楊 毅

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100043)

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顯控臺(tái)屏幕布局方式對(duì)用戶態(tài)勢(shì)感知能力的影響

楊 毅

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100043)

為了優(yōu)化顯控臺(tái)上顯示器的布局，利用主次任務(wù)法針對(duì)不同屏幕布局方式對(duì)用戶態(tài)勢(shì)感知能力的影響進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。分別對(duì)比了3種垂直布置方式和1種窗口嵌入方式的屏幕布局對(duì)用戶態(tài)勢(shì)感知能力的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用窗口嵌入方式可以使用戶保持更好的態(tài)勢(shì)感知能力，并且用戶的主觀負(fù)荷最低。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)論，提出了針對(duì)顯控臺(tái)屏幕布局方式的一些建議。

屏幕布局;態(tài)勢(shì)感知;顯控臺(tái)

現(xiàn)代電子信息系統(tǒng)融合了大量傳感器數(shù)據(jù)和來自多平臺(tái)的豐富信息。作為電子信息系統(tǒng)的終端和人機(jī)交互的接口,顯控臺(tái)需要將這些信息有組織的輸出給操作員。由于信息量龐大,使用單個(gè)顯示器往往不能滿足使用要求。因此,通過對(duì)顯示器進(jìn)行合理布局使信息合理顯示是提高操作員工作績(jī)效和信息系統(tǒng)綜合處理能力的重要問題。

在實(shí)際應(yīng)用中,顯控臺(tái)屏幕的布局形式往往需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和使用情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如,美國“捕食者”系列無人機(jī)的地面顯控臺(tái)采用“一上一中二下”方式排列4個(gè)液晶顯示器用于模擬有人機(jī)的駕駛環(huán)境:最上方的顯示器用于顯示無人機(jī)路線圖;中間的顯示器用于顯示無人機(jī)前視攝像機(jī)拍攝的畫面,其作用相當(dāng)于戰(zhàn)斗機(jī)的平視顯示器;最下方的2個(gè)顯示器用于顯示各種傳感器信息,包括飛行參數(shù)、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和傳感器圖像等,其作用相當(dāng)于戰(zhàn)斗機(jī)的下視顯示器[1]。在有些使用環(huán)境下(如機(jī)載),顯控臺(tái)的尺寸受到使用空間的限制。這時(shí),顯控臺(tái)通常要設(shè)計(jì)成豎直方向上多個(gè)顯示器分布的布局。在其他應(yīng)用領(lǐng)域,也存在單屏、橫向雙屏和豎向雙屏等設(shè)計(jì)[2]。然而,從人機(jī)工程的角度對(duì)顯控臺(tái)屏幕布局方式進(jìn)行的研究還較少。

在日常工作中,多顯示器的應(yīng)用已經(jīng)日趨廣泛。相應(yīng)的,一些研究對(duì)多屏幕與單屏幕的組織方式進(jìn)行了比較。GRUDIN et al記錄了用戶使用多屏幕的習(xí)慣,發(fā)現(xiàn)第二個(gè)及以上的屏幕主要用于輔助任務(wù)[3]。HUTCHINGS et al比較了單屏和多屏用戶在窗口管理和屏幕空間分配方式的差別[4]。BI et al對(duì)比了日常使用單屏和雙屏的用戶在使用巨屏(4.9 m×1.8 m)前后的使用習(xí)慣和工作模式[5]。TRUEMPER et al比較了使用2×2布局的4個(gè)17吋(432 mm)顯示器和使用單個(gè)17吋(432 mm)顯示器對(duì)用戶完成網(wǎng)頁制作任務(wù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)多顯示器布局方式更利于用戶進(jìn)行多任務(wù)同步操作。然而,由于2×2布局的顯示器使用戶缺少對(duì)顯示中心的認(rèn)知,用戶使用多顯示器和單顯示器的操作效率并沒有顯著差別[6]。CZERWINSKI et al比較了由3個(gè)15吋(381 mm)顯示器橫向投影拼接成的DSharp顯示器與單個(gè)15吋(381 mm)顯示器對(duì)用戶工作績(jī)效的影響。在完成一組Office相關(guān)任務(wù)中,使用DSharp顯示器的用戶能夠更高效的完成任務(wù),并且更青睞這種大屏顯示器[7]。相似的,KANG et al比較了用戶使用兩個(gè)水平放置的17吋(432 mm)顯示器和單個(gè)17吋(432 mm)顯示器完成旅程預(yù)訂工作的績(jī)效。結(jié)果顯示,使用多屏的用戶能夠更快的完成任務(wù),且主觀工作負(fù)荷更小。此外,先前沒有使用多屏經(jīng)驗(yàn)的用戶更容易利用多屏方案提高工作績(jī)效[8]。Owens et al對(duì)比了17吋(432 mm)和22吋(559 mm)2種尺寸的單雙顯示器布局,發(fā)現(xiàn)2種尺寸下雙顯示器布局都比單顯示器更受用戶青睞。以上這些研究主要針對(duì)橫向布局的多個(gè)顯示器與單顯示器進(jìn)行比較,顯現(xiàn)出多顯示器在復(fù)雜多任務(wù)處理中的優(yōu)勢(shì)[9]。王獻(xiàn)青等比較了一個(gè)20吋(508 mm)大屏和兩個(gè)14吋(355 mm)小屏以水平和豎直2種方式布置,并以9種顯示器夾角組合對(duì)被試進(jìn)行目標(biāo)搜索任務(wù)的影響。研究發(fā)現(xiàn),以水平方式布置的顯示器組合總體上比垂直布置的方式要好,被試可以更快的完成搜索任務(wù)[10]。然而,此實(shí)驗(yàn)只要求被試按照大屏的目標(biāo)要求在小屏上完成單一的搜索任務(wù),并沒有對(duì)被試協(xié)同使用多個(gè)屏幕的能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。在實(shí)際使用時(shí),操作員往往需要對(duì)多個(gè)信息進(jìn)行處理。因此,需要對(duì)操作員在多任務(wù)環(huán)境下的態(tài)勢(shì)感知能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)以確定屏幕的組織形式。此外,現(xiàn)有研究主要使用22吋(559 mm)及以下的顯示器進(jìn)行比較,單個(gè)顯示器往往不能容納用戶需要同時(shí)查看的所有信息。這種情況下,用戶需要頻繁進(jìn)行窗口切換,造成績(jī)效下降。然而,隨著顯示技術(shù)的發(fā)展,越來越多的大尺寸顯示器逐漸成為主流。當(dāng)單個(gè)顯示器足以容納所有信息時(shí),額外增加的顯示器對(duì)用戶使用效果的影響還需要進(jìn)一步研究。

1 多屏任務(wù)實(shí)驗(yàn)

比較2類屏幕布局方式對(duì)用戶態(tài)勢(shì)感知能力的影響。第一類為垂直布局方式,即一個(gè)大屏在上方,一個(gè)小屏在下方。第二類為窗口嵌入方式,即在一個(gè)大屏內(nèi)設(shè)置一個(gè)與小屏等大的窗口。本文通過這兩類屏幕布局方式的比較,為顯控臺(tái)屏幕布局提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

12名在校學(xué)生作為本實(shí)驗(yàn)的被試,其中6名女性,6名男性。被試年齡在20至25歲之間,視力或矯正視力正常,此前無類似任務(wù)的操作經(jīng)驗(yàn),以右手為常用手。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括2臺(tái)顯示器,一臺(tái)尺寸為27吋(686 mm),分辨率為1 920×1 080,用于大屏顯示;另一臺(tái)顯示器利用筆記本電腦的14吋(355 mm)顯示器模擬一個(gè)尺寸為10吋(254 mm),分辨率為1 024×768的小屏,如圖1(左圖)所示。這樣做的目的是可以方便地設(shè)置小屏的尺寸和位置,用來在實(shí)驗(yàn)中模擬某型顯控臺(tái)的屏幕布局[11]。27吋(686 mm)大屏顯示器由一臺(tái)CPU為intelXeonE3-1230的Think Station主機(jī)控制。每臺(tái)顯示器配備一個(gè)鍵盤用于被試在實(shí)驗(yàn)中做出反應(yīng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用主次任務(wù)的方法測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)象在多任務(wù)環(huán)境下的態(tài)勢(shì)感知(Situation Awareness)能力[12]。實(shí)驗(yàn)主任務(wù)是在小屏上完成搜索任務(wù):在小屏上呈現(xiàn)6×6個(gè)字母,包括隨機(jī)排布的18個(gè)字母R和18個(gè)字母P(字母大小為8 mm×10 mm).實(shí)驗(yàn)過程中,每隔1 s有一個(gè)隨機(jī)字母變紅。被試在P變紅時(shí)用鍵盤輸入“1”,R變紅時(shí)輸入“2”.

實(shí)驗(yàn)的次任務(wù)是對(duì)大屏的態(tài)勢(shì)感知任務(wù),大屏背景為一張散布若干飛機(jī)符號(hào)(障礙物)的地圖。在實(shí)驗(yàn)過程中,屏幕上的9個(gè)區(qū)域(按照水平方向和豎直方向平分成9塊區(qū)域)中的某個(gè)隨機(jī)區(qū)域的中心每隔一段時(shí)間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新的飛機(jī)符號(hào),飛機(jī)符號(hào)停留時(shí)間為1 s.被試在進(jìn)行主任務(wù)的同時(shí),若能夠感知到新的飛機(jī)出現(xiàn),則按“空格”鍵。所有飛機(jī)符號(hào)為綠色三角形,大小為10 mm×10 mm,這種圖形具有較好的辨識(shí)效果[13]。

實(shí)驗(yàn)中小屏上的字母P與R各出現(xiàn)36次,大屏上的飛機(jī)目標(biāo)共出現(xiàn)27次(每個(gè)區(qū)域隨機(jī)出現(xiàn)3次)。主次任務(wù)中各目標(biāo)的出現(xiàn)次序隨機(jī),避免用戶形成預(yù)期。

實(shí)驗(yàn)比較兩類4種屏幕布局方式。其中,第一類為“一大一小”豎直布置,第二類為在大屏幕中嵌入小窗口。在第一類布局中,比較了小屏放置在大屏以下左(Small-Left)、中(Small-Center)、右(Small-Right)3個(gè)位置的布局效果。在第4種布局方案中,采用小窗口嵌入的方式(Embedded),小窗口被設(shè)為半透明(透明度為50%),尺寸與小屏方式相同,如圖1所示。

圖1 屏幕的4種布局方式Fig.1 Four display layouts

實(shí)驗(yàn)采用4×9重復(fù)測(cè)量的雙任務(wù)被試內(nèi)(repeated-measures within-subject design)設(shè)計(jì)。對(duì)4種布局方式的實(shí)驗(yàn)順序采用平衡拉丁方方法實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)對(duì)象間的平衡。實(shí)驗(yàn)研究4種屏幕布局方式和9種目標(biāo)位置對(duì)用戶在多任務(wù)環(huán)境下的反應(yīng)績(jī)效和主觀心理負(fù)荷的影響。因變量包括小屏搜索任務(wù)的反應(yīng)時(shí)和正確率,對(duì)大屏中飛機(jī)符號(hào)出現(xiàn)的反應(yīng)時(shí),以及大屏飛機(jī)符號(hào)的錯(cuò)過率。在實(shí)驗(yàn)開始前,每名被試有十分鐘左右的時(shí)間熟悉實(shí)驗(yàn)任務(wù),使其能夠在RP選擇實(shí)驗(yàn)中達(dá)到90%以上的正確率。在每種布局的實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,被試完成NASA-TLX量表[14]進(jìn)行心理負(fù)荷的測(cè)量。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.4.1 主任務(wù)反應(yīng)時(shí)

主任務(wù)反應(yīng)時(shí)分析被試對(duì)字母R和P做出正確反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)。通過ANOVA方差分析,發(fā)現(xiàn)屏幕布局方式(F3,33=24.948,p<0.001)對(duì)被試反應(yīng)時(shí)具有顯著影響。通過對(duì)4種布局方式的均值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)窗口嵌入式布局所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)最短(p<0.001),而三種“一上一下”方式布局的反應(yīng)時(shí)之間沒有顯著差異(p>0.1),如圖2所示。

圖2 主任務(wù)反應(yīng)時(shí)Fig.2 Respond time of the primary task

1.4.2 主任務(wù)正確率

在實(shí)驗(yàn)前的訓(xùn)練中,每名被試對(duì)RP任務(wù)的反應(yīng)正確率能夠達(dá)到90%以上。然而,當(dāng)主次任務(wù)同時(shí)呈現(xiàn)時(shí),被試的RP任務(wù)正確率有所下降。方差分析表明,屏幕布局方式對(duì)主任務(wù)正確率有顯著影響(F3,33=9.442,p<0.001).窗口嵌入方式的任務(wù)正確率最高(p<0.001),其他三種 “一上一下”布局方式的正確率間沒有顯著差異(p>0.10),如圖3所示。

圖3 主任務(wù)正確率Fig.3 Correct rate of the primary task

1.4.3 次任務(wù)反應(yīng)時(shí)

次任務(wù)反應(yīng)時(shí)分析被試對(duì)大屏中出現(xiàn)的飛機(jī)符號(hào)做出正確反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)。通過ANOVA方差分析,發(fā)現(xiàn)屏幕布局方式(F3,33=4.31,p<0.05)對(duì)被試次任務(wù)反應(yīng)時(shí)具有顯著影響,飛機(jī)符號(hào)出現(xiàn)位置(F3,33=1.173,p=0.324)對(duì)被試反應(yīng)時(shí)沒有顯著影響,但是屏幕布局方式和飛機(jī)符號(hào)出現(xiàn)的位置之間具有交互作用(F24,264=2.747,p<0.001)。通過對(duì)4種布局方式的均值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)窗口嵌入式布局所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)比“一上一下”中左側(cè)放置小屏方式的反應(yīng)時(shí)更短(p<0.001),但和其他2種方式?jīng)]有顯著差異(p>0.10).如圖4所示。

圖4 次任務(wù)反應(yīng)時(shí)Fig.4 Respond time of the secondary task

由于屏幕布局方式和飛機(jī)符號(hào)出現(xiàn)的位置之間具有交互作用,分析了不同布局方式下,在不同位置出現(xiàn)飛機(jī)符號(hào)時(shí)被試的反應(yīng)時(shí),如圖5所示。

圖5 在不同位置出現(xiàn)飛機(jī)符號(hào)的被試反應(yīng)時(shí)Fig.5 Average respond time of subjects when plane signals appeared

從圖5中可以看出,在各種布局方式下,被試對(duì)不同位置出現(xiàn)的飛機(jī)符號(hào)的反應(yīng)時(shí)的分布不盡相同。但總體來說,被試對(duì)屏幕中心和左上方位置出現(xiàn)飛機(jī)符號(hào)的反應(yīng)時(shí)相對(duì)較短;對(duì)屏幕右側(cè),特別是右下方出現(xiàn)飛機(jī)符號(hào)的反應(yīng)時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)。特別的,在屏幕右下方嵌入窗口的布局方式會(huì)因窗口疊放或部分遮擋(50%透明度)主屏幕導(dǎo)致被試對(duì)該區(qū)域出現(xiàn)目標(biāo)的感知效率降低。

1.4.4 次任務(wù)漏報(bào)率

在被試進(jìn)行主任務(wù)時(shí),增加次任務(wù)產(chǎn)生了較高的次任務(wù)漏報(bào)率(平均漏報(bào)率為37.2%)。方差分析結(jié)果表明,屏幕布局方式(F3,33=3.785,p<0.05)對(duì)被試漏報(bào)率具有顯著影響,飛機(jī)符號(hào)出現(xiàn)位置(F3,33=7.158,p<0.001)對(duì)被試漏報(bào)率具有顯著影響,屏幕布局方式和飛機(jī)符號(hào)出現(xiàn)的位置之間沒有交互作用(F24,264=1.521,p=0.06)。窗口嵌入式布局所對(duì)應(yīng)的漏報(bào)率比“一上一下”中左側(cè)和右側(cè)放置小屏方式的漏報(bào)率低(p<0.05),但和中間放置方式?jīng)]有顯著差異(p>0.10),如圖6所示。

圖6 四種布局方式的次任務(wù)漏報(bào)率Fig.6 Miss rate under four display layouts

圖7展示了不同位置的次任務(wù)漏報(bào)率。從漏報(bào)率的空間分布來看,屏幕中心偏下的區(qū)域漏報(bào)率相對(duì)較低(排除屏幕右下角區(qū)域),這部分區(qū)域與主任務(wù)工作區(qū)位置接近,而在遠(yuǎn)離主任務(wù)區(qū)的屏幕上方,漏報(bào)率則相對(duì)高。此外,同樣可能由于窗口遮擋,導(dǎo)致屏幕右下方的漏報(bào)率相對(duì)較高。

圖7 不同位置的次任務(wù)漏報(bào)率Fig.7 Miss rate of the secondary task at different locations

圖8 主觀工作負(fù)荷Fig.8 Subjective workload

1.4.5 主觀工作負(fù)荷

主觀工作負(fù)荷使用NASA-TLX量表進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如圖8所示。在大屏中嵌入窗口的方式產(chǎn)生的主觀工作負(fù)荷最小,而小屏在左側(cè)的布置方式使被試產(chǎn)生了最高的心理負(fù)荷。然而,不同布局方式的各項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果沒有顯著差異(p>0.05).

2 結(jié)果與討論

比較了4種屏幕布局方式對(duì)用戶態(tài)勢(shì)感知能力的影響。總體來說,在大屏幕中嵌入小窗口的方式相對(duì)于在大屏幕下方增加小屏幕顯示器更有利于被試進(jìn)行多任務(wù)協(xié)同操作,用戶的態(tài)勢(shì)感知能力也更好。前人研究發(fā)現(xiàn),視覺系統(tǒng)沿橫向比縱向具有更快的信息處理能力[12]。在本文比較的4種布局方式中,在嵌入窗口的方式中,被試在2個(gè)界面中水平掃視的比例更高,而在“一上一下”的三種布局中,垂直掃視的比例更高,因此被試對(duì)信息的處理能力也就相對(duì)較差。此外,在前人對(duì)多屏布局的研究中發(fā)現(xiàn),沿水平方向布置顯示器可以提高用戶工作績(jī)效[9],而采用垂直方式布置顯示器則沒有顯著提高用戶工作績(jī)效[6]。因此,更推薦在水平方向上布置顯示器,或采用屏幕中以水平方式劃分窗口的方式進(jìn)行信息顯示。

從空間分布的角度,對(duì)比了在大屏幕9個(gè)不同位置出現(xiàn)目標(biāo)時(shí)被試的反應(yīng)效率。發(fā)現(xiàn)被試對(duì)屏幕中心目標(biāo)的感知能力要優(yōu)于其他區(qū)域,這與前人關(guān)于畫面中心更吸引注意力的研究結(jié)論一致[15]。此外,被試能對(duì)大屏左側(cè)的目標(biāo)比右側(cè)的目標(biāo)做出更快的反應(yīng),這可能與自然掃視從左到右的順序有關(guān)[12,16];然而,從漏報(bào)率的角度看,大屏幕下方目標(biāo)的漏報(bào)率更低,說明與被試注視位置更接近的目標(biāo)更易于被關(guān)注。這一結(jié)果與文獻(xiàn)[17]在多任務(wù)環(huán)境下對(duì)不同位置目標(biāo)探測(cè)的研究結(jié)果相符。

結(jié)合本文研究結(jié)果,從操作員態(tài)勢(shì)感知的角度對(duì)顯控臺(tái)屏幕布局方式提出以下建議:

1) 在水平空間約束較小時(shí),優(yōu)先在水平方向布置顯示器;空間有限時(shí),可以考慮以窗口嵌入的方式將顯示內(nèi)容顯示在大屏幕內(nèi);

2) 窗口嵌入方式會(huì)造成窗口遮擋背景視圖,如果顯示空間允許,可以采用視圖分割的方式,將輔助窗口布置于屏幕右側(cè),將主要顯示區(qū)域布置于屏幕左側(cè);

3) 相對(duì)而言,將小屏幕(窗口)布置于大屏幕(窗口)下方不利于需要用戶在大小屏幕(窗口)間進(jìn)行協(xié)同任務(wù)的情況;應(yīng)盡可能將信息相關(guān)的窗口以水平方式接近布置;

4) 在水平空間有限,需要采用多屏幕沿豎直方向布置時(shí),盡量將小屏放置于大屏下方中間或右側(cè)位置。

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(編輯：劉笑達(dá))

The Effect of Monitor Layout on Control Station Users’ Situation Awareness

YANG Yi

(ChinaAcademyofElectronicandInformationTechnology,Beijing100043,China)

Control stations are terminals of modern electronic and information systems. Managing monitor layout on a control station is a key problem. This paper presents experimental studies of four monitor layouts. We compared the effect of monitor layout on users’ situation awareness,and found that embedding a sub-window in the main display is the best way to maintain higher situation awareness of users and to obtain lower subjective workload as compared with placing sub-monitors under the main display. We offer guidelines on how to manage monitor layout on a control station at the end of this paper.

monitor layout;situation awareness;control station

1007-9432(2016)03-0399-06

2015-10-12

楊毅(1985-)，男，北京人，博士，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槿藱C(jī)交互技術(shù)與人因工程，(E-mail)easyyy2004@163.com

TP399

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10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.023