顯示界面字符編碼工效設計與分析

周穎偉 莊達民 吳 旭 完顏笑如

（北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191）

在飛行活動中，飛行員主要依靠視覺通道接收引導信息和飛行指令［1］.文字和符號作為視覺信息的重要組成部分，在顯示界面上的辨識績效直接影響飛行員判斷決策的速度與準確性，因此成為工效學研究的重要內容.

國內外學者對此進行了一些研究.文獻［2］運用亮度和閃光作為加亮方式，對于符號的形狀和顏色進行研究，得出符號形狀、顏色影響搜索時間的結論.文獻［3］對多信息通道下不同顏色編碼和空間位置的信息辨識情況進行了研究.文獻［4－7］通過設定多種任務研究了不同符號、文字的顏色、位置、形狀的辨識績效.這些研究主要探討了字符編碼顏色、位置、形狀的認知特性，對顯示界面中字符編碼設計提出了一系列有價值的研究結果.但在實際應用中，字符編碼的辨識績效會受到更多因素的影響.如良好的光照也是信息顯示可靠性的一個重要保障［8］.目前，國內外對于光照的研究集中在日常工作條件下電子顯示終端認讀方面，如文獻［9］研究了光照對不同電子顯示器亮度對比度和顏色域的影響，文獻［10－11］對電子紙閱讀績效從光照條件、字號、行間距等方面作了豐富的研究.以上研究得到的多為一維和二維編碼交互作用的定性化結論，缺乏多維編碼及環境因素的綜合性研究，未建立定量化數學模型.

本研究結合航空人機工效學相關標準和人的認知特性，采用靜態模擬實驗法，選取反應時間和反應正確率作為工效評價指標，對顯示界面中字符種類、字符高度、顏色匹配與光照條件、視距進行定量化探討，建立了字符編碼設計的數學模型.研究結果可為我國飛機駕駛艙顯示界面的字符編碼設計提供參考.

1 實驗方法

1.1 實驗設備

實驗程序采用Visual C＋＋6.0進行編譯，并集成到飛行模擬駕駛艙.實驗界面基于模擬駕駛艙內32寸液晶顯示器，采用1 440像素×900像素分辨率.被試通過標準鍵盤進行人機交互.模擬駕駛艙為全封閉型，艙內光源為白色熒光燈（6 500K），光照強度可根據實驗需要調節.

1.2 被 試

被試為32名北京航空航天大學具有相關航空知識背景的在讀研究生，男生20人，女生12人，年齡在23～29歲之間，平均身高171.3cm，無色盲、色弱，矯正視力在1.0以上.

1.3 實驗設計

根據研究需要，實驗分為兩個層次.第1個層次采用4×8×8混合設計.因素1為光照水平（lx），包括0，200，400和600.因素2為字符種類，包括中文、英文、數字和5個符號：■、◆、●、★、▲，編碼的選擇參照文獻［12］中常用文字和基本符號，字體均為黑體.因素3為字符高度（mm），包括5，6，7，8，9，11，14和18.其中，因素1為被試間設計，因素2，3為被試內設計.第2個層次采用4×4被試內設計.因素1為背景顏色，包括黑色（RGB（0，0，0））、灰色（RGB（211，211，211））、白色（RGB（255，255，255））和青色（RGB（0，255，255））.因素2為字符顏色，包括紅色（RGB（255，0，0））、綠色（RGB（144，238，144））、藍色（RGB（0，0，255））、黃色（RGB（255，255，0））.背景顏色和字符顏色的選擇參考了波音飛機儀表信息常用色.

字符編碼呈現方式采用快速系列視覺呈現方式.顯示界面中心區域的上、下、左、右位置同時呈現1種字符編碼的4個信息作為一個視覺刺激，如中文“導航、系統、雷達、預警”，呈現方位隨機，被試辨識指定的目標編碼，如“導航”所在方位后按下鍵盤上相應的方向鍵做出反應.系統自動記錄被試的反應時間和反應正確率.實驗設定一個完整的視覺刺激序列包含64個同等光照水平、字符種類、字符高度的視覺刺激.參考文獻［13］及通過預實驗，設定刺激呈現時間為1.2s.根據光照因素，將被試分為4組，每組8人，每名被試完成64個刺激序列的實驗（8個字符種類×8種字符高度）.16種顏色匹配方式（4種字符顏色×4種背景顏色）在每個刺激序列的64個刺激中等概率隨機出現.為使各因素在被試間平衡，實驗時字符種類和字符高度順序隨機.

1.4 實驗程序

實驗前對被試進行訓練，待熟練掌握實驗操作方法后開始實驗.實驗開始時，被試坐于顯示器前的座椅上，視距為1 500mm，軀干用肩帶固定以保持視距不變.實驗需82min，實驗間有4次休息間隔，每次休息10min.

2 實驗結果及分析

2.1 光照水平、字符種類、字符高度結果分析

4種光照水平下被試對8種字符編碼目標辨識的平均反應時間和平均反應正確率見圖1和圖2.

方差分析表明，在0.05顯著性水平上，就反應時間而言，字符種類、字符高度的主效應顯著（P＜0.001，P＜0.001），光照水平不顯著（P＝0.168）；字符高度與字符種類的交互效應顯著（P＜0.001），與光照水平的交互效應也顯著（P＝0.041），三者的交互效應不顯著（P＝0.960）.

就反應正確率而言，光照水平、字符種類、字符高度的主效應顯著（P＜0.001，P＜0.001，P＜0.001）；字符高度與字符種類的交互效應顯著（P＜0.001），與光照水平的交互效應不顯著（P＝0.301），三者的交互效應不顯著（P＝1.000）.

由圖1和圖2可知，無論以反應時間還是反應正確率作為績效指標，8個字符編碼按照績效均值均可分為3類：績效較差的是中文和英文，兩種編碼的辨識績效差異不顯著（P反應時間＝0.490，P反應正確率＝0.880）；績效居中的是數字和◆；績效較好的是■、●、★、▲，其中★績效稍差，■、●、▲績效差異不顯著.由于3組字符之間的辨識績效差異顯著，因此對實驗結果進行分組處理和分析.第1組為文字，包括中文和英文，績效均值為M反應時間＝695.0ms，M反應正確率＝70.9%；第2組為數字，包括數字和較難辨認的圖形，如◆，績效均值為M反應時間＝643.6ms，M反應正確率＝80.7%；第3組為普通符號，包括▲、★、■、和●，績效均值為M反應時間＝543.9ms，M反應正確率＝92.7%.

圖2 8種字符編碼辨識的平均反應正確率

2.2 字符高度、字符顏色、背景顏色結果分析

方差分析表明，在0.05顯著性水平上，就反應時間而言，字符顏色、背景顏色的主效應顯著（P＜0.001，P＜0.001）；字符顏色與背景顏色的交互效應顯著（P＜0.001）；字符高度與字符顏色的交互效應顯著（P＝0.010）；與背景顏色的交互效應也顯著（P＜0.001）；三者的交互效應不顯著（P＝0.148）.就反應正確率而言，字符顏色、背景顏色的主效應顯著（P＜0.001，P＜0.001）；字符顏色與背景顏色的交互效應顯著（P＜0.001）；字符高度與字符顏色的交互效應顯著（P＜0.001），與背景顏色的交互效應也顯著（P＝0.049）；三者的交互效應顯著（P＜0.001）.

由實驗結果可知，不同顏色匹配的辨識績效差異顯著，為了分析績效辨識規律，用快速聚類法將16種顏色匹配方式的辨識績效分為3類，第1類績效較好，第2類績效中等，第3類績效較差.結果見表1.

表1 顏色匹配績效及聚類分析（均值＋標準差）

2.3 建立字符編碼設計數學模型

由實驗結果可知，光照水平、字符種類、顏色匹配對字符編碼的辨識績效均有影響.由于飛行操作時對于顯示界面中信息的辨識績效要求較高，如美軍標 MIL-STD-1787C中要求信息顯示形式的異常姿態操作反應時間在1s內，反應正確率在95%以上才可接受［14］，因此為滿足此類定量化要求，需建立字符編碼設計的數學模型.

2.3.1 建立字符編碼設計關系式

［13］中英文字符設計關系式，建立字符高度與光照水平、字符種類、顏色匹配、視距的數學模型，見式（1）.

其中，H為字符高度（mm）；D為視距，即眼睛至被觀察物體的直線距離（mm）；0.002 2為與視距相關的系數，取值參考了文獻［13］.Ii為光照水平（ambient illumination），本實驗中包括I0，I200，I400，I600；Ti為字符種類（character type），包括T文字，T數字，T符號；Ci為 顏 色 匹 配 （color matching），包括C1，C2，C3，分別代表顏色匹配好、中、差3個分組.式（1）中，D為自變量，Ii，Ti，Ci為各影響因素的系數.通過對實驗數據分析擬合，得到各系數取值，即可確定各因素條件下視距與字符高度的線性關系，為一定視距下的字符高度提供工效學參考.

2.3.2 計算臨界字符高度

以美軍標MIL-STD-1787C的要求作為辨識績效臨界值，計算達到該要求時臨界字符高度.

將實驗數據按照4個光照水平、3個字符種類和3組顏色匹配分別進行對數函數擬合，得到36個反應時間方程和36個反應正確率方程，圖3為600lx時文字編碼的反應正確率擬合結果.根據函數方程，分別計算反應時間為1 000ms，反應正確率為95%時字符高度H正確率和H反應時間，取二者中較大值作為臨界字符高度H'，最終得到36個臨界字符高度，范圍為3.3～34.9mm.

圖3 600lx文字編碼反應正確率擬合圖

2.3.3 確定各因素取值

令式（1）中H取臨界字符高度，建立36個函數方程，組成超定方程組，見式（2）.

解式（2），得到Ii，Ti，Ci的最優取值，見表2.

表2 光照水平、字符種類、顏色匹配最優取值表表內容

3 討 論

3.1 光照水平探討

實驗結果表明，0～600lx范圍內的4個光照水平對字符高度的影響差異較小.這可能是因為電子顯示界面作為發光體，其自身亮度能夠滿足人眼的視覺需求，即使在無光照時也能有較好的辨識績效.實驗時采用屏幕亮度計對8種顏色的屏幕亮度進行了測定，結果表明4個光照水平下，黑色、藍色亮度變化為0cd／m2，紅色為4cd／m2，綠色為5cd／m2，白色和青色為8cd／m2，灰色和黃色為9cd／m2.由此可知，8種顏色的屏幕亮度對比度變化較小.本實驗4個光照水平中，600lx光照水平時字符編碼的辨識績效最好，進一步的兩因素驗后多重比較結果表明，0lx光照水平下8種字符高度的績效差異最大，600lx時績效差異最小，因此本實驗條件下600lx為最佳光照水平.然而，過強的光照會引起屏幕眩光，影響辨識績效，因此對于更高光照水平下的字符編碼設計需要進一步研究.

3.2 字符種類探討

由圖1和圖2可知，8個字符種類的績效差異顯著.績效分析表明，符號的辨識績效明顯好于數字，數字的辨識績效明顯好于中文、英文.兩因素驗后多重比較結果表明，符號在8種字符高度下的績效差異小于文字和數字.這種顯著性的差異可能源于人的視覺加工方式和認知特性.知覺加工包括3種：自下而上的特征分析、整合、自上而下的加工［15］.本實驗中符號形狀簡單，且未賦予特殊意義，屬于自下而上的加工.中文、英文、數字等形狀復雜，且具有特定意義，屬于自上而下的加工，故符號與文字、數字的辨識績效差異較大.中文、英文與數字相比筆畫多，辨識難度相對較大，因此績效較差.中文與英文相比雖然中文字體更復雜，但作為母語，被試對中文的知覺加工速度更快，故兩種文字辨識績效相差不大，此結果與文獻［6］相同.

3.3 顏色匹配方式探討

由結果可知，3組顏色匹配分類對字符編碼辨識績效的影響差異顯著.深入分析表明，同一字符色與不同的背景色匹配后辨識績效不同.如黃／黑的字符／背景色的辨識績效較好，黃／白則績效較差.考慮到某些復雜顯示界面，如新型飛機設計中逐漸成為主流的平視顯示器，由于顯示背景不斷變化，字符設計則不宜考慮單一背景色，應考慮辨識績效的穩定性.從實驗結果來看，4種背景顏色下辨識績效較好且較穩定的是紅色，其后依次是藍色、黃色、綠色.

3.4 數學模型探討

本研究以文獻［13］中Peters等人的結論為基礎，根據光照水平、字符種類和顏色匹配對字符編碼辨識績效的影響，對各因素內的水平進行分類，依據相關標準，建立了適用于多種光照水平及顏色匹配條件下文字、數字、符號的字符高度數學關系模型.該模型將光照水平（Ii）、字符種類（Ti）和顏色匹配（Ci）作為修正系數，對字符編碼的辨識條件進行了較詳細的分類.依據公式（1）及表2，可計算4種光照水平和3組顏色匹配條件下，3個字符種類在特定視距時，辨識績效達到反應時間1 000ms以內，反應正確率95%以上的字符高度.例如，當視距D＝457mm，在600lx光照水平下（I600），顏色匹配效果最優（C1）時，符號（T符號）的字符高度為1.5mm，該結果與文獻［16］中對重要信息字符高度為1.5mm的要求一致.

4 結 論

在本實驗條件下，研究結果表明：

1）電子顯示界面中，0～600lx的光照水平變化對于字符編碼辨識績效的影響較小.

2）文字、數字和普通符號的辨認績效差異顯著，文字辨識績效較差，數字績效中等，普通符號績效較好，故為達到較好的辨識績效，文字與數字、符號相比應適當增加字符高度.

3）顏色匹配方式對字符辨識績效的影響差異顯著.黃／白、綠／青的字符／背景色匹配辨識績效較差，建議在顯示界面中盡量避免使用.

4）為了滿足辨識績效達到反應時間小于1 000ms，反應正確率高于95%的要求，本研究建立了字符編碼設計的數學模型，用于計算各影響因素下特定視距時字符編碼的高度，為人機顯示界面字符編碼設計提供定量化參考.

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