皮電測量在虛擬仿真駕駛座艙實驗教學中的應用

由 芳，謝雨錕，李雅茹，徐逸君

（同濟大學藝術與傳媒學院，上海 201804）

0 引言

在汽車人機交互設計領域，虛擬仿真駕駛座艙評測實驗的作用至關重要，良好的評測能夠幫助設計人員發現設計問題，進行設計優化，實驗教學直接影響研究生的科研水平和創新能力的培養［1］，將教學與虛擬仿真結合［2］，掌握多種有效的評測方法有助于汽車人機交互設計專業類的學生進行學習研究以及科研工作。設計評測測量指標主要有3 種［3］：主觀測量、行為績效測量和生理測量。傳統的研究中常使用調查問卷的主觀評價和行為績效指標進行設計方案評測，皮電技術的引入可以為虛擬仿真駕駛座艙評測教學提供新的方法和思路，幫助學生探索用戶在與車載設備進行交互的過程中的認知負荷和體驗［4］，其連續測量的特點能實時、客觀地反映動態變化，與主觀和行為數據結合能增強可信度和準確性，有助于學生綜合分析多種數據，更準確、客觀地得到評測結果，啟發設計優化迭代，掌握多種人機交互評測方法，通過實踐提高實驗評測設計，有利于研究生后續的學習和發展［5］。

本文涉及車載音樂評測實驗是研究生交互設計課程內容，學生選題為“多屏互動音樂系統”，課程的前期指導學生自主展開設計調研和設計表達，后期培養學生實驗設計和設計評測能力，設計一個基于皮電測量方法的人機交互界面設計多場景評測實驗方案，由學生在虛擬仿真駕駛座艙上完成人機交互界面設計方案實驗可用性評測。

1 皮電測量的應用及優勢

1.1 皮電測量在評測中的應用

皮電測量作為一種客觀的生理測量方法，可以通過生理激活水平來衡量心理負荷，是生理測量中最常用的生理信號之一。皮電反應在中樞神經系統參與下的精神性出汗，受腦高級皮層的調節，屬于信息加工的一個過程［6］。在人機交互設計領域，皮電測量主要應用于以下方面：

（1）皮膚測量能反映情緒覺醒。皮膚電導與喚醒水平呈線性相關［7］，情緒覺醒幅度的變化能引發明顯的皮膚電反應變化［8］，常作為喚醒度實驗的生理測量指標［9］。研究用戶在交互過程中的情緒變化時，常結合自我情緒評定量表（Self-Assessment Manikin Scale，SAM）進行測量［10］。

（2）皮電測量作為界面設計的可用性指標。相關研究發現當界面設計可用性低時，用戶任務績效降低，導致交感神經興奮，皮膚電導水平比靜息狀態下高一倍［11］，該現象可能與被試戰斗或逃跑的反應相關［12］。皮電測量能有效反映界面可用性，常結合系統可用性量表（System Usability Scale，SUS）、用戶界面滿意問卷（Questionnaire for User Interface Satisfaction，QUIS）、系統適用性問卷（Post-Study System Usability Questionnaire，PSSUQ）、情景后問卷（After-Scenario Questionnaire，ASQ）等主觀量表和行為績效進行評測。

（3）皮電測量應用于情境意識和工作負荷。Mehler等［13］在心理學經典實驗倒數n項測驗范式（nback）研究中發現，隨著任務難度增加，用戶皮電反應增加，皮電反應能有效反映精神負荷隨任務難度的動態變化情況，常與工作負荷量表（NASA Task Load Index，NASA-TLX）、態勢感知評價（Situation awareness rating technique，SART）、態勢感知整體評估（SA global assessment technique，SAGAT）等主觀量表結合進行評測［14］。

皮電測量可應用于傳統人機交互場景，國內有學者將皮電測量應用于道路駕駛場景下被試的疲勞檢測［15］和工作負荷［16］，本文進一步將皮電測量與主觀評測和行為績效結合，應用至汽車交互設計虛擬仿真駕駛座艙評測教學。

1.2 結合皮電測量進行實驗的優勢

在汽車交互設計虛擬仿真駕駛座艙評測教學實驗中將皮電測量與主觀和行為績效測量結合進行實驗，具有以下優勢：

（1）皮電測量具有實時檢測的特點，與主觀測量結合分析增加結果可信度。主觀測量往往要求被試在體驗完產品后報告使用感受，具有延時性，可能受到主試效應或主觀傾向性等因素影響［17］，結合皮電反應能驗證主觀測量的結果準確性。

（2）皮電測量皮電反應敏感［18］，與行為績效結合分析能深入研究認知心理狀態。行為績效測量需要主試人員通過觀察被試行為得到，對被試認知狀態的變化缺乏敏感［19］，結合皮電測量能直接得到有效的被試認知變化，找到行為和心理之間的關聯。

（3）皮電測量易于操作，容易與主觀和行為績效測量結合使用。皮電設備是非侵入性的，安裝流程和方法簡單，且不影響被試駕駛，學生容易學習掌握，獨自進行實驗時不容易出錯，容易在教學中展開。

2 教學目標及方法探索

2.1 教學目標

為使學生深入學習汽車交互設計，需要在測試評估理論的基礎上，重視學生實踐能力的培養，針對測試評估的實踐開設虛擬仿真駕駛座艙評測實驗課程，課程面向研究生，依托于學院多年汽車交互設計研究背景以及設備環境條件，學生進行自主命題，課程達到以下教學目標：

（1）通過教學，讓研究生體驗完整虛擬仿真駕駛座艙評測流程，培養學生學習汽車人機交互設計的興趣，開拓學生的知識面。

（2）學會虛擬仿真駕駛座艙評測實驗設計和實驗材料開發準備，提高實驗實踐能力。

（3）學習包括皮電、主觀、行為績效等多種設計評測方法，掌握皮電測量設備的主要操作方法，學會將皮電數據與主觀和行為績效數據結合進行分析，得到設計方案優化的方向。

2.2 教學方法探索

課程改變了傳統設計教學模式，建立以研究生作為交互設計課程教學過程的學習主體、教師為引導的教學關系，充分發揮學生主觀能動性，這種教學模式貫穿于整個設計流程，主要體現在以下3 個方面。

（1）自主命題及設計。教師依據研究背景確立大課題背景，引導學生在課題背景下展開自主命題，教師協助提出命題意見。各組學生通過適合的設計方法展開調研，教師在課程過程中把握設計方向，教師指導學生完成交互設計方案以及開發工作。

（2）自主設計評測實驗。教師介紹評測環境、評測方法和設備使用方法，學生根據設計方案自主展開實驗設計，選擇合適的測量指標，教師對實驗評測方案提出改進建議。學生根據實驗設計篩選被試，符合條件的課程學生為實驗被試，不符合被試條件的學生作為協助主試完成實驗，學生在評測期間合理分工完成評測工作。

（3）自主分析數據及優化方向。要求學生分析皮電數據、主觀數據和行為績效數據，加強數據處理能力，將皮電數據與主觀行為績效數據聯系在一起，發現數據的關聯和規律，綜合分析造成結果的原因，最后提出設計方案優化的方向。

3 課程實驗方法

3.1 實驗設計

實驗設計由學生提出，實驗目的是在切換音樂場景下，采用生理測量方法對汽車人機交互界面設計進行可用性評測。實驗分為靜態和動態兩部分，被試在靜止和駕駛兩種狀態下，通過方向盤物理按鍵或中控觸屏兩種交互方式完成切換音樂并播報音樂編號的任務，在進行實驗任務過程中，實時采集被試的皮電信號（Electrodermal activity，EDA），被試在完成任務后完成系統可用性量表評分。為降低被試進行實驗時實驗順序（靜止使用方向盤按鍵組別、靜止實驗中控觸屏組別、駕駛使用方向盤按鍵組別、駕駛使用中控觸屏組別）帶來的影響，需要對4 組干預條件進行完全平衡，實驗采用組內設計，將采用拉丁方平衡設置任務順序，具體順序如圖1 所示。

圖1 實驗任務順序

3.2 實驗人員

為保證課程學生均參與實驗，本次實驗主試人員為參與該設計方案的學生或其他未持有駕駛證的課程學生，12 名被試為持有駕駛證的課程學生和其他在校人員，平均年齡為24 歲，年齡的標準差（Standard Deviation，SD）為2.42，平均駕齡1.85 年（SD=1.14）。

3.3 設計方案

設計方案由課程學生基于Kanzi軟件平臺開發的多屏互動娛樂信息系統，該系統以車載音樂應用為例，前期通過調研分析得到駕駛員在不同情景下的行為和音樂娛樂需求，分析車載信息系統各屏定位、界面布局，探究車內多屏互動協作交互方式。娛樂功能適應車載駕駛場景，將音樂娛樂內容合理地呈現在車內多屏上，如圖2、3 為儀表和中控雙屏音樂應用界面的設計圖，在前期的用戶調研中，學生發現兩種高頻使用的交互方式，即方向盤物理按鍵交互和中控觸屏交互。學生希望探究被試在靜止和行駛多情境下分別適合以何種交互方式完成車載娛樂功能。在駕駛條件下，被試需要確保安全完成主要駕駛任務的前提下，快速獲知信息以及操作信息系統［20］，滿足人們的社交需求和安全駕駛的要求，給被試帶來更好的用戶體驗。

圖2 儀表界面設計

圖3 中控界面設計

3.4 實驗環境及設備

如圖4 所示，依托于汽車交互實驗室多年的研究背景，設計評測實驗將在實驗室自主開發搭建的駕駛仿真臺架上完成，為被試營造一個具有真實感的駕駛空間。駕駛模擬器采用Fanatec Porsche 918 RSR方向盤及相關配件，搭建一臺搭載三通道融合環幕的電腦，采用Unity軟件開發模擬車輛周圍環境仿真程序，評測的虛擬場景為自主開發的雙向兩車道程序。車載交互顯示屏可以根據實驗需求自由替換，設計方案涉及儀表和中控雙屏，采用兩臺平板電腦（Surface Pro）進行模擬，采用Kanzi開發相應的界面程序，通過消息隊列遙測傳輸協議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）傳輸Unity程序的駕駛數據。

圖4 駕駛仿真臺架

3.5 皮電測量設備

皮電測量設備包括BIOPAC Smart Center 生理記錄儀及相關材料，采集被試的皮電信號，原始采樣率為2 kHz。如圖5 所示，為確保采集數據準確，實驗中要先去足部角質并涂GEL101 等滲導電膏，再將電極片安裝在被試左足。

4 實驗結果分析與討論

4.1 皮電與系統可用性量表

圖5 EDA電極片安裝過程及位置

將皮電數據與主觀數據結合分析，主觀數據為系統可用性量表，能對系統的可用性、有效性進行詳細地分析和度量［21］，包含10項題目，為5點量表，需轉化成百分制的分數，其中8 道題目構成“可用性”分項，2道題目構成“易學性”分項。圖6 為系統可用性量表結果，其中中控觸屏組干預易學性平均得分91.67（SD=9.73）高于方向盤按鍵組干預為平均得分69.79（SD=27.42），中控觸屏組系統可用性平均得分76.46（SD=11.45）高于方向盤按鍵組平均得分73.33（SD=18.54），與皮電反應與靜息皮電水平差值的數據結果一致，如圖7 所示，綜合靜止狀態和駕駛狀態，中控觸屏組平均EDA差值為3.25（SD=3.23）高于方向盤按鍵組平均EDA 差值3.48（SD=3.23），說明被試在使用中控觸屏切換歌曲時精神負荷小，皮電反應驗證系統可用性結果，即中控觸屏組的人機交互界面設計比方向盤按鍵組可用性更高，說明綜合皮電和系統可用性數據，參與實驗的被試人員使用中控觸屏切換歌曲比使用方向盤物理按鍵切換歌曲具有更好的體驗。

圖6 系統可用性量表統計圖

圖7 皮電水平統計圖

4.2 皮電與任務行為時間

將皮電數據與任務行為時間結合分析，實驗中所有被試均成功完成任務，因此采用任務行為時間作為衡量行為績效的指標。有研究發現用戶在使用系統可用性良好的系統時處于放松狀態，皮膚電導水平會逐漸降低；而在使用系統可用性的系統時，皮膚電導水平先持續升高一段時間，然后趨于平緩或者降低［22］，說明存在一定的心理負荷。如圖8 所示，被試在任務開始前獲取具體任務要求，以提示任務開始時間為橫坐標零點，縱軸為皮電。方向盤按鍵組和中控觸屏組整體都是呈現先上升后緩慢下降的趨勢，說明二者均存在心理負荷，但方向盤組的初始皮電水平明顯比中控觸屏組高，即使用方向盤按鍵的被試在聽到具體任務后就保持較高的警覺，被試心理負荷大。如圖9 所示，綜合靜態和動態兩種測試狀態，方向盤按鍵組從提示任務開始至第1 次按鍵觸發花費的時間比中控觸屏組短，與方向盤按鍵組皮電率先開始上升以及到達峰值的順序一致，并且方向盤按鍵組2 次按鍵操作總體時間和任務完成時間都比中控觸屏長，與方向盤組皮電上升后的下降幅度略小于中控組的趨勢一致，將任務行為與皮電數據結合可以得出方向盤按鍵組任務績效更低，反映出中控觸屏組的可用性更好，同時結果與主觀測量結果一致。學生分析得出主要原因在于方向盤兩個按鍵距離過遠且指示性差，學習成本高，進一步提出應對方向盤按鍵位置和樣式進行優化，提高易學性，降低精神負荷。

圖8 EDA水平統計圖

圖9 任務行為時間統計圖

5 結語

本文選取學生交互設計課程方案，選題為“多屏互動音樂系統”，設計方向盤按鍵和中控觸屏兩種交互方式，實驗采用皮電測量方法，在模擬器上完成靜止和駕駛兩種狀態下人機交互界面交互方式實驗評測，與系統可用性量表和任務行為時間進行比對，可用性低的人機交互界面設計促使被試交感神經的興奮，引起皮膚電導的變化，實驗表明皮電測量方法能客觀且準確地檢測被試的皮膚電導變化，說明皮電測量的有效性。

該課程依托學院科研背景，緊密結合專業特色，為提高學生交互設計和評測能力，教師從課程前期指導學生自主展開調研和方案設計，到課程后期由學生自主進行實驗設計，學習皮電測量方法，在實驗中模擬真實駕駛場景，結合主觀測量綜合分析出不同交互方式、不同界面設計的優劣，幫助學生加強對設計評測的理解和數據分析能力，準確客觀的評測結果有助于進行設計優化迭代，同時培養汽車人機交互設計的興趣和實驗能力，為學生后續自主展開研究奠定基礎。