基于視覺搜索的飛機顯示界面設計原則

范曉麗，周前祥*，柳忠起，解芳

(1.北京航空航天大學 生物與醫學工程學院，北京100191;2.中國北方車輛研究所，北京100072)

隨著航空科學技術的發展，盡管現代飛機設計中充分利用了高科技成果，使自身的設計日漸完善，從而使固有的故障大幅度減少，但是隨著飛行高度、速度、巡航時間的不斷增加以及顯示系統、操作系統的自動化，任務都逐漸集中到一人或少數幾個人來完成，使飛行員的生理、心理承受的負荷越來越大，因工效學問題考慮不當而導致飛行故障成為制約飛行安全的主要因素［1－2］.視覺是人重要的信息獲取渠道，大約80% ～90%的信息來自于視覺.飛行員在飛行過程中，中樞神經和視覺器官始終處于注意力集中的緊張狀態:不斷進行信息收集、分析、判斷、發出指令等處理過程.信息接收－分析－處理過程是引起眼疲勞和中樞神經系統疲勞的主要因素［3］.因此，在飛機座艙界面設計時應考慮飛行員的視覺認知特點［4］.

在飛行活動中，飛行員除了需要監視外部環境的變化，還要了解自身戰機的飛行狀況.系統的工作條件參數、輸入參數、工作狀態參數等，大多數都是由顯示儀表傳遞給飛行員的.飛行員需要時刻通過視覺搜索座艙顯示界面的儀表群，對目標儀表信息進行監視判斷，進而實施對系統的操縱與控制.但是，隨著飛機性能的提高，座艙儀表明顯增多，搜索難度增大，雖然目前綜合顯示儀表被廣泛應用，對減少座艙儀表起了很大的作用，但沒有從根本上改善這一狀況.飛行員視覺搜索的過程還受時間限制，不能隨心所欲搜索到任何時刻，即面臨著一定的時間壓力.時間限制和搜索難度構成的綜合壓力會對人的生理和心理產生影響，進而導致搜索績效改變［5－6］.

目前國內外關于座艙視覺顯示界面工效的研究多集中于如何對信息進行編碼(字符種類、符號形狀、大小、顏色、背景色、亮度、對比度等)以提高辨識效率以及如何通過視區劃分來對顯示界面進行布局等方面［7－9］，而關于顯示界面視覺搜索設計的工效學研究還未見相關的報道.本文通過視覺搜索程序來模擬飛行員在飛行過程中通過視覺搜索來監視界面復雜的儀表信息過程，并通過設置不同的時間壓力水平和搜索難度水平來研究其對視覺搜索績效的影響，研究結果將為我國新型飛機顯示界面的工效學設計提供科學依據.

1 研究方法

1.1 志愿者

研究生，共10人，年齡23～30歲，視力矯正在1.0以上，均為右手使用鼠標且使用靈活.

1.2 實驗任務及界面設計

采用C++語言設計了視覺搜索程序并將其在屏幕分辨率為1 440×900，尺寸44 cm，亮度為68 nit的計算機上運行.搜索程序界面如圖1所示，界面中搜索區域出現的符號分別表示不同的虛擬儀表，其中，表示靶子，、、、、、、為干擾項.程序界面左上一欄設有屏顯時間和行/列數(n)參數輸入框，屏顯時間代表每幅搜索畫面呈現的時間;行/列數輸入值是指將搜索區域分成n×n個小區，n×n個虛擬儀表隨機呈現在這些小區中，即干擾項數為 n×n－1(圖1中n=4).實驗中，不同的屏顯時間代表不同水平的時間壓力，不同的干擾項數目代表不同水平的搜索難度.在重復呈現的畫面中可能“有靶子”，也可能“沒有靶子”，有靶子的概率是50%.實驗開始后，每呈現一幅畫面時，需志愿者觀察是否有靶子符號:①若發現靶子，則迅速按下鼠標左鍵;②若通過搜索之后確定沒有靶子則按鼠標右鍵;③有限屏顯時間范圍內若不確定是否有目標或者無法確定沒有目標，則此時不做反應.實驗程序會自動記錄每次操作的正確性和反應時間.

圖1 搜索程序界面Fig.1 Visual search program interface

1.3 實驗條件控制

由于人類視野中不同的空間位置有著不同的視覺搜索績效［10］.為減少空間位置對本實驗的影響，在設計視覺搜索程序時，將搜索區域(灰色部分)置于屏幕的最佳視區范圍內.選擇不同的行/列參數對搜索區域進行劃區時，整個搜索區域的位置和尺寸是保持不變的，發生變化的是虛擬儀表群的數目以及密度，搜索難度程度因此而發生變化.其次，實驗安排在一個相對比較安靜的實驗室，便于集中精力.室內照明條件良好，符合GJB455—88標準.另外，在實驗過程中允許志愿者自由選擇坐姿，放置鼠標以及調整顯示器的角度，以減輕身體疲勞對監視作業的影響.

1.4 實驗步驟

1.4.1 預實驗

選取4名志愿者進行預實驗，通過設置不同屏顯時間和干擾項數來探測是否滿足實驗以及實驗數據量的需要，綜合考慮人的腦力負荷承載、疲勞等因素，最后結合主觀問卷調查來確定屏顯時間和干擾項數范圍，如表1所示.

表1 視覺搜索任務平均反應時間和正確率Table1 Average reaction time and accuracy of visual search task

1.4.2 正式實驗

實驗準備階段，主試首先向志愿者宣讀指導語并讓其練習，志愿者確信自己完全理解實驗要求并熟悉整個實驗流程后進入正式實驗.實驗開始前，主試首先輸入每組實驗對應的屏顯時間、干擾項數目以及志愿者姓名.同時要求志愿者盯著視野搜索區域中央的“﹢”，點擊右上角的“開始”按鈕開始實驗.每組實驗結束后，志愿者可根據個人情況進行休息和調整.

2 結果

2.1 屏顯時間、干擾項數對正確率的影響

程序記錄了10名志愿者的實驗結果，對反應正確率數據進行統計見表1.將屏顯時間和干擾項數量視為對反應正確率影響的兩個因素，應用SPSS進行雙因素方差分析，得到結果如表2所示.由表2可知，屏顯時間(F=157.2，P＜0.05)和干擾項數(F=140.2，P＜0.05)分別在 α=0.05的顯著性水平下主效應顯著，它們之間的交互效應顯著(F=18.1，P＜0.05).進一步通過簡單效應分析，來探討屏顯時間和干擾項數之間關系.根據被試內因素實驗編寫相應程序，結果見表3.由表可見，屏顯時間在不同干擾項數水平下具有顯著性差異(均有P＜0.05).反之，干擾項數在不同的屏顯時間水平下也具有顯著性差異(均有P＜0.05).

表2 不同屏顯時間和干擾項數的正確率效應分析Table2 Effect analysis of accuracy at different display time and disturbances

表3 不同屏顯時間與干擾項數之間的簡單效應分析Table3 Simple effect analysis between different display time and disturbances

將表1中數據分別以干擾項數和屏顯時間為橫坐標，以志愿者反應正確率為縱坐標將結果表示在圖2與圖3中.由圖2可以看出，當屏顯時間一定時，志愿者通過視覺搜索獲取靶子的正確率隨著干擾項數的增加而呈下降趨勢，即視覺搜索難度越大，正確率就越低.通過回歸分析，獲取各個屏顯時間下曲線的最佳函數表達式，并求導，結果如表4所示.由表4可見，各曲線可用二次估計方程來表示，在一定范圍內，均有|y′6|＜|y′5|＜|y′4|＜|y′3|＜|y′2|＜|y′1|，即屏顯時間越大，正確率的變化率隨著干擾項數的增大而變小，即搜索難度對正確率的影響程度變小.

圖2 不同屏顯時間下的干擾項數/正確率Fig.2 Disturbtances/accuracies at different display time

圖3 不同干擾項數下的屏顯時間/正確率Fig.3 Display time/accuracies at different disturbtances

表4 不同屏顯時間下的反應正確率回歸函數Table4 Regression function of reaction accuracy at different display time

從圖3中各條曲線的趨勢來看，隨著時間的增大，正確率先增大后逐漸穩定，但會發現稍微有下降趨勢.如在干擾項數為0，即單項目符號識別任務中，正確率在屏顯時間為1 s時較低，這是因為屏顯時間太短，時間壓力水平較高，造成眼睛跟不上或者是操作跟不上從而導致錯誤.而到2 s后，正確率基本都穩定在98%左右，屏顯時間為3 s時正確率達到最大，以后逐漸有輕微的下降趨勢，這是由于計算機屏幕上顯示的畫面顯示時間太長，容易造成注意力不集中.同樣在多干擾的目標識別任務中，也存在著相同的規律.將志愿者反應正確率達到90%以上作為標準，統計在不同屏顯時間所對應的所能識別的最大干擾項數，即視覺搜索難度閾值，見表5.通過線性回歸建立自變量為屏顯時間，因變量為此屏顯時間內所能識別的最大干擾項數的線性擬合方程式(R2=0.937，P＜0.05)∶y=－7.2+3.5x，即在屏顯時間為t時，干擾項數選取N≤3.5t－7.2范圍內的值時，能取得較好的視覺搜索績效.因此在人機界面設計時，一定要考慮到屏顯時間和搜索難度的最佳匹配.

表5 不同屏顯時間下的視覺搜索難度閾值Table5 Visual search difficulty threshold at different display time

2.2 屏顯時間、干擾項數對反應時間的影響

由于反應速度和準確性之間存在著內在的聯系，二者之間存在著權衡關系，若反應正確率太低，研究其反應速度是沒有任何意義的.本研究中，屏顯時間與干擾項數匹配超過人的視覺搜索能力范圍，往往會造成反應正確率較低.在這里主要研究在視覺搜索任務中正確率達到90%以上時，屏顯時間以及干擾項數對反應時間的影響規律.表1顯示的是在不同屏顯時間和干擾項數下反應正確率在90%以上的平均反應時間.進行雙因素方差分析，結果見表6.屏顯時間(F=1.4，P＞0.05)在α=0.05的顯著性水平下主效應不顯著，干擾項數(F=213.1，P＜0.05)在α=0.05的顯著性水平下主效應是極其顯著的，它們之間的交互效應(F=0.435，P＞0.05)是不顯著的.

表6 不同屏顯時間和干擾項數下的反應時間效應分析Table6 Effect analysis of reaction time at different display time and disturbances

將表1中數據分別以干擾項數和屏顯時間為橫坐標，以志愿者平均反應時間為縱坐標將結果表示在圖4與圖5中.由圖4可知，在一定范圍內，平均反應時間是隨干擾項數目呈線性增長的，利用表1的數據求出各屏顯時間下的平均反應時間回歸方程表達式，如表7所示.由4個方程可知，每增加一個干擾項，反應時間將增加154 ms;由圖5可以看出，在干擾項數相同的視覺搜索畫面中，隨著屏顯時間的增大，平均反應時間基本處于穩定狀態.在記錄反應時間的數據中，可以發現隨著屏顯時間增大，部分志愿者的反應時間反而會略有升高，這主要是因為屏顯時間越大，對于志愿者來說，時間壓力變小，造成注意力不集中而導致反應時間變大.

圖4 不同屏顯時間下的干擾數/反應時間Fig.4 Disturbtances/reaction time at different display time

圖5 不同干擾數下的屏顯時間/反應時間Fig.5 Display time/reaction time at different disturbances

表7 不同屏顯時間下的反應時間回歸函數Table7 Regression function of reaction time at different display time

3 討論

本研究采用不同的屏顯時間取值代表不同的時間壓力水平，不同的干擾數代表不同的搜索難度.從實驗結果來看，屏顯時間和干擾項數在α=0.05的顯著性水平下主效應顯著，它們之間的交互效應也顯著.即時間壓力水平和搜索難度水平共同影響著搜索任務的正確率，并通過簡單效應分析可知，時間壓力在不同的搜索難度水平下都具有顯著性差異，反之，搜索難度在不同的時間壓力水平下也具有顯著性差異.只有二者達到最佳匹配時，才能取得較高的反應正確率.

時間壓力水平一定時，正確率會隨著搜索難度的增大而減小.其逐漸發展過程大致為:①判斷正確，操作正確;②判斷正確，操作錯誤或來不及操作;③判斷錯誤，操作跟不上;④反應跟不上，來不及判斷.在搜索難度一定時，隨著時間壓力水平的減小，正確率逐漸增大，當增大到一個點后趨于穩定.這是因為這個點之前，較高的時間壓力水平對人體自身神經系統高級中樞的加工能力、生理、情緒等造成限制，導致反應以及操作的錯誤［11］.而在達到這個點之后，時間壓力水平的高低就對正確率沒有顯著影響，甚至會有輕微的反彈現象，這是因為時間壓力太低，志愿者心理沒有了時間壓力，精神過度放松，造成誤判或者是操作錯誤［12］.

同時，由于反應速度和準確性之間存在著內在的聯系，二者之間存在著權衡關系，故只研究了在反應正確率較高的情況下，時間壓力和搜索難度對反應時間的影響，實驗表明，時間壓力對反應時間的主效應不顯著，但是搜索難度對反應時間的主效應顯著，并且在一定時間壓力下，視覺搜索任務的反應時間跟畫面中干擾項的個數成線性遞增關系，這與默爾克(Merkel，1885)［13］早年提出的對數論有些差別，分析原因，一方面由于刺激材料和實驗的難度差異所致，另一方面是由于在實驗中將“有靶子”和“無靶子”兩種情況混在一起進行研究，未區別對待，但是這對本文要探究的視覺搜索規律沒有任何影響.

4 結束語

在飛機座艙顯示界面儀表板的布局設計時，要綜合考慮時間壓力水平和信息搜索難度兩個因素，根據儀表監視任務的輕重緩急以及人本身認知能力特征，合理設計儀表盤上儀表數目及認知難度.對于一些緊急的需要及時作出響應的儀表，要減小信息搜索難度.同時由于時間壓力水平是相對搜索難度而言的，如果相對時間壓力水平太小，反而會導致乘員注意力不集中，在某種程度上影響工作績效.因此，只有將時間壓力水平和信息搜索難度進行最佳匹配，才能取得較好的績效.

本研究未考慮多任務狀態下注意力分配情況以及目標位置對視覺搜索績效所造成的影響，只將時間壓力和搜索難度作為兩個變量來進行討論.關于搜索難度，它不僅與在座艙顯示界面搜索的儀表數目有關，同時儀表的形狀、大小特征不同導致本身的認知難度也是有區別的［14］.建議在后續的研究過程中，把以上情況考慮在內，進一步探索單目標或者更多目標的視覺搜索能力變化規律［15］，從而為飛機座艙顯示界面的布局設計提供工效學的指導意義.

References)

［1］ 曹平，郭華嶺，徐亞復.陰極射線管顯示器漢字靜態和動態屏顯的工效學研究［J］.航天醫學與醫學工程，1994，7(1):35－40.Cao P，Guo H L，Xu Y F.An ergonomical study on motionless and motional presentation of Chinese character on CRT display［J］.Space Medicine and Medical Engineering，1994，7(1):35－40(in Chinese).

［2］ 曹立人，李永梅.不規則幾何圖形識別中的信息取樣優先序［J］.心理學報，2002，35(1):44－49.Cao L R，Li Y M.Sampling order for irregular geometric figure recognition［J］.Acta Psychologica Sinica，2002，35(1):44－49(in Chinese).

［3］ einke D，Humphreys G W，Tweed C L.Top－down guidance of visual search:a computational account［J］.Visual Cognition，2006，14(4－8):985－1005.

［4］ 曲戰勝，周前祥.數字信息屏顯時間對人機監視工效的影響［J］.航天醫學與醫學工程，2005，18(3):191－195.Qu Z S，Zhou Q X.Effects of digital information display time on human and machines monitoring performance［J］.Space Medicine and Medical Engineering，2005，18(3):191－195(in Chinese).

［5］ 郭小筠，于瑞鋒.速度、時間壓力和目標個數對動態視覺搜索績效的影響［D］.北京:清華大學，2011.Guo X J，Yu R F.The effect of speed，time stress and number of targets upon dynamic visual search［D］.Beijing:Tsinghua University，2011(in Chinese).

［6］ Wang Z，Zhang K，Klein R M.Inhibition of return in static but not necessarily in dynamic search［J］.Attention，Perception ＆Psychophysics，2010，72(1):76－85.

［7］ Tullis T.An evaluation of alphanumeric，graphic，and color information displays［J］.Human Factors，1981，23(5):541－550.

［8］ Yeh M，Wickens C D.Attentional filtering in the design of electronic map displays:a comparison of color coding，intensity coding，and decluttering techniques［J］.Human Factors，2001，43(4):543－562.

［9］ 曾慶新，莊達民.多界面多任務不同任務權重的目標辨認［J］.北京航空航天大學學報，2006，32(5):499－502.Zeng Q X，Zhuang D M.Target identification of different task weight under multi－interface and multi－task［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2006，32(5):499－502(in Chinese).

［10］ 張磊，莊達民.人機顯示界面中文字和位置編碼［J］.北京航空航天大學學報，2011，37(1):185－188.Zhang L，Zhuang D M.Text and position coding of human－machine display interface［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2011，37(2):185－188(in Chinese).

［11］ Rayner K，Li X S，Williams C C，et al.Eye movements during information processing tasks:individual differences and cultural effects［J］.Vision Research，2007，47:2714－2726.

［12］ Boot W R，Becic E，Kramer A F.Stable individual differences in search strategy:the effect of task demands and motivational factors on scanning strategy in visual search［J］.Journal of Vision，2009，9(3):1－16.

［13］ 郭秀艷，楊治良.基礎實驗心理學［M］.2版.北京:高等教育出版社，2011:152.Guo X Y，Yang Z L.Basis of experimental psychology［M］.2nd ed.Beijing:Higher Education Press，2011:152(in Chinese).

［14］ Mclntire J P，Havig P R，Watamaniuk S N J，et al.Visual search performance with 3－D auditory cues:effects of motion，target location and practice［J］.Human Factors，2010，52(1):41－53.

［15］ Alvarez G A，Franconeri S L.How many objects can you track?Evidence for a resource－limited attentive tracking mechanism［J］.Journal of Vision，2007，7(13):14.1－14.10.