人機(jī)界面中刺激反應(yīng)空間相合性研究綜述

梁艷霞

(江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

人機(jī)界面簡(jiǎn)稱HMI(human-machine interaction),是人與機(jī)器之間傳遞、交換信息的媒介[1]．廣義的人機(jī)界面是指人機(jī)系統(tǒng)中人和機(jī)器交互過程中的一個(gè)介質(zhì)或者層面,即所說的界面(interface),可以用模型來描述,如圖1所示．狹義的人機(jī)界面是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的人機(jī)界面．合理的人機(jī)界面美觀大方、通俗易懂、操作簡(jiǎn)單且具有引導(dǎo)功能,使用戶感覺愉快、興趣增強(qiáng),從而提高使用效率[2]．

圖1 人機(jī)系統(tǒng)模型

機(jī)器和設(shè)備中,專門用來向人表達(dá)機(jī)器和設(shè)備性能參數(shù)、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、工作指令以及其它信息的裝置,稱為信息顯示裝置．操縱裝置則是指將人的信息輸送給機(jī)器,用以調(diào)整、改變機(jī)器狀態(tài)的裝置[3]．

通常情況下,設(shè)備的顯示和控制系統(tǒng)是一個(gè)相互配合的整體,顯示器是對(duì)控制器操作信息的反饋．在對(duì)顯示器和控制器的布局設(shè)計(jì)中,應(yīng)該盡量減少操作和顯示的復(fù)雜程度,減少用戶對(duì)設(shè)備學(xué)習(xí)使用的時(shí)間,從而提高工作效率．因此,在顯示器與控制器的設(shè)計(jì)中,其目標(biāo)是使人機(jī)相互作用變得容易、快速,且差錯(cuò)最少[4]．

今天,人類的生活片刻也離不開機(jī)器．人與機(jī)器的和平共處比任何時(shí)候都更顯重要．而要做到這一點(diǎn),人與機(jī)器的交流必須通暢無阻．設(shè)計(jì)精巧的人機(jī)界面,能夠讓人根本感覺不到是它賦予了人巨大的力量,此時(shí)人與機(jī)器的界線徹底消融,人與技術(shù)合為一體[2]．

如前所述,顯示器與控制器是人與機(jī)器和裝備交互的重要渠道,在先進(jìn)制造系統(tǒng)中,它們可能是很復(fù)雜的．顯示器將機(jī)器的狀態(tài)信息顯示給人,控制器則使人能夠采取相應(yīng)的行動(dòng)以影響系統(tǒng)狀態(tài)．人們通常在為信號(hào)選擇相應(yīng)的反應(yīng)方面表現(xiàn)得極為一致,該現(xiàn)象稱為“群體刻板印象”,它暗示著對(duì)大多數(shù)人來講,在顯示信號(hào)集和控制面板反應(yīng)集之間存在著偏好性的配對(duì)[5]．圖2即顯示了控制器與顯示器編排之間的對(duì)應(yīng)性[6]．

圖2 控制器與顯示器的對(duì)應(yīng)關(guān)系

刺激-反應(yīng)(stimulus-response, S-R)空間相合性的概念最早是由Fitts和Seeger于1953年提出的[7],它指的是在一個(gè)顯示面板上,刺激和反應(yīng)元素在物理布局方面的對(duì)應(yīng)性．若刺激和反應(yīng)的關(guān)系是直接的和自然的,它就被描述為相合的;反之,若其關(guān)系是間接的和非自然的,則被描述為不相合的[8]．對(duì)控制任務(wù)的操作性能來講,它是一個(gè)重要的決定性因素．因此,人在系統(tǒng)中的性能不僅取決于所使用的信號(hào)和反應(yīng)儀器的類型,也取決于單個(gè)信號(hào)與反應(yīng)之間的配對(duì),即S-R空間相合性．

S-R空間相合性概念可由編碼假設(shè)原理來解釋.該假設(shè)認(rèn)為,針對(duì)信號(hào)和反應(yīng)鍵的空間位置信息之間存在一個(gè)編碼過程．一個(gè)相合的S-R組合只需較少的編碼,信息轉(zhuǎn)換快速,因而高效、精確；反之,不相合的組合在轉(zhuǎn)換空間編碼的過程中需要一個(gè)額外的轉(zhuǎn)換步驟,因而反應(yīng)時(shí)間增加且更易出錯(cuò)[9]．

在相合性研究中普遍發(fā)現(xiàn),與不相合的裝置相比,相合的裝置將具有更快的反應(yīng)時(shí)間和更低的錯(cuò)誤率[10-11]．除了空間相合性,如果想獲得更高的系統(tǒng)性能,在人機(jī)界面設(shè)計(jì)中還需要考慮概念相合性、運(yùn)動(dòng)相合性和通道相合性[12]．在不同種類相合性中,S-R之間的空間相合性是控制任務(wù)中決定人的表現(xiàn)的一個(gè)重要因素[13]．

2 S-R空間相合性研究現(xiàn)狀

到目前為止,國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)S-R空間相合性的基礎(chǔ)理論研究不多,有限的一些文獻(xiàn)大都集中于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對(duì)于空間相合性的應(yīng)用,如:大型工廠控制室人機(jī)界面設(shè)計(jì)[14-16],航天器布局設(shè)計(jì)[17],機(jī)車的人機(jī)界面設(shè)計(jì)[18],數(shù)控機(jī)床的人機(jī)界面設(shè)計(jì)[19],以及其它相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)[20-21]等．而國(guó)外學(xué)者針對(duì)此課題做了大量的基礎(chǔ)研究,以下重點(diǎn)對(duì)S-R空間相合性的基礎(chǔ)研究進(jìn)行論述．

2.1 視覺顯示手控操作的空間相合性

圖3 燃?xì)庠羁刂崎_關(guān)與灶頭之間的布局關(guān)系[23]

視覺信號(hào)顯示-手控操作是比較傳統(tǒng)也是目前為止應(yīng)用最多的一種人機(jī)交互方式,國(guó)外在這方面有幾個(gè)比較經(jīng)典的研究案例．Bayerl等人研究了鍵盤上功能鍵的布局和屏幕上與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽之間的相合關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)這些標(biāo)簽與控制功能鍵的空間相合性較好時(shí),操作者的反應(yīng)時(shí)間較短[22]．Hsu等人研究了燃?xì)庠钌峡刂崎_關(guān)與灶頭之間的布局關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn),對(duì)應(yīng)控制開關(guān)的4種不同布置方式(圖3),其反應(yīng)時(shí)間和錯(cuò)誤率是截然不同的,如美國(guó)人更加傾向于選擇第④種布局[23]．Wu Swei-Pi進(jìn)一步研究了該案例,發(fā)現(xiàn)中國(guó)人則更加傾向于選擇第③種布局;而且,用物理模型與計(jì)算機(jī)模擬和紙筆實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是不一致的[24]．這些研究證實(shí)了在人機(jī)界面設(shè)計(jì)中空間相合性的重要性．

2.2 視聽顯示手控操作的空間相合性

在許多制造系統(tǒng)和過程控制的面板上,視覺和聽覺信號(hào)是獲取操作者注意和征求反應(yīng)的最常用的兩種通道．在日常生活中,人類用視覺察覺大多數(shù)的信息;然而,當(dāng)信息源超出視覺范圍時(shí),聽覺信號(hào)明顯更有效.在信息顯示和警示設(shè)計(jì)中,聽覺信號(hào)的使用正越來越普遍,而且在復(fù)雜系統(tǒng)中,它還可用來減輕繁重的視覺負(fù)荷[25-26]．視覺和聽覺顯示在人類任務(wù)中可以說是無處不在[13]．據(jù)報(bào)道,在某些情況下,聽覺信號(hào)可以用來刺激情境意識(shí)和提高視覺顯示效果．例如,Doyle和Snowden發(fā)現(xiàn),在選擇反應(yīng)任務(wù)中,整體的視覺反應(yīng)受益于聽覺警示信號(hào)的使用[27]．因此,在此類任務(wù)中,更需要理解顯示器和控制器之間的交互和關(guān)系,尤其是它們之間的相合性．

Lee等人設(shè)計(jì)了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證視聽信號(hào)同時(shí)作用時(shí),其相合性對(duì)操作者性能的影響[25]．圖4-a)中,在操作者正前方的垂直面板上,分別設(shè)計(jì)了3個(gè)信號(hào),最上和最下是紅色的刺激信號(hào),中間綠色的是一個(gè)固定的小圓．操作者戴有耳機(jī)以接受聽覺信號(hào)．在操作者水平面板上,分別是前、后、左、右4個(gè)反應(yīng)鍵,其中,前、后鍵控制視覺信號(hào),左、右鍵控制聽覺信號(hào)．b)～e)為視覺和聽覺的S-R之間的4種不同組合.結(jié)果表明，在控制面板的界面設(shè)計(jì)中,信號(hào)和反應(yīng)鍵的相應(yīng)位置,以及合理選擇信號(hào)通道是兩個(gè)重要問題.當(dāng)視、聽通道都使用時(shí),若需要較高的反應(yīng)速度,則視覺信號(hào)優(yōu)于聽覺;若需要較高的反應(yīng)準(zhǔn)確性,則聽覺信號(hào)優(yōu)于視覺.當(dāng)同時(shí)應(yīng)用視聽信號(hào)時(shí),視覺信號(hào)可布置在縱向,聽覺信號(hào)布置在橫向．

Liu Yungching等人研究了交通工具內(nèi)部5種警示信息顯示對(duì)司機(jī)應(yīng)急反應(yīng)和決策的影響[28]．這5種信息分別為:視覺單通道顯示,空間相合和不相合的聽覺單通道顯示,空間相合和不相合的視聽混合顯示．結(jié)果表明:對(duì)于單通道顯示,視覺顯示警示信息比聽覺(無論相合還是不相合)更有益于司機(jī);然而,空間相合的聽覺顯示能夠顯著提高司機(jī)對(duì)單個(gè)注意任務(wù)的表現(xiàn)和做出精確的S-R任務(wù)決定；空間相合的混合顯示可使司機(jī)獲得最佳表現(xiàn),即反應(yīng)最快、最精確．

a) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

b) 視聽均相合 c) 聽覺相合,視覺不相合

d) 視覺相合,聽覺不相合 e) 視聽均不相合

2.3 視覺顯示手腳控制操作的空間相合性

對(duì)于所有形式的系統(tǒng)來說,在信息顯示和警示的設(shè)計(jì)中,視覺信號(hào)是很常見的,如工業(yè)控制系統(tǒng)、飛機(jī)駕駛艙和計(jì)算機(jī)界面．對(duì)機(jī)器和裝備的操作通常是通過手控交互裝置來完成的,因?yàn)槭挚馗泳?xì)和靈巧．腳動(dòng)控制器盡管不像手動(dòng)控制器應(yīng)用那么廣泛,但它們也扮演著重要的作用,尤其對(duì)于坐姿操作者,因?yàn)槟_控能夠減少手的負(fù)荷．對(duì)那些大多數(shù)應(yīng)用腳控的系統(tǒng),如汽車、飛機(jī),幾乎所有主要的控制是分配給手的．然而,一些人機(jī)界面相當(dāng)復(fù)雜的情況下,手腳并用的控制操縱就很必要[29]．

Chan等人先研究了在橫向和縱向用雙腳來操縱時(shí),視覺信號(hào)與操縱之間的S-R空間相合效果[30]．接著,該團(tuán)隊(duì)又研究了手腳聯(lián)合控制垂直面板上視覺信號(hào)時(shí)S-R之間的空間相合性效果[31]．后來,他們進(jìn)一步提高難度,研究了在3維空間中的不同位置用手和腳控制視覺信號(hào)時(shí)空間的S-R相合效果,如圖5所示[29]．在這些控制面板上,視覺信號(hào)圍繞著操作者的3維空間,布置在不同位置,同時(shí)使用手腳控制．研究發(fā)現(xiàn),空間相合的S-R狀況能夠提高上-下、左-右和前-后方位的反應(yīng)時(shí)間和準(zhǔn)確性:對(duì)右手/右腳操作者來說,重要的和需要立即反應(yīng)的反應(yīng)裝置應(yīng)由手來操縱,并且要放置在右手側(cè);為獲得較快的反應(yīng)和較高的準(zhǔn)確性,視覺信號(hào)和反應(yīng)裝置的位置必須是空間相合的,以達(dá)到最佳的人機(jī)系統(tǒng)性能;在3個(gè)方位上的顯-控相合性配置都將獲得最佳的反應(yīng)時(shí)間和最少的反應(yīng)錯(cuò)誤;在3維空間中,最強(qiáng)的相合性效果出現(xiàn)在上-下方位上,左-右次之,前-后最差．因此建議當(dāng)3個(gè)方位的相合性不能同時(shí)滿足時(shí),要優(yōu)先考慮上-下方位．該結(jié)論同時(shí)也適合文獻(xiàn)[30-31]的研究．

a) 上下、左右、前后均相合 b) 上下不相合 c) 左右不相合 d) 前后不相合

e) 上下、左右、前后均不相合 f) 左右、前后不相合 g) 上下、前后不相合 h) 上下、左右不相合

3 總結(jié)與展望

在當(dāng)今時(shí)代,顯示器和控制器對(duì)幾乎每一種人類活動(dòng)來說都很重要,比如,從相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)和機(jī)器操作到更加復(fù)雜的駕駛艙操作、交互駕駛模擬和人造衛(wèi)星定位．隨著人機(jī)系統(tǒng)越來越復(fù)雜,需要操作者處理的顯示信號(hào)和控制裝置的數(shù)量也越來越多,研究者也越來越關(guān)注顯示和控制裝置之間的交互和關(guān)系,尤其是它們之間的相合性．相關(guān)研究表明,如果人機(jī)界面中顯示和控制元件之間建立了合適的空間相合關(guān)系,那么將獲得更快的學(xué)習(xí)速度、更短的反應(yīng)時(shí)間、更少的錯(cuò)誤和更高的用戶滿意度．

隨著日益復(fù)雜的顯示器尤其是3維視覺顯示的應(yīng)用增加,可以預(yù)見的是,通過手腳并用,設(shè)計(jì)一個(gè)允許操作者更好地控制復(fù)雜的多維任務(wù)是可能的．可能的應(yīng)用如:應(yīng)用在核電站和國(guó)防工業(yè)及游戲世界的遠(yuǎn)程控制裝置,大宗物資的裝卸,計(jì)算機(jī)工作站等．在這些人機(jī)界面中,通過合理地設(shè)計(jì)3維顯示和控制系統(tǒng),許多工作都會(huì)變得壓力更少、效率更高．

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