王 群，解 芳，魏中亮，凌 亮，鄭思涓，師 雪

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072)

駕駛艙顯示界面中的文字編碼是駕駛員獲取車(chē)輛駕駛過(guò)程中的各種信息的一個(gè)重要的途徑，其字體、視距和字號(hào)的工效學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題已受到人機(jī)工效研究專(zhuān)家的高度關(guān)注［1-2］.對(duì)顯示文字進(jìn)行合理的視覺(jué)編碼可以大大提高信息的辨識(shí)精度和速度［3］.

在視覺(jué)顯示系統(tǒng)中最常見(jiàn)的是圖形、文字/數(shù)字和標(biāo)識(shí)符號(hào).其中文字占很大一部分比重，而且文字一般表示的都是較重要的內(nèi)容，因此合理設(shè)計(jì)顯示界面的文字的大小對(duì)于快速地接受信息非常重要.

對(duì)于文字的高度，有很多種計(jì)算模型，如有的用視距的1/200表示，有的用公式H=視距×最小視角/3600表示，Peters和Adams建議的文字的高度公式為［4］:

式中:H為文字/數(shù)字的高度，mm;D為人眼到所觀察的文字/數(shù)字的距離，mm;K1為與照明條件相關(guān)的系數(shù)，對(duì)應(yīng)K1的取值分別取0.06、0.16和0.26;K2為與內(nèi)容重要性相關(guān)的系數(shù)，一般情況取0，重要的情況取0.075.這是對(duì)于英文字母的顯示研究，對(duì)于數(shù)字和漢字的顯示有待于進(jìn)一步研究.

本研究將開(kāi)展字體大小工效實(shí)驗(yàn)，設(shè)置3種字體，5種字號(hào)，要求被試者分別在3種視距下作實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，通過(guò)作圖比較不同字號(hào)的平均反應(yīng)時(shí)間和正確率，利用一定的數(shù)學(xué)方法找到不同字體的臨界字體大小，并得到不同條件下英文字母、數(shù)字、漢字各自的視距與臨界字體大小之間的關(guān)系式，研究顯示界面字體的大小、字號(hào)和視距之間的關(guān)系.

1 工效評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

選擇反應(yīng)正確率(簡(jiǎn)稱(chēng)正確率)和反應(yīng)時(shí)間分別對(duì)被試作業(yè)業(yè)績(jī)的有效性和高效性進(jìn)行客觀評(píng)價(jià).正確率定義為作業(yè)者做出正確反應(yīng)的次數(shù)與總次數(shù)之間的比值.反應(yīng)時(shí)間定義為從信息出現(xiàn)到被試對(duì)象做出正確反應(yīng)之間的時(shí)間差.

1)反應(yīng)時(shí)間［5］.

反應(yīng)時(shí)間又稱(chēng)反應(yīng)潛伏期或反應(yīng)時(shí)，是指由外界的刺激引起機(jī)體內(nèi)部的生理心理過(guò)程，進(jìn)而產(chǎn)生的機(jī)體外效應(yīng)的時(shí)間.人體對(duì)刺激信號(hào)的反應(yīng)時(shí)包括:感覺(jué)器官接收適當(dāng)信號(hào)刺激產(chǎn)生沖動(dòng)，并由感官神經(jīng)傳至大腦的時(shí)間;大腦對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工產(chǎn)生指令的時(shí)間;指令由神經(jīng)傳給肌肉并作用于客體的時(shí)間.通過(guò)測(cè)量被試對(duì)象對(duì)各種信息辨識(shí)的反應(yīng)時(shí)間，可對(duì)信息的辨識(shí)工效進(jìn)行評(píng)估.

2)正確率.

正確率是指被試對(duì)象對(duì)不同信息顯示格式的正確辨識(shí)次數(shù)占該信息顯示格式出現(xiàn)總次數(shù)的百分比.顯而易見(jiàn)，正確率越高的顯示格式越適于作為信息編碼方式.因此，將正確率作為一種工效評(píng)價(jià)指標(biāo).

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用3×3×5的混合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中因素一視距為被試間設(shè)計(jì)，分別為:50 cm、70 cm、90 cm;因素二和因素三為被試內(nèi)設(shè)計(jì)，分別為字體和字號(hào)，字體有3種:英文、數(shù)字、漢字;字號(hào)有5 種:5、8、13、20.5、33.

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，被試者通過(guò)選擇字號(hào)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).一半被試者選擇從小到大的順序，即從5號(hào)到33號(hào);另一半被試者選擇從大到小的順序，即從33號(hào)到5號(hào).字體隨機(jī)出現(xiàn).

信息的呈現(xiàn)方式參照目前比較成熟的快速系列視覺(jué)呈現(xiàn)方式(RSVP)，這種呈現(xiàn)方式是在屏幕固定區(qū)域每次呈現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)字符，間隔一定時(shí)間后，后續(xù)字符覆蓋前次字符，一次呈現(xiàn)完一個(gè)刺激序列，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要改變文字呈現(xiàn)的速度、呈現(xiàn)字?jǐn)?shù)、字體大小、字符顏色、背景顏色和目標(biāo)顏色等參數(shù).本實(shí)驗(yàn)采用在屏幕的中央位置每次呈現(xiàn)一對(duì)字符或一個(gè)數(shù)字，時(shí)間間隔設(shè)置為2 s，在字符呈現(xiàn)期間要按下特定的按鍵對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄按鍵的正確或錯(cuò)誤，以及反應(yīng)時(shí)間.

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和對(duì)象

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:實(shí)驗(yàn)界面通過(guò)VB語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)界面顯示在17英寸寬屏液晶顯示器上，被試者通過(guò)按鍵對(duì)目標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄反應(yīng)的正確率與反應(yīng)時(shí)間.

三因素的選取:界面中呈現(xiàn)的信息有中文、英文和數(shù)字3種字體.其中漢字100個(gè)，選用的是《現(xiàn)代漢語(yǔ)常用字表》(國(guó)家語(yǔ)言文字工作委員會(huì)漢字處編，語(yǔ)文出版社出版)中的高頻常用字，其中近義詞和反義詞各50個(gè).英文為英文字母的大、小寫(xiě)各26個(gè).數(shù)字為隨機(jī)出現(xiàn)的三位數(shù).連續(xù)兩次出現(xiàn)信息不相同.字號(hào)的選擇采用文獻(xiàn)［6］中的方法，字號(hào)的增率取0.2對(duì)數(shù)單位，從0開(kāi)始選取7種字體大小，由于0和0.2對(duì)數(shù)單位的字體大小基本無(wú)法辨認(rèn)，所以實(shí)驗(yàn)的字體大小為 (0.4～1.2)LogMAR，即0.20°～1.33°，換 算 成 字 號(hào) 為 5、8、13、20.5、33.視距選取了VDT作業(yè)的一般范圍的兩個(gè)極值50 cm和90 cm，以及中間值70 cm.

2.3 被試者選取

被試者共28人，無(wú)色盲，矯正視力均在1.0以上，年齡在25～30歲之間，其中男11人、女17人.以視距為因素將被試者分成3組，每個(gè)人分別要做固定視距下的五種字號(hào)的測(cè)試，每種字號(hào)測(cè)試60次.

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

被試者分別坐在距離計(jì)算機(jī)顯示器50 cm、70 cm或90 cm的位置，實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)始后盡量保持身體上身特別是頭部位置不動(dòng).進(jìn)入正式試驗(yàn)界面后，在屏幕的中央每次呈現(xiàn)一組字符，呈現(xiàn)時(shí)間為2 s，字符出現(xiàn)后迅速按鍵作出反應(yīng) (見(jiàn)圖1).

圖1 實(shí)驗(yàn)界面的3種形式

首先屏幕上出現(xiàn)的是英文字母的大小寫(xiě)隨機(jī)組合，如“a-A”“d-H”等，如果大小寫(xiě)是對(duì)應(yīng)的，如“a-A” “b-B”，則按鍵盤(pán)上的數(shù)字7鍵;如果大小寫(xiě)不對(duì)應(yīng)的，如“f-A”“b-R”，則按鍵盤(pán)上的數(shù)字8鍵.

英文字母出現(xiàn)20次后，緊接著出現(xiàn)的是從100～999之間的三位數(shù)字，如果數(shù)字大于500，則按鍵盤(pán)上的數(shù)字7鍵;如果小于500，則按鍵盤(pán)上的數(shù)字8鍵.

最后緊接著出現(xiàn)的是一組漢字，如“遠(yuǎn)-近”“眠-睡”，如果兩個(gè)字是近義字，則按鍵盤(pán)上的數(shù)字7鍵;如果是反義字，則按鍵盤(pán)上的數(shù)字8鍵.

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方差分析對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的正確率和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用 SPSS for Windows 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行處理.

對(duì)于臨界字體大小的計(jì)算方法，可以采用最小二乘擬合法對(duì)采集的5種字號(hào)的點(diǎn)進(jìn)行擬合，兩條擬合線(xiàn)的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的字體大小就是達(dá)到最大閱讀速度的臨界字體大小，然后用Matlab進(jìn)行作圖分析.

3.2 處理后的結(jié)果

3.2.1 SPSS方差分析

對(duì)英文、數(shù)字、漢字3種字體分別進(jìn)行方差分析.

1)英文.

就正確率的方差分析表明:在0.05顯著性水平上，視距的主效應(yīng)不顯著(P=0.076)，字號(hào)的主效應(yīng)顯著(P=0.007)，視距與字號(hào)的交互作用也顯著(P=0.022).就反應(yīng)時(shí)間的方差分析表明:在0.05顯著性水平上，視距的主效應(yīng)顯著(P=0.029)，字號(hào)的主效應(yīng)也顯著(P=0.001)，視距與字號(hào)的交互作用不顯著(P=0.289).

2)數(shù)字.

就正確率的方差分析表明:在0.05顯著性水平上，視距的主效應(yīng)顯著(P=0.009)，字號(hào)的主效應(yīng)也顯著(P=0.014)，視距與字號(hào)的交互作用不顯著(P=0.479).就反應(yīng)時(shí)間的方差分析表明:在0.05顯著性水平上，視距的主效應(yīng)顯著(P=0.003)，字號(hào)的主效應(yīng)也顯著(P=0.000)，視距與字號(hào)的交互作用不顯著(P=0.350).

3)中文.

就正確率的方差分析表明:在0.05顯著性水平上，視距的主效應(yīng)不顯著(P=0.078)，字號(hào)的主效應(yīng)非常顯著(P=0.000)，視距與字號(hào)的交互作用不顯著(P=0.125).就反應(yīng)時(shí)間的方差分析表明:在0.05顯著性水平上，視距的主效應(yīng)顯著(P=0.013)，字號(hào)的主效應(yīng)非常顯著(P=0.000)，視距與字號(hào)的交互作用不顯著(P=0.713).

3.2.2 數(shù)學(xué)擬合法數(shù)據(jù)處理

采用最小二乘擬合法對(duì)英文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以分別得到字體大小與正確率以及反應(yīng)時(shí)間的曲線(xiàn)，其中拐點(diǎn)處為臨界字體大小.圖2～圖3為英文字體大小與正確率、反應(yīng)時(shí)的擬合曲線(xiàn)，同理可以得到數(shù)字和漢字的擬合曲線(xiàn).3種字體在3種不同視距下的臨界字體大小如表1所示.

圖2 英文正確率的臨界字體大小

圖3 英文反應(yīng)時(shí)間的臨界字體大小

表1 3種字體在3種不同視距下的臨界字體大小

4 分析與討論

根據(jù)Peters和Adams建議的文字的高度公式可以看出，視距與字號(hào)是線(xiàn)性的關(guān)系，因此可以假設(shè)視距與字號(hào)的關(guān)系為H=a×D+b，其中a和b是未知數(shù).只需要兩組數(shù)據(jù)就可以確定關(guān)系式.為了使結(jié)果更準(zhǔn)確，采用多次求解取均值的方法.實(shí)驗(yàn)中每種字體都有3種視距下的3組數(shù)據(jù)，從3組數(shù)據(jù)中任取兩組就可以確定1組a和b的值;總共可以求解出3組a和b的值，然后再對(duì)這3組a和b的值求平均值，確定最終a和b值，從而確定這種字體的視距與字號(hào)的關(guān)系式.

4.1 字號(hào)與視距的關(guān)系

按照上述方法可以得到英文的視距與字號(hào)的關(guān)系式為:

與公式(1)進(jìn)行比較驗(yàn)證公式(2)的正確性.在光照條件較好的情況下 K2取0.06，即此時(shí)Peters和Adams建議的文字的高度公式為 H=0.0022×D+1.524.分別用公式(1)和公式(2)對(duì)3種視距下的字體高度進(jìn)行計(jì)算可知:3種視距下計(jì)算的結(jié)果分別相差0.66 mm、0.92 mm、1.18 mm.如表2所示.

從表2可以看出:在一般視距水平上(500～900 mm)，兩者的高度值相差0.66～1.18 mm，在最大視距900 mm水平上僅相差1.18 mm.這個(gè)差距水平可以認(rèn)為是非常小的，可看作是實(shí)驗(yàn)條件的正常誤差.因此可以證明公式(2)是正確的，從而也證明了此種實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法是合理可行的.

表2 公式(1)和公式(2)的計(jì)算結(jié)果比較

用同樣的方法可以得到數(shù)字字號(hào)與視距的關(guān)系式為:

漢字字號(hào)與視距的關(guān)系式為:

從英文、數(shù)字、漢字3個(gè)公式可以看出:在同樣的視距水平上，所需的3種字體的大小順序?yàn)?數(shù)字＜英文＜漢字.即數(shù)字是最容易辨識(shí)的，其臨界字號(hào)最小;英文字母介于數(shù)字和漢字之間;漢字最不容易辨識(shí)，所需的臨界字號(hào)最大.這和許多標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定漢字的字號(hào)選取要大于英文數(shù)字的字號(hào)是一致的.

4.2 字體、視距和字號(hào)對(duì)目標(biāo)辨識(shí)的影響

可以看出:在相同的字號(hào)或相同的視距下得到的結(jié)論是一致的，即數(shù)字最容易辨識(shí)，其正確率最高，反應(yīng)時(shí)最少;英文次之;漢字最不容易辨識(shí)，正確率最低，反應(yīng)時(shí)最大.在相同的字號(hào)下，隨著視距的增加，正確率下降，反應(yīng)時(shí)增加.在相同的視距下，隨著字號(hào)的增大，正確率逐漸增加并趨于一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，反應(yīng)時(shí)逐漸減少并趨于一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值.

從3.2.1小節(jié)中的方差分析數(shù)據(jù)來(lái)看:總體而言，字號(hào)與視距都對(duì)目標(biāo)辨識(shí)有較大的影響.從正確率上來(lái)分析，對(duì)于視距而言，對(duì)數(shù)字的主效應(yīng)(P=0.009)最顯著，對(duì)英文和漢字的主效應(yīng)都不顯著;對(duì)于字號(hào)而言，對(duì)漢字的主效應(yīng)(P=0.000)最顯著，也就是說(shuō)漢字受字號(hào)影響最大，英文次之，數(shù)字影響最小.從反應(yīng)時(shí)間上來(lái)分析，對(duì)于視距而言，對(duì)數(shù)字的主效應(yīng)最顯著，其次是漢字，英文影響最小;對(duì)于字號(hào)而言，對(duì)漢字和數(shù)字的影響效應(yīng)都非常顯著，英文次之.因?yàn)閺姆磻?yīng)時(shí)間上來(lái)說(shuō)，無(wú)論是字號(hào)還是視距，對(duì)3種字體辨識(shí)的主效應(yīng)均比從正確率上分析的主效應(yīng)要顯著，因此可以說(shuō)反應(yīng)時(shí)間更適合作為研究字體、字號(hào)與視距關(guān)系的評(píng)價(jià)指標(biāo).

5 結(jié)束語(yǔ)

從人的認(rèn)知特性出發(fā)，對(duì)顯示界面文字的視覺(jué)編碼進(jìn)行了研究，分別探討了英文、數(shù)字和漢字的字體大小與視距的關(guān)系，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和科學(xué)地整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別得出了英文、數(shù)字和漢字3種字體的視距與字號(hào)的關(guān)系式，并與國(guó)外學(xué)者得到的結(jié)論做了比較，驗(yàn)證了所得公式的正確性以及實(shí)驗(yàn)方法的可行性;分析了字體、視距和字號(hào)對(duì)目標(biāo)辨識(shí)的影響.

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