动态突显对视觉搜索绩效的影响作用

2019-03-21朱田牧葛列众李宏汀胡信奎

人类工效学 2019年6期

朱田牧，葛列众，李宏汀，胡信奎

(1.浙江理工大学心理学系，杭州 310018；2.浙江大学心理科学研究中心，杭州 310028)

1 引言

互联网时代带来的信息过载使得人们无法简单凭借自己的大脑在海量信息中迅速有效地寻找到关键信息。因为在对海量信息进行视觉搜索时，人的视觉注意和认知资源是有限的[1]。因此，如何有效在海量信息中快速有效地呈现出关键信息是工程心理学研究的重要问题之一[2]。从二十世纪八九十年代起，为了解决视觉信息有效呈现的研究主要集中在突显技术领域。突显是指在与视觉搜索任务有关的计算机屏幕显示中，采用某种方式突出显示多个项目中的关键项目，从而提高视觉搜索绩效的一种方法或技术。该技术通过改变目标的显示方式，吸引用户的注意引导用户进行搜索，帮助用户更准确快捷地找到目标[3]，减少用户的操作时间[4]，从而提高操作绩效。

在以往研究中，突显对视觉搜索操作绩效的影响主要受突显的类型、背景和材料等因素的影响。突显类型方面的研究表明，以颜色(黄色)作为突显类型时效果较好，闪烁[5-6 ]，相框[7]和下划线突显[8]对视觉搜索的促进效果显著；逆显(目标与目标所占的背景颜色互换)是会降低视觉搜索绩效的一种突显类型[9]。视觉背景方面的研究表明，黑背景下突显颜色选用红、黄、绿，突显效果显著，白背景下突显效果不显著[10]；单彩色背景和复杂彩色背景[11]以及背景的明暗程度对均对目标的突显有着重要的影响[12]。视觉材料方面的研究表明，在以图形为视觉搜索材料的研究中，图形的底纹可以显著提高视觉搜索绩效[13]，此外，颜色和闪烁的突显方式显著促进了被试视觉搜索绩效，但分别作为冗余代码时效果不显著[14]。在复杂情境中，突显关键的图符可以有效提示警告信息[15]。

近期突显技术与眼控技术相结合，研究者开发了一种通过基于眼动控制的交互式的眼控突显(也称视线突显)技术。该技术结合低通滤波算法，通过对用户注视点的捕捉，随着用户视线的变化而改变突显的内容，实时突显用户视线所在位置的信息。实验结果证实，该技术是一种可以有效提高海量信息下的目标定位绩效的新型技术[16]。

总结以往研究发现，虽然突显技术较为成熟且一直在发展，但目前存在两个问题:一是传统的突显技术是一种静态的显示技术，无法在视觉搜索过程中，动态地在多个目标中优先突显重要的目标；二是视线突显技术虽然可以根据用户的操作的特点实时突显视觉材料内容，但这并没有针对任务要求或目标的重要性等特点进行突显。因此，在以往传统突显的基础上，本研究提出一种新型突显技术，称为动态突显。该突显技术可以在与视觉搜索任务有关的目标呈现方式中，根据任务要求或目标特征，优先突显多个目标中的重要目标，从而提高视觉搜索效率。

为了验证这种新型突显技术的有效性，本研究采用以数字为材料的多目标视觉搜索任务，通过比较传统突显与动态突显完成时间和点击效率的差异，验证动态突显的有效性。

2 方法

2.1 被试

共66名(男28人，女38人)在校学生参加实验，年龄16-25岁，平均年龄19.32±1.95岁，均为右利手，视力或矫正视力正常，无色盲或色弱，实验结束后给予报酬。

2.2 实验设备

实验材料呈现在14英寸的LED防眩光屏幕上(型号为戴尔Vostro14-5 480)，分辨率为1 366×768。实验过程中被试全程使用鼠标(型号为罗技G102有线电竞鼠标)进行点击操作。实验程序在.NET框架下用C#编写而成。

2.3 实验材料

实验材料为10×10的数字矩阵，矩阵所在区域大小为320像素×320像素(8.5 cm×8.5 cm)，视场大小约为10.20°×10.20°。矩阵位于电脑屏幕中央，矩阵中心与屏幕中心重合。矩阵内每个数字所占的区域相同，高20像素(0.53 cm)，宽14像素(0.37 cm)，视场大小约为0.65°×0.45°。每个数字的中心与其所占方块的中心重合，相邻的数字中心与数字中心的间距为32像素(0.85 cm)。矩阵100个数字中，目标数字为1、2、3、4，每种五个共二十个，干扰数字为5、6、7、8、9，每种十六个共八十个。目标数字的分布满足如下五个条件：第一，每种目标数字在每个象限至少出现一个，至多出现两个；第二，相邻试次中两个同一种目标数字所在的象限不同，整个实验中两个每种目标数字出现在每个象限的总次数相同；第三，每个象限中，每行每列只有一个目标数字；第四，目标数字之间不存在横向、纵向的连续情况，同一种目标数字不存在斜向连续的情况；第五，10×10矩阵中心的2×2区域内没有目标数字，矩阵的四个角也没有目标数字。非目标数字按照5到9从矩阵的第一列第一行开始逐行依次循环填补空余位置。基于以上条件共筛选出48个数字矩阵，8个用于练习，40个用于正式实验。

屏幕为灰色RGB(128，128，128)，矩阵所在区域的背景为黑色，数字共有三种颜色，非目标数字和没有突显的目标数字为白色，突显的目标数字为红色RGB(255，0，0)，鼠标点击某个数字后该数字变成灰色RGB(128，128，128)。材料示意图如图1所示：

图1 两种突显条件的材料示意图

2.4 实验任务

实验任务为点击任务，即点击目标数字得分。要求被试尽快点击并且尽可能多得分，点击4得4分，点击3得3分，点击2得2分，点击1得1分。点击非目标数字5、6、7、8、9不得分。在点击任务开始前，需要被试做好点击的准备，把右手自然地放在鼠标上，食指放在鼠标左键上，中指放在鼠标右键上，任务中的操作均为用食指单击鼠标左键。每次点击开始时鼠标起始点位于矩阵中心。每个试次点击任务的最长时间为16s(通过预实验结果设定)，保证绝大多数被试可以完全点完所有的目标数字。

2.5 实验设计

实验为单因素被试间设计。

自变量为突显类型，分为传统突显和动态突显。

传统突显条件下，所有目标数字在整个被试执行点击任务过程中均为红色突显，被试点击某个红色目标数字后获得相应分数，同时该数字变灰，再次点击该灰色数字不得分。

动态突显条件下，目标数字在整个被试执行点击任务过程中按照4-3-2-1的顺序红色突显，并且待被试点击完一种目标数字后再突显下一种。首先突显所有的4(共有五个)，待被试点击完这五个4，突显所有的3，待被试点击完，突显所有的2，以此类推。点击某个目标数字(可能是红色或白色)后该数字变灰，再次点击该灰色数字不得分。

在上述两种条件下，所有非目标数字均为白色。如果被试点击非目标数字，不得分，但白色非目标数字也会变为灰色。

因变量为完成时间和点击效率。完成时间为被试点击完全部目标数字所用的时间。实验中点击效率的计算方式为：分数/点击目标个数，即被试单位时间(每秒)内得到的分数除以点击到的目标个数。因变量数据由程序自动记录。

2.6 实验流程

被试随机分为两组，对应进入传统组(共34人，男生15人，女生19人)和动态组(共32人，男生14人，女生18人)。主试录入被试的基本信息后进入实验程序，请被试做好点击的准备。实验分为练习阶段和正式实验阶段。练习阶段请被试熟悉实验流程和操作，共8个试次，随后进入正式实验，共40个试次，20个试次后休息30 s。

每个试次流程为，矩阵所在的区域呈现0.5 s黑屏，随后在该区域中心呈现白色注视点“+”0.5 s，随后呈现0.5 s黑屏，然后呈现数据矩阵，被试开始点击操作，点击时间最长为16 s(通过预实验确定)，16 s之内点完或者超时，矩阵都会消失，自动进入下一个试次。

3 结果

实验数据通过SPSS 13.0分析。剔除没有完全点完试次的数据和三个标准差之外的数据(共占总实验数据的2.50%)后，先分析传统与动态突显的完成时间，再分析点击效率。

3.1 传统与动态突显的完成时间分析

对完成时间没有要求的情况下，传统组的完成时间(M=11.34，SD=1.41)快于动态组(M=13.17，SD=1.03)，独立样本T检验结果表明两者差异显著(t(64)=-6.05，P<0.001，d=1.49)。这个实验结果说明：在区分目标重要程度的多目标视觉搜索情境中，传统突显比动态突显的完成时间更短。完成时间如图2所示:

图2 两种条件下的完成时间(s)

3.2 传统与动态突显的点击效率分析

传统组在1-7 s的点击效率低于动态组，8-10 s高于动态组，11-15 s又低于动态组。1 s表示0-1 s之内，以此类推，点击效率的平均数和标准差见表1。

表1 两种条件下的点击效率

10-12 s和16 s两组差异不显著。

这个实验结果说明：在短时程内(1-7 s)，动态突显的点击效率好于传统突显。

每秒点击效率差异如图3所示：

图3 两种条件下的点击效率

简单效应分析表明，传统突显条件下，2-7 s每秒内点击效率差异不显著，动态突显仅在2 s和3 s的点击效率差异不显著，说明传统突显点击过程中存在一个平缓的阶段，动态突显则没有。

4 讨论

4.1 传统与动态突显的完成时间分析

4.2 传统与动态突显的点击效率分析

在完成任务的过程中，传统突显的点击效率呈现出2-7 s先达到一个平缓阶段，8 s开始下降的趋势。1 s时，大多数被试存在部分还没有做出点击操作的情况，所以整体点击效率较低，2 s开始点击效率接近随机水平2.5((4×5+3×5+2×5+1×5)/20)，一直持续到7 s。由于7 s后已经有被试完成任务，8s开始得到的分数为0，因此整体点击效率开始下降。动态突显的点击效率呈现出先高后低的趋势，按照目标的四个重要程度大致分为四个阶段，2-4 s点击效率最较高，接近优先点击重要目标的水平4((4×5)/5)，5-7 s点击效率接近点击第二重要目标水平3，8-10 s点击效率接近2，11-12 s点击效率接近1。因为9 s后开始有被试完成任务，所以从10 s开始点击效率出现下降，主要是由于点击目标的重要程度降低，以及在这个时间段已经出现有被试完成任务的情况所导致的。

比较两种突显方式的点击效率特点发现:共同之处在于两种突显方式均可以有效引导被试的视觉搜索，与以往关于突显可以有效引导用户操作的研究结果一致；不同之处在于传统突显是以随机的方式引导被试操作，动态突显则按照目标的重要程度进行引导。

4.3 动态突显的有效性

动态突显虽然完成时间显著慢于传统突显，但在短时程(1-7 s)的点击效率显著高于传统突显，说明动态突显是一种在短时程内比传统突显更加有效的突显方式，且按照目标的重要程度进行操作，可以有效提高被试的视觉搜索绩效。因此，如果需要处理全部目标，传统突显的绩效较好；如果需要在短时程内处理重要目标，动态突显绩效较好。动态突显的理论意义在于提出一种新的突显方式，丰富了突显技术的类型；实际意义在于对人机界面设计提供指导，提高区分重要程度的多目标搜索的作业绩效。

动态突显选用颜色突显(实验中为红色)可以有效引导操作人员对重要目标进行平行搜索。颜色是一种在视觉搜索早期阶段容易被觉擦到的独特的特征之一，而且在单一维度上的突显通常会引起平行搜索[ 20-21]。平行搜索不但比序列搜索更加有效率，而且需要的注意资源较少[22]。因此，动态突显条件下被试会首先同时觉察到五个红色的4，而传统突显条件下被试同时觉察到全部目标。

动态突显依次突显重要目标，始终突显当前情境中最重要的目标，符合格式塔心理学知觉组织原则的相似性原则，即具有相似特征(颜色、亮度等)的客体会被人们知觉为一个整体，其他客体被直觉为背景[23],而且人们倾向于对颜色相同的两个目标进行类似的加工处理[24]。因此动态突显时，同样重要的目标作为一个整体，得到类似的加工处理，与其它次重要目标数字和非目标数字(均为白色)区分开，于是此时红色的数字是目标，其它白色的目标数字和非目标数字是背景。相比之下，传统突显中所有的目标都是红色，被试将所有目标知觉为一个整体，非目标数字是背景。

4.4 动态突显的应用范围

动态突显这一概念的提出，主要是基于传统突显的不足和对实际需求的考量。传统突显是一种静态的显示方式，无法动态地优先显示当前情境中重要的目标。传统突显只能突显所有的目标，虽然在一定程度上减少了操作人员的搜索目标，但没有直接指向重要目标，因此不适用于区分目标重要程度的多目标搜索情境或者信息过载的情境。例如，一次火车相撞事故中，监管人员花费了很多时间搜索是哪两辆火车引起了警报[25]，如果可以及时有效地突显即将出事故的火车，可以避免人员伤亡和财产损失。再如，核电站的操作界面会突显(亮灯或闪烁)几百个指示器[26]，如果可以优先突显最需要处理的目标，会提高操作人员的效率，避免灾难发生。航空管制界面中，已经运用不同颜色表示不同海拔高度的飞机，以及用相同颜色(红色)显示航道两架冲突的飞机，来协助航空管制员的操作[27]，但界面的突显设置不够简洁，存在信息过载时导致因突显效果不够明显导致变化盲视现象出现的风险，如果可以只突显当前情境最重要的航班，可以避免潜在事故出现。

动态突显适用于区分目标重要程度的多目标视觉搜索的情境中，例如空间站、空中交通管制、核电站、驾驶(导航)、地图搜索、救援、病毒传播、大面积农业监控等等。通过有效提供重要或紧急信息，使人们更有效地获得收益或者避免损失，尤其是防止重大事故发生。未来动态突显可以与大数据结合，通过实时数据更新信息，更有效地突显当前最重要的信息，也可以与历史数据结合进行预测和比较；也可以与人工智能结合，通过一些算法分辨筛选信息，自行处理没有争议的重要目标，将有争议的重要目标突显出来，辅助操作人员进行高效操作。