顯控臺屏幕布局方式對用戶態(tài)勢感知能力的影響

楊 毅

(中國電子科學研究院，北京 100043)

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顯控臺屏幕布局方式對用戶態(tài)勢感知能力的影響

楊 毅

(中國電子科學研究院，北京 100043)

為了優(yōu)化顯控臺上顯示器的布局，利用主次任務法針對不同屏幕布局方式對用戶態(tài)勢感知能力的影響進行量化評價。分別對比了3種垂直布置方式和1種窗口嵌入方式的屏幕布局對用戶態(tài)勢感知能力的影響。實驗結(jié)果顯示，采用窗口嵌入方式可以使用戶保持更好的態(tài)勢感知能力，并且用戶的主觀負荷最低。結(jié)合實驗結(jié)論，提出了針對顯控臺屏幕布局方式的一些建議。

屏幕布局;態(tài)勢感知;顯控臺

現(xiàn)代電子信息系統(tǒng)融合了大量傳感器數(shù)據(jù)和來自多平臺的豐富信息。作為電子信息系統(tǒng)的終端和人機交互的接口,顯控臺需要將這些信息有組織的輸出給操作員。由于信息量龐大,使用單個顯示器往往不能滿足使用要求。因此,通過對顯示器進行合理布局使信息合理顯示是提高操作員工作績效和信息系統(tǒng)綜合處理能力的重要問題。

在實際應用中,顯控臺屏幕的布局形式往往需要根據(jù)應用環(huán)境和使用情況進行設(shè)計。比如,美國“捕食者”系列無人機的地面顯控臺采用“一上一中二下”方式排列4個液晶顯示器用于模擬有人機的駕駛環(huán)境:最上方的顯示器用于顯示無人機路線圖;中間的顯示器用于顯示無人機前視攝像機拍攝的畫面,其作用相當于戰(zhàn)斗機的平視顯示器;最下方的2個顯示器用于顯示各種傳感器信息,包括飛行參數(shù)、戰(zhàn)場態(tài)勢和傳感器圖像等,其作用相當于戰(zhàn)斗機的下視顯示器[1]。在有些使用環(huán)境下(如機載),顯控臺的尺寸受到使用空間的限制。這時,顯控臺通常要設(shè)計成豎直方向上多個顯示器分布的布局。在其他應用領(lǐng)域,也存在單屏、橫向雙屏和豎向雙屏等設(shè)計[2]。然而,從人機工程的角度對顯控臺屏幕布局方式進行的研究還較少。

在日常工作中,多顯示器的應用已經(jīng)日趨廣泛。相應的,一些研究對多屏幕與單屏幕的組織方式進行了比較。GRUDIN et al記錄了用戶使用多屏幕的習慣,發(fā)現(xiàn)第二個及以上的屏幕主要用于輔助任務[3]。HUTCHINGS et al比較了單屏和多屏用戶在窗口管理和屏幕空間分配方式的差別[4]。BI et al對比了日常使用單屏和雙屏的用戶在使用巨屏(4.9 m×1.8 m)前后的使用習慣和工作模式[5]。TRUEMPER et al比較了使用2×2布局的4個17吋(432 mm)顯示器和使用單個17吋(432 mm)顯示器對用戶完成網(wǎng)頁制作任務的影響。研究發(fā)現(xiàn)多顯示器布局方式更利于用戶進行多任務同步操作。然而,由于2×2布局的顯示器使用戶缺少對顯示中心的認知,用戶使用多顯示器和單顯示器的操作效率并沒有顯著差別[6]。CZERWINSKI et al比較了由3個15吋(381 mm)顯示器橫向投影拼接成的DSharp顯示器與單個15吋(381 mm)顯示器對用戶工作績效的影響。在完成一組Office相關(guān)任務中,使用DSharp顯示器的用戶能夠更高效的完成任務,并且更青睞這種大屏顯示器[7]。相似的,KANG et al比較了用戶使用兩個水平放置的17吋(432 mm)顯示器和單個17吋(432 mm)顯示器完成旅程預訂工作的績效。結(jié)果顯示,使用多屏的用戶能夠更快的完成任務,且主觀工作負荷更小。此外,先前沒有使用多屏經(jīng)驗的用戶更容易利用多屏方案提高工作績效[8]。Owens et al對比了17吋(432 mm)和22吋(559 mm)2種尺寸的單雙顯示器布局,發(fā)現(xiàn)2種尺寸下雙顯示器布局都比單顯示器更受用戶青睞。以上這些研究主要針對橫向布局的多個顯示器與單顯示器進行比較,顯現(xiàn)出多顯示器在復雜多任務處理中的優(yōu)勢[9]。王獻青等比較了一個20吋(508 mm)大屏和兩個14吋(355 mm)小屏以水平和豎直2種方式布置,并以9種顯示器夾角組合對被試進行目標搜索任務的影響。研究發(fā)現(xiàn),以水平方式布置的顯示器組合總體上比垂直布置的方式要好,被試可以更快的完成搜索任務[10]。然而,此實驗只要求被試按照大屏的目標要求在小屏上完成單一的搜索任務,并沒有對被試協(xié)同使用多個屏幕的能力進行評價。在實際使用時,操作員往往需要對多個信息進行處理。因此,需要對操作員在多任務環(huán)境下的態(tài)勢感知能力進行綜合評價以確定屏幕的組織形式。此外,現(xiàn)有研究主要使用22吋(559 mm)及以下的顯示器進行比較,單個顯示器往往不能容納用戶需要同時查看的所有信息。這種情況下,用戶需要頻繁進行窗口切換,造成績效下降。然而,隨著顯示技術(shù)的發(fā)展,越來越多的大尺寸顯示器逐漸成為主流。當單個顯示器足以容納所有信息時,額外增加的顯示器對用戶使用效果的影響還需要進一步研究。

1 多屏任務實驗

比較2類屏幕布局方式對用戶態(tài)勢感知能力的影響。第一類為垂直布局方式,即一個大屏在上方,一個小屏在下方。第二類為窗口嵌入方式,即在一個大屏內(nèi)設(shè)置一個與小屏等大的窗口。本文通過這兩類屏幕布局方式的比較,為顯控臺屏幕布局提供設(shè)計依據(jù)。

1.1 實驗對象

12名在校學生作為本實驗的被試,其中6名女性,6名男性。被試年齡在20至25歲之間,視力或矯正視力正常,此前無類似任務的操作經(jīng)驗,以右手為常用手。

1.2 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備包括2臺顯示器,一臺尺寸為27吋(686 mm),分辨率為1 920×1 080,用于大屏顯示;另一臺顯示器利用筆記本電腦的14吋(355 mm)顯示器模擬一個尺寸為10吋(254 mm),分辨率為1 024×768的小屏,如圖1(左圖)所示。這樣做的目的是可以方便地設(shè)置小屏的尺寸和位置,用來在實驗中模擬某型顯控臺的屏幕布局[11]。27吋(686 mm)大屏顯示器由一臺CPU為intelXeonE3-1230的Think Station主機控制。每臺顯示器配備一個鍵盤用于被試在實驗中做出反應。

1.3 實驗設(shè)計

實驗采用主次任務的方法測試實驗對象在多任務環(huán)境下的態(tài)勢感知(Situation Awareness)能力[12]。實驗主任務是在小屏上完成搜索任務:在小屏上呈現(xiàn)6×6個字母,包括隨機排布的18個字母R和18個字母P(字母大小為8 mm×10 mm).實驗過程中,每隔1 s有一個隨機字母變紅。被試在P變紅時用鍵盤輸入“1”,R變紅時輸入“2”.

實驗的次任務是對大屏的態(tài)勢感知任務,大屏背景為一張散布若干飛機符號(障礙物)的地圖。在實驗過程中,屏幕上的9個區(qū)域(按照水平方向和豎直方向平分成9塊區(qū)域)中的某個隨機區(qū)域的中心每隔一段時間會出現(xiàn)一個新的飛機符號,飛機符號停留時間為1 s.被試在進行主任務的同時,若能夠感知到新的飛機出現(xiàn),則按“空格”鍵。所有飛機符號為綠色三角形,大小為10 mm×10 mm,這種圖形具有較好的辨識效果[13]。

實驗中小屏上的字母P與R各出現(xiàn)36次,大屏上的飛機目標共出現(xiàn)27次(每個區(qū)域隨機出現(xiàn)3次)。主次任務中各目標的出現(xiàn)次序隨機,避免用戶形成預期。

實驗比較兩類4種屏幕布局方式。其中,第一類為“一大一小”豎直布置,第二類為在大屏幕中嵌入小窗口。在第一類布局中,比較了小屏放置在大屏以下左(Small-Left)、中(Small-Center)、右(Small-Right)3個位置的布局效果。在第4種布局方案中,采用小窗口嵌入的方式(Embedded),小窗口被設(shè)為半透明(透明度為50%),尺寸與小屏方式相同,如圖1所示。

圖1 屏幕的4種布局方式Fig.1 Four display layouts

實驗采用4×9重復測量的雙任務被試內(nèi)(repeated-measures within-subject design)設(shè)計。對4種布局方式的實驗順序采用平衡拉丁方方法實現(xiàn)在實驗對象間的平衡。實驗研究4種屏幕布局方式和9種目標位置對用戶在多任務環(huán)境下的反應績效和主觀心理負荷的影響。因變量包括小屏搜索任務的反應時和正確率,對大屏中飛機符號出現(xiàn)的反應時,以及大屏飛機符號的錯過率。在實驗開始前,每名被試有十分鐘左右的時間熟悉實驗任務,使其能夠在RP選擇實驗中達到90%以上的正確率。在每種布局的實驗結(jié)束后,被試完成NASA-TLX量表[14]進行心理負荷的測量。

1.4 實驗結(jié)果

1.4.1 主任務反應時

主任務反應時分析被試對字母R和P做出正確反應的反應時。通過ANOVA方差分析,發(fā)現(xiàn)屏幕布局方式(F3,33=24.948,p<0.001)對被試反應時具有顯著影響。通過對4種布局方式的均值進行比較,發(fā)現(xiàn)窗口嵌入式布局所對應的反應時最短(p<0.001),而三種“一上一下”方式布局的反應時之間沒有顯著差異(p>0.1),如圖2所示。

圖2 主任務反應時Fig.2 Respond time of the primary task

1.4.2 主任務正確率

在實驗前的訓練中,每名被試對RP任務的反應正確率能夠達到90%以上。然而,當主次任務同時呈現(xiàn)時,被試的RP任務正確率有所下降。方差分析表明,屏幕布局方式對主任務正確率有顯著影響(F3,33=9.442,p<0.001).窗口嵌入方式的任務正確率最高(p<0.001),其他三種 “一上一下”布局方式的正確率間沒有顯著差異(p>0.10),如圖3所示。

圖3 主任務正確率Fig.3 Correct rate of the primary task

1.4.3 次任務反應時

次任務反應時分析被試對大屏中出現(xiàn)的飛機符號做出正確反應的反應時。通過ANOVA方差分析,發(fā)現(xiàn)屏幕布局方式(F3,33=4.31,p<0.05)對被試次任務反應時具有顯著影響,飛機符號出現(xiàn)位置(F3,33=1.173,p=0.324)對被試反應時沒有顯著影響,但是屏幕布局方式和飛機符號出現(xiàn)的位置之間具有交互作用(F24,264=2.747,p<0.001)。通過對4種布局方式的均值進行比較,發(fā)現(xiàn)窗口嵌入式布局所對應的反應時比“一上一下”中左側(cè)放置小屏方式的反應時更短(p<0.001),但和其他2種方式?jīng)]有顯著差異(p>0.10).如圖4所示。

圖4 次任務反應時Fig.4 Respond time of the secondary task

由于屏幕布局方式和飛機符號出現(xiàn)的位置之間具有交互作用,分析了不同布局方式下,在不同位置出現(xiàn)飛機符號時被試的反應時,如圖5所示。

圖5 在不同位置出現(xiàn)飛機符號的被試反應時Fig.5 Average respond time of subjects when plane signals appeared

從圖5中可以看出,在各種布局方式下,被試對不同位置出現(xiàn)的飛機符號的反應時的分布不盡相同。但總體來說,被試對屏幕中心和左上方位置出現(xiàn)飛機符號的反應時相對較短;對屏幕右側(cè),特別是右下方出現(xiàn)飛機符號的反應時相對較長。特別的,在屏幕右下方嵌入窗口的布局方式會因窗口疊放或部分遮擋(50%透明度)主屏幕導致被試對該區(qū)域出現(xiàn)目標的感知效率降低。

1.4.4 次任務漏報率

在被試進行主任務時,增加次任務產(chǎn)生了較高的次任務漏報率(平均漏報率為37.2%)。方差分析結(jié)果表明,屏幕布局方式(F3,33=3.785,p<0.05)對被試漏報率具有顯著影響,飛機符號出現(xiàn)位置(F3,33=7.158,p<0.001)對被試漏報率具有顯著影響,屏幕布局方式和飛機符號出現(xiàn)的位置之間沒有交互作用(F24,264=1.521,p=0.06)。窗口嵌入式布局所對應的漏報率比“一上一下”中左側(cè)和右側(cè)放置小屏方式的漏報率低(p<0.05),但和中間放置方式?jīng)]有顯著差異(p>0.10),如圖6所示。

圖6 四種布局方式的次任務漏報率Fig.6 Miss rate under four display layouts

圖7展示了不同位置的次任務漏報率。從漏報率的空間分布來看,屏幕中心偏下的區(qū)域漏報率相對較低(排除屏幕右下角區(qū)域),這部分區(qū)域與主任務工作區(qū)位置接近,而在遠離主任務區(qū)的屏幕上方,漏報率則相對高。此外,同樣可能由于窗口遮擋,導致屏幕右下方的漏報率相對較高。

圖7 不同位置的次任務漏報率Fig.7 Miss rate of the secondary task at different locations

圖8 主觀工作負荷Fig.8 Subjective workload

1.4.5 主觀工作負荷

主觀工作負荷使用NASA-TLX量表進行測量,結(jié)果如圖8所示。在大屏中嵌入窗口的方式產(chǎn)生的主觀工作負荷最小,而小屏在左側(cè)的布置方式使被試產(chǎn)生了最高的心理負荷。然而,不同布局方式的各項指標統(tǒng)計結(jié)果沒有顯著差異(p>0.05).

2 結(jié)果與討論

比較了4種屏幕布局方式對用戶態(tài)勢感知能力的影響?？傮w來說,在大屏幕中嵌入小窗口的方式相對于在大屏幕下方增加小屏幕顯示器更有利于被試進行多任務協(xié)同操作,用戶的態(tài)勢感知能力也更好。前人研究發(fā)現(xiàn),視覺系統(tǒng)沿橫向比縱向具有更快的信息處理能力[12]。在本文比較的4種布局方式中,在嵌入窗口的方式中,被試在2個界面中水平掃視的比例更高,而在“一上一下”的三種布局中,垂直掃視的比例更高,因此被試對信息的處理能力也就相對較差。此外,在前人對多屏布局的研究中發(fā)現(xiàn),沿水平方向布置顯示器可以提高用戶工作績效[9],而采用垂直方式布置顯示器則沒有顯著提高用戶工作績效[6]。因此,更推薦在水平方向上布置顯示器,或采用屏幕中以水平方式劃分窗口的方式進行信息顯示。

從空間分布的角度,對比了在大屏幕9個不同位置出現(xiàn)目標時被試的反應效率。發(fā)現(xiàn)被試對屏幕中心目標的感知能力要優(yōu)于其他區(qū)域,這與前人關(guān)于畫面中心更吸引注意力的研究結(jié)論一致[15]。此外,被試能對大屏左側(cè)的目標比右側(cè)的目標做出更快的反應,這可能與自然掃視從左到右的順序有關(guān)[12,16];然而,從漏報率的角度看,大屏幕下方目標的漏報率更低,說明與被試注視位置更接近的目標更易于被關(guān)注。這一結(jié)果與文獻[17]在多任務環(huán)境下對不同位置目標探測的研究結(jié)果相符。

結(jié)合本文研究結(jié)果,從操作員態(tài)勢感知的角度對顯控臺屏幕布局方式提出以下建議:

1) 在水平空間約束較小時,優(yōu)先在水平方向布置顯示器;空間有限時,可以考慮以窗口嵌入的方式將顯示內(nèi)容顯示在大屏幕內(nèi);

2) 窗口嵌入方式會造成窗口遮擋背景視圖,如果顯示空間允許,可以采用視圖分割的方式,將輔助窗口布置于屏幕右側(cè),將主要顯示區(qū)域布置于屏幕左側(cè);

3) 相對而言,將小屏幕(窗口)布置于大屏幕(窗口)下方不利于需要用戶在大小屏幕(窗口)間進行協(xié)同任務的情況;應盡可能將信息相關(guān)的窗口以水平方式接近布置;

4) 在水平空間有限,需要采用多屏幕沿豎直方向布置時,盡量將小屏放置于大屏下方中間或右側(cè)位置。

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(編輯：劉笑達)

The Effect of Monitor Layout on Control Station Users’ Situation Awareness

YANG Yi

(ChinaAcademyofElectronicandInformationTechnology,Beijing100043,China)

Control stations are terminals of modern electronic and information systems. Managing monitor layout on a control station is a key problem. This paper presents experimental studies of four monitor layouts. We compared the effect of monitor layout on users’ situation awareness,and found that embedding a sub-window in the main display is the best way to maintain higher situation awareness of users and to obtain lower subjective workload as compared with placing sub-monitors under the main display. We offer guidelines on how to manage monitor layout on a control station at the end of this paper.

monitor layout;situation awareness;control station

1007-9432(2016)03-0399-06

2015-10-12

楊毅(1985-)，男，北京人，博士，工程師，主要研究領(lǐng)域為人機交互技術(shù)與人因工程，(E-mail)easyyy2004@163.com

TP399

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.023