多維信息空間中視覺人機交互舒適度量化關鍵方法研究

呂 文,康文科

(1.四川省工業(yè)和信息化研究院,四川 成都 610017;2.西北工業(yè)大學,陜西 西安 710072)

隨著經濟和社會的發(fā)展,自然和諧的交互方式已經成為現(xiàn)代和未來人機交互設計的最終目標,而自然和諧的人機交互需要人體視覺、聽覺、力觸覺等多感官的協(xié)調參與;同時,隨著智能化和信息化技術的飛速發(fā)展,現(xiàn)代產品的操控系統(tǒng)越來越復雜,人機交互信息量大,信息類型多,這就要求人機交互系統(tǒng)更加準確、快速、高效和舒適。為了達到這個目的,在人機信息交互過程中,必須充分發(fā)揮人體視覺、聽覺、力觸覺等多種感知方式的綜合效能,形成全方位的多信息融合交互系統(tǒng),使操控者能夠全面感知和掌握信息,同時,平衡各種感覺器官的感知能力,使每一個感覺器官的感知能力最大化,從而提升人機交互的綜合效率。

1 視覺人機交互

1.1 研究背景和意義

視覺是人類最重要的感覺,舒適度是人體的主觀感受,特別是計算機和網絡技術的廣泛運用使得對色彩的準確測量和科學的表達顯得非常重要和迫切[1]。目前對舒適度的研究中普遍都是定性描述,定量化計算難度很大,無法建立視覺人機交互與舒適度之間的量化測量模型,無法完成人機交互過程中實時量化測量的需求,無法提供科學化、定量化的設計參考及評價標準,無法滿足未來計算機人機交互智能設計的要求。因此,研究多維信息空間中視覺人機交互的感知特性,視覺、力觸覺、聽覺等感知系統(tǒng)的融合機理,視覺的舒適度的定量化檢測,構建綜合視覺、聽覺及力觸覺的多維信息空間人機交互舒適度量化計算模型,這些試驗既可以單獨測定每一個感知系統(tǒng)的舒適度,也可以同時測定多感知的綜合舒適度,實現(xiàn)視覺、聽覺、力觸覺等多信息有機融合,對不同要求使用不同方法,由此得出最符合人機工程的結果。提高復雜人機交互系統(tǒng)的效率和質量,為消費者提供更加自然的人機交互體驗,具有重大的理論意義及應用價值。

手機閱讀是當下流行的一種碎片化時間管理方式,人們通過手機閱讀新聞、小說等來獲取多方位多樣化的信息?！?019年度中國數(shù)字閱讀白皮書》顯示(圖1),截至2019年,中國數(shù)字閱讀用戶總量達到了4.7億。中國新聞出版研究院公布的第十八次全國國民閱讀調查數(shù)據(jù)亦顯示,2020年數(shù)字化閱讀方式(網絡在線閱讀、手機閱讀、電子閱讀器閱讀、Pad閱讀等)的接觸率為79.4%,較2019年的79.3%增長了0.1個百分點。由此可見,人們每天會花費大量的時間在手機閱讀上,可以說手機閱讀已成為人們生活的一部分。但是人們在長時間使用手機閱讀后,常會出現(xiàn)眼睛干澀酸痛、頭暈、頭痛等視疲勞(asthenopia)現(xiàn)象。視疲勞“asthenopia”一詞是衍生于希臘語,原意是眼睛無力的意思,長時間用眼后產生的眼眶疼痛、視物模糊、眼部灼熱感、眼睛干澀、流淚等不良反應。

圖1 2019年度數(shù)字閱讀白皮書

個人電腦、計算機系統(tǒng)的視覺顯示終端(Visual Display Terminal,VDT)隨著計算機技術的快速發(fā)展與普及,手機和平板電腦也都可以納入VDT的范疇。VDT綜合癥就是指由于眼睛長時間注視視屏終端引起的眼睛不適等綜合癥狀[2]。視覺舒適度就是指眼睛接受VDT等外界電磁波時眼睛主觀的舒適感受,具體表現(xiàn)在用眼一段時間后眼睛的疲勞程度、眨眼頻率、視力狀況等。人類的感知活動大部分是通過視覺系統(tǒng)完成,目前模擬視覺感知主要是基于模型的方法,其中傳感信息被用來重構關于感知世界的模型[3]。本研究采用理論分析和試驗驗證的方法研究基于視覺的多維信息感知舒適性,以閱讀手機電子書為例,研究被試者閱讀手機電子書一段時間之后的視覺舒適程度,并且跟蹤一定條件下其視覺舒適度與時間的關系,實現(xiàn)視覺信息感知的舒適度量化計算,建立以視覺為基礎的多維信息人機交互舒適度量化模型,最后進行驗證試驗對模型加以驗證。研究成果可廣泛應用于復雜操作系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實等系統(tǒng)環(huán)境中,對于提升人機交互設計的水平具有重要的理論與應用價值。

1.2 國內外研究現(xiàn)狀分析

現(xiàn)如今國內相關研究的主要方向是電子顯示設備各方面因素與人體視覺舒適度的研究,如環(huán)境照度、字體、字號、間距、色彩搭配等,比較契合時代發(fā)展中人的視覺應用場景,其中的大部分研究是針對某一特定使用環(huán)境下的部分主要因素的研究,其相關成果有:姜穎等通過主客觀試驗相結合對面向視覺顯示終端(VDT)的信息顯示界面視覺舒適度進行研究總結的量化模型,該研究以不同色彩組合的儀表界面為測試對象,以被試者的腦電信號等生理特征為客觀依據(jù),輔以被試者對表盤界面的舒適度主觀評分,評價方法較科學;侯冠華等對于字號、間距影響數(shù)字閱讀體驗的年齡差異研究,綜合考慮了不同年齡的群體閱讀體驗特征,采用主客觀測評相結合的方式,選取文字字號、間距作為研究變量,以視覺舒適度為標準研究不同字號、間距對不同年齡段用戶閱讀體驗影響的差異;另外還有劉暢等定量研究色度對立體圖像視覺舒適度的影響;蔡建奇等針對iPad等類電子產品的睡前使用環(huán)境進行的環(huán)境照度對人體視覺舒適度的影響。由此可以看出,目前針對視覺舒適度的總體量化研究較少。

2 評價指標

視覺健康舒適度是對眼部視覺疲勞進行客觀量化的指標,它基于人的眼軸和角膜屈光的變化,實現(xiàn)了對人眼健康舒適度的客觀評價[4]。影響視覺舒適度的主要因素有光照水平[5]、屏幕顯示的亮度對比[6]以及光環(huán)境(如運動場、會客廳、臥室等)、文字大小、文字間隔、用眼時間、照度、色彩組合、年齡等。在建立視覺舒適度的數(shù)學模型時,必須考慮到視覺舒適度具有“心理感覺量”和“取決于多種不確定因素”這兩個特征。以隨閱讀時間變化的閱讀舒適度變化為例開展研究,根據(jù)文獻分析,確定可用性、感知的視覺舒適度為主觀測量指標,在試驗時直接詢問被測試者的感受,運用量表對被測試者的主觀感覺進行量化,這一方法是評價視覺是否舒適的最直接方法。研究量表見表1。

表1 視覺舒適度限定范圍及人的表征狀態(tài)

3 試驗部分

試驗采用組間重復測量試驗設計方案,選擇了手機自帶閱讀app作為測試標準。被試者為20位年齡在19~22歲之間的志愿者,均為來自于西北工業(yè)大學的大學生,無重度近視和散光(近視在300度以內,散光在-100度以內)。

在舒適度的研究中,疲勞是影響舒適度心理因素中最重要的因子[7],在室內正常照明、安靜、舒適的環(huán)境下進行,為避免視力疲勞的干擾,所有被試者在測試前均有充足的睡眠,且安排在測試前閉眼休息至完全無疲勞狀態(tài),以保證被試者在測試過程中能夠處于良好的心理和生理狀態(tài)。

試驗開始前,錄入被試者基本信息,并向未被試者講解試驗流程,統(tǒng)一安排被試者休息至舒適度測試為0(完全舒適)的狀態(tài)下,開始試驗。被試者每使用手機閱讀5 min電子書,立刻詢問被試者的主觀視覺舒適度后填寫量表。每位參與者需50~60 min完成所有內容。試驗流程如圖2所示。

圖2 視覺舒適度測試流程

4 視覺舒適度量化數(shù)學模型的建立

由于研究僅分析閱讀時間對視覺舒適度的影響,而要得到視覺舒適度信息感知的數(shù)學模型,以及視覺舒適度與時間之間的普遍規(guī)律,就必須保證其他因素不變,僅記錄不同時間下視覺舒適度的數(shù)值,故試驗采用控制變量法,對20個被測者在相同時間段、相同地點進行了多次試驗,共計20組數(shù)據(jù),相關數(shù)據(jù)見表2。

表2 測量數(shù)據(jù)

對于測量得到的數(shù)據(jù),以試驗記錄次數(shù)為x軸,以視覺舒適度為y軸,如圖3所示在x-y坐標系里畫出散點圖,從圖3可以看出這25個被測者的視覺舒適度變化都大致分為三個階段:平穩(wěn)增長期、迅速增長期、增長緩慢期,隨著時間t的增加,視覺舒適度y開始幾乎不增長,然后迅速增長,最后增長速度減慢,且點的分布越來越接近于一條平行于x軸的直線,因此y值不會無限增大。

圖3 試驗時間與視覺舒適度的關系曲線

根據(jù)散點圖中視覺舒適度的變化規(guī)律及趨勢線,發(fā)現(xiàn)視覺舒適度與時間的變化趨勢線近似為S型,將數(shù)據(jù)代入Origin非線性擬合,通過對比,得出擬合模型為Slogisticl1 S型函數(shù)時擬合度最高,R平方為0.991此時方程為:

擬合曲線如圖4所示。

圖4 擬合曲線

擬合方程各參數(shù)為:a=3.129 66,xc=35.940 68,

k=0.156 07。

故擬合方程為:

公式(2)就是所求的信息感知中的視覺舒適度值y與時間變量x之間關系的表達式。視覺舒適度量化模型建立已實現(xiàn)。

5 舒適度量化的數(shù)學模型驗證

為了驗證該數(shù)學模型關系式的準確性,又對另外的5名試驗者在相同的條件下進行模型驗證試驗。將試驗數(shù)據(jù)舒適度和通過數(shù)學模型關系式轉化得出的視覺舒適度進行比較。驗證數(shù)據(jù)見表3。圖5為驗證數(shù)據(jù)相較于關系式曲線的散點圖。

圖5 驗證數(shù)據(jù)相較于關系式曲線的散點圖

從表3中的驗證數(shù)據(jù)看,從試驗中的原始數(shù)據(jù)經過關系表達式的計算得出的視覺舒適的數(shù)學模型基本符合。由此可以驗證文中提出的通過試驗測量舒適度數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)得出數(shù)學模型,最后通過數(shù)學模型推算相應時間的整個過程是正確的。

表3 模型驗證數(shù)據(jù)

6 結論

通過對試驗對象進行大量試驗,將試驗數(shù)據(jù)導入Origin軟件,繪出視覺舒適度隨閱讀時間的變化曲線,以S型曲線為參考進行擬合,得出了視覺舒適度與閱讀時間之間的關系式,建立閱讀時間與視覺舒適度關系的數(shù)學模型。結果表明:得出的數(shù)學模型能較好地反應視覺舒適度隨閱讀時間變化的客觀規(guī)律,該數(shù)學模型可以為設計生產中的視覺時間配置提供理論依據(jù),使產品在視覺人機交互方面更加人性化,更符合“以人為本”的設計理念。當然,在實際設計、生產中也可以把這部分作為一個指導方案,所以該模型有著重要的實用價值。

由于人眼視覺系統(tǒng)的復雜性以及視覺舒適度影響因素的多樣性,因此視覺舒適度量化研究必須是一個長期的、系統(tǒng)的過程,本文只針對閱讀時間對視覺舒適度的影響進行了研究,對于其他影響因素,如閃爍、雙眼亮度差、雙眼色差等,以及人眼的個體生理因素仍需進一步的研究與探索。