徐新然,郭肖亞,于瑞峰
(清華大學(xué) 工業(yè)工程系,北京 100084)
視覺(jué)搜索是在視覺(jué)環(huán)境中將目標(biāo)對(duì)象或者特征從其他對(duì)象或者特征中找到或區(qū)分出來(lái)的認(rèn)知任務(wù)[1]。顯著性是讓目標(biāo)從周?chē)h(huán)境中突顯出來(lái),使得目標(biāo)更加容易引起人的視覺(jué)注意而被發(fā)現(xiàn)的一種特性[2]。人的注意力選擇是靠顯著性來(lái)主導(dǎo)的[3]。顯著性有大小之分,通過(guò)調(diào)節(jié)顏色、位置、方向、尺寸、形狀、運(yùn)動(dòng)情況等特性可以改變目標(biāo)物和周?chē)h(huán)境中的物體的差異,從而改變其發(fā)現(xiàn)概率[4]。目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率越高即目標(biāo)的顯著性越高,因此發(fā)現(xiàn)概率的大小可以作為衡量顯著性大小的指標(biāo)[5]。搜索目標(biāo)的顯著性提高會(huì)加快搜索效率,而非目標(biāo)的顯著性提高則會(huì)降低搜索效率。
在眼跳研究的任務(wù)范式中,根據(jù)注視點(diǎn)消失與目標(biāo)刺激呈現(xiàn)之間時(shí)間間隔的有、無(wú)或注視點(diǎn)持續(xù)存在,可以分為gap條件、step條件和overlap條件。gap條件(gap condition)是指注視點(diǎn)消失與目標(biāo)刺激的出現(xiàn)之間存在一個(gè)時(shí)間間隔,這個(gè)時(shí)間間隔的值即為gap值。step條件(step condition)是指注視點(diǎn)一消失,目標(biāo)刺激就出現(xiàn),沒(méi)有時(shí)間間隔。overlap條件(overlap condition)是指目標(biāo)刺激出現(xiàn)后一段時(shí)間內(nèi)中央注視點(diǎn)一直存在[6-7]。眼跳是一種快速的注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移,是眼球的注視點(diǎn)或者注視方位突然發(fā)生改變的眼動(dòng)行為[6]。眼跳潛伏期是從刺激呈現(xiàn)到正確眼跳發(fā)動(dòng)的時(shí)間間隔[8]。研究表明當(dāng)gap值為200 ms時(shí),眼跳潛伏期最短[9-11]。gap效應(yīng)是指gap條件下,眼跳潛伏期比overlap條件下短。在step條件下的眼跳潛伏期也小于overlap條件,但大于gap條件[6]。
目前有2種理論來(lái)解釋gap效應(yīng)的產(chǎn)生:一個(gè)是注意力分離理論,另一個(gè)是兩因素理論。注意力分離理論認(rèn)為眼跳的發(fā)生分為注意力從原來(lái)的注視點(diǎn)離開(kāi),作出眼球運(yùn)動(dòng)的決定,最后大腦作出掃視的指標(biāo)計(jì)算3個(gè)環(huán)節(jié)。在gap條件下,注視點(diǎn)消失,注意力自行脫離注視點(diǎn),只需要作出眼球運(yùn)動(dòng)決定和掃視指標(biāo)計(jì)算2個(gè)環(huán)節(jié)。相對(duì)于overlap條件下的3個(gè)環(huán)節(jié),gap條件只需要2個(gè)環(huán)節(jié),因此眼跳潛伏期縮短[12]。兩因素理論認(rèn)為gap效應(yīng)是由2個(gè)因素導(dǎo)致的。一個(gè)是警報(bào)效應(yīng),即當(dāng)任務(wù)目標(biāo)出現(xiàn)之前注視點(diǎn)消失,人會(huì)通過(guò)變化意識(shí)到新的目標(biāo)將會(huì)到來(lái)。另一個(gè)是注視點(diǎn)消失因素,由大腦上丘的抑制解除。眼跳的發(fā)生是上丘控制的,當(dāng)集中注視時(shí),上丘細(xì)胞會(huì)被額葉視區(qū)抑制,這會(huì)減少眼跳發(fā)生機(jī)會(huì),而當(dāng)注視消失后,上丘就會(huì)解除抑制,從而使得眼跳得以更快發(fā)生[11,13-14]。
眼跳潛伏期與目標(biāo)顯著性之間存在相關(guān)性。Donk等[15]的研究中采用角度不同的2個(gè)搜索項(xiàng),發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)高顯著性的目標(biāo)項(xiàng)和一個(gè)低顯著性的干擾項(xiàng)時(shí),眼跳潛伏期越短,高顯著性的目標(biāo)項(xiàng)的首次發(fā)現(xiàn)概率越高;目標(biāo)項(xiàng)與干擾項(xiàng)的顯著性差別也會(huì)影響高顯著性目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率,表現(xiàn)為目標(biāo)項(xiàng)和干擾項(xiàng)的顯著性差別越大,高顯著性目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)的概率越高。gap效應(yīng)可以調(diào)節(jié)眼跳潛伏期的大小,但通過(guò)設(shè)置gap條件是否會(huì)對(duì)搜索目標(biāo)的顯著性和視覺(jué)搜索績(jī)效產(chǎn)生影響目前尚不明確。
自然場(chǎng)景中的文字和背景的組合有常見(jiàn)的2種極性,一種是正極性,即在明亮背景上顯示黑暗字符;另一種是負(fù)極性,即在黑暗背景上顯示明亮字符[16]。正極性可以增強(qiáng)對(duì)比敏感度、視覺(jué)辨別能力和對(duì)運(yùn)動(dòng)識(shí)別[17],但是也有研究表明負(fù)極性下的視力和搜索績(jī)效好于正極性[18]。但是,正負(fù)2種極性對(duì)目標(biāo)顯著性的影響目前還沒(méi)有相關(guān)結(jié)論。
綜上所述,本文基于視覺(jué)搜索作業(yè),以發(fā)現(xiàn)概率作為衡量目標(biāo)顯著性的指標(biāo),反應(yīng)時(shí)間作為視覺(jué)搜索績(jī)效的指標(biāo),探索gap效應(yīng)、極性、目標(biāo)項(xiàng)與干擾項(xiàng)的差別大小3個(gè)因素對(duì)目標(biāo)顯著性、視覺(jué)搜索績(jī)效的影響。研究gap效應(yīng)對(duì)目標(biāo)顯著性和搜索績(jī)效的影響可以補(bǔ)充視覺(jué)搜索的顯著性理論,對(duì)制造業(yè)企業(yè)的產(chǎn)品視覺(jué)檢測(cè)等視覺(jué)搜索類(lèi)作業(yè)和任務(wù)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
18名清華大學(xué)在校生參與了此次實(shí)驗(yàn),其中男性6人,占比33.3%,女性12人,占比66.7%,平均年齡為21.1歲。所有被試均沒(méi)有視覺(jué)障礙,矯正視力為1.0以上。所有被試之前都沒(méi)有參加類(lèi)似實(shí)驗(yàn)的經(jīng)歷或者關(guān)于視覺(jué)搜索的相關(guān)知識(shí)背景。
本文采用3因子組內(nèi)設(shè)計(jì)方式,組內(nèi)因子包括gap值、極性和角度。實(shí)驗(yàn)中g(shù)ap條件、overlap條件和step條件下的自變量水平統(tǒng)一用gap值表示,分別為正值、負(fù)值和0。將overlap條件中的注視點(diǎn)設(shè)計(jì)成延遲消失,用負(fù)值表示。gap值有11個(gè)水平,分別為0、±100 ms、±200 ms、±400 ms、±600 ms、±800 ms。極性因子有2個(gè)水平,分別為正極性和負(fù)極性。角度因子有2個(gè)水平,即目標(biāo)項(xiàng)和干擾項(xiàng)間的差異分別為較大和較小,借鑒Donk等[15]的研究,采用傾斜角度一大一小的一對(duì)線段作為目標(biāo)項(xiàng)和干擾項(xiàng),差異較大的為20°和70°,差異較小的為30°和60°。
實(shí)驗(yàn)測(cè)量的顯著性指標(biāo)為目標(biāo)項(xiàng)的發(fā)現(xiàn)概率,績(jī)效指標(biāo)為正確反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間。發(fā)現(xiàn)概率指被試選擇大小角度線段中較大線段的次數(shù)占總選擇次數(shù)的比值。反應(yīng)時(shí)間指刺激出現(xiàn)到被試作出按鍵反應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度。
實(shí)驗(yàn)采用視覺(jué)搜索任務(wù),任務(wù)的搜索目標(biāo)項(xiàng)為傾斜線段中角度較大的一個(gè),傾斜角度較小的線段為干擾項(xiàng)。角度的組合有2種,一種是20°和70°,另一種是30°和60°,2種情況隨機(jī)出現(xiàn),傾斜方向隨機(jī)(可能是2條都左傾,或者都右傾,或者一個(gè)左傾一個(gè)右傾)。2條傾斜線段隨機(jī)對(duì)稱(chēng)出現(xiàn)在屏幕上,即到中心距離相同。刺激項(xiàng)和背景的組合方式一種是正極性,即在白色背景屏幕上,刺激項(xiàng)由31×31共961條黑色線段組成,其中除了2條傾斜的線段外其他959條全部豎直,線段長(zhǎng)為0.5 cm,粗0.15 cm(圖1);另一種是負(fù)極性,即黑色背景白色線段,其他的設(shè)定與正極性相同(圖2)。
圖 1 正極性實(shí)驗(yàn)素材Figure 1 Experimental material of positive polarity
圖 2 負(fù)極性實(shí)驗(yàn)素材Figure 2 Experimental material of negative polarity
搜索區(qū)域?yàn)槠聊豢拷醒氲膮^(qū)域,但是為了避免被試沒(méi)有進(jìn)行眼球運(yùn)動(dòng)就搜索到目標(biāo),中心點(diǎn)視野附近不能出現(xiàn)目標(biāo),且實(shí)驗(yàn)中被試需要快速判斷目標(biāo)是出現(xiàn)在上方還是下方,因此設(shè)定中間11~21行不出現(xiàn)傾斜線段。
實(shí)驗(yàn)采用一臺(tái)25英寸DELL一體機(jī)電腦,用來(lái)顯示刺激材料,分辨率為1 600×900 pixel。實(shí)驗(yàn)軟件是根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求基于LabView軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)的程序,可以設(shè)置搜索范圍、次數(shù)等,并可以在后臺(tái)自動(dòng)記錄選擇結(jié)果和反應(yīng)時(shí)間。
實(shí)驗(yàn)前,主試向被試介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,請(qǐng)被試閱讀并填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)知情書(shū)和基本個(gè)人信息。主試向被試介紹并演示整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,然后被試完成10 min練習(xí)任務(wù)。正式實(shí)驗(yàn)時(shí)(以正極性實(shí)驗(yàn)為例),被試打開(kāi)實(shí)驗(yàn)軟件,點(diǎn)擊開(kāi)始后,屏幕中心出現(xiàn)一個(gè)黑色實(shí)心圓點(diǎn),被試首先注視圓點(diǎn)。隨后,在不同的gap值下搜索界面出現(xiàn)與注視點(diǎn)消失之間的時(shí)間間隔有不同的設(shè)定。在gap條件下,注視點(diǎn)出現(xiàn)500 ms~1 000 ms之間的隨機(jī)時(shí)間長(zhǎng)度后消失,一定的時(shí)間間隔(100 ms、200 ms、400 ms、600 ms或800 ms)后呈現(xiàn)搜索界面(圖1);overlap條件下,注視點(diǎn)呈現(xiàn)500 ms~1 000 ms之間的隨機(jī)時(shí)間長(zhǎng)度后搜索界面出現(xiàn),搜索界面呈現(xiàn)后經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間間隔(100 ms、200 ms、400 ms、600 ms或800 ms)后注視點(diǎn)消失;step條件下,注視點(diǎn)呈現(xiàn)500 ms~1 000 ms之間的隨機(jī)時(shí)間長(zhǎng)度后消失,同時(shí)搜索界面出現(xiàn)。搜索界面呈現(xiàn)后,被試被要求用最快的速度注視到一條傾斜線段,看到的同時(shí)按下空格鍵即進(jìn)入搜索結(jié)果選擇界面。在選擇界面,被試需要按鍵盤(pán)上“↑”或“↓”選擇最先注視到的線段在搜索區(qū)域的上半部分或下半部分。被試完成一次搜索任務(wù)的選擇后自動(dòng)進(jìn)入下一次實(shí)驗(yàn)。負(fù)極性時(shí),只有搜索區(qū)域背景顏色和線段顏色與正極性不同(圖2),其余設(shè)定與正極性實(shí)驗(yàn)相同。每個(gè)被試先做正極性或負(fù)極性是隨機(jī)的,每種極性下被試需要做400次,分4組進(jìn)行,每組之間被試進(jìn)行充分的休息。每一種極性下,傾斜角度、gap值是隨機(jī)出現(xiàn)的。
2.1.1 發(fā)現(xiàn)概率的描述性統(tǒng)計(jì)分析
在不同gap值、極性和傾斜角度下的發(fā)現(xiàn)概率的描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表1所示,其中,負(fù)的gap值代表overlap情況下的設(shè)定時(shí)間值。由表1可知,gap值從小到大變化時(shí),在角度和極性的4種組合下的發(fā)現(xiàn)概率變化規(guī)律相同:先逐漸增大,達(dá)到最大值之后再逐漸減小(圖3)。這說(shuō)明overlap條件下,隨著注視點(diǎn)繼續(xù)呈現(xiàn)的時(shí)間長(zhǎng)度的減小,目標(biāo)顯著性增加;從overlap條件變?yōu)閟tep條件時(shí),目標(biāo)顯著性增加;從step條件變?yōu)間ap條件時(shí),目標(biāo)顯著性繼續(xù)增加;gap條件下目標(biāo)顯著性不會(huì)隨著gap值的增加持續(xù)變大,有一個(gè)使目標(biāo)顯著性最大的gap值,超過(guò)這個(gè)gap值后目標(biāo)顯著性會(huì)下降。極性和gap值相同時(shí),20°和70°組合下比30°和60°組合下的大角度線段的被發(fā)現(xiàn)概率更大,說(shuō)明20°和70°兩個(gè)傾斜線段中70°線段的顯著性比30°和60°組合中60°線段的顯著性更高。
表 1 發(fā)現(xiàn)概率的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Descriptive statistics of the detection probability
圖 3 發(fā)現(xiàn)概率變化趨勢(shì)圖Figure 3 Trend chart of detection probability
2.1.2 發(fā)現(xiàn)概率的重復(fù)測(cè)量方差分析
發(fā)現(xiàn)概率的重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果表明(表2),gap值對(duì)發(fā)現(xiàn)概率有顯著影響(F=16.86,p<0.001),gap條件下的發(fā)現(xiàn)概率(M=0.775)高于overlap條件下的發(fā)現(xiàn)概率(M=0.672);角度對(duì)發(fā)現(xiàn)概率有顯著影響(F=132.59,p<0.001),20°和70°組合下70°線段的發(fā)現(xiàn)概率(M=0.779)比30°和60°組合下60°線段的發(fā)現(xiàn)概率(M=0.675)更高。極性對(duì)發(fā)現(xiàn)概率沒(méi)有顯著影響(F=0.04,p=0.83),正極性下(M=0.725)和負(fù)極性下(M=0.728)發(fā)現(xiàn)概率差異不大。gap值和角度的交互作用顯著(F=3.82,p=0.019),角度組合不同時(shí)gap值的變化對(duì)發(fā)現(xiàn)概率有不同的影響,20°和70°組合下發(fā)現(xiàn)概率的變化幅度(M最大-M最小=0.212)比30°和60°組合下變化幅度(M最大-M最小=0.136)更大。
表 2 發(fā)現(xiàn)概率的重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果Table 2 Repeated measures ANOVA results of the detection probability
2.2.1 反應(yīng)時(shí)間的描述性統(tǒng)計(jì)分析
在不同gap值、極性和傾斜角度下的反應(yīng)時(shí)間描述性統(tǒng)計(jì)如表3所示。每種極性和角度的組合下gap條件的反應(yīng)時(shí)間都比overlap條件的反應(yīng)時(shí)間短,而且在gap值為200 ms時(shí)反應(yīng)時(shí)間最短,說(shuō)明gap條件下視覺(jué)搜索績(jī)效更好。對(duì)于極性變量,gap值和角度變量相同時(shí),負(fù)極性比正極性刺激的反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),說(shuō)明正極性刺激時(shí)視覺(jué)搜索的績(jī)效更高。當(dāng)極性相同時(shí),20°/70°組與30°/60°組的曲線沒(méi)有明顯差別(圖4)。
2.2.2 反應(yīng)時(shí)間的重復(fù)測(cè)量方差分析
反應(yīng)時(shí)間的重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果表明(表4),gap值對(duì)反應(yīng)時(shí)間有顯著影響(F=36.76,p<0.001),整體上gap條件下的反應(yīng)時(shí)間(M=574.6)低于step條件下的反應(yīng)時(shí)間(M=584.0),step條件下的反應(yīng)時(shí)間(M=584.0)低于overlap條件下的反應(yīng)時(shí)間(M=607.9);極性對(duì)反應(yīng)時(shí)間有顯著影響(F=146.16,p<0.001),負(fù)極性的反應(yīng)時(shí)間(M=601.1)比正極性的反應(yīng)時(shí)間(M=580.2)長(zhǎng)。角度對(duì)反應(yīng)時(shí)間沒(méi)有顯著影響,20°/70°組的反應(yīng)時(shí)間(M=591.6)與30°/60°組的反應(yīng)時(shí)間(M=589.6)沒(méi)有顯著差異。gap值和極性,gap值和角度,極性和角度以及3個(gè)因子的交互項(xiàng)都沒(méi)有顯著的交互作用。
2.2.3 反應(yīng)時(shí)間的配對(duì)t檢驗(yàn)
為了研究gap值變量在哪些區(qū)間的變化對(duì)反應(yīng)時(shí)間影響顯著,對(duì)相鄰gap值下的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)。結(jié)果顯示,在正極性30°/60°組合時(shí),gap值從-100 ms(M=595)變?yōu)? ms時(shí)(M=574)反應(yīng)時(shí)間減小,有顯著的變化(p=0.049);在負(fù)極性30°/60°組合時(shí),gap值從0 ms(M=601)變?yōu)?00 ms時(shí)(M=593)反應(yīng)時(shí)間減小,有顯著的變化(p=0.046);在正極性20°/70°組合時(shí),gap值從-100 ms(M=600)變?yōu)? ms時(shí)(M=571)反應(yīng)時(shí)間減小,有顯著的變化(p=0.049);在負(fù)極性20°/70°組合時(shí),gap值從-200 ms(M=624)變?yōu)?100 ms時(shí)(M=608)反應(yīng)時(shí)間減小,有顯著的變化(p=0.045),gap值從-100 ms(M=608)變?yōu)? ms時(shí)(M=590)反應(yīng)時(shí)間減小,有顯著的變化(p=0.047)。因此,從overlap條件變?yōu)閟tep條件反應(yīng)時(shí)間會(huì)發(fā)生顯著的變化,從step條件變?yōu)間ap條件時(shí)反應(yīng)時(shí)間也會(huì)發(fā)生顯著的變化。
表 3 反應(yīng)時(shí)間的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Descriptive statistics of response time ms
圖 4 反應(yīng)時(shí)間變化趨勢(shì)圖Figure 4 Trend chart of response time
表 4 反應(yīng)時(shí)間的重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果Table 4 Repeated measures ANOVA results of response time
過(guò)去的研究表明眼跳潛伏期會(huì)受到中央注視點(diǎn)和刺激出現(xiàn)之間的時(shí)間間隔的影響,即gap效應(yīng)。gap條件下的眼跳潛伏期短于overlap條件下和step條件下的眼跳潛伏期[6]。在本研究中,gap條件下目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率高于overlap條件下和step條件下,說(shuō)明當(dāng)注視點(diǎn)和搜索界面之間的時(shí)間間隔大于0(即處于gap條件下)時(shí),目標(biāo)的顯著性高于overlap條件和step條件。由此說(shuō)明,gap效應(yīng)對(duì)搜索目標(biāo)顯著性的影響與gap效應(yīng)對(duì)眼跳潛伏期的影響是一致的。根據(jù)兩因素理論,一方面gap效應(yīng)是一種警報(bào)效應(yīng),在gap條件下由于注視點(diǎn)消失,人會(huì)意識(shí)到搜索目標(biāo)即將出現(xiàn),預(yù)先對(duì)搜索目標(biāo)的出現(xiàn)有一定的心理準(zhǔn)備,提高對(duì)目標(biāo)的分辨能力。另一方面gap條件下注視點(diǎn)提前消失會(huì)解除大腦上丘對(duì)額葉視區(qū)的抑制作用,使眼睛能更準(zhǔn)確地識(shí)別目標(biāo)[11,13-14]。
本文目標(biāo)項(xiàng)和干擾項(xiàng)的差異來(lái)源于角度差的大小。當(dāng)2個(gè)角度的差異比較大時(shí),較大傾斜角度的線段的顯著性更高。這個(gè)結(jié)果驗(yàn)證了以往的研究中提出的目標(biāo)項(xiàng)與干擾項(xiàng)的差別大小會(huì)影響高顯著性目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率,且目標(biāo)項(xiàng)和干擾項(xiàng)的差別越大,高顯著性目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)的概率越高[15]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,gap值和角度的交互效應(yīng)顯著,當(dāng)gap值的變化相同時(shí),角度差較大的一組顯著性變化幅度更大,表現(xiàn)為:當(dāng)gap值變化時(shí),20°/70°組的發(fā)現(xiàn)概率變化范圍(最大值與最小值的差)比30°/60°組更大。
gap值和極性對(duì)視覺(jué)搜索績(jī)效影響方面,本文選取反應(yīng)時(shí)間作為視覺(jué)搜索績(jī)效的指標(biāo),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,gap條件下搜索績(jī)效比overlap條件、step條件下高,正極性搜索界面下視覺(jué)搜索績(jī)效比負(fù)極性時(shí)高。gap效應(yīng)對(duì)反應(yīng)時(shí)間有影響,驗(yàn)證了gap效應(yīng)能縮短眼跳潛伏期,使眼跳更快發(fā)生[11],縮短了視覺(jué)搜索的時(shí)間。極性對(duì)反應(yīng)時(shí)間有影響,驗(yàn)證了正極性可以增強(qiáng)對(duì)比敏感度、視覺(jué)辨別能力的研究結(jié)果[17]。
本文探索了gap效應(yīng)、顯示極性、目標(biāo)物與干擾物差異大小對(duì)目標(biāo)顯著性和視覺(jué)搜索績(jī)效的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,gap效應(yīng)、目標(biāo)物與干擾物差異大小以及二者的交互效應(yīng)對(duì)目標(biāo)顯著性有顯著影響,gap效應(yīng)、顯示極性對(duì)視覺(jué)搜索績(jī)效有顯著影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以補(bǔ)充視覺(jué)搜索顯著性理論并對(duì)視覺(jué)搜索任務(wù)和作業(yè)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)價(jià)值。