基于眼動實驗的飛機座艙界面字符編碼分析

宋知潼, 劉玉雪, 劉洋, 任宏*

(1.遼寧省通用航空研究院, 沈陽 110136; 2.沈陽航空航天大學大學設計藝術學院, 沈陽 110136)

近年來,隨著航空工業的迅猛發展以及人們生活水平的提高,飛機成為人們出行必不可少的交通工具,保障乘客及機組人員的飛行安全尤為重要。根據國際航空運輸協會的航空安全報告,2020年全球航班飛行總量相比2019年減少53%,但2020年空難仍造成全球132人死亡。引發事故的主要原因是人為因素,占飛行事故發生率的70%～80%[1]。駕駛艙是飛機的命令中樞,其中飛機座艙界面不僅是飛行員獲取飛行信息的載體,也是飛行員執行飛行任務的工具,駕駛艙顯控系統設計的好壞,直接影響到飛行員能否順利、安全的完成飛行任務[2]。駕駛艙的綜合航電系統集合了飛機上各種電子設備的信息,如空速信息、高度信息、航向信息、飛機姿態信息、告警信息、飛行信息、時間信息等。這些信息以字符形式顯示在飛機座艙界面中,例如F-18戰斗機飛機座艙內包括62幅顯示畫面、675個縮寫符號,信息總量達到1 000個以上[3]。小型飛機界面由不同的設計元素構成,其中主要功能信息以字符編碼的形式組合呈現。對字符信息進行有效的編碼,不僅可以增強飛行員對飛行信息的直觀感知,也可以降低飛行員認知負荷,大大提高飛行員辨識信息的精度和速度。因此,在設計過程中將飛行員的認知模式、生理特征及主觀感受與字符信息相匹配,設計出適用于飛機座艙界面的字符編碼形式至關重要。而國內對飛機座艙顯示界面字符元素的研究較少,郭云東等[4]研究了飛機駕駛人因可靠性評估模型,將人機界面性能作為一項影響因素進行探討,說明了飛機座艙界面的重要性;王群等[5]采用工效學實驗方法對駕駛艙顯示界面文字編碼進行研究,研究發現數字辨識度最高,其次是英文字母,漢字辨識度最低,字號與視距都對目標辨識有較大的影響;吳薇等[6]研究發現飛機座艙界面告警信息字體顏色對飛行員信息加工有一定影響。

眼動追蹤技術發展較為成熟,在各個領域應用廣泛。靳慧斌等[7]研究了眼動指標在心理負荷上的應用;楊坤等[8]運用眼動追蹤法研究了飛機平視顯示器中字符色彩對飛行員的影響。綜上所述,飛機座艙界面字符編碼研究是必要的,而目前國內從字號等字符編碼特征出發的研究極少。在此背景下,現通過眼動追蹤實驗研究方法,探索字符的字形字體、大小、寬度、字符間距等元素對飛行員的影響,探究飛行員對不同字符編碼的識別效率,以期為飛機座艙界面中的字符設計提供理論依據。

1 飛機座艙界面字符編碼概念及設計原則

1.1 飛機座艙字符編碼

文字是語言的載體,字符則是計算機處理文字信息的最基本抽象元素[9]。字符編碼是視覺信息編碼方式的一種,配合形狀編碼、色彩編碼對顯示信息進行系統編碼。優化字符編碼可以降低信息加工深度, 激發短時記憶,并喚醒長時記憶。飛機座艙界面中常用的字符包括數字、字母、特殊符號等,這些字符元素通過多維的字符編碼方式(字體、尺寸、間距等)顯示在飛機座艙界面上,用來傳遞飛行信息。

飛機座艙界面的信息通常以標記、數值、文本信息在飛機座艙界面中顯示,這些信息呈現方式多為字母、數字、特殊符號及其組合[10]。這些字符信息通過數字字母編碼、字體字形、字符大小等方式,使飛行員能夠準確獲取并快速識別。

1.2 飛機座艙界面字符編碼設計原則

在復雜的飛機座艙界面中,字符編碼的主要目的是確保信息能夠準確、高效地傳遞,從飛行安全角度來看,提升識別效率是字符編碼設計的重要原則,字符編碼設計應該遵循可讀性、易讀性、一致性和閉合原則。

1.2.1 易讀性原則

易讀性原則是指單個字母和短語中字符編碼標準。良好的易讀性可以使飛行員快速且連貫地識別信息,并迅速地將字符轉化為其所指代的意義。從字體設計的角度來看,無論何種字體,其字體字型、筆畫寬度都對文字的易讀性和識別效率有著顯著影響。字體字形相近容易混淆難以辨認;筆畫寬度太小注目性不夠,筆畫寬度太大文字擁擠,同樣難以識別。在動態飛行環境下仍需要保證字符信息良好的易讀性,防止因誤讀、誤判導致的人為因素事故發生。

1.2.2 可讀性原則

可讀性原則是指包含大量信息的段落文本的字符編碼標準。在確保字符編碼滿足易讀性原則的前提下,協調的字符大小、間距、段落排列方式可以使文本信息更容易被飛行員接受。字符太小看不清細節,字符太大導致注意力分散;字間距過小,字符不易識別,字間距過大,掃視路徑長,閱讀速度慢。飛機在飛行過程中,需要保證在振動、強光等不利條件下仍然具備良好的可讀性。

1.2.3 一致性原則

一致性原則是指字符編碼節奏的一致性和在不同使用場景下的統一標準。節奏的一致性可以產生韻律美,協調的字母排列及重復的間距運用可以提高飛行員信息識別效率。字體大小運用重復原則,以保證一致性。在不同的使用場景下,對顯示相同功能的字符信息采用同種編碼方式,以減少飛行員解碼過程中的誤差,降低認知負荷。

1.2.4 閉合原則

根據格式塔完形心理學原則,在人的認知系統中,常常將具有視覺暗示的物體進行靠攏合并,比如將開放的圖形封閉成一個整體,即人的視覺將這些信息元素相互聯系起來,從而使它們保持連續,而非獨立存在[11]。字符作為信息的載體,在編碼過程中既要滿足信息傳遞要求,也要符合視覺認知特性。在設計字母和數字時,不僅要考慮單獨字體字形效果,也要注意整體性,如筆畫之間的連續性、字母之間的相互關系等。單獨出現的數字或字母既破壞了界面的整體效果,也阻礙了短語的形成,從而影響信息的傳遞。

2 字符元素提取

現代飛機電子儀表由電子飛行儀表系統(electronic flight instrument system, EFIS)、發動機指示和機組告警系統(engine indication and crew alerting system, EICAS)組成[12]。現代電子儀表系統將復雜的飛行信息集成化,在實現信息綜合的同時降低飛行員的工作負荷。相較國內,國外飛行儀表系統發展較早,20世紀90年代便開始使用電子飛行儀表系統,并制定了一系列適航標準。也有一些國外學者在字符大小、類型、顏色等方面進行研究,但對字符元素進行整體而系統的研究較少,且國外標準及研究數據并不一定適用于中國飛行員。

國內外現有民用飛機儀表多采用“T”形布局,兩塊主飛行儀表同時為主副駕駛提供飛行數據、導航、通信、監視等信息。如圖1所示為國產大型客機C919的飛行儀表系統,通過對大飛機C919的主飛行顯示器、輔助顯示器以及發動機及機組告警顯示器中的字符信息元素進行分析,在這3種顯示界面中,字符信息通常以數字、字母、數字與字母組合的形式顯示。通過總結飛機座艙界面中字符編碼元素,構建如圖2所示的飛機座艙界面字符編碼結構模型。

圖1 C919飛行儀表系統Fig.1 C919 electronic flight instrument system

圖2 飛機座艙界面字符編碼元素Fig.2 Aircraft cockpit interface character encoding element

飛機座艙界面中的字符元素主要分為基礎的數字編碼、字母編碼以及數字與字母的組合編碼,以上字符編碼元素具備相同的字符編碼屬性:字體字形、字符大小、筆畫寬度、字符間距,這4種字符編碼方式是影響飛機座艙界面識別效率的重要元素。

2.1 字體字形

字體字形是文本信息中的一個重要因素,可以影響文本的情感傳達以及識別效率[13]。在屏幕尺寸有限的條件下,字體成為影響文字信息識別的關鍵因素。英文字體可根據筆畫處有無額外的裝飾分為兩大體系:襯線體和無襯線體。無襯線體字形簡潔,筆畫平直、細節較少,因此在屏幕顯示中更為清晰。字體的筆畫細節和樣式都會都對界面信息的識別效率產生影響,因此可以通過選擇合適的字體來提高信息識別效率。

2.2 字符大小

Chung等[14]發現英文字體大小對視覺識別效率的影響有限。在飛機座艙界面設計中,飛機界面中字符大小的相關標準則尚未制定。觀察距離對字符大小有很大的影響,字符大小會隨觀察距離的增加而變大。字符大小同樣受字體影響,比較同一種字號下的襯線體和無襯線體,發現無襯線體略大于襯線體。飛機座艙界面上字符大小直接影響飛行員判斷決策的速度與準確性。

2.3 筆畫寬度

Bernard等[15]對印刷文本中字母筆畫寬度與閱讀速度的關系進行了研究,并得出中央視覺和周邊視覺對閱讀速度的影響。筆畫寬度決定字體重量,大致可以分為細體、標準體、粗體(Light、Regular、Bold)。筆畫寬度會直接影響字母的正負形。字母正負形對字體易讀性和識別效率有較大影響,正形和負形粗細對比強烈,也會降低字體的識別。筆畫寬度對飛行員信息識別效率有較大影響,筆畫寬度過寬或過細均不利于信息識別。

2.4 字符間距

包海默等[16]發現字符間距對文章易讀性具有顯著影響性。段落文本中的字符間距對易讀性有較強的影響,字符間距的調整通常與文本環境及字體字形有關。在屏幕尺寸有限的情況下,可以通過適當增加字符間距提高易讀性和可讀性。字符間距的調整也是有限度的,過度的調整會使單個字母隔離,從而降低飛行員對整個單詞和短語的感知力。

3 眼動實驗研究

眼動追蹤法是指運用眼動儀記錄被試在完成任務的過程中眼球的運動,并提取眼動指標進行數據分析的方法。目前,認知測量方法主要有眼動追蹤法和行為績效法[17]。眼動追蹤法被廣泛地應用于飛機座艙界面信息的研究中,可以從生理指標的角度反應飛行員的認知負荷。

3.1 實驗環境及程序

實驗設備為產自美國的Mobile Eye-XG眼動儀。該便攜式眼動儀采樣率為30 Hz,跟蹤分辨率為0.1°,精確度為0.50°,追蹤范圍為水平±50°,垂直±40°。保持實驗室內照度良好(400～800 lx),溫度適宜(18～24 ℃),實驗過程中保持安靜,無噪音干擾。實驗計算機屏幕尺寸34 cm×27 cm,被試平視實驗計算機,控制視距在600 mm左右,在戴眼動儀完成定標后,要求被試保持頭部不動,確保眼動數據的準確性。

實驗程序采用E-prime軟件進行編寫,實驗前,對被試進行眼動儀的定標,之后請被試閱讀引導語,首先讓被試注視屏幕中央“+”形圖標,集中注意力。然后隨機呈現5組預實驗,使被試熟悉測試過程,避免誤操作的發生。系統自動記錄被試的行為數據。首先呈現500 ms的十字注視點,被試集中注意力,然后是刺激界面,被試需要在該界面進行按鍵操作,被試按鍵反饋后出現1 000 ms的空屏,防止被試出現視覺殘留。重復此操作直至試驗結束。

3.2 實驗對象

實驗選取12名被試,均為駕駛過塞斯納-172型模擬飛行器且模擬飛行經驗4 h以上的飛行專業本科生。被試視力或矯正視力正常,無色弱、色盲及散光等特殊情況,被試均具有良好的認知能力,無精神疾病及腦部損傷。

3.3 實驗材料

根據美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Administration, FAA):飛行甲板顯示和控制設計與人為因素評估[18]字體編碼中使用無襯線字體,可以提高字符的可讀性。無襯線體設計風格簡潔,沒有過多的裝飾性線條,在飛行過程中降低飛行員的視覺干擾,且適用范圍廣,抗干擾能力強,即使在極端光照條件下也能夠清晰辨認。重點研究文字大小、筆畫寬度、字符間距對字體識別效率的影響,為控制變量,字體選擇同一字體。在現有通用無襯線常用字體中,Helvetica字體筆畫舒展,應用范圍廣泛,故實驗選取字體為Helvetica。

實驗共為3組眼動實驗,分別研究字符大小、筆畫寬度、字符間距對識別效率的影響。為屏蔽其他干擾,有利于注意力集中,實驗材料尺寸為297 px×210 px,整體背景模擬真實飛機主飛行顯示器(primary flight display, PFD),采用主流主飛行顯示器的配色與布局,模擬背景由藍色“天空”和棕色“大地”兩部分組成(色號分別為#3F89C5和#8F4C13)。字符文本以黑的背景白色字符方式呈現,符合真實PFD中常見的文字識別場景。為了屏幕亮度和對比度對識別效率的影響,照度統一控制在實驗室室內明亮照明即400 lx,屏幕亮度控制為在此環境照度下比較舒適的470 cd/m2符合《飛機座艙照明基本技術要求及測試方法》(GJB 455—1988)[19]的亮度要求;字符與背景間的對比度大于70%,確保可以清晰準確地傳達信息[20]。實驗材料上顯示無實際意義的文本段落,目標字符在前、中、后3個位置顯示,同時設置一張不包含目標字符的界面作為干擾選項。實驗材料共計12組,為保證實驗材料的隨機性,再進行一次重復實驗,因此實驗材料共計24組。實驗任務設計為判斷段落中是否有目標字符“TOGETHER”,如有按“A”,反之則按“L”。

測試1為研究飛機座艙界面字符大小對識別效率的影響。為控制變量唯一,筆畫寬度統一固定為400W3C,字符間距為0。根據航標規定顯示字符大小為5～8 mm[21],這里將字符大小分別設定為8、6.5、5 mm。如圖3所示。

圖3 字符大小實驗材料示意圖Fig.3 Schematic diagram of the character size experimental material

測試2為研究飛機座艙界面字符筆畫寬度對識別效率的影響。為控制變量唯一,字符大小統一設置為6.5 mm,字符間距為0。設計字符筆畫寬度分別為(200W3C/400W3C/600W3C)。如圖4所示。

圖4 字符筆畫寬度實驗材料示意圖Fig.4 Schematic diagram of the experimental material for character stroke width

測試3為研究飛機座艙界面字符間距對識別效率的影響。為控制變量唯一,字符大小統一為6.5 mm,筆畫寬度為400W3C。設置字符間距分別為(間距-100、間距0、間距100)。如圖5所示。

圖5 字符間距實驗材料示意圖Fig.5 Schematic diagram of character spacing experimental material

4 數據分析

4.1 行為數據分析

測試1中,6.5 mm字高的反應時最短為10.68 s,5 mm字高的反應時最長為13.89 s。在0.05的顯著性水平下,字符大小對反應時有顯著影響(F=4.15,P=0.019<0.05)。根據表1中最小顯著差異法(least significant difference,LSD)多重比較結果顯示,5 mm字高與6.5 mm字高及8 mm字高在反應時上存在顯著性差異,而6.5 mm字高及8 mm字高在反應時上無顯著性差異。

表1 字符大小實驗反應時LSD多重比較Table 1 The character size experiment responds to multiple comparisons of LSD

測試2中400W3C的反應時最短為6.36 s,200W3C的反應時最長為11.50 s。在0.05的顯著性水平下,筆畫寬度對反應時有顯著影響(F=5.01,P=0.012<0.05)。根據表2中LSD多重比較結果顯示,筆畫寬度400W3C與筆畫寬度200W3C及600W3C在反應時上存在顯著性差異,而筆畫寬度200W3C與筆畫寬度600W3C在反應時上無顯著性差異。

表2 字符筆畫寬度實驗反應時LSD多重比較Table 2 Multiple comparison of LSD in experimental response to character stroke width

測試3中間距100的反應時最短為5.55 s,間距-100 的反應時最長為10.15 s。在0.05的顯著性水平下,字符間距對反應時有顯著影響(F=7.246,P=0.002<0.05)。根據表3中LSD多重比較結果顯示,間距100與間距-100及間距0在反應時上存在顯著性差異,而間距0與間距-100在反應時上無明顯顯著性差異。

表3 字符間距實驗反應時LSD多重比較Table 3 Multiple comparison of LSD in response to character spacing experiments

4.2 眼動數據分析

柳忠起等[22]用眼動測量設備,通過被試模擬飛行任務研究了注視點百分比、注視時間百分比等眼動指標與飛行員注意力分配及工作負荷的關系。Wilson[23]在真實飛行中進行了眼動測量,研究表明認知負荷的大小與任務難度可以引起瞳孔直徑的增加。故本論文使用眼動儀采集總注視時間、注視點百分比和瞳孔直徑等眼動指標,綜合分析飛機座艙界面中字符編碼與識別效率及認知負荷的影響。

4.2.1 總注視時間

測試1中,如圖6所示,6.5 mm字高總注視時間最短為1.98 s,被試搜索信息時間短,識別效率較高。5 mm字高總注視時間最長為3.71 s,視覺搜索時間最長,該字符大小識別困難,識別效率低。6.5 mm字高分值最小,說明被試在字符大小實驗中完成視覺搜索所產生的負荷最小。如表4所示,6.5 mm字高與另外兩種字符高度之間均有顯著性差異,5 mm字高和8 mm字高在主觀評價量表分值上雖有差異,但不具有顯著性。

表4 字符大小實驗總注視時間LSD多重比較Table 4 Character size experiment total fixation time LSD multiple comparison

圖6 字符大小與總注視時間的關系Fig.6 The relationship between character size and total fixation time

測試2中,如圖7所示,600W3C筆畫寬度總注視時間最長,說明被試搜索信息花費的時間最長,該筆畫寬度被試識別困難,認知效率低。400W3C筆畫寬度中注視時間短,被試搜索信息時間短,識別效率高。通過SPSS軟件進一步進行數據統計分析,在0.05的顯著性水平下,筆畫寬度對總注視時間有顯著影響(F=5.402,P=0.007<0.05)。如表5所示,400W3C的筆畫寬度與200W3C和600W3C在總注視時間上均有顯著性差異,200W3C與600W3C在總注視時間上雖存在差異,但不明顯。數據表明筆畫寬度對總注視時間有顯著影響,且400W3C筆畫寬度的識別效率更高。

表5 字符筆畫寬度實驗總注視時間LSD多重比較Table 5 Multiple comparison of character stroke width experiment total fixation time LSD

圖7 字符筆畫寬度與總注視時間的關系Fig.7 The relationship between character stroke width and total fixation time

測試3中,如圖8所示,間距100總注視時間最短為1.67 s,被試在進行視覺搜索花費的總時間最短,識別效率較高。間距-100的總注視時間最長為1.96 s,視覺搜索時間最長,識別效率最低。通過SPSS軟件進一步進行數據統計分析,在0.05的顯著性水平下,字符間距對總注視時間沒有顯著影響(F=0.991,P=0.376>0.05)。

圖8 字符間距與總注視時間的關系Fig.8 The relationship between character spacing and total fixation time

4.2.2 注視點百分比

測試1中,6.5 mm字高的注視點百分比最小為1.12%,識別效率更高,而5 mm字高的注視點百分比最大為2.04%。進一步對數據進行統計分析,如表6所示,得出在0.05的顯著性水平下,字符大小對注視點百分比有顯著影響(F=3.762,P=0.026<0.05)。6.5 mm字高與5 mm字高和8 mm字高在注視點百分比上存在顯著性差異。

表6 字符大小實驗注視百分比LSD多重比較Table 6 Character size experimental fixation percentage LSD multiple comparison

測試2中,400W3C的筆畫寬度的注視點百分比最小,識別效率更高。而600W3C的筆畫寬度的注視點百分比最大,因此在飛機座艙顯示界面中不易應用字重為200W3C的筆畫寬度。反之600W3C的筆畫寬度識別績效相對較好可以用于飛機座艙的顯示字體設計中。進一步對數據進行統計分析,如表7所示,得出在0.05的顯著性水平下,筆畫寬度對注視點百分比有顯著影響(F=3.246,P=0.047<0.05)。400W3C的筆畫寬度與200W3C和600W3C在注視點百分比上存在顯著性差異,200W3C與600W3C在總注視時間上雖存在差異,但不顯著。數據表明筆畫寬度對注視點百分比有顯著影響,且400W3C筆畫寬度的識別績效最高。

表7 字符筆畫寬度實驗注視百分比LSD多重比較Table 7 Character stroke width experimental fixation percentage LSD multiple comparison

測試3中,如圖9所示,間距100的注視點百分比最小為0.73%,績效最高。間距-100的注視點百分比最大為0.96%,績效最低。經過SPSS分析得出(F=0.843,P=0.435>0.05)注視點百分比數據之間不存在顯著性差異。

圖9 字符間距與總注視百分比的關系Fig.9 The relationship between character spacing and total fixation percentage

4.2.3 瞳孔直徑

測試1中,6.5 mm字高的瞳孔直徑最小,認知負荷最小,被試在6.5 mm字高下處于舒適狀態;而5 mm字高的瞳孔直徑最大,被試在5 mm字高下容易產生較大的心理負荷。

測試2中,200W3C的筆畫寬度的瞳孔直徑最小,認知負荷最小;而600W3C的筆畫寬度的瞳孔直徑最大,認知負荷最大。

測試3中,其中間距0的瞳孔直徑最小為2.69 mm,認知負荷最小,被試在0間距下處于舒適狀態;而間距-100的瞳孔直徑最大,被試在間距-100下容易產生較大的心理負荷。通過SPSS軟件進一步進行數據統計分析,在0.05的顯著性水平下,字符間距對瞳孔直徑有顯著影響(F=3.54,P=0.04<0.05)。間距0與間距100在瞳孔直徑上存在顯著性差異。

5 結論

從飛機座艙界面字體編碼元素出發,提取了字體字形、字符大小、筆畫寬度、字符間距4個字體編碼元素,對飛機座艙界面中的字符元素進行了更加系統且全面的研究,結果表明設計優化字體在一定程度上可以有效降低信息加工負荷,并提升用戶對信息的識別效率,對后續的飛機座艙界面研究存在參考價值。

由于飛機座艙字體多為無襯線字體,以界面顯示推薦的Helvetica字體作為實驗選定字體,在控制觀察視距為600 mm、屏幕亮度對比度為舒適范圍的前提下,以字符大小、筆畫寬度、字符間距作為實驗變量展開研究,對不同字符編碼特征屬性進行了行為數據、眼動實驗分析,得到字符大小、筆畫寬度、字符間距的識別效率及認知負荷,得出以下結論。

(1)字符大小對被試反應時有顯著性影響。6.5 mm字高在段落文本中反應時最短,說明字符大小6.5 mm更易識別。行為數據結果表明字符大小對被試信息識別效率影響顯著。

(2)字符大小對總注視時間有顯著性影響,其中6.5 mm字高總注視時間最短,說明6.5 mm字高識別效率高。字符大小對注視點百分比有顯著性影響,其中6.5 mm字高注視點百分比最小,說明6.5 mm字高信息傳遞效率更高。字符大小對瞳孔直徑雖有影響,但不顯著。

(3)筆畫寬度對被試反應時有顯著影響。400W3C筆畫寬度在段落文本中更容易辨識。行為數據結果表明筆畫寬度對被試信息識別效率影響顯著。

(4)筆畫寬度對總注視時間有顯著性影響,其中400W3C筆畫寬度總注視時間最短,說明400W3C筆畫寬度識別效率高。筆畫寬度對注視點百分比有顯著性影響,其中400W3C筆畫寬度注視點百分比最小,說明400W3C筆畫寬度信息傳遞效率更高。筆畫寬度對瞳孔直徑雖有影響,但不顯著。

(5)字符間距對被試反應時有顯著性影響。間距100在段落文本中反應時最短,說明間距100更易識別。行為數據表明字符間距對被試信息識別效率影響顯著。

(6)字符間距對總注視時間雖有影響,但不顯著,間距-100的總注視時間最長,間距100總注視時間最短。字符間距對注視點百分比雖有影響,但不顯著。間距-100的注視點百分比最大,間距100注視點百分比最小。字符間距對瞳孔直徑有顯著性影響。間距-100瞳孔直徑最大,而間距0的瞳孔直徑最小。