邵 将 颜克彤 姚 君 牛亚峰 薛澄岐 周小舟 朱兆华

(1中国矿业大学建筑与设计学院, 徐州 221116)(2东南大学机械工程学院, 南京 211189)

随着计算机技术和增强现实技术的快速发展,头戴式显示系统(helmet mounted display system,HMDs)已经成为现代空战装备重要的交互媒介.HMDs界面信息布局密集、多源信息关系复杂,信息编码不科学、信息可视化不合理容易造成飞行员贻误战机、决策失误,甚至导致安全事故.研究表明,在人机界面的信息编码中,形状[1-3]、色彩[4-5]、字符[6-7]等因素的呈现方式都会对人们的认知绩效产生影响.因此,研究HMDs界面信息编码对于飞行员准确获取信息、提高认知绩效具有重大意义.本文对目标符号的不透明度和线宽取值开展研究,通过分析被试的反应时和正确率来研究目标符号关于不透明度和线宽的取值,探讨HMDs界面目标符号的不透明度和线宽对认知绩效的影响.

1 头戴式增强现实系统界面

针对HMDs等航电系统界面的信息呈现,国内外学者开展了相关研究,Doehler等[8]针对非固定翼战机在大雾、粉尘、黑暗等极端环境下,对HMDs系统界面导航开展了设计研究.Ercoline等[9]针对驾驶员对头盔显示器符号信息的感知,依赖于单目或双目显示器的类型以及背景图像的结构复杂性展开了实验研究.为提高驾驶员的临场感,Hosseini等[10]利用头戴式显示器开发了一种新型人机界面(HMI),并在不同的场景中进行了测试评估.结果显示,使用HMI概念的人工操作员的任务性能有了显著改善.吴晓莉等[11]针对视野位置、间距、数量3个变量,进行了雷达态势界面中敌机、友机及不明物的目标搜索的视觉局限实验研究.王海燕等[12]对头盔瞄准界面的色彩进行实验设计,结果发现头盔瞄准界面在白天和全天候使用状况下,字符色彩HSB值(120°,33%,33%)和(120°,99%,33%)的色彩识别性较好;在夜间使用情况下,字符色彩HSB值(120°,33%,66%)的色彩被识别性较好.叶坤武等[13]基于飞行员视觉注意力分配,提出了一种飞机驾驶舱人机界面布局优化模型.王海燕等[14]针对现代复杂的战斗机交互界面问题归纳总结了战斗机驾驶舱显控界面适用的设计准则,并提出了一种布局设计的方法流程.Post等[15]通过测量军事飞行员在模拟器中空对空作战时的表现,评估了彩色编码武器符号学相对于单色符号学的优势.

根据上述可以看出,目前针对HMDs界面的研究主要以信息搜索、布局优化和评价方法为主,而增强现实系统为透视界面,飞行员不仅要查看界面中的态势信息,还要透过界面观察外界目标.因此,界面信息要素的编码要考虑对于目标与外界环境的遮挡情况,这就要对目标符号的透明度和线框大小进行研究.综上,本文主要考察目标符号的不透明度和线宽对HMDs界面认知绩效的影响,并将反应时和正确率作为重要指标进行统计分析.

2 目标符号视觉搜索实验

2.1 实验材料

目标符号作为战斗机在空战过程中涉及到的作战单位,分别为敌机、友机、僚机和不明飞机.张慧姝等[16]对飞机座舱显示界面的目标图符进行了设计,得出敌机的目标图符采用红色、实心、三角形识别性较好;对友机和僚机的目标图符采用绿色或蓝色、实心、圆形识别性较好;对于不明飞机目标图符采用黄色、实心、方形识别性较好.基于相关研究,本文设计了4种目标符号的编码方案,编码方案如图1所示.

图1 4种目标符号图形

《机载头盔瞄准/显示系统通用规范》(JB4052—2000)规定,界面信息编码的颜色波长在500～560 nm范围内均是绿色.本文的实验研究基于白天型的头盔瞄准显示器,因此实验图标采用HSB值(120°,99%,33%)为绿色.背景色选用HSB值(180°,33%,99%)为天蓝色.在空战环境中,飞行员不仅需要观察HMDs界面瞄准区域的目标符号,还要识别界面外实际的目标单位,本实验将空战中的目标单位抽象模拟为目标字符.目标字符选取具有代表性的兰式环形视力表的视标“C”字符,模拟大多数战斗机的外观色彩,颜色采用浅灰色,RGB值为(150,150,150).C字符的方向取上、下、左、右4种情况,被试需要尽量正确读取C字符的方向.目标字符始终出现在目标符号的几何中心位置,搜索项设置为目标符号(敌机、友机、僚机、不明飞机)和目标字符(C字符)的组合,二者组合而成的搜索项的位置会随机呈现在界面中.同时界面设有其他干扰符号,干扰符号采用人机界面中常见的6种几何图形.

2.2 实验变量取值范围确定

对目标符号不透明度范围的选取设计了预实验确定,根据实验结果,具有较高辨识度(正确率大于80%)的不透明度取值范围为30%～75%.不透明度等级从 30%～75%之间均匀地取3级作为实验变量,最终取的不透明度值为 35%、55%、75%.

4种目标符号均显示在边长为25 mrad的正方形目标框中,具体尺寸为:敌机的正三角形边长为16.8 mm,友机和僚机的圆形直径为15 mm,不明飞机的正菱形符号边长为10.8 mm.4种目标符号的线宽编码,取最细的线宽与国家军用标准要求一致,为1 mrad;最粗的线宽即为使目标符号变成实心的线宽.对于僚机的虚线圆形的线宽编码,最粗的线宽编码取圆形半径的1/2,近似取值6 mrad.中间的两级线宽取值为最粗线宽三等分后的前2个数值.目标符号线宽的4个等级,如表1所示.

表1 目标符号线宽等级

2.3 实验图片

图2为实验样本图.图片使用Illustrator软件绘制.

图2 目标符号识别实验样本图

根据实际空战中信息显示的层次,4种目标符号、干扰符号的图层和HMDs的作战界面态势信息图层为最顶层;目标字符C字符的图层在其下;模拟天空背景的蓝色纯色图置为最底层,HMDs作战状态下的界面态势信息图作为实验背景.由4种形状的目标符号、3种不透明度、4种线宽等级以及4种C字符方向组成的实验组合共有192种.

2.4 实验设计

2.5 实验设备与程序

实验程序采用心理学实验开发软件E-prime编写、呈现刺激并进行数据收集.刺激呈现在23英寸的惠普显示器中央,分辨率为1 920×1 080像素,被试与屏幕中心的视距为550～600 mm.实验在中国矿业大学智能交互实验室进行,被试为22名在校学生,男女各半,年龄在21～26岁之间,视力或矫正视力正常,无色盲或色弱.实验前要求被试熟悉态势界面信息,并给被试介绍敌机、友机、僚机和不明飞机4种目标符号的特征,所有被试均未接触过同类实验.

正式实验中,被试阅读完指导语,按键盘q键开始实验.首先,屏幕中央呈现注视点“+”500 ms,然后随机呈现探测项图片,被试需要在态势界面中找到目标符号,并识别目标符号中的C字符方向,做出反应后系统自动切换到下一张实验图片,实验自动记录被试识别的反应时和正确率情况,每位被试的实验整体流程约20 min,为保持被试人员的注意力集中,每组实验之间休息1 min.

3 实验结果与分析

3.1 目标符号的反应时和正确率

对正确率和反应时进行统计,分析过程排除极端数据.敌机、友机、僚机和不明飞机出现在具有干扰符号的HMDs中,且呈现不同透明度和线宽时,各目标符号的正确率和反应时如图3所示.

运用SPSS软件对4种目标符号的反应时进行方差分析(F表示显著性差异水平,P表示检验水平)表明,不透明度特征主效应为F=3.277,P=0.040<0.05,说明不透明度对反应时的影响显著,线宽特征主效应为F=11.165,P=0.000<0.05,说明线宽对反应时具有显著性影响;对正确率进行方差分析表明,不透明度特征主效应为F=0.819,P=0.442>0.05,说明不透明度对正确率的影响不显著,线宽特征主效应为F=6.421,P=0.000<0.05,说明线宽对正确率具有显著性影响.可见,线宽大小对目标符号视觉搜索的认知绩效具有显著影响,不透明度对反应时有显著影响,对正确率没有显著影响.

对目标符号线宽的反应时和正确率进行最小显著差异法的验后多重比较检验分析,结果如表2所示,线宽等级3和另外3种线宽之间的正确率和反应时都有显著差异;线宽等级1、2、4之间的正确率没有显著差异;线宽等级1、2、3之间反应时有显著差异,线宽等级4线宽等级1、2之间反应时没有显著差异.结合图3可以看出,线宽等级1、2、3中,线宽等级2的反应时最小,由于线宽等级2、4之间的正确率和反应时差异不显著,因此,目标符号的线宽等级宜采用线宽等级2或线宽等级4.

(a) 反应时

(b) 正确率

对不透明度的反应时进行最小显著差异法的验后多重比较检验分析,结果如表3所示,35%不透明度与75%不透明度之间有显著性差异,55%不透明度与35%、75%不透明度之间没有显著性差异.结合图3可见,线宽等级1时,75%不透明度下的反应时最小,正确率最高;线宽等级2时,35%不透明度下的反应时最小,但75%不透明度的正确率最高;线宽等级3时,35%不透明度的反应时最小,正确率最高;线宽等级4时,3种不透明度的正确率相同,35%不透明度的反应时比75%的不透明度的反应时小,但是由于55%不透明度与35%、75%的不透明度没有显著差异,因此,当线宽等级4时宜采用35%和55%的不透明度.由于线宽等级4的图标对目标遮盖较多,所以透明度相对较低的情况下便于用户对目标进行识别.

表2 最小差异法的验后多重比较检验

注:平均误差为线宽等级I与线宽等级J之差,显著性水平为0.05;*表示显著性水平、平均误差均小于0.05.

表3 不透明度反应时的最小差异法验后多重比较检验

注:均值差为不透明度1与不透明度2之差,显著性水平为0.05;*表示显著性水平、平均误差均小于0.05.

根据上述的实验分析可知,目标符号的线宽等级不宜采用线宽等级3,当采用线宽等级2或线宽等级4时,目标符号的视觉搜索效果最好,并且在线宽等级4时宜采用35%和55%的不透明度.

3.2 低正确率下的线宽等级分析

如图4所示,在线宽等级3编码特征下,被试的正确率偏低.随着符号不透明度的提高,被试正确率下降,说明在HMDs头戴式增强现实类界面中,采用线宽等级3设计目标符号容易对飞行员的信息获取与目标辨识造成干扰.因为飞行员需要透过符号去观察目标实体信息,而线宽等级3的符号轮廓对飞行员的形态辨识会造成干扰,部分遮盖实体信息,形成无效对比,增加飞行员的注意分配,造成认知负荷增大.所以相比较其他线宽类型,线宽等级3在增强现实类界面目标符号设计中应避免使用.

(a) 反应时

(b) 正确率

3.3 不同符号编码的正确率和反应时分析

如表4所示,不透明度特征对被试观察敌机和不明飞机目标符号的反应时有显著性影响;线宽对被试观察4类飞机目标符号的反应时均有显著性影响,对被试辨识敌机的正确率有显著性影响.敌机的目标符号为三角形图形,不明飞机的目标符号为正菱形,可见不透明度可能会影响用户对棱角特征符号的信息搜索,这一假设有待后续实验研究.

表4 不同符号编码正确率和反应时的方差分析

3.4 讨论

本研究采用头戴式增强现实界面中常见的形状模拟目标符号,实验结果说明在HMDs界面的视觉搜索任务中,线宽等级对反应时和正确率的影响显著,不透明度对反应时影响显著,对正确率的影响不显著.实验数据反映出线宽等级3时,正确率最低,反应时最长,所以在设计头戴式增强现实界面目标符号时应避免使用,以免增加飞行员认知负荷.

通过对不同目标符号单独分析可知,单个目标符号与整体分析结果有所不同.不透明度特征只有对敌机和不明飞机的反应时有显著性影响,对其余目标符号的反应时和正确率都无显著性影响;线宽特征对4种目标符号的反应时都有显著影响,但只对敌机的正确率有显著性影响,对其他3种目标符号的正确率没有显著性影响.说明在设计这类增强现实界面元素时,目标符号的线宽等级是极为重要的设计要素,科学的线宽可以有效地降低飞行员的认知负荷,提高航电系统界面效能.不透明度会影响飞行员对三角形、菱形这类带有棱角特征的目标符号观察,用于敌机和不明飞机的雷达提示,有利于飞行员快速的注意和辨识.此外,研究不同目标符号的线宽和不透明度的编码取值,还需要对不同目标符号的数据做进一步分析.

本研究不是在真实的驾驶舱中进行,目标符号均为模拟,系统界面为静态模拟,得到的数据为模拟仿真,结论可作为头戴式增强现实界面目标符号设计时参考.

4 结论

1) 头戴式增强现实界面中,目标符号的线宽等级对目标搜索有显著性影响,不透明度对目标符号反应时有显著影响,对正确率没有显著影响.当采用线宽等级2或线宽等级4时,信息搜索和认知绩效最好.

2) 线宽等级1、2、4的正确率没有显著差异;线宽等级3和另外3种线宽之间的反应时和正确率有显著差异.当目标符号采用线宽等级3时,目标符号的正确率最低,反应时最长.设计时应予以规避.

3) 4类飞机的目标符号的线宽和不透明度对正确率和反应时的显著影响会与整体有所不同,如果研究具体飞机类别目标符号的线宽和不透明度的编码取值,还需要对具体符号的数据做进一步分析.