劉亞明，黃 慧

(1.北京師范大學(xué)珠海分校設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東 珠海 519087) (2.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

人機(jī)交互界面是操作人員獲取各種裝備運(yùn)行特征和對(duì)裝備實(shí)施有效控制的有效途徑，其界面設(shè)計(jì)是否科學(xué)、合理將直接影響操作者對(duì)裝備的操作及時(shí)性與準(zhǔn)確性，特別是在重要或危險(xiǎn)的情況下，及時(shí)、準(zhǔn)確地完成操作更為重要，否則可能造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。在進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)的過程中要考慮多種因素的影響，如操作單位的重要性、危險(xiǎn)性、使用頻率、功能分組等，同時(shí)也要考慮人體工程學(xué)。張?jiān)迄i[2]在對(duì)人類認(rèn)知規(guī)律分析的基礎(chǔ)上總結(jié)了人機(jī)交互界面優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則，同時(shí)通過建立數(shù)學(xué)模型對(duì)人機(jī)交互界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。宋正河等[3]建立了以元件可布置位置為約束條件、以界面匹配優(yōu)度為目標(biāo)函數(shù)的人機(jī)界面優(yōu)化模型，同時(shí)將所建模型應(yīng)用于具體的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)中。目前，人機(jī)交互界面優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)。本文通過人眼視錐細(xì)胞感知特性構(gòu)建人機(jī)交互界面感知強(qiáng)度等級(jí)模型，從視覺感知的角度建立人機(jī)交互界面優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型，并采用遺傳算法進(jìn)行求解，達(dá)到了提高裝備系統(tǒng)人機(jī)界面操作及時(shí)性和準(zhǔn)確性的目的。

1 相關(guān)理論概述

1.1 視錐細(xì)胞視覺特征

眼睛是心靈的窗戶，人所感知的外部信息80%是通過眼睛獲得的。人的眼睛在生理結(jié)構(gòu)上具有人眼視錐細(xì)胞非均勻分布的特性，如圖1所示[4]。

圖1 人眼視錐細(xì)胞非均勻分布特性

由圖1可知，人眼睛視網(wǎng)膜上視錐細(xì)胞呈現(xiàn)出典型的“離心效應(yīng)”，即伴隨著注視點(diǎn)和目標(biāo)之間距離的增大，眼睛對(duì)目標(biāo)定位的難度也越大。在人機(jī)交互界面中，視覺感知元素的不同布置位置會(huì)產(chǎn)生不同的視覺感知強(qiáng)度。

1.2 人機(jī)交互界面視覺感知強(qiáng)度等級(jí)

結(jié)合視錐細(xì)胞視覺特征可知，目標(biāo)和視覺中心的距離越近，其視覺感知強(qiáng)度越高；目標(biāo)和視覺中心的距離越遠(yuǎn)，其視覺感知強(qiáng)度越低。人眼視線聚焦凝視角為24°～26°，人的視線從視域的中心往外圍擴(kuò)散的視覺強(qiáng)度高低和人眼睛視網(wǎng)膜上視錐細(xì)胞的分布特性一致[5]?；诖耍梢越⒉煌兄獜?qiáng)度等級(jí)的感知域。設(shè)人眼與人機(jī)交互界面的距離為l，人眼到目標(biāo)點(diǎn)視線和中心線的夾角為θ，視覺感知域半徑為r，人眼視覺感知域如圖2所示。

圖2 人眼視覺感知域

由圖2可知，視覺感知域半徑r為：

r=ltanθ

(1)

以人機(jī)交互界面的視覺感知中心為圓心，將人機(jī)交互界面劃分為不同視覺感知等級(jí)的區(qū)域，視覺感知等級(jí)由內(nèi)向外依次遞減。人機(jī)交互界面一般為矩形界面，根據(jù)視覺感知強(qiáng)度的分布特性將人機(jī)交互矩形界面劃分為不同視覺感知等級(jí)的視覺域，如圖3所示。

圖3 人機(jī)交互矩形界面視覺感知強(qiáng)度模型

設(shè)最小單元正方形的邊長(zhǎng)為a，最小單元的面積與視覺感知域第一等級(jí)的面積大小相等，即

a2=πr2

(2)

圖4 人機(jī)交互界面視覺感知域劃分

2 人機(jī)交互界面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2.1 人機(jī)交互界面優(yōu)化模型

人機(jī)交互界面布局優(yōu)化的原則是依據(jù)重要性進(jìn)行布局，在視覺感知強(qiáng)的區(qū)域布置重要元素，視覺感知弱的區(qū)域布置非重要元素，人機(jī)交互界面優(yōu)化以最終界面的視覺感知強(qiáng)度為目標(biāo)。為了建立人機(jī)交互界面優(yōu)化模型，給出如下定義：

1)yi為人機(jī)交互界面視覺感知元素，Y={y1,y2,…,yn},為所有元素的集合；

2)di為人機(jī)交互界面視覺感知元素重要度，D={d1,d2,…,dn},為重要度元素集合；

3)si為人機(jī)交互界面視覺感知元素面積，S={s1,s2,…,sn},為所有面積集合；

4)xi為人機(jī)交互界面各區(qū)域劃分的感知強(qiáng)度等級(jí)，X={x1,x2,…,xn},為所有視覺強(qiáng)度集合；

5)qi為人機(jī)交互界面各強(qiáng)度等級(jí)感知區(qū)域面積，Q={q1,q2,…,qn},為所有面積集合；

6)ri為人機(jī)交互界面視覺感知強(qiáng)度指數(shù)，R={r1,r2,…,rn},為所有感知強(qiáng)度指數(shù)集合，其中視覺感知強(qiáng)度指數(shù)ri為[6]：

(3)

式中：di為第i個(gè)視覺感知元素重要度；xj為第j個(gè)視覺感知區(qū)域的感知強(qiáng)度等級(jí)；qij為視覺感知元素i在第j強(qiáng)度區(qū)域所占單元格數(shù)。

某一視覺感知元素被布置到人機(jī)交互界面的某一位置上，若其視覺感知強(qiáng)度指數(shù)ri越大，則所在的區(qū)域越靠近人機(jī)交互界面的核心區(qū)域。基于視覺感知的人機(jī)交互界面優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型為[7]：

(4)

滿足

(5)

(6)

(7)

式中：Z為視覺傳達(dá)指數(shù)。Z值越大，說(shuō)明重要性越高的視覺感知元素位于視覺感知強(qiáng)度高的區(qū)域，人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)越合理。

2.2 優(yōu)化模型求解

基于視覺感知的人機(jī)交互界面優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型是典型的NP問題，本文采用遺傳算法求解該問題[8]。假定有8個(gè)視覺感知元素需要布置在人機(jī)交互界面上，可以用視覺感知元素的編號(hào)作為染色體的基因片段[9]。結(jié)合編碼規(guī)則，采用遺傳算法求解該問題的流程如圖5所示。

圖5 模型求解流程圖

3 實(shí)例分析

以某公司試驗(yàn)中心液壓操作界面為例進(jìn)行分析，根據(jù)多次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)將人眼與操作臺(tái)的界面距離設(shè)定為60 cm。由視覺感知域半徑公式得到視點(diǎn)為1°、5°、9°、13°和17°時(shí)的半徑，來(lái)確定最小單元正方形的邊長(zhǎng)。結(jié)合視覺感知等級(jí)劃分模型對(duì)基本單元所在區(qū)域的等級(jí)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，獲得由基本單元組成的人機(jī)交互界面等級(jí)圖。結(jié)合試驗(yàn)中心液壓操作系統(tǒng)的功能，將液壓操作界面劃分為6個(gè)模塊，如圖6所示。

圖6 液壓操作人機(jī)界面模塊

對(duì)液壓操作人機(jī)界面6個(gè)模塊進(jìn)行分析，比較6個(gè)模塊的重要程度，同時(shí)采用優(yōu)序法得到6個(gè)視覺元素的重要性程度排序，見表1。

表1 視覺元素重要性程度排序表

液壓操作系統(tǒng)人機(jī)界面上的基本單元數(shù)量共有386個(gè)，同時(shí)對(duì)6個(gè)區(qū)域基本單元的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別記為a1，a2，a3，a4，a5，a6，統(tǒng)計(jì)值分別為1，23，51，110，81，120個(gè)，其對(duì)應(yīng)的視覺感知等級(jí)分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。結(jié)合當(dāng)前人機(jī)交互界面的布局，各視覺感知元素的布局見表2。

表2 當(dāng)前布局各模塊不同等級(jí)基本單元

結(jié)合圖7中6個(gè)模塊在不同強(qiáng)度等級(jí)區(qū)域所占據(jù)的基本單元數(shù)量可以得到該液壓系統(tǒng)人機(jī)交互界面的視覺傳達(dá)指數(shù)Z為4 718。為了提高視覺傳達(dá)指數(shù)，采用遺傳算法求解人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，并采用視覺感知元素編碼規(guī)則對(duì)染色體進(jìn)行編碼，單個(gè)染色體編碼長(zhǎng)度為6，遺傳算法參數(shù)見表3。

圖7 視覺傳達(dá)指數(shù)Z計(jì)算參考圖

表3 遺傳算法參數(shù)

采用遺傳算法(genetic algorithm，GA)求解本文所建立的人機(jī)交互界面優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，求得一組最優(yōu)解。優(yōu)化后的人機(jī)交互界面各模塊不同重要等級(jí)基本單位構(gòu)成見表4。

表4 優(yōu)化布局后各模塊不同等級(jí)基本單元

由表4數(shù)據(jù)計(jì)算得到優(yōu)化后該液壓系統(tǒng)人機(jī)交互界面的視覺傳達(dá)指數(shù)Z為4 869，與優(yōu)化前相比有了較大的提高，即人機(jī)交互界面視覺元素的布局更為合理，具體如圖8所示。實(shí)際人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)不僅要考慮視覺傳達(dá)指數(shù)，同時(shí)還要考慮人機(jī)交互界面的美觀性，因此要對(duì)視覺傳達(dá)指數(shù)優(yōu)化后的人機(jī)交互界面從美學(xué)的角度進(jìn)行局部調(diào)整，從而獲得最終的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方案。

圖8 優(yōu)化后參考人機(jī)界面

4 結(jié)束語(yǔ)

科學(xué)的人機(jī)交互界面對(duì)避免生產(chǎn)事故的發(fā)生起到了至關(guān)重要的作用。本文從視覺感知角度對(duì)人機(jī)交互界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，基于視錐細(xì)胞視覺特征對(duì)人機(jī)交互界面視覺感知強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行劃分，建立了人機(jī)交互界面優(yōu)化模型，采用遺傳算法對(duì)所建立的模型進(jìn)行求解。以某公司試驗(yàn)中心液壓操作界面為例，采用該方法對(duì)液壓操作界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對(duì)比優(yōu)化前后人機(jī)交互界面視覺傳達(dá)指數(shù)的變化驗(yàn)證了方法的有效性。本文方法對(duì)機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。