雷達態(tài)勢界面中目標搜索的視覺局限實驗研究

吳曉莉 薛澄岐 湯文成 邵 將 李 晶

(1 東南大學機械工程學院，南京211189)

(2 河海大學機電工程學院，常州213022)

隨著工業(yè)設計與計算機交互媒體的快速發(fā)展，視覺信息界面(visual information interface)已成為復雜系統(tǒng)中必不可少的信息交互媒介.航戰(zhàn)中的雷達態(tài)勢界面屬于復雜系統(tǒng)中的子界面，由于復雜系統(tǒng)人機交互界面的信息量大、信息關(guān)系復雜，需要人與系統(tǒng)的配合更加嚴謹，信息的組織與呈現(xiàn)更加科學.若是界面設計不合理，極易造成誤讀、誤判、信息疏漏等問題.吳曉莉等［1］通過復雜系統(tǒng)中用戶出錯的認知機理研究，提出了視覺干擾、視覺局限、知覺混淆、記憶失誤等5 種出錯類型.信息的疏漏、誤判是常見錯誤之一，其原因有很多，注意力轉(zhuǎn)移(目標轉(zhuǎn)移)、信息量的負荷、時間壓力、視覺局限、遺忘等.雷達態(tài)勢界面中目標搜索過程出現(xiàn)的目標物遺漏、誤報等問題，主要源于視覺局限造成的出錯.

因此，本文針對視覺局限引起的注意疏漏、誤判展開研究.模擬某航戰(zhàn)的雷達態(tài)勢界面，提取視覺局限的相關(guān)因子，從視野位置、目標物間距等方面，運用心理學實驗方法，開展目標搜索的視覺局限實驗.

1 復雜信息界面相關(guān)研究背景

關(guān)于復雜信息界面的國內(nèi)外研究主要針對界面設計合理性的評價方法.Wilson 等［2］利用眼動跟蹤技術(shù)對航戰(zhàn)界面進行實驗，測試駕駛員的前瞻記憶和注意力轉(zhuǎn)移，確定駕駛員認知復雜因素.王海燕等［3-4］對態(tài)勢界面的布局設計方案進行了實驗評價與分析，通過眼動數(shù)據(jù)指標的評價選擇合理的空間布局優(yōu)化方案.劉青［5］對模擬航電系統(tǒng)中的對敵攻擊任務進行了界面設計，通過眼動跟蹤實驗評價界面布局、導航、圖形符號等的合理性.李晶等［6-7］研究復雜數(shù)字界面中時間壓力對顏色、形狀編碼的影響，探討不同時間壓力下的認知績效問題，并提出了多維信息可視化的設計方法.董曉璐［8］從失誤角度研究了時間壓力對數(shù)字界面的影響.根據(jù)以上所述，主要以實驗數(shù)據(jù)作為評價手段判斷復雜信息界面設計的合理性，鮮有學者對視覺局限引起的誤讀、誤判原因進行研究，

2 視覺搜索實驗研究綜述

在視覺搜索實驗研究方面，Yantis 等［9］認為目標搜索是一種主動注意選擇機制中的目標導向注意或內(nèi)源性注意，它以自上而下的方式控制著注意選擇.Monnier［10］運用視覺延遲搜索任務的實驗范式，對顏色、位置及顏色與位置的綁定進行了對比實驗，結(jié)果表明綁定實驗與其他兩實驗相比，并沒有使搜索時間明顯變短.在目標物位置和間距的研究方面，F(xiàn)leetwood 等［11-12］通過實驗觀察發(fā)現(xiàn)影響用戶視覺尋找的因素首先是圖標的數(shù)量，其次是目標的邊界，最后是圖標的質(zhì)量和清晰程度.Theeuwes［13］針對干擾位置，研究了目標物與相鄰干擾物的抑制作用.在視野位置的研究上，Turatto 等［14］研究奇異刺激對目標物的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，顏色奇異刺激最容易捕獲注意.楊娟［15］和李楊等［16］研究了視野位置與刺激特征對注意捕獲的影響.

以上相關(guān)位置、間距的實驗研究中，缺乏針對視覺局限引起的出錯與目標物位置、間距關(guān)系的研究.本文主要考察視覺局限的出錯因子，設計阻礙視覺感知過程的若干特征項，分析關(guān)注出錯數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)因素，并將反應時、出錯率作為重要指標進行考察.

3 目標搜索的視覺局限實驗

3.1 實驗材料

刺激特征項為某雷達態(tài)勢界面的模擬信息物，分別為友機、敵機及4 種不明物，共6 個;如圖1所示，信息物大小充滿在12 mm ×15 mm 的黑色方框內(nèi)，敵機、友機和不明物交替出現(xiàn).信息物均呈現(xiàn)在戰(zhàn)斗機攻擊態(tài)勢界面中(半徑為78 mm 的圓內(nèi)).攻擊范圍在以直徑為39 mm 的圓中，由于在圓中央呈現(xiàn)主機的形態(tài)以及周圍呈現(xiàn)目前態(tài)勢的各種數(shù)據(jù)，給被試造成固定的干擾，而這些呈現(xiàn)的元素均為定量，因而形成了復雜的態(tài)勢環(huán)境，如圖2所示，目標物作為變量隨機呈現(xiàn)在大圓與小圓組成的圓環(huán)內(nèi).

圖1 實驗材料

圖2 實驗中的模擬攻擊態(tài)勢界面

3.2 實驗設計

依據(jù)實驗中的6 個特征項，考察實驗中每次出現(xiàn)的目標物數(shù)量，當其中1 個(敵機、友機或不明物)作為目標物出現(xiàn)時，信息物將以2，4，6 三個數(shù)量級別呈現(xiàn).在實驗中，按照短時記憶中記憶量的大小(7 ±2)，呈現(xiàn)的總數(shù)量固定為9 個.因此，不論是目標物還是其他特征項可重復出現(xiàn).

本實驗將采用3 ×2 ×3 的組內(nèi)設計，3 個因素分別是目標物數(shù)量(2，4，6)、視野位置(上視野、周圍視野)和目標物間距(12，48，96 mm).目標物數(shù)量將隨機分布在實驗順序中，以避免被試發(fā)現(xiàn)目標物數(shù)量呈現(xiàn)的規(guī)律性.敵機、友機與不明物為3 個試次，每組3 ×2 ×3 個試次，共計54 個試次.

3.3 實驗設備與程序

實驗程序采用E-Prime 編寫，刺激呈現(xiàn)在17英寸顯示器中央，屏幕分辨率為1 280 ×1 024 像素，亮度為92 cd/m2.實驗在東南大學人機交互實驗室進行，被試為20 名在校本科生，男女各半，年齡在19 ～23 歲之間，視力或矯正視力正常，無色盲或色弱.實驗前，錄入被試的性別、年齡、專業(yè)及視力等相關(guān)信息.

首先要求被試熟悉雷達態(tài)勢攻擊的任務環(huán)境，保持態(tài)勢環(huán)境中的信息不變，并努力避免這些信息的干擾.然后給被試介紹敵機、友機、不明物3 種目標物的特征(這些特征將作為目標搜索的對象).

4 實驗結(jié)果與討論

4.1 不同視野位置的反應時與出錯率

當敵機、友機和不明物以刺激物的形式出現(xiàn)在攻擊態(tài)勢界面中的不同視野位置，且以不同數(shù)量、不同間距呈現(xiàn)時，被試的反應時與出錯率如圖3所示.對反應時的方差分析表明，上視野位置的間距主效應(均方比值F=14.416，顯著性P=0.012 ＜0.05)和周圍視野位置的間距主效應(F=6.990，P=0.001 03 ＜0.05)達到顯著性水平;對出錯率的方差分析表明，上視野位置的間距主效應(F=2.380，P=0.013 ＜0.05)和周圍視野位置的間距主效應(F=9.308，P=0.014 ＜0.05)達到顯著性水平.可見，間距大小對視野位置的目標搜索視覺認知都有顯著性影響.

最小顯著差異法的驗后多重比較檢驗結(jié)果如表1所示.當目標物數(shù)量較少時，目標間距并不影響視覺搜索時間，錯誤率較低.而搜索目標呈現(xiàn)為4 和6 個時，不論是上視野還是周圍視野，反應時和出錯率在呈現(xiàn)的目標間距12，48，96 mm 之間有顯著性差異，即隨著目標間距的增大，搜索目標的反應時長逐漸加大，目標間距最大時，顯著性最強.由表1可見，隨著目標間距增大，極易造成誤讀、判斷錯誤等.因此，態(tài)勢界面中的目標搜索不宜間距太大，目標間距過大對視覺搜索會產(chǎn)生較大的影響.

圖3 3 種間距下的不同視野位置反應時和出錯率

4.2 高出錯率下的不同目標物間距分析

1)目標物數(shù)量為6 時的反應時與出錯率分析

從圖3(a)和(b)三種目標物間距呈現(xiàn)的反應時與錯誤率可以看出，隨著目標物數(shù)量的增加，出錯率呈增大的趨勢.為了進一步了解高出錯率下不同目標物間距的反應時，對目標物數(shù)量為6 時的反應時和出錯率進行分析，結(jié)果如圖4所示.

對出錯率的方差分析表明，不同目標物(敵機、友機、不明物)主效應達到顯著性水平(F=3.049，P=0.013 6 ＜0.05);對反應時重復測量方差分析顯示，不同目標物主效應達到顯著性水平(F=8.65，P=0.014 9 ＜0.05).無論是敵機、友機還是不明物在目標物間距上的出錯率有顯著性差異，即隨著間距的增大，出錯率增大，出錯率并無明顯差別;而反應時的呈現(xiàn)規(guī)律與出錯率并不一致，隨著間距的增大，反應時呈現(xiàn)倒V 形變化，在間距為48 mm 時，反應時最長.這說明出錯率最高時，反應時間并不一定最長，這也說明作出錯誤判斷時，并不需要最長的反應時間.

表1 最小差異法的驗后多重比較檢驗

圖4 目標物數(shù)量為6 時的反應時和出錯率

2)目標物數(shù)量為6 時不同間距錯誤答案分析

當呈現(xiàn)目標物間距為96 mm 時，在有限的呈現(xiàn)時間內(nèi)(1 500 ms)，對6 個目標物很難作出正確搜索.通過對20 名被試進行6 ×3 試次，剔除奇異數(shù)據(jù)后，共計340 次目標搜索統(tǒng)計，出錯率高達43.246%，即近一半的被試會作出錯誤判斷.按照被試真實搜索到的目標數(shù)進行統(tǒng)計比對，表2給出了6 個目標物搜索出錯的答案統(tǒng)計.可以看出，不同間距的總出錯率呈現(xiàn)顯著性差異，隨著間距的增加，出錯率逐漸增大，當目標物間距為96 mm 時，出錯率超過50%(64.2%);在記錄被試的答案分類中發(fā)現(xiàn)，錯誤答案為5，4，7，3，接近錯誤答案6個的有5 和4.這也說明了被試容易遺漏掉1 或2個目標物，或者將相似的干擾物也作為目標物，從而給出7 個錯誤答案.因此，還需要結(jié)合眼動指標的凝視次數(shù)、眼跳軌跡等，進一步分析遺漏或者多報的刺激項的視野位置，這對于視覺局限的研究尤為重要.

表2 目標物數(shù)量為6 時不同間距錯誤答案及出錯率統(tǒng)計

4.3 討論

本研究從出錯角度，采用模擬的戰(zhàn)斗機信息物作為實驗材料，實驗結(jié)果說明了在信息識別中，隨著信息物數(shù)量逐漸增加(2，4，6)，周圍視野比上視野的目標物反應時增長更快，不同間距的目標物搜索反應達到顯著水平;通過提取高出錯率下的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著目標物間距的增大，出錯率呈線性增大，而反應時呈倒V 形變化，因此誤判、疏漏的出錯并不一定需要最長的反應時間.本研究不是在真實的航戰(zhàn)艙內(nèi)進行，其信息物均為模擬，得到的數(shù)據(jù)為模擬仿真，得到的結(jié)論可以作為態(tài)勢界面信息布局設計的參考.

Wickens 等［17］對多信息通道下不同顏色編碼和空間位置的信息辨識情況進行了研究，發(fā)現(xiàn)顏色和位置對信息辨別會產(chǎn)生不同的影響;Dukic等［18-19］研究了駕駛員視覺搜索模式，提出了相關(guān)視覺搜索策略.本文實驗結(jié)果也表明，視野位置和目標物間距是視覺搜索中易出現(xiàn)遺漏和誤判的主要因素，周圍視野的目標物更容易遺漏.

5 結(jié)論

1)雷達態(tài)勢界面中目標物間距大小和視野位置對目標搜索視覺認知都有顯著性影響.目標搜索的間距大于96 mm 時，反應耗時長，易疏漏、誤判.

2)對于不同視野位置信息的視覺搜索，出錯率隨間距的增加呈線性增大，而反應時呈倒V 形變化，因此誤判、疏漏時并不一定反應時耗時最長.

3)周圍視野呈現(xiàn)目標物數(shù)量為6 時的出錯率最高，且容易產(chǎn)生信息疏漏.

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