李吉濤,秦 華,冉令華,于瑞峰,鄔 歆
(1.北京建筑大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院,北京 102616;2.中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院,北京 100088;3.清華大學(xué) 工業(yè)工程系,北京 100084;4.北京匯云易聽網(wǎng)絡(luò)科技有限公司 北京 100084)
視覺搜索在閱讀、安檢、工業(yè)檢測、汽車駕駛、軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-2]。有效視野也叫做“功能視野”,它是一項(xiàng)基本的人體視覺空間特性。大量研究表明,有效視野對(duì)視覺搜索績效具有顯著的影響。Courtney等[3]的研究發(fā)現(xiàn),視野的大小與視覺搜索績效有關(guān)聯(lián),視野邊緣的不規(guī)則對(duì)于搜索績效具有顯著影響。Schoonahd等[4]的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在集成電路芯片檢測中,視野大小與視覺搜索績效具有正相關(guān)性。Courtney等[5]對(duì)視野面積與搜索績效的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)視野面積越大,搜索績效越好。楊林棟等[6]的研究表明,高強(qiáng)度視野訓(xùn)練能有效增大視野面積,改善視野圓度,極大地提高視覺搜索績效。視野測量可評(píng)價(jià)不同人群對(duì)復(fù)雜變化目標(biāo)的感知能力、定位能力和識(shí)別能力,已經(jīng)被作為預(yù)測視覺搜索績效的有效工具[7]。例如,視野可作為預(yù)測駕駛的績效和安全性的指標(biāo)[8-10]。Owsley等[11]發(fā)現(xiàn)老年駕駛?cè)说挠行б曇皽y試結(jié)果與駕駛事故率相關(guān),當(dāng)有效視野損失高于40%時(shí),其駕駛事故率比平均事故率要高出2.2倍。
早期針對(duì)有效視野形狀的研究主要集中在視野面積,隨后有研究表明,視野形狀對(duì)于搜索績效具有顯著影響[12-14]。Chan等[15]提出了一套完善的有效視野形狀指數(shù)體系,主要包含5大類、16個(gè)形狀指數(shù),其中,圓度指數(shù)中的形狀因子將視野面積和視野周長均納入考慮。
隨著年齡增加,人的視覺功能發(fā)生生理性衰退,視野特性發(fā)生改變,視覺搜索能力也大幅下降[16-18],尤其是當(dāng)目標(biāo)與刺激之間沒有顯著差異時(shí)[19]。Potter等[20]的研究表明,視覺搜索績效在中年開始下降,年齡增加越多,搜索績效下降越多。郭鳳香等[21]對(duì)老年駕駛員的有效視野研究表明,隨著年齡增加,老年駕駛員對(duì)外圍視覺信息的獲取能力呈下降的趨勢。當(dāng)前,針對(duì)不同年齡段人群進(jìn)行的研究主要集中在靜態(tài)視野,或者是只研究了動(dòng)態(tài)視野對(duì)于視野面積變化的影響。例如,于曉雅等[22]測量了老年組和青年組被試的動(dòng)態(tài)視野面積,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明老年人隨著年齡增加動(dòng)態(tài)視野老化變窄。Yu等[23]對(duì)不同年齡段人群的靜態(tài)有效視野和搜索績效進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)20-30歲人群視野面積縮減較慢,30歲后變化速度加快,到了50歲后變化又有所趨緩,同時(shí),隨著年齡的增加,靜態(tài)視覺搜索績效呈顯著下降趨勢。
在實(shí)際的生產(chǎn)和生活中,大部分視覺場景都是動(dòng)態(tài)場景,例如駕駛情景、行李X光機(jī)安檢等。Yu等[24]的研究表明,在動(dòng)態(tài)情形下的視覺搜索特性和靜態(tài)情形有所不同,因此有必要對(duì)動(dòng)態(tài)功能視野進(jìn)行測試。Yang等[25]基于靜態(tài)有效視野的定義,提出了動(dòng)態(tài)有效視野的定義和測試方法,開發(fā)了動(dòng)態(tài)有效視野測試系統(tǒng),并驗(yàn)證了該測試系統(tǒng)的可靠性。在該研究中,對(duì)于動(dòng)態(tài)有效視野的定義為當(dāng)搜索者注視搜索區(qū)域內(nèi)某一勻速移動(dòng)的凝視點(diǎn),使眼球保持恒定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),搜索區(qū)域目標(biāo)識(shí)別標(biāo)簽被搜索者識(shí)別到的幾率大于等于50%的位置點(diǎn)所構(gòu)成的區(qū)域集合即為動(dòng)態(tài)有效視野。
隨著人口老齡化的發(fā)展,中老年人進(jìn)行駕駛、運(yùn)動(dòng)的比例也大幅增加。動(dòng)態(tài)有效視野可評(píng)價(jià)不同人群對(duì)變化目標(biāo)的感知能力、定位能力和識(shí)別能力。本文通過不同年齡段人群的動(dòng)態(tài)有效視野實(shí)驗(yàn),探究年齡對(duì)視野周長、視野面積及視野形狀因子等視野特性變化規(guī)律的影響,為針對(duì)不同年齡段人群設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)視覺搜索任務(wù)提供指導(dǎo)。
在北京招募18~75歲的被試人群,分為青年、中年和老年3個(gè)年齡組,所有被試的身體健康狀況良好,在測試前均進(jìn)行視力檢查。為了排除視力對(duì)視野測試的影響,3個(gè)組別中篩除了視力低于0.8的被試,確保不同組別被試的雙眼矯正視力均值相同。各年齡組被試的基本信息如表1所示。
表1 被試年齡信息表Table 1 Participant age information form
測試使用安特美顯示器,型號(hào)為AN-230w01D,分辨率為1920×1080。
圖1 測試界面圖形Figure 1 Test interface
采用視覺測試系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)有效視野測試。該系統(tǒng)基于于瑞峰等人對(duì)動(dòng)態(tài)有效視野的定義和測試方法進(jìn)行開發(fā)。該系統(tǒng)包含2種測試界面圖形(如圖1所示),第1種圖形為任務(wù)界面,第2種圖形為判斷界面,每種圖形均由1個(gè)凝視點(diǎn)和多個(gè)觸點(diǎn)組成。任務(wù)界面包含72個(gè)觸點(diǎn),均勻分布在以凝視點(diǎn)為起點(diǎn)的9個(gè)同心圓和8條呈放射狀的軸線交叉點(diǎn)上。放射狀軸線分別為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°,凝視點(diǎn)符號(hào)為實(shí)心紅色圓圈,干擾符號(hào)為白色十字叉“×”,目標(biāo)符號(hào)為白色空心圓圈“○”。判斷界面包含2種不同的識(shí)別標(biāo)簽,分別為實(shí)心紅色圓圈的凝視點(diǎn)及“+”覆蓋標(biāo)簽。
當(dāng)測試系統(tǒng)界面中的凝視點(diǎn)始終位于圖片中間,即運(yùn)動(dòng)速度為0°/s時(shí),此時(shí)可進(jìn)行靜態(tài)有效視野測試。當(dāng)凝視點(diǎn)沿x軸水平從左到右以不同的速度移動(dòng)時(shí),可進(jìn)行動(dòng)態(tài)有效視野測試。當(dāng)凝視點(diǎn)接近顯示屏幕中央時(shí),顯示屏幕顯示出以該凝視點(diǎn)為圓心的第1種測試圖形,該圖形繼續(xù)向右移動(dòng)至設(shè)定的刺激呈現(xiàn)時(shí)間,第1種圖形消失。第1種圖形消失處,出現(xiàn)第2種圖形,測試者需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊記憶中第1種圖形上目標(biāo)符號(hào)所在位置的第2種圖形上覆蓋標(biāo)簽的觸點(diǎn)。
測試界面為白色背景,黑色刺激。每1個(gè)刺激中,目標(biāo)符號(hào)(空心圓圈)隨機(jī)呈現(xiàn)在第1種圖形上72個(gè)觸點(diǎn)中的某1個(gè)。為了避免被試眼球出現(xiàn)因掃視運(yùn)動(dòng)而多次注視刺激圖像或注視其他地方,將刺激呈現(xiàn)時(shí)間設(shè)置為300 ms[26]。在每個(gè)可能的位置上,目標(biāo)符號(hào)隨機(jī)呈現(xiàn)2次,如果被試至少有1次判斷正確,則表明該位置在被試的視野范圍內(nèi)。
凝視點(diǎn)移動(dòng)速度共有4個(gè)水平:0°/s、8°/s、16°/s和32°/s。每個(gè)被試參加所有不同移動(dòng)速度下的實(shí)驗(yàn),共計(jì)4組任務(wù),每組任務(wù)由若干次單次視覺搜索任務(wù)組成,每組時(shí)長約為15 min。
實(shí)驗(yàn)在環(huán)境照度可調(diào)的照明工效實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,在0.75 m的水平上房間內(nèi)的平均照度為200 lx。
被試到達(dá)后,首先簽署知情同意書并進(jìn)行視力測試。隨后主試向被試介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,演示實(shí)驗(yàn)中軟件的使用方法,讓被試進(jìn)行操作訓(xùn)練。在被試均掌握軟件操作方法后,正式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),分別進(jìn)行凝視點(diǎn)移動(dòng)速度為0°/s、8°/s、16°/s、32°/s,共4輪視野測試。在進(jìn)行測試時(shí),被試凝視并點(diǎn)擊軟件呈現(xiàn)在顯示器屏幕中央的紅色凝視點(diǎn),屏幕則顯示出以該凝視點(diǎn)為圓心的第1個(gè)圖形任務(wù)界面,被試需從干擾符號(hào)(×)中識(shí)別目標(biāo)符號(hào)(O),第1個(gè)圖形任務(wù)界面呈現(xiàn)300 ms后消失,第2個(gè)判斷界面進(jìn)行呈現(xiàn),被試用鼠標(biāo)點(diǎn)擊目標(biāo)符號(hào)所在位置,單次搜索任務(wù)即結(jié)束。在每輪搜索任務(wù)結(jié)束后,中間休息10 min,進(jìn)行下一輪實(shí)驗(yàn)。每輪實(shí)驗(yàn)的順序隨機(jī)安排,整個(gè)測試持續(xù)約1.5 h。
視野形狀因子2006年由Chan等[15]提出,被用來描述所測得的視野形狀趨近于圓形的程度。該值越接近1,視野形狀越接近圓形。其計(jì)算方法如下
其中,S表示有效視野的面積,L表示有效視野的周長。
不同年齡段人群在不同凝視點(diǎn)移動(dòng)速度時(shí)的有效視野周長、有效視野面積及有效視野形狀因子的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。
表2 有效視野特性描述性統(tǒng)計(jì)分析Table 2 Descriptive statistical analysis of effective visual field characteristics
不同年齡段被試在不同凝視點(diǎn)移動(dòng)速度下,沿8個(gè)輻射軸方向所測量的視野形狀的均值圖如圖2所示。
由表2和圖2可以看出,各年齡組在各個(gè)移動(dòng)速度下的有效視野均呈現(xiàn)為形狀不規(guī)則的橢圓形,這與Chan等[27]的闡述是一致的。當(dāng)凝視點(diǎn)速度為0°/s時(shí),即靜態(tài)視野測試時(shí),3組人群的形狀因子均在0.8以上,形狀因子較接近圓形。隨著凝視點(diǎn)移動(dòng)速度的增加,除個(gè)別參數(shù)外,有效視野周長、有效視野面積、形狀因子整體呈現(xiàn)出減少的趨勢。當(dāng)移動(dòng)速度從0°/s增加到32°/s時(shí),青年組、中年組和老年組的有效視野周長分別減少了15%、22%和30%,有效視野面積分別減少了35%、52%和64%,形狀因子分別減少了18%、28%和33%。其中老年組減少的最多,青年組減少的相對(duì)較少,老年組減少的幅度約為青年組的2倍。從青年組到中年組,有效視野周長、有效視野面積、形狀因子遞減的幅度分別為7%、17%和10%,從中年組到老年組遞減的幅度分別為8%、12%和5%。有效視野面積和形狀因子這2個(gè)參數(shù),從青年組到中年組遞減的幅度均大于從中年組到老年組的遞減幅度。說明隨著年齡的增加,人的動(dòng)態(tài)視野范圍逐漸遞減,老年人從周邊視野獲取的信息量隨之大幅減少。
圖2 各年齡組不同移動(dòng)速度下視野形狀均值圖Figure 2 Mean value of visual field shape at different moving speeds of different age groups
以年齡組(組間變量)、移動(dòng)速度(組內(nèi)變量)為自變量,以有效視野周長值、有效視野面積、有效視野形狀因子值為因變量進(jìn)行重復(fù)測量方差分析,結(jié)果匯總見表3。其中,F(xiàn)為組間均方與組內(nèi)均方的比值;df1為自由度;p值為顯著性水平。
表3 有效視野重復(fù)測量方差分析結(jié)果Table 3 Effective field of view repeated measurement ANOVA results
由表3可以看出,年齡組和移動(dòng)速度的主效應(yīng)顯著,p<0.01;有效視野周長和形狀因子的年齡組與移動(dòng)速度的交互效應(yīng)顯著,p<0.01。
由表4可以看出,年齡組顯著影響有效視野周長,表現(xiàn)為青年組>中年組>老年組。移動(dòng)速度顯著影響有效視野周長,表現(xiàn)為青年組>中年組>老年組。年齡組和凝視點(diǎn)移動(dòng)速度共同影響有效視野周長,表現(xiàn)為青年組0°/s>青年組8°/s>中年組8°/s>青年組16°/s>中年組0°/s>老年組0°/s>老年組8°/s>青年組32°/s>中年組16°/s>老年組16°/s>中年組32°/s>老年組32°/s。隨著年齡增加和移動(dòng)速度增加,有效視野周長隨之減小。青年組在0°/s時(shí)的有效視野周長為540.8 mm,到了老年組的32°/s,有效視野周長減少為331.5 mm。
表4 視野周長均值表Table 4 Average value of visual field perimeter
如表5所示,年齡組顯著影響有效視野面積,表現(xiàn)為青年組>中年組>老年組。移動(dòng)速度顯著影響有效視野面積,表現(xiàn)為速度為0°/s>8°/s>16°/s>32°/s,0°/s>8°/s沒有顯著差異。
表5 視野面積均值表Table 5 Field of view mean table
表6表明,年齡組顯著影響有效視野形狀因子,表現(xiàn)為青年組>中年組>老年組。移動(dòng)速度顯著影響形狀因子,表現(xiàn)為速度為0°/s>16°/s>32°/s,0°/s和8°/s無顯著差異。年齡組和凝視點(diǎn)移動(dòng)速度共同影響效視野周長,表現(xiàn)為青年組8°/s>青年組0°/s>老年組8°/s>中年組0°/s>老年組0°/s>青年組16°/s>中年組8°/s>中年組16°/s>老年組16°/s>青年組32°/s>中年組32°/s>老年組32°/s。隨著年齡增加和移動(dòng)速度增加,有效視野形狀因子隨之減小。青年組在8°/s時(shí)的形狀因子為0.839,到了老年組的32°/s,形狀因子減少為0.542。
從以上數(shù)據(jù)可以看出,成年人的動(dòng)態(tài)視野特征隨年齡增加而發(fā)生顯著變化,視野面積、視野周長和形狀因子均表現(xiàn)為青年組大于中年組,中年組大于老年組。成年人視野范圍受凝視點(diǎn)移動(dòng)速度影響,視野面積、視野周長和形狀因子均表現(xiàn)一致,凝視點(diǎn)在0°/s到8°/s范圍內(nèi)移動(dòng)對(duì)視野范圍無顯著影響,當(dāng)移動(dòng)速度達(dá)到16°/s和32°/s時(shí),視野范圍顯著縮小,且視野形狀愈發(fā)偏離圓形。
表6 視野形狀因子均值表Table 6 Field of view form factor mean table
本文測試了不同年齡組人群在不同凝視點(diǎn)移動(dòng)速度下的動(dòng)態(tài)有效視野特征。研究發(fā)現(xiàn),隨著年齡的增加,有效視野周長、有效視野面積和形狀因子整體呈下降的趨勢,凝視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)得越快,有效視野周長、面積和形狀因子減少的幅度越大,說明隨著年齡增加,人的視覺功能發(fā)生生理性衰退,動(dòng)態(tài)視野有變窄、變小的趨勢。Rantanen等[28]研究了視野面積和視野形狀對(duì)認(rèn)知負(fù)荷的影響,結(jié)果表明隨著任務(wù)負(fù)荷的增加,視野面積、圓度等特性隨之下降。Chan等[29]研究了不同難度任務(wù)下視野的變化情況,結(jié)果表明視野特性與目標(biāo)搜索任務(wù)的難度密切相關(guān)。本文的研究中,不同年齡段的人群執(zhí)行相同的搜索任務(wù),老年人和年輕人相比,其視野面積和視野周長大幅下降,表明對(duì)于不同年齡段的人群,其所執(zhí)行的任務(wù)難度程度是不同的,同樣的搜索任務(wù)對(duì)于老年人來說難度會(huì)更大,任務(wù)負(fù)荷會(huì)更重。因此,當(dāng)視覺搜索任務(wù)涉及不同年齡段人群時(shí),應(yīng)充分將各年齡段人群的視野特性納入考慮。