊信息界面;下方界面為文字信息界面.界面作業信息呈現在 17英寸的 IBM液晶顯示器上,采用 1024×768像素分辨率,屏面亮度為 68 cd/m2.被試通過標準鍵盤等計算機硬件進行人機信息交互.眼動分析系統采用瑞典Smart Eye公司開發的無接觸式眼動記錄儀,可實時記錄被試在實驗過程中的眼動數據.

1.2 實驗設計

根據研究的需要,將文字信息界面設置為本次實驗的主任務界面.采用 2×4被試內設計.因素 1為文字編碼,包括中文和英文兩種水平,文字內容根據飛行操作的需要選取;因素 2為位置編碼,參考實際飛行儀表界面的設計,選取如圖 1所示的 4種位置水平,從左到右分別為位置 1(左上)、位置 2(左中)、位置 3(右中)和位置 4(右上).文字編碼由主試在實驗前進行設置,目標文字出現位置由計算機隨機確定.為檢驗各因素內部不同水平間有無差異,及兩個因素間是否存在交互作用,采用析因實驗設計.

圖1 主任務界面

實驗開始后,首先在界面上方 4個位置出現一組文字信息,被試的任務是從中找出指定的目標文字出現位置,并按指定鍵.計算機將自動記錄被試完成作業任務的正確率和反應時間,眼動儀自動記錄被試對主任務界面不同位置的注視次數.其他 3個界面為次要任務界面,主要用于模擬實際飛行過程中的多任務狀態,被試需要在完成主任務的同時盡量完成次要任務.完成次要任務的情況將作為檢驗被試是否專心于實驗的標準.界面背景色為航空界面中常用的黑色,字符色根據文獻[9]的結論選擇易于辨識的紅色.

1.3 實驗程序

實驗前主試根據不同的被試情況,對眼動儀進行設置.并通過計算機屏幕向被試呈現指導語,使其了解實驗過程、熟悉實驗操作方法及實驗要求.被試看完指導語后進行練習,待熟練掌握實驗操作方法后轉入正式實驗.正式實驗開始后,被試坐于距離顯示器屏幕 600mm的座椅上,完成不同文字編碼的 2次實驗,每次實驗 8min,實驗間有5m in休息時間.眼動儀將自動記錄被試在完成實驗過程中的眼動數據.

1.4 被 試

被試為 16名北京航空航天大學在校學生(男 12人,女 4人),年齡在 21～29歲之間,無色盲和色弱,矯正視力在 1.0以上.

2 結果及分析

被試對不同文字和位置編碼目標辨識的正確率和反應時間見圖 2和圖 3.

圖2 信息辨識的正確率

圖3 信息辨識的反應時間

就正確率而言,兩因素重復測量方差分析表明:在 0.05顯著性水平上,文字編碼和位置編碼的主效應都不顯著(P=0.247,P=0.902);文字編碼與位置編碼的交互效應也不顯著(P=0.820).就反應時間而言,兩因素重復測量方差分析表明:在 0.05顯著性水平上,文字編碼的主效應不顯著(P=0.604);位置編碼的主效應非常顯著(P=0.000,P＜0.001);文字編碼與位置編碼的交互效應不顯著(P=0.997).位置編碼的主效應對反應時間的驗后多重比較檢驗結果見表 1.

表 1 文字位置主效應對反應時間的驗后多重比較檢驗

眼動儀測量的眼動數據如圖 4和圖 5所示.

圖4 不同位置區域中文信息眼動熱點圖

圖5 不同位置區域英文信息眼動熱點圖

3 討 論

實驗結果表明,文字編碼與位置編碼對正確率和反應時間的交互作用均不顯著.也就是說,在多任務多界面的復雜條件下,兩種編碼方式之間沒有相互影響.故分別對兩種編碼方式及其組合的影響進行探討.

3.1 位置編碼探討

由圖 4和表 1可知,被試對位置 2和位置 3的文字信息的反應時間明顯快于位置 1和位置4.這是由于位置 2和位置 3處于人的視野中心位置,文字信息落在視網膜的中央窩或負中央窩,而位置 1和位置 4上的信息可能落在視網膜的邊緣視覺區.有研究表明,人對信息的語義加工只能在中央窩或負中央窩上進行[11].所以,對于位置 2和位置 3上的信息,被試無需掃視,在極短的時間就可以識別.而對位置 1和位置 4上的信息則需要進行眼動的掃視搜索才能得到識別,這就增加了信息辨識的時間.

中樞能量理論將注意看作人能用于執行任務的數量有限的能量或心理資源[12-13].人完成作業的程度受所分配資源的限制,得到的資源較多,這種過程便能順利地進行.圖 4和圖 5的眼動數據表明,被試對位置 2和位置 3的注視次數明顯多于位置 1和位置 4,這說明被試分配更多的注意力在位置 2和位置 3上,使出現在該位置的信息的辨識時間增加.

分配注意力多的位置,信息辨識正確率應該較高.但結果卻表明 4個位置信息辨識的正確率相差不大.這可能是由于在實驗過程中,被試需要根據目標信息出現的位置按壓鍵盤上 4個位置相鄰的按鍵做出反應.位置 1和位置 4對應的按鍵均只有 1個相鄰鍵,而位置 2和位置 3對應的按鍵均有 2個相鄰鍵,這就增加了被試正確辨識的難度,從而使位置 2和位置 3信息辨識的正確率降低.在對信息進行位置編碼時,不能只考慮視野的影響,還要注意各位置之間的相互影響.同時,發現被試對左側位置信息的反應快于右側信息(位置 1＞位置 4,位置 2＞位置 3),并且正確率也是左側略高于右側,與文獻[14]得出的結論相同.人眼的自然掃視規律是從左到右,順時針進行注意掃視[15].這意味著在速視條件下,注意力從注視點向左比向右轉移速變快,因而造成左側位置比右側位置識別效果好.

3.2 文字編碼探討

由圖 3和圖 4可知,中文信息的辨識速度和準確性均高于英文信息,兩者之間的差異并不顯著.認知科學中的特征整合理論認為視覺系統對圖形的加工是一個從提取圖形局部特征到獲得圖形整體特征的自下而上的加工過程[16].由于中文和英文屬于兩種不同的符號系統,英文單詞是從左到右線性排列的字符串,不易形成知覺的整體性;而漢字是方塊字,集中在一個方塊中,與視網膜中央窩的聚焦廣度比較匹配,容易形成知覺整體性.因此使中文信息的辨識效率優于英文信息.另外,人對信息的加工有自動加工和控制加工兩種方式.當人對某一領域的信息較熟悉時,常采用自動加工的方式來獲取信息,反之,會采用控制加工的方式.控制性加工需要應用注意,其容量有限;而自動加工無需應用注意,加工速度快于控制性加工.本實驗所選被試均是以漢語作為母語.受母語的影響,被試對中文信息的熟悉程度較高,采用自動加工來獲取信息;而對英文信息相對陌生,對其加工應屬于控制性加工.所以,在相同的呈現時間內,被試對中文信息辨識的正確率和反應時間均優于英文信息.

3.3 組合編碼探討

由于顯示信息的多樣性和復雜性,有時單維編碼無法滿足設計要求,這就需要采用多維編碼方式.當使用文字和位置進行組合編碼時,由圖 3可知,對于需要準確辨識的信息,不同組合的編碼信息辨識效率差別不大,建議采用位置 2/中文、位置 2/英文的組合編碼.由圖 4可知,對于需要快速辨識的信息,位置 2/中文、位置 3/中文、位置2/英文、位置 3/英文的組合適合作為組合編碼方式,其他組合不太適合.

4 結 論

本實驗是在多界面多任務的仿真模型上開展的,其結論適用于飛行員需要適當分配其注意力的情況.根據實驗結果,可以得出以下結論:①位置編碼對信息辨識的影響顯著,位置編碼的優劣與視野范圍和注意力分配策略相關;②界面中心位置的辨識效率優于邊緣位置,左側位置優于右側位置;③文字類型對信息辨識的影響不顯著,相同呈現時間內,中文信息辨識效果略優于英文;④采用文字編碼時要考慮母語的影響.考慮到實驗因素的可控性,本研究僅對顯示界面上方不同位置的編碼方式進行了研究,關于其他位置的編碼方式可以利用同樣的實驗方法得出.

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(編 輯 :李 晶)

Text and position coding of human-machine display interface

Zhang Lei Zhuang Damin

(School of Aeronautic Science and Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

In process of operating aircraft,pilots need to use large amounts of information.So reasonable coding of information can improve driving safety.According to research requirements,a task model was developed for the ergonomics experiment.After subjects complete the tasks,their correct rate and reaction time were measured.Combined the measured results with eye movement data,the impact of text and position coding on information identification was analyzed to provide a scientific basis for the ergonomics design of information interface.Experimental results show that subject's identification of the text information is affected by the position coding.And position coding relates to vision scope and attention allocation strategy.Identification efficiency of the center is better than the periphery,and the left position is better than the right position.Identification efficiency of Chinese information is better than English,the impact of mother tongue should be considered in the practical application.

interface design;coding;eye movement;ergonomics

R 857.1;B 842.1

A

1001-5965(2011)02-0185-04

2009-12-18

國家 973計劃資助項目(2010CB734104)

張 磊(1983-),男,河北邯鄲人,博士生,zhangleibuaa@126.com.