呂 文,康文科

(1.四川省工業(yè)和信息化研究院,四川 成都 610017;2.西北工業(yè)大學(xué),陜西 西安 710072)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,自然和諧的交互方式已經(jīng)成為現(xiàn)代和未來(lái)人機(jī)交互設(shè)計(jì)的最終目標(biāo),而自然和諧的人機(jī)交互需要人體視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力觸覺(jué)等多感官的協(xié)調(diào)參與;同時(shí),隨著智能化和信息化技術(shù)的飛速發(fā)展,現(xiàn)代產(chǎn)品的操控系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜,人機(jī)交互信息量大,信息類(lèi)型多,這就要求人機(jī)交互系統(tǒng)更加準(zhǔn)確、快速、高效和舒適。為了達(dá)到這個(gè)目的,在人機(jī)信息交互過(guò)程中,必須充分發(fā)揮人體視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力觸覺(jué)等多種感知方式的綜合效能,形成全方位的多信息融合交互系統(tǒng),使操控者能夠全面感知和掌握信息,同時(shí),平衡各種感覺(jué)器官的感知能力,使每一個(gè)感覺(jué)器官的感知能力最大化,從而提升人機(jī)交互的綜合效率。

1 視覺(jué)人機(jī)交互

1.1 研究背景和意義

視覺(jué)是人類(lèi)最重要的感覺(jué),舒適度是人體的主觀感受,特別是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛運(yùn)用使得對(duì)色彩的準(zhǔn)確測(cè)量和科學(xué)的表達(dá)顯得非常重要和迫切[1]。目前對(duì)舒適度的研究中普遍都是定性描述,定量化計(jì)算難度很大,無(wú)法建立視覺(jué)人機(jī)交互與舒適度之間的量化測(cè)量模型,無(wú)法完成人機(jī)交互過(guò)程中實(shí)時(shí)量化測(cè)量的需求,無(wú)法提供科學(xué)化、定量化的設(shè)計(jì)參考及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)計(jì)算機(jī)人機(jī)交互智能設(shè)計(jì)的要求。因此,研究多維信息空間中視覺(jué)人機(jī)交互的感知特性,視覺(jué)、力觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感知系統(tǒng)的融合機(jī)理,視覺(jué)的舒適度的定量化檢測(cè),構(gòu)建綜合視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及力觸覺(jué)的多維信息空間人機(jī)交互舒適度量化計(jì)算模型,這些試驗(yàn)既可以單獨(dú)測(cè)定每一個(gè)感知系統(tǒng)的舒適度,也可以同時(shí)測(cè)定多感知的綜合舒適度,實(shí)現(xiàn)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力觸覺(jué)等多信息有機(jī)融合,對(duì)不同要求使用不同方法,由此得出最符合人機(jī)工程的結(jié)果。提高復(fù)雜人機(jī)交互系統(tǒng)的效率和質(zhì)量,為消費(fèi)者提供更加自然的人機(jī)交互體驗(yàn),具有重大的理論意義及應(yīng)用價(jià)值。

手機(jī)閱讀是當(dāng)下流行的一種碎片化時(shí)間管理方式,人們通過(guò)手機(jī)閱讀新聞、小說(shuō)等來(lái)獲取多方位多樣化的信息?！?019年度中國(guó)數(shù)字閱讀白皮書(shū)》顯示(圖1),截至2019年,中國(guó)數(shù)字閱讀用戶(hù)總量達(dá)到了4.7億。中國(guó)新聞出版研究院公布的第十八次全國(guó)國(guó)民閱讀調(diào)查數(shù)據(jù)亦顯示,2020年數(shù)字化閱讀方式(網(wǎng)絡(luò)在線(xiàn)閱讀、手機(jī)閱讀、電子閱讀器閱讀、Pad閱讀等)的接觸率為79.4%,較2019年的79.3%增長(zhǎng)了0.1個(gè)百分點(diǎn)。由此可見(jiàn),人們每天會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間在手機(jī)閱讀上,可以說(shuō)手機(jī)閱讀已成為人們生活的一部分。但是人們?cè)陂L(zhǎng)時(shí)間使用手機(jī)閱讀后,常會(huì)出現(xiàn)眼睛干澀酸痛、頭暈、頭痛等視疲勞(asthenopia)現(xiàn)象。視疲勞“asthenopia”一詞是衍生于希臘語(yǔ),原意是眼睛無(wú)力的意思,長(zhǎng)時(shí)間用眼后產(chǎn)生的眼眶疼痛、視物模糊、眼部灼熱感、眼睛干澀、流淚等不良反應(yīng)。

圖1 2019年度數(shù)字閱讀白皮書(shū)

個(gè)人電腦、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的視覺(jué)顯示終端(Visual Display Terminal,VDT)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展與普及,手機(jī)和平板電腦也都可以納入VDT的范疇。VDT綜合癥就是指由于眼睛長(zhǎng)時(shí)間注視視屏終端引起的眼睛不適等綜合癥狀[2]。視覺(jué)舒適度就是指眼睛接受VDT等外界電磁波時(shí)眼睛主觀的舒適感受,具體表現(xiàn)在用眼一段時(shí)間后眼睛的疲勞程度、眨眼頻率、視力狀況等。人類(lèi)的感知活動(dòng)大部分是通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)完成,目前模擬視覺(jué)感知主要是基于模型的方法,其中傳感信息被用來(lái)重構(gòu)關(guān)于感知世界的模型[3]。本研究采用理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究基于視覺(jué)的多維信息感知舒適性,以閱讀手機(jī)電子書(shū)為例,研究被試者閱讀手機(jī)電子書(shū)一段時(shí)間之后的視覺(jué)舒適程度,并且跟蹤一定條件下其視覺(jué)舒適度與時(shí)間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)視覺(jué)信息感知的舒適度量化計(jì)算,建立以視覺(jué)為基礎(chǔ)的多維信息人機(jī)交互舒適度量化模型,最后進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)模型加以驗(yàn)證。研究成果可廣泛應(yīng)用于復(fù)雜操作系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等系統(tǒng)環(huán)境中,對(duì)于提升人機(jī)交互設(shè)計(jì)的水平具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的主要方向是電子顯示設(shè)備各方面因素與人體視覺(jué)舒適度的研究,如環(huán)境照度、字體、字號(hào)、間距、色彩搭配等,比較契合時(shí)代發(fā)展中人的視覺(jué)應(yīng)用場(chǎng)景,其中的大部分研究是針對(duì)某一特定使用環(huán)境下的部分主要因素的研究,其相關(guān)成果有:姜穎等通過(guò)主客觀試驗(yàn)相結(jié)合對(duì)面向視覺(jué)顯示終端(VDT)的信息顯示界面視覺(jué)舒適度進(jìn)行研究總結(jié)的量化模型,該研究以不同色彩組合的儀表界面為測(cè)試對(duì)象,以被試者的腦電信號(hào)等生理特征為客觀依據(jù),輔以被試者對(duì)表盤(pán)界面的舒適度主觀評(píng)分,評(píng)價(jià)方法較科學(xué);侯冠華等對(duì)于字號(hào)、間距影響數(shù)字閱讀體驗(yàn)的年齡差異研究,綜合考慮了不同年齡的群體閱讀體驗(yàn)特征,采用主客觀測(cè)評(píng)相結(jié)合的方式,選取文字字號(hào)、間距作為研究變量,以視覺(jué)舒適度為標(biāo)準(zhǔn)研究不同字號(hào)、間距對(duì)不同年齡段用戶(hù)閱讀體驗(yàn)影響的差異;另外還有劉暢等定量研究色度對(duì)立體圖像視覺(jué)舒適度的影響;蔡建奇等針對(duì)iPad等類(lèi)電子產(chǎn)品的睡前使用環(huán)境進(jìn)行的環(huán)境照度對(duì)人體視覺(jué)舒適度的影響。由此可以看出,目前針對(duì)視覺(jué)舒適度的總體量化研究較少。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

視覺(jué)健康舒適度是對(duì)眼部視覺(jué)疲勞進(jìn)行客觀量化的指標(biāo),它基于人的眼軸和角膜屈光的變化,實(shí)現(xiàn)了對(duì)人眼健康舒適度的客觀評(píng)價(jià)[4]。影響視覺(jué)舒適度的主要因素有光照水平[5]、屏幕顯示的亮度對(duì)比[6]以及光環(huán)境(如運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、會(huì)客廳、臥室等)、文字大小、文字間隔、用眼時(shí)間、照度、色彩組合、年齡等。在建立視覺(jué)舒適度的數(shù)學(xué)模型時(shí),必須考慮到視覺(jué)舒適度具有“心理感覺(jué)量”和“取決于多種不確定因素”這兩個(gè)特征。以隨閱讀時(shí)間變化的閱讀舒適度變化為例開(kāi)展研究,根據(jù)文獻(xiàn)分析,確定可用性、感知的視覺(jué)舒適度為主觀測(cè)量指標(biāo),在試驗(yàn)時(shí)直接詢(xún)問(wèn)被測(cè)試者的感受,運(yùn)用量表對(duì)被測(cè)試者的主觀感覺(jué)進(jìn)行量化,這一方法是評(píng)價(jià)視覺(jué)是否舒適的最直接方法。研究量表見(jiàn)表1。

表1 視覺(jué)舒適度限定范圍及人的表征狀態(tài)

3 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)采用組間重復(fù)測(cè)量試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,選擇了手機(jī)自帶閱讀app作為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。被試者為20位年齡在19~22歲之間的志愿者,均為來(lái)自于西北工業(yè)大學(xué)的大學(xué)生,無(wú)重度近視和散光(近視在300度以?xún)?nèi),散光在-100度以?xún)?nèi))。

在舒適度的研究中,疲勞是影響舒適度心理因素中最重要的因子[7],在室內(nèi)正常照明、安靜、舒適的環(huán)境下進(jìn)行,為避免視力疲勞的干擾,所有被試者在測(cè)試前均有充足的睡眠,且安排在測(cè)試前閉眼休息至完全無(wú)疲勞狀態(tài),以保證被試者在測(cè)試過(guò)程中能夠處于良好的心理和生理狀態(tài)。

試驗(yàn)開(kāi)始前,錄入被試者基本信息,并向未被試者講解試驗(yàn)流程,統(tǒng)一安排被試者休息至舒適度測(cè)試為0(完全舒適)的狀態(tài)下,開(kāi)始試驗(yàn)。被試者每使用手機(jī)閱讀5 min電子書(shū),立刻詢(xún)問(wèn)被試者的主觀視覺(jué)舒適度后填寫(xiě)量表。每位參與者需50~60 min完成所有內(nèi)容。試驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 視覺(jué)舒適度測(cè)試流程

4 視覺(jué)舒適度量化數(shù)學(xué)模型的建立

由于研究?jī)H分析閱讀時(shí)間對(duì)視覺(jué)舒適度的影響,而要得到視覺(jué)舒適度信息感知的數(shù)學(xué)模型,以及視覺(jué)舒適度與時(shí)間之間的普遍規(guī)律,就必須保證其他因素不變,僅記錄不同時(shí)間下視覺(jué)舒適度的數(shù)值,故試驗(yàn)采用控制變量法,對(duì)20個(gè)被測(cè)者在相同時(shí)間段、相同地點(diǎn)進(jìn)行了多次試驗(yàn),共計(jì)20組數(shù)據(jù),相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)

對(duì)于測(cè)量得到的數(shù)據(jù),以試驗(yàn)記錄次數(shù)為x軸,以視覺(jué)舒適度為y軸,如圖3所示在x-y坐標(biāo)系里畫(huà)出散點(diǎn)圖,從圖3可以看出這25個(gè)被測(cè)者的視覺(jué)舒適度變化都大致分為三個(gè)階段:平穩(wěn)增長(zhǎng)期、迅速增長(zhǎng)期、增長(zhǎng)緩慢期,隨著時(shí)間t的增加,視覺(jué)舒適度y開(kāi)始幾乎不增長(zhǎng),然后迅速增長(zhǎng),最后增長(zhǎng)速度減慢,且點(diǎn)的分布越來(lái)越接近于一條平行于x軸的直線(xiàn),因此y值不會(huì)無(wú)限增大。

圖3 試驗(yàn)時(shí)間與視覺(jué)舒適度的關(guān)系曲線(xiàn)

根據(jù)散點(diǎn)圖中視覺(jué)舒適度的變化規(guī)律及趨勢(shì)線(xiàn),發(fā)現(xiàn)視覺(jué)舒適度與時(shí)間的變化趨勢(shì)線(xiàn)近似為S型,將數(shù)據(jù)代入Origin非線(xiàn)性擬合,通過(guò)對(duì)比,得出擬合模型為Slogisticl1 S型函數(shù)時(shí)擬合度最高,R平方為0.991此時(shí)方程為:

擬合曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 擬合曲線(xiàn)

擬合方程各參數(shù)為:a=3.129 66,xc=35.940 68,

k=0.156 07。

故擬合方程為:

公式(2)就是所求的信息感知中的視覺(jué)舒適度值y與時(shí)間變量x之間關(guān)系的表達(dá)式。視覺(jué)舒適度量化模型建立已實(shí)現(xiàn)。

5 舒適度量化的數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該數(shù)學(xué)模型關(guān)系式的準(zhǔn)確性,又對(duì)另外的5名試驗(yàn)者在相同的條件下進(jìn)行模型驗(yàn)證試驗(yàn)。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)舒適度和通過(guò)數(shù)學(xué)模型關(guān)系式轉(zhuǎn)化得出的視覺(jué)舒適度進(jìn)行比較。驗(yàn)證數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。圖5為驗(yàn)證數(shù)據(jù)相較于關(guān)系式曲線(xiàn)的散點(diǎn)圖。

圖5 驗(yàn)證數(shù)據(jù)相較于關(guān)系式曲線(xiàn)的散點(diǎn)圖

從表3中的驗(yàn)證數(shù)據(jù)看,從試驗(yàn)中的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)關(guān)系表達(dá)式的計(jì)算得出的視覺(jué)舒適的數(shù)學(xué)模型基本符合。由此可以驗(yàn)證文中提出的通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量舒適度數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)得出數(shù)學(xué)模型,最后通過(guò)數(shù)學(xué)模型推算相應(yīng)時(shí)間的整個(gè)過(guò)程是正確的。

表3 模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行大量試驗(yàn),將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件,繪出視覺(jué)舒適度隨閱讀時(shí)間的變化曲線(xiàn),以S型曲線(xiàn)為參考進(jìn)行擬合,得出了視覺(jué)舒適度與閱讀時(shí)間之間的關(guān)系式,建立閱讀時(shí)間與視覺(jué)舒適度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明:得出的數(shù)學(xué)模型能較好地反應(yīng)視覺(jué)舒適度隨閱讀時(shí)間變化的客觀規(guī)律,該數(shù)學(xué)模型可以為設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的視覺(jué)時(shí)間配置提供理論依據(jù),使產(chǎn)品在視覺(jué)人機(jī)交互方面更加人性化,更符合“以人為本”的設(shè)計(jì)理念。當(dāng)然,在實(shí)際設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中也可以把這部分作為一個(gè)指導(dǎo)方案,所以該模型有著重要的實(shí)用價(jià)值。

由于人眼視覺(jué)系統(tǒng)的復(fù)雜性以及視覺(jué)舒適度影響因素的多樣性,因此視覺(jué)舒適度量化研究必須是一個(gè)長(zhǎng)期的、系統(tǒng)的過(guò)程,本文只針對(duì)閱讀時(shí)間對(duì)視覺(jué)舒適度的影響進(jìn)行了研究,對(duì)于其他影響因素,如閃爍、雙眼亮度差、雙眼色差等,以及人眼的個(gè)體生理因素仍需進(jìn)一步的研究與探索。