吳曉莉 薛澄岐 湯文成 邵 將 李 晶

(1 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京211189)

(2 河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，常州213022)

隨著工業(yè)設(shè)計與計算機(jī)交互媒體的快速發(fā)展，視覺信息界面(visual information interface)已成為復(fù)雜系統(tǒng)中必不可少的信息交互媒介.航戰(zhàn)中的雷達(dá)態(tài)勢界面屬于復(fù)雜系統(tǒng)中的子界面，由于復(fù)雜系統(tǒng)人機(jī)交互界面的信息量大、信息關(guān)系復(fù)雜，需要人與系統(tǒng)的配合更加嚴(yán)謹(jǐn)，信息的組織與呈現(xiàn)更加科學(xué).若是界面設(shè)計不合理，極易造成誤讀、誤判、信息疏漏等問題.吳曉莉等［1］通過復(fù)雜系統(tǒng)中用戶出錯的認(rèn)知機(jī)理研究，提出了視覺干擾、視覺局限、知覺混淆、記憶失誤等5 種出錯類型.信息的疏漏、誤判是常見錯誤之一，其原因有很多，注意力轉(zhuǎn)移(目標(biāo)轉(zhuǎn)移)、信息量的負(fù)荷、時間壓力、視覺局限、遺忘等.雷達(dá)態(tài)勢界面中目標(biāo)搜索過程出現(xiàn)的目標(biāo)物遺漏、誤報等問題，主要源于視覺局限造成的出錯.

因此，本文針對視覺局限引起的注意疏漏、誤判展開研究.模擬某航戰(zhàn)的雷達(dá)態(tài)勢界面，提取視覺局限的相關(guān)因子，從視野位置、目標(biāo)物間距等方面，運用心理學(xué)實驗方法，開展目標(biāo)搜索的視覺局限實驗.

1 復(fù)雜信息界面相關(guān)研究背景

關(guān)于復(fù)雜信息界面的國內(nèi)外研究主要針對界面設(shè)計合理性的評價方法.Wilson 等［2］利用眼動跟蹤技術(shù)對航戰(zhàn)界面進(jìn)行實驗，測試駕駛員的前瞻記憶和注意力轉(zhuǎn)移，確定駕駛員認(rèn)知復(fù)雜因素.王海燕等［3-4］對態(tài)勢界面的布局設(shè)計方案進(jìn)行了實驗評價與分析，通過眼動數(shù)據(jù)指標(biāo)的評價選擇合理的空間布局優(yōu)化方案.劉青［5］對模擬航電系統(tǒng)中的對敵攻擊任務(wù)進(jìn)行了界面設(shè)計，通過眼動跟蹤實驗評價界面布局、導(dǎo)航、圖形符號等的合理性.李晶等［6-7］研究復(fù)雜數(shù)字界面中時間壓力對顏色、形狀編碼的影響，探討不同時間壓力下的認(rèn)知績效問題，并提出了多維信息可視化的設(shè)計方法.董曉璐［8］從失誤角度研究了時間壓力對數(shù)字界面的影響.根據(jù)以上所述，主要以實驗數(shù)據(jù)作為評價手段判斷復(fù)雜信息界面設(shè)計的合理性，鮮有學(xué)者對視覺局限引起的誤讀、誤判原因進(jìn)行研究，

2 視覺搜索實驗研究綜述

在視覺搜索實驗研究方面，Yantis 等［9］認(rèn)為目標(biāo)搜索是一種主動注意選擇機(jī)制中的目標(biāo)導(dǎo)向注意或內(nèi)源性注意，它以自上而下的方式控制著注意選擇.Monnier［10］運用視覺延遲搜索任務(wù)的實驗范式，對顏色、位置及顏色與位置的綁定進(jìn)行了對比實驗，結(jié)果表明綁定實驗與其他兩實驗相比，并沒有使搜索時間明顯變短.在目標(biāo)物位置和間距的研究方面，F(xiàn)leetwood 等［11-12］通過實驗觀察發(fā)現(xiàn)影響用戶視覺尋找的因素首先是圖標(biāo)的數(shù)量，其次是目標(biāo)的邊界，最后是圖標(biāo)的質(zhì)量和清晰程度.Theeuwes［13］針對干擾位置，研究了目標(biāo)物與相鄰干擾物的抑制作用.在視野位置的研究上，Turatto 等［14］研究奇異刺激對目標(biāo)物的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，顏色奇異刺激最容易捕獲注意.楊娟［15］和李楊等［16］研究了視野位置與刺激特征對注意捕獲的影響.

以上相關(guān)位置、間距的實驗研究中，缺乏針對視覺局限引起的出錯與目標(biāo)物位置、間距關(guān)系的研究.本文主要考察視覺局限的出錯因子，設(shè)計阻礙視覺感知過程的若干特征項，分析關(guān)注出錯數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)因素，并將反應(yīng)時、出錯率作為重要指標(biāo)進(jìn)行考察.

3 目標(biāo)搜索的視覺局限實驗

3.1 實驗材料

刺激特征項為某雷達(dá)態(tài)勢界面的模擬信息物，分別為友機(jī)、敵機(jī)及4 種不明物，共6 個;如圖1所示，信息物大小充滿在12 mm ×15 mm 的黑色方框內(nèi)，敵機(jī)、友機(jī)和不明物交替出現(xiàn).信息物均呈現(xiàn)在戰(zhàn)斗機(jī)攻擊態(tài)勢界面中(半徑為78 mm 的圓內(nèi)).攻擊范圍在以直徑為39 mm 的圓中，由于在圓中央呈現(xiàn)主機(jī)的形態(tài)以及周圍呈現(xiàn)目前態(tài)勢的各種數(shù)據(jù)，給被試造成固定的干擾，而這些呈現(xiàn)的元素均為定量，因而形成了復(fù)雜的態(tài)勢環(huán)境，如圖2所示，目標(biāo)物作為變量隨機(jī)呈現(xiàn)在大圓與小圓組成的圓環(huán)內(nèi).

圖1 實驗材料

圖2 實驗中的模擬攻擊態(tài)勢界面

3.2 實驗設(shè)計

依據(jù)實驗中的6 個特征項，考察實驗中每次出現(xiàn)的目標(biāo)物數(shù)量，當(dāng)其中1 個(敵機(jī)、友機(jī)或不明物)作為目標(biāo)物出現(xiàn)時，信息物將以2，4，6 三個數(shù)量級別呈現(xiàn).在實驗中，按照短時記憶中記憶量的大小(7 ±2)，呈現(xiàn)的總數(shù)量固定為9 個.因此，不論是目標(biāo)物還是其他特征項可重復(fù)出現(xiàn).

本實驗將采用3 ×2 ×3 的組內(nèi)設(shè)計，3 個因素分別是目標(biāo)物數(shù)量(2，4，6)、視野位置(上視野、周圍視野)和目標(biāo)物間距(12，48，96 mm).目標(biāo)物數(shù)量將隨機(jī)分布在實驗順序中，以避免被試發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物數(shù)量呈現(xiàn)的規(guī)律性.敵機(jī)、友機(jī)與不明物為3 個試次，每組3 ×2 ×3 個試次，共計54 個試次.

3.3 實驗設(shè)備與程序

實驗程序采用E-Prime 編寫，刺激呈現(xiàn)在17英寸顯示器中央，屏幕分辨率為1 280 ×1 024 像素，亮度為92 cd/m2.實驗在東南大學(xué)人機(jī)交互實驗室進(jìn)行，被試為20 名在校本科生，男女各半，年齡在19 ～23 歲之間，視力或矯正視力正常，無色盲或色弱.實驗前，錄入被試的性別、年齡、專業(yè)及視力等相關(guān)信息.

首先要求被試熟悉雷達(dá)態(tài)勢攻擊的任務(wù)環(huán)境，保持態(tài)勢環(huán)境中的信息不變，并努力避免這些信息的干擾.然后給被試介紹敵機(jī)、友機(jī)、不明物3 種目標(biāo)物的特征(這些特征將作為目標(biāo)搜索的對象).

4 實驗結(jié)果與討論

4.1 不同視野位置的反應(yīng)時與出錯率

當(dāng)敵機(jī)、友機(jī)和不明物以刺激物的形式出現(xiàn)在攻擊態(tài)勢界面中的不同視野位置，且以不同數(shù)量、不同間距呈現(xiàn)時，被試的反應(yīng)時與出錯率如圖3所示.對反應(yīng)時的方差分析表明，上視野位置的間距主效應(yīng)(均方比值F=14.416，顯著性P=0.012 ＜0.05)和周圍視野位置的間距主效應(yīng)(F=6.990，P=0.001 03 ＜0.05)達(dá)到顯著性水平;對出錯率的方差分析表明，上視野位置的間距主效應(yīng)(F=2.380，P=0.013 ＜0.05)和周圍視野位置的間距主效應(yīng)(F=9.308，P=0.014 ＜0.05)達(dá)到顯著性水平.可見，間距大小對視野位置的目標(biāo)搜索視覺認(rèn)知都有顯著性影響.

最小顯著差異法的驗后多重比較檢驗結(jié)果如表1所示.當(dāng)目標(biāo)物數(shù)量較少時，目標(biāo)間距并不影響視覺搜索時間，錯誤率較低.而搜索目標(biāo)呈現(xiàn)為4 和6 個時，不論是上視野還是周圍視野，反應(yīng)時和出錯率在呈現(xiàn)的目標(biāo)間距12，48，96 mm 之間有顯著性差異，即隨著目標(biāo)間距的增大，搜索目標(biāo)的反應(yīng)時長逐漸加大，目標(biāo)間距最大時，顯著性最強(qiáng).由表1可見，隨著目標(biāo)間距增大，極易造成誤讀、判斷錯誤等.因此，態(tài)勢界面中的目標(biāo)搜索不宜間距太大，目標(biāo)間距過大對視覺搜索會產(chǎn)生較大的影響.

圖3 3 種間距下的不同視野位置反應(yīng)時和出錯率

4.2 高出錯率下的不同目標(biāo)物間距分析

1)目標(biāo)物數(shù)量為6 時的反應(yīng)時與出錯率分析

從圖3(a)和(b)三種目標(biāo)物間距呈現(xiàn)的反應(yīng)時與錯誤率可以看出，隨著目標(biāo)物數(shù)量的增加，出錯率呈增大的趨勢.為了進(jìn)一步了解高出錯率下不同目標(biāo)物間距的反應(yīng)時，對目標(biāo)物數(shù)量為6 時的反應(yīng)時和出錯率進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示.

對出錯率的方差分析表明，不同目標(biāo)物(敵機(jī)、友機(jī)、不明物)主效應(yīng)達(dá)到顯著性水平(F=3.049，P=0.013 6 ＜0.05);對反應(yīng)時重復(fù)測量方差分析顯示，不同目標(biāo)物主效應(yīng)達(dá)到顯著性水平(F=8.65，P=0.014 9 ＜0.05).無論是敵機(jī)、友機(jī)還是不明物在目標(biāo)物間距上的出錯率有顯著性差異，即隨著間距的增大，出錯率增大，出錯率并無明顯差別;而反應(yīng)時的呈現(xiàn)規(guī)律與出錯率并不一致，隨著間距的增大，反應(yīng)時呈現(xiàn)倒V 形變化，在間距為48 mm 時，反應(yīng)時最長.這說明出錯率最高時，反應(yīng)時間并不一定最長，這也說明作出錯誤判斷時，并不需要最長的反應(yīng)時間.

表1 最小差異法的驗后多重比較檢驗

圖4 目標(biāo)物數(shù)量為6 時的反應(yīng)時和出錯率

2)目標(biāo)物數(shù)量為6 時不同間距錯誤答案分析

當(dāng)呈現(xiàn)目標(biāo)物間距為96 mm 時，在有限的呈現(xiàn)時間內(nèi)(1 500 ms)，對6 個目標(biāo)物很難作出正確搜索.通過對20 名被試進(jìn)行6 ×3 試次，剔除奇異數(shù)據(jù)后，共計340 次目標(biāo)搜索統(tǒng)計，出錯率高達(dá)43.246%，即近一半的被試會作出錯誤判斷.按照被試真實搜索到的目標(biāo)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計比對，表2給出了6 個目標(biāo)物搜索出錯的答案統(tǒng)計.可以看出，不同間距的總出錯率呈現(xiàn)顯著性差異，隨著間距的增加，出錯率逐漸增大，當(dāng)目標(biāo)物間距為96 mm 時，出錯率超過50%(64.2%);在記錄被試的答案分類中發(fā)現(xiàn)，錯誤答案為5，4，7，3，接近錯誤答案6個的有5 和4.這也說明了被試容易遺漏掉1 或2個目標(biāo)物，或者將相似的干擾物也作為目標(biāo)物，從而給出7 個錯誤答案.因此，還需要結(jié)合眼動指標(biāo)的凝視次數(shù)、眼跳軌跡等，進(jìn)一步分析遺漏或者多報的刺激項的視野位置，這對于視覺局限的研究尤為重要.

表2 目標(biāo)物數(shù)量為6 時不同間距錯誤答案及出錯率統(tǒng)計

4.3 討論

本研究從出錯角度，采用模擬的戰(zhàn)斗機(jī)信息物作為實驗材料，實驗結(jié)果說明了在信息識別中，隨著信息物數(shù)量逐漸增加(2，4，6)，周圍視野比上視野的目標(biāo)物反應(yīng)時增長更快，不同間距的目標(biāo)物搜索反應(yīng)達(dá)到顯著水平;通過提取高出錯率下的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著目標(biāo)物間距的增大，出錯率呈線性增大，而反應(yīng)時呈倒V 形變化，因此誤判、疏漏的出錯并不一定需要最長的反應(yīng)時間.本研究不是在真實的航戰(zhàn)艙內(nèi)進(jìn)行，其信息物均為模擬，得到的數(shù)據(jù)為模擬仿真，得到的結(jié)論可以作為態(tài)勢界面信息布局設(shè)計的參考.

Wickens 等［17］對多信息通道下不同顏色編碼和空間位置的信息辨識情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)顏色和位置對信息辨別會產(chǎn)生不同的影響;Dukic等［18-19］研究了駕駛員視覺搜索模式，提出了相關(guān)視覺搜索策略.本文實驗結(jié)果也表明，視野位置和目標(biāo)物間距是視覺搜索中易出現(xiàn)遺漏和誤判的主要因素，周圍視野的目標(biāo)物更容易遺漏.

5 結(jié)論

1)雷達(dá)態(tài)勢界面中目標(biāo)物間距大小和視野位置對目標(biāo)搜索視覺認(rèn)知都有顯著性影響.目標(biāo)搜索的間距大于96 mm 時，反應(yīng)耗時長，易疏漏、誤判.

2)對于不同視野位置信息的視覺搜索，出錯率隨間距的增加呈線性增大，而反應(yīng)時呈倒V 形變化，因此誤判、疏漏時并不一定反應(yīng)時耗時最長.

3)周圍視野呈現(xiàn)目標(biāo)物數(shù)量為6 時的出錯率最高，且容易產(chǎn)生信息疏漏.

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