刘西

摘 要：医学放射影像诊断的研究发现知觉反馈能有效地提高搜索绩效。通过实验检验该方法在行李安检任务的有效性，两组安检员随机分配到反馈组和无反馈组，反馈组第二次搜索的图片是将第一次搜索时注視时间大于1000ms的区域突出显示出来；无反馈组第二次搜索的图片就是原图片。结果表明，两组被试第二次的搜索绩效和第一次之间没有差异，知觉反馈的方法不能提高安检视觉搜索绩效。第二次搜索的反应时比第一次短；眼动数据表明第二次搜索时对兴趣区域的注视时间比第一次短。眼动信息知觉反馈没有提高安检员的搜索终止阈值，没有起到吸引安检员仔细观察识别的作用。眼动信息的传递方式是值得进一步研究的问题。

关键词：视觉搜索 知觉反馈 眼动

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（a）-0148-04

Abstract： Perceptual feedback is an effective tool to improve visual search performance in diagnostic radiology field. An experiment was conducted to explore the application of this method in security screening task. The image with circles which had been fixated for more than the threshold fixation time of 1000ms in the first presentation was re-presented to observers of feedback group for second view. Observers in the no-feedback group simply had a second view at the stimuli. The result showed that the performance of second view was not better than that of the first view， which indicated that perceptual feedback did not yield reliable performance benefits. The reaction time of second view was shorter than that of the first view. The eye movements showed that the dwell time on the AOI for the first view was longer than that of the second view. The perceptual feedback with eye movement information did not increase quitting thresholds and screeners did not perform a more thorough search. How to convey eye movement information to the user is a challenge problem.

Key Words： Visual search； Perceptual feedback； Eye movements

工业检测、军事雷达目标检测、放射影像诊断和公共交通行李安全检查等任务，漏检的危害无可估量，但在实际生产生活中漏检率很高。例如在医学放射影像诊断中漏检率高达30%[1]，低事件率是可能的原因之一。低事件率导致观察者降低终止阈值，即没有全面检查，反应时短，漏检率高[2]。Wolfe等人通过穿插没有反馈的低事件率区组在有基于绩效反馈的高事件率区组中的实验，发现提高了检出率，但假阳性的数量也增加了[3]；X光医学诊断任务中通过判断正确与否的反馈训练同样提高了诊断绩效[4]。安检员通过每天例行的搜索任务积累经验，即从经验中学习从而提高搜索能力，这个过程很漫长，而富信息反馈是提高搜索绩效准确性的捷径，通过正式的训练和反馈能更快地提高认知分析能力[5]。基于绩效的反馈可以提高搜索终止阈值，但在实际的任务中无法事先知道有无目标，所以此类反馈方法不可行。而眼动信息的反馈不用事先知道有无目标，也不受事件率的影响，理论上会影响搜索终止阈值而使得搜索更彻底，提高检出率。

但以何种方式反馈眼动信息是值得研究的问题，反馈哪些搜索过了哪些没有的眼动信息并没有提高搜索绩效[6]。Kundel和Nodine[7-8]的研究发现根据注视时长，漏检目标可以从真阴性判断中区分出来，进而提出基于注视时间测量信息处理的确定漏检肺结节位置的方法。Krupinski[9-10]等将其总结成一套完整的知觉反馈方法：X光图片呈现给经验丰富的被试并记录下他们的判断和眼动数据，如果发现目标需要指出具体位置。根据眼动数据，基于注视时长分析可疑区域的注视阈值算子，将图片上大于注视阈值的区域突出显示出来，被试再次观察并做出判断。通过分析各种医学图片，包括胸片、乳腺钼靶摄片、骨创伤和骨外伤等，得到1000ms的注视阈值是有效的[10]。知觉反馈在放射医疗领域被证实是一种有效提高搜索绩效的方法[8-10]，提高了将近20%的绩效。

X光行李安全检查类似医学放射影像诊断，是复杂背景中搜索低对比度目标的任务。知觉反馈方法假设注视时间长的位置存在可疑特征（有的观察者能有意识地知晓该特征，而有的不能），从而观察者能再次慎重地分析这些位置，提高判断的准确性。本文探讨这种知觉反馈方法在行李安检领域的有效性，为设计出更有效的安检辅助方式提供理论依据。

1 实验设计

1.1 实验被试

8名至少有1年机场安检工作经验的安检员参加实验，视力或矫正视力正常。

1.2 实验材料

实验材料是50张机场X光行李图片，其中25张图片中有危险品，25张图片中没有危险品。有危险品的图片中有且只有一个危险品：刀、枪或者简易爆炸装置（Improvised Explosive Devices，IED）。

1.3 实验过程

被试被随机分配到“无反馈”组和“反馈”组，每组4人。50张图片随机显示在显示器上，被试的任务是在图片中搜索危险品并指出其位置。一个“1-肯定没有危险品”到“5-肯定有危险品”的5点量表用于被试评估自己的判断，如果认为有危险品的，需要指出危险品在图片中的位置。Tobii眼动仪记录眼动数据，主试记录被试判断结果和位置。对于每一张图片，知觉反馈方法的具体步骤：（1）观察者第一次搜寻图片并判断；（2）应用注视阈值算子分析眼动数据；（3）将注视时长大于1000ms的区域用5°视角的圆圈突出显示出来；（4）观察者再次搜寻图片并判断。结束后按键盘上任意键切换到下一张图片，直到50张图片判断结束。“无反馈”组也是同样的实验程序，只是第二次呈现给被试的图片是原图。告知被试再一次认真地搜索图片并做出判断，可以改变前一次的判断结果。

利用最小凝视时间200ms和最小凝视半径50像素（对于1280×1024像素的分辨率在电脑屏幕上大概是2.5°的视角）的过滤器对原始眼动数据进行整合归集成注视点。所有注视时间大于1000ms的注视点都用圆圈圈起来反馈给被试，并解释这些区域是根据之前搜索时记录的眼动数据得到的注视时间长的区域，圆圈越大表示注视时间越长（反馈图片见图1）。要求被试第二次搜索是要留意这些突出显示的区域再做出判断。

2 数据分析

2.1 判断绩效

按5个分界值分别统计被试第一次检视和第二次检视的判断结果的数量：真阳性（TP）、真阴性（TN）、假阳性（FP）和假阴性（FN）。从表1可以看出，两种实验条件下被试第二次检视时都有把阴性判断（没有危险品）改为阳性判断（有危险品）的趋势，最多的是“无反馈”组第二次检视后真阳性增加了14个，但t检验显示增加量并不显著。

无反馈组和反馈组第二次检视的检出率稍比第一次好，但变化不大，说明无论是無信息反馈还是眼动信息反馈都没有提高危险品的检出率。

判断数据用受试者工作特性方法（ROC）进行分析，ROC方法不受不同判断标准的限制，以假阳性率（False positive rate）为横轴、真阳性率（True positive rate）为纵轴组成的坐标图绘制曲线，ROC曲线越靠近左上角，试验的准确性就越高，ROC曲线下的面积Az值越大判断正确率越高。表3是两种实验条件下的Az值。单因素方差分析显示无反馈组和反馈组第一次检视的Az值没有差异，说明两组被试搜索危险品的能力没有差别。虽然两组被试第二次检视的绩效比第一次稍好，但t检验显示两次检视的绩效没有差异，说明反馈眼动信息并没有降低漏检率。

2.2 反应时

无反馈组第一次和第二次检视时间分别为8.16s和3.51s，反馈组第一次和第二次检视时间分别为8.32s和3.35s。第二次检视时间明显比第一次短，t检验显示二者差异显著，P<0.001。反馈组第二次检视时间和无反馈组没有差异。即使在实验前的指导语中要求被试第二遍也要仔细搜索，被试仍然很快结束并进入下一张图片的搜索任务。尤其是反馈组，圆圈的突出显示没有起到提醒被试仔细观察和识别图片的作用。

2.3 眼动数据分析

在指导语中要求被试第二次检视时仍要仔细搜索识别并重新做出判断，但绩效和反应时的分析显示两种实验条件下反馈并没有提高搜索绩效，第二次的反应时远远比第一次短。为了理解两次检视中被试是如何搜索图片的，图片中的危险品被定义为兴趣区域，并对首次进入兴趣区域的时间和兴趣区域的注视时间两个相关变量进行分析计算。如表3所示两种实验条件下，安检人员第二次检视对兴趣区的注视时间都比第一次短，P<0.05。两个实验组第二次检视对兴趣区的注视时间没有差异，在有40%的危险品包含在圆圈里反馈给被试的情况下，反馈组的注视时间比无反馈组略短。被试对待眼动信息反馈区域跟其他区域是一样的，没有额外注意。首次进入兴趣区的时间第二次比第一次略短，但不显著。第二次检视时被试加快了加工识别速度，从一个区域迅速转移到下一区域或直接做出判断。X光行李图片背景复杂、干扰项太多、目标外形不确定，另外漏检的危害性无法估量，安检员对图片中出现电线、暗色或者橙色区域都会额外留意，从而第二次检视首次注视危险品的时间会有所缩短但不显著。

3 结语

虽然第二次检视后部分FN判断改为TP判断，但检出率的提高并不显著。这种在医学领域被证明有效的知觉反馈方法没有改善安检员的判断绩效和检出率。和X光行李图片搜索相比，X光医学诊断有解剖学结构和医学知识作为参照和依据，而且诸如乳腺钼靶摄片的投照体位包括头尾位及内外侧斜位，同一物体从多个角度拍摄更易于发现目标。X光行李图片缺乏参照，行李里的物体一件件都是孤立随机的，没有内在联系。而且物品的摆放杂乱无章，互相遮挡，往往物体的重要特征被掩蔽了，安检员特别注意暗色的、密度大的地方，并据此做出判断。在实验开始前，反馈组的被试被告知图片中被圈定的区域是第一次检视时注视时间长的区域，或许包含有值得注意的可疑特征信息，但第二次检视的反应时比第一次短得多。眼动信息并没有改变安检员的搜索终止阈值，对兴趣区域的注视时间甚至比无反馈组短。寻找有效传递眼动信息的方式是研究如何提高搜索绩效的关键和挑战。

参考文献

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[2] Wolfe J M， Horowitz T S ， Kenner N M . Cognitive psychology： Rare items often missed in visual searches [J]. Nature， 2005， 435（7041）：439-440.

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