眼動交互在點擊任務中的應用研究*

高嵐嵐 紀 坤 樂 劍

（軍事科學院戰爭研究院 北京 100091）

1 引言

研究表明，人類獲取的外界信息中有80%以上由視覺通道提供。近幾十年，許多學者依據人的視覺行為對多模態人機交互和眼動跟蹤技術進行研究，促成了許多新的應用，主要分為基于眼動技術的人機交互（EB-HCI）、界面評估（EB-IE）和用戶建模（EB-UM）。例如：Radecky 等設計了多種不同滾動圖像的界面，并通過眼動指標對其進行評價；華為公司研發了Eyes On Display 技術，當手機檢測到用戶的眼睛注視到屏幕的時候，息屏顯示才會被點亮，此外，眼動跟蹤技術還廣泛應用于用戶行為分析、用戶視覺搜索分析和興趣分析等方面。這些依靠眼動信號的人機交互方式，不占用手部交互通道，速度更快捷，結果更直觀，交互更自然。

艦船是復雜人機系統，具有協同關系復雜、交互操作繁多、艙室環境惡劣、作業時間冗長，有限或特定空間中人流、物流、信息流高度密集等特點。船舶控制系統繁瑣的人機作業中，點擊操作是使用頻率最高的操作方式，是完成多種復雜操作任務的基礎。傳統點擊操作方式多為鼠標、軌跡球或觸控等交互方式，占用了手部交互通道，不符合人的思維方式和生理習慣，因此在人機界面設計過程中，通過眼動解放雙手的交互方式提高用戶的信息獲取能力就顯得尤為重要。

本研究在實驗室模擬的船舶控制系統作業環境下，開展眼動交互與傳統交互方式的對比實驗。通過實驗數據的采集分析和用戶滿意度問卷調查，對眼動交互在點擊操作任務中的應用進行研究，為眼動交互在船舶系統中的進一步應用和發展提供參考。

2 實驗方案

2.1 實驗任務

實驗為多方向指向點擊任務，如圖1 所示，參與者通過選擇最高目標（目標0）開始任務，通過圖中箭頭所示路徑沿目標順序依次點擊，直到25 位置目標。以上操作重復進行10 次，完成任務。通過對參與者反應時、精準度、錯誤次數的10 次操作平均數據記錄，得出用戶不同交互方式的點擊任務操作績效。實驗結束后發放調查問卷，通過統計調查問卷的方式收集用戶滿意度信息。

圖1 點擊按鈕任務圓盤位置編號

2.2 實驗設置

2.2.1 實驗范式

實驗使用目標點擊實驗范式。ISO 9241-9 是一組標準測試，被用于評估辦公環境中的非鍵盤輸入設備，是一種被推薦作為評估光標控制設備交互性能的首選測試方法。實驗顯示設備使用硬殼科技NT24型23.8英寸觸控顯示器配合HP服務器。

2.2.2 輸入方式

實驗使用四種信息輸入方式：鼠標、軌跡球、觸控、眼動。其中鼠標交互輸入設備為羅技N26 鼠標。觸控交互輸入設備采用硬殼科技NT24 型23.8英寸觸控顯示器，目標尺寸大小為56px；眼動交互輸入設備為Tobii 4C眼控儀，程序使用JavaScript編寫，基于chrome瀏覽器在1920×1080像素下的環境進行調試及實驗。

2.2.3 反饋方式

實驗使用兩種信息反饋方式：視覺反饋和聽覺反饋。其中視覺反饋需要點擊的目標呈灰色，點擊時出現陰影效果作為視覺反饋，完成點擊后灰色變成白色，如圖2 所示；聽覺反饋需要點擊的目標呈灰色，點擊時加入耳標作為刺激反饋，按下時產生“嘀”提示音，完成點擊后黃色變成白色，如圖3所示。

圖2 視覺反饋效果示意圖

圖3 聽覺反饋效果示意圖

2.2.4 變量設計

實驗所設置的自變量為四種操作方式（鼠標、軌跡球、觸控、眼動），兩種反饋方式（視覺反饋、聽覺反饋）。實驗可輸出的因變量為反應時、精準度、錯誤次數。

2.2.5 被試

被試總人數為30 人，男20 人，女10 人，年齡在20～30 周歲之間，右利手，視力或矯正視力正常，經過不限次數實驗前訓練，對實驗操作和輸入設備熟悉。

3 實驗數據

3.1 不同交互方式操作效率的橫向比較

3.1.1 點擊時間

點擊時間指的是屏幕右側出現帶號碼的點擊提示到被試點擊目標小球的時間。從圖4 中可以看出，眼控的操作時間遠大于其他三種，不同反饋方式對點擊操作時間的影響較小。

圖4 四種操作方式點擊時間

3.1.2 準確度

在工效學實驗中，準確度的高低通常以偏移比來衡量，本實驗的偏移比是指被試點擊位置與小球真實位置的相符合程度，即偏移比越小，準確度越高。由圖5 可以看出。眼動交互的偏移量略高于鼠標交互和觸控交互，與軌跡球交互相比差別不大，且眼動交互偏移量受反饋方式的影響可以忽略不計。

圖5 四種操作方式偏移比

3.1.3 錯誤次數

錯誤次數，是指被試點擊的小球編號不是被要求的編號或點擊位置沒有在小球的有效點擊范圍內。由圖6 可以看出，眼控交互的錯誤次數遠超其他操作方式，且聽覺反饋可以在一定程度上減少眼控操作的錯誤次數。

圖6 四種操作方式錯誤次數統計

實驗結果表明，在點擊任務中，眼控交互的操作時間和錯誤次數遠高于其他三種交互方式，操作偏移比略高于其他交互方式，另外，反饋方式對眼控操作點擊時間和點擊偏移無明顯影響，對點擊錯誤率有所影響，無反饋條件下，點擊錯誤率略高于聽覺反饋，因此可適當采用聽覺反饋提高眼控點擊操作的正確率。實驗過程中觀察發現，眼動交互效率不理想的原因主要有兩方面：一是參與本次實驗的被試對于鼠標、觸控操作具有很好的適應性；二是在眼控點擊的過程中，當視線鎖定目標區域后，點擊的瞬間，視線容易出現跳躍，有時跳躍到無效區域，需要重新鎖定視線，出現誤擊。

3.2 不同交互方式多次操作結果的橫向比較

本研究3.1 節中的實驗結果是基于10 次操作得出的平均數據，為盡量減小不同操作方式適應性對實驗結果的影響，對無反饋條件下，不同交互方式的點擊時間、精度、錯誤次數隨著任務次數增加的數據結果進行分析對比，趨勢性實驗數據結果如表1～4所示。

表1 鼠標操作趨勢性數據

表2 軌跡球操作趨勢性數據

表3 觸控操作趨勢性數據

表4 眼控操作趨勢性數據

隨著實驗次數的不斷增加，眼動交互的實驗數據變化相對明顯。點擊時間方面，第10次實驗數據較第1 次縮短了40.5%；準確度方面，第10 次實驗數據較第1次提高了5%；錯誤率方面，第10次實驗數據較第1 次減少了52%。隨著實驗次數的增加，眼動交互各因變量的效率提升幅度要遠遠高于其他交互方式，這符合人的認知規律，說明可以通過不斷學習和訓練來達到提高眼動交互效率的目的。

3.3 用戶問卷調查

在被試完成操作任務后，現場對被試發放并回收調查問卷30 份，通過統計調查問卷的方式收集用戶滿意度信息。被試的教育情況、學習能力、積累的知識、過往的經歷、對船舶控制系統任務需求的理解以及使用計算機的熟練程度等，都會對問卷調查結果產生一定影響，采取用戶問卷調查的方式測評用戶滿意度，有助于站在用戶需求的視角上，有針對性地設計船舶控制系統人機交互過程，優化“人在回路”中的人為因素。

3.3.1 眼動交互

對調查問卷進行統計，30 名被試完成任務后分別就眼動儀外觀及交互舒適度、交互系統界面、靈敏度和交互綜合體驗的滿意程度進行主觀評價，每項打分均為10 分制。對調查結果進行統計得到平均滿意度如表5所示。

表5 眼動交互用戶主觀評價

3.3.2 四種交互方式綜合交互體驗評價

30 名被試完成任務后，對不同交互方式的外觀、舒適度、交互界面、靈敏度等交互體驗進行打分，不同交互方式綜合交互體驗打分如表6所示。

表6 不同交互方式綜合體驗感

通過統計分析調查問卷可知，眼動交互中，被試對于眼動儀外觀和交互舒適度評分較高，對眼動儀的靈敏度評分較低。對比四種交互方式的綜合體驗感，觸控交互評分最高，眼動交互體驗感略低于鼠標，但高于軌跡球。

4 討論

點擊任務實驗中，相較于其他三種交互輸入方式，眼動交互在效率上不具優勢，分析本實驗設置的10 次操作得出的實驗數據，被試在第5 次操作后，眼動交互的各項數據績效較前幾次操作提升明顯，而其他交互方式的實驗數據與前幾輪交互相比提高不大。結合被試對于鼠標，觸控等傳統交互方式的適應情況，考慮在人機交互設計過程中通過對被試進行多次眼動交互訓練，來提高眼動交互效率。

分析反饋方式對交互效率的影響，可以得出四種交互方式中點擊時間由短至長依次為聽覺反饋、視覺反饋、無反饋。聽覺反饋能夠有效減少點擊操作所需的時間。因此在點擊任務中，聽覺反饋對操作時間存在正向反饋作用，但眼動交互，聽覺反饋對操作時間和偏移比影響不明顯，采用聽覺反饋只能在一定程度上提高眼控點擊操作的正確率。

用戶問卷調查中，眼動交互體驗感略低于鼠標交互和觸控交互，眼動交互的系統界面和靈敏度評分過低，其主要原因是受到現有技術的限制和被試對于鼠標和觸控等高普及度交互方式的良好適應，隨著交互技術水平的不斷進步以及眼動交互的廣泛應用，眼動交互綜合體驗感會得到大幅提升。

5 結語

本次實驗室模擬的船舶控制系統點擊操作任務中，眼動交互的效率不夠理想，但是經多次實驗后，交互效率提升明顯，且眼動交互不占用手部等其他交互通道，具有比傳統交互方式更直接，更符合人類思維習慣的優點。未來，隨著船舶系統智能化水平的不斷提高，船舶控制系統的人機交互研究也會不斷深入，后續，隨著眼動技術的不斷發展以及廣泛應用，眼動交互將會更加成熟地應用于船舶控制系統，滿足更趨復雜的人機交互設計需求。