低光照度下人機界面背景色眼動分析評價研究

馮 紓，王軍鋒，蔡 勇，2，馮登明，王文軍

1.西南科技大學 制造科學與工程學院，四川 綿陽621010

2.西南科技大學 制造過程測試技術省部共建教育部重點實驗室，四川 綿陽621010

3.四川長虹電器股份有限公司，四川 綿陽621000

1 引言

視覺顯示終端（Visual Display Terminal，VDT）目前已經成為現代工作與生活的重要工具，人機交互界面的視覺工效也越來越受到人們的關注。據相關研究，用戶從外界獲得的信息有80%左右是通過視覺通道獲取的[1]。如果視覺顯示終端的人機界面具有較高的視覺工效，則會提高用戶對人機界面及系統的使用效率，反之則會降低其使用效率。影響用戶視覺工效的因素有許多，其中包括人機界面上的視覺元素以及環境因素。

人機交互界面中會有許多視覺元素，這些視覺元素會對用戶的視覺工效造成不同程度的影響，會對用戶的認知判斷、生理狀況、心理感受以及操作精度產生一定的影響。其中色彩因素對視覺的影響程度要比形狀等其他因素大[2]，而背景色在人機交互界面的色彩比重中占比較大，因此有必要研究不同背景色的視覺工效。

除了人機交互界面上的視覺元素會對視覺工效產生影響外，環境因素也會影響人機界面的視覺工效。其中，光照條件是影響視覺工效的重要環境因素之一，這主要是因為人的視桿細胞與視錐細胞具有不同的感光性，所以用戶的視覺狀態會因光照條件的改變而改變。在研究視覺工效與光照條件相關問題上，朱祖祥教授等在光照環境為430 lux和104～150 lux下，對VDT黑、白兩種背景色的視覺工效進行了研究，結果是VDT黑色背景顯示的視覺工效優于白色背景色[3-4]。潘玲玲等人研究發現當光照環境為50 lux時飛行員的視覺工效最佳[5]。這些研究情景的光照條件為430 lux、104～150 lux、50 lux，都屬于光照條件較為充足的情景，但目前對于1.0～3.5 lux的光照條件不充足情景的研究還很少。因此人在不同的環境亮度下會具有不同的視覺狀態，所以有必要對光照條件不充足情景下的視覺工效進行研究。

隨著現在生活節奏加快，VDT的使用場景越來越多元化，并且用戶在光照條件不足的低光照度情景下使用VDT的情景越來越多。同時在光照不足情景下并且需要快速捕捉視覺目標的情景也越來越多，在某些情景下用戶需要對人機界面上的視覺目標進行快速捕捉與識別。例如在光照條件不充足的情況下，駕駛汽車或者用戶需要在短時間內獲取視覺信息時就屬于光照不足情景下并且需要快速捕捉視覺目標的情景。由于用戶的注意力與精力有限，如果在駕駛過程中不能高效、快速地從汽車中控人機界面上獲取需要的視覺信息，用戶駕駛穩定性則會大大降低，同時也會增加駕駛風險。此情景下駕駛人員的駕駛環境處在相對昏暗的環境，此類駕駛環境有一定的光照度，但又不充分。這就需要針對光照條件不足情況下的人機交互過程中高效、快速、精準地捕捉視覺目標并獲取視覺信息這一任務情景進行人機界面視覺工效的評估與研究，并在人機界面的設計過程中針對多個設計方案進行快速捕捉視覺目標的測試與評估，從而篩選視覺工效較好的設計方案，提高人機交互過程中人機交互界面的視覺工效。本文研究的光照條件處于0.001～5.0 lux之間，此光照環境屬于較為昏暗的環境，目前對于此情景下的人機界面視覺工效相關研究還較少。

另外，目前有許多用戶在環境光照條件不足的情景下對高明度背景色的人機界面會感到眼睛不適與視覺疲勞。雖然出現了許多在光照度不足情景下使用低明度背景色人機界面的系統，但依然存在不少在光照度不足情景下使用高明度背景色的人機界面系統，并且不同用戶對于此情景下不同明度背景色的人機界面也是褒貶不一。本文希望對低光照度情景下不同明度背景色人機界面的視覺工效進行研究，探究在低光照度情景下不同明度背景色的視覺工效，從而為光照條件不足情景下的人機界面設計在背景色的選取上提供一定的參考。

本文針對0.001～5.0 lux的光照條件進行人機界面背景色視覺工效的評估與研究。實際光照條件控制在1.0～3.5 lux之間，并采用一種捕捉視覺目標的任務形式對不同明度背景色人機界面設計方案的視覺工效進行評估。

2 評價指標與權重

2.1 評價指標

人機界面會對用戶的辨識效率、行為績效、生理狀態、心理感知產生影響。通過查找相關文獻，本文主要從客觀的眼動情況與主觀感受兩方面來擬定視覺工效評價指標。

客觀的眼動情況方面，鄧鑄教授、閆國利教授、趙新燦教授等人對眼動實驗及眼動指標進行了說明與分析，并應用到相關研究[6-8]?？敌l勇等人經研究發現，工作難度增大，瞳孔變??；疲勞度增大，瞳孔變小[9]。同時也有學者發現當人處于愉快、積極情緒下的瞳孔直徑會大于平靜狀態下的瞳孔直徑[10]；在疼痛、悲傷等消極情緒下瞳孔直徑小于平靜狀態下的瞳孔直徑[11-12]。王淼、鄧麗等人利用眼動測試來研究人機界面的可用性，并利用眼動指標建立人機界面評價體系[13-16]；李珍、汶晨光等人采用眼動實驗的形式進行用戶需求的提取[17-18]；衛旭駿等人基于眼動測試對光照條件是否影響岸橋司機專注度進行了研究[19]。Palinko等人利用眼動追蹤技術研究了光照條件和視覺認知負荷對瞳孔直徑的影響[20]。由此可見采用眼動測試的研究方式是可行的。

主觀感受方面，李宏汀教授在進行相關研究時引入了主觀評價，通過主觀評價反映用戶在視覺搜索過程中眼睛的舒適度和疲勞度[21]。

此次評價指標主要有6項，其中4項是眼動測試評價指標，分別是首次進入時間、目標注視時間、結果命中率、瞳孔直徑；另外2項是主觀感受評價指標，分別是眼睛舒適度與界面清晰度，如表1所示。

表1 人機界面視覺工效評價指標

2.2 指標權重

2.2.1 G1法賦權

層次分析法被廣泛用于對評價指標賦予不同的權重，同時參考相關學者采用專家的主觀判斷對評價指標進行賦權的做法[22]，決定采用G1法對各個評價指標賦予不同的權重。G1法（序關系分析法）由郭亞軍教授提出，是一種改進的層次分析法[23]。這種方法簡化了層次分析法的步驟，只需專家根據主觀判斷比較各個評價指標的重要程度，并按重要程度進行排序，并對相鄰指標的重要程度進行賦值。G1法步驟如下：

（1）對指標進行排序

將n個指標按重要程度進行排序，記為：

（2）對相鄰指標xk-1與xk進行相對重要程度的賦值

如表2所示，rk賦值為1.0～1.8之間，并且rk不允許連續兩次為“1”。

表2 r k賦值表

（3）計算評價指標權重

根據得到的rk計算指標xi的權重wi：

（4）得到權重W1=(wi)n

2.2.2 權重計算

參與G1法的專家為3人，分別具備人因工程、用戶體驗、人機界面設計的相關專業知識。如表3所示，經過統計與計算得到各評價指標權重值。

表3 指標權重

3 實驗設計

3.1 實驗素材設計

本次的設計對象為汽車中控人機界面。由于目前傳統汽車正向智能汽車發展，人機交互方式隨之改變，傳統的物理按鈕正逐步向集成控制的方向發展，而大屏的人機界面很可能越來越多地應用于汽車中控臺[24]。隨著技術與網絡的發展，汽車的人機交互界面集成的功能會越來越多，這對于汽車人機界面的使用工效及用戶體驗也會提出更高要求。因此本文嘗試對不同的汽車中控人機界面設計方案進行評估來篩選視覺工效較好的設計方案。

本次針對汽車中控大屏人機界面進行設計，設計對象為音樂播放界面，設計出兩款不同明度背景色的人機界面設計方案，并且只有背景色不同，其他視覺元素基本一致，如圖1。

圖1 人機界面設計方案

此次設計采用HSB色彩模式，因為HSB色彩模式是基于人對色彩的心理感受，比較符合人的視覺感受。HSB分別對應Hues（色相）、Saturation（飽和度）、Brightness（明度），其中人機界面背景色的明度是本次設計的主要變量。

如圖2所示，背景色主要被應用在整個人機界面的上、中、下3個區域。在高明度背景色設計方案中，背景色為明度較高的純色，具體的HSB值為：上區域（218，0%，93%），中間區域（218，0%，98%），下區域（218，0%，93%）。而在低明度背景色設計方案中，背景色為明度較低的漸變色，具體的HSB值為：上區域（247，17%，21%）～（218，65%，34%），中間區域（221，58%，13%）～（285，30%，10%），下區域（247，17%，21%）～（218，65%，34%）。

圖2 不同背景色配色

3.2 實驗準備

實驗環境方面，由于是針對低光照度情景下的人機界面背景色視覺工效研究，需要對實驗環境的光照度進行控制，實驗中實際光照環境控制在1.0～3.5 lux范圍內。在測量環境照度時使用華誼PM6612照度計。

實驗儀器方面，采用三星顯示器，型號為S24E650PL，尺寸為23.6英寸，分辨率為1 920×1 080。采用Eyevision EV-PPS1眼動儀。

測試人員方面，本次實驗邀請8名測試者，男性4名，女性4名，平均年齡為23歲，矯正視力1.0以上，無任何隱形視力問題。

4 實驗過程

讓測試者對兩個設計方案分別進行眼動測試，使用眼動儀記錄眼動數據，并在眼動測試完之后讓測試者填寫主觀感受問卷。

4.1 實驗設計

4.1.1 實驗概述

采用讓測試者執行捕捉視覺目標任務的方法，讓測試者分別對兩組設計方案上的目標區域按照順序進行視覺捕捉，兩組設計方案的測試時間都為15 s。為避免在測試過程中產生記憶效應，兩組設計方案的視覺捕捉目標在整個人機交互界面上的位置不一致，但被視覺捕捉目標的信息類型相同，并且距離中心位置也基本相同。在測試過程中測試者按照要求依次對視覺目標進行視覺捕捉，在此過程中記錄眼動數據，在測試之后收集測試者的主觀感受。最后通過實驗數據的加權得分判斷哪個設計方案視覺工效更好。

4.1.2 視覺目標概述

兩個設計方案的視覺元素中除了背景色不同之外，其余視覺元素基本相同。對兩個人機界面進行視覺捕捉的視覺目標區域大小相同，視覺目標的視覺元素類型相同，視覺目標的功能相同，因此測試者在視覺捕捉過程中對視覺目標的認知基本是相同的。在進行捕捉視覺目標任務的過程中，讓測試者按照從上到下的順序，捕捉區域1、區域2、區域3，如圖3所示。

圖3 視覺捕捉目標區域

4.2 實驗過程與數據采集

4.2.1 實驗步驟

第一步，適應光照環境。從光照充分到光照不充分需要一個適應過程，需要給測試者充分的適應時間，適應時間段為直到測試者在光照不足的環境下能夠清晰看到周圍的事物。第二步，對眼動儀進行校準，并告知測試者實驗流程。第三步，向測試者大致描述即將測試的設計方案，讓測試者提前了解設計方案的功能。第四步，對第一個設計方案進行眼動測試，先讓測試者閉眼，并對視覺目標的信息及大致位置進行說明，然后讓測試者按順序捕捉設計方案上的視覺目標。第五步，對第二個設計方案進行眼動測試，方法與第四步相同。第六步，當眼動測試完成之后，收集測試者的主觀感受。主觀感受一共分為5個等級，讓測試者對視覺舒適度與界面清晰度進行評判。在測試中，高明度背景色設計方案與低明度設計方案先后測試順序交替進行，以避免順序效應帶來的誤差。其中4人先對高明度背景色設計方案進行測試，另外4人先對低明度設計方案進行測試。本次實驗步驟如圖4所示。

圖4 實驗步驟

4.2.2 眼動數據采集

通過Eyevision EV-PPS1眼動儀記錄測試者的眼動情況，再通過Eyevision Studio對眼動數據進行提取。實驗數據包括：首次進入時間、目標注視時間、結果命中率、瞳孔直徑。

圖5為兩個方案的眼動熱點圖，從中可以發現，在低光照度下由于背景色不同會影響測試者對視覺目標的捕捉。在兩張視覺熱力圖的對比中可以發現，高明度背景色設計方案上的注視點較多且較為零散，而低明度背景色設計方案上的注視點較少且較為集中。由此看出，在低明度背景色設計方案上的“視覺聚焦”性更為明顯。由此推測，在光照不足的情景中，低明度背景色設計方案可能具有更好的“視覺聚焦”效應。

圖5 視覺熱點圖

5 實驗結果與分析

5.1 實驗結果

對8名測試者的6項測試數據進行統計，并求出每一項評價指標的平均值，結果如表4所示。

表4 眼動測試及主觀感受數據

眼動測試數據方面，低明度背景色方案的首次進入時間更短，結果命中率更高，瞳孔直徑更大，但高明度的背景色方案的目標注視時間更長。這說明測試者在低明度背景色設計方案上尋找視覺目標更快，并且成功率更高，但測試者的視線停留在高明度背景色設計方案上的視覺目標的時間更長。

主觀感受數據方面，低明度背景色方案的眼睛舒適度與界面清晰度的得分都高于高明度背景色設計方案。其中尤為突出的是眼睛舒適度，這說明在1.0～3.5 lux光照條件下，低明度背景色方案的視覺舒適性比低明度背景色方案好得多，并且界面清晰性也更好。同時從眼動測試數據中也可以觀察到，在對高明度背景色方案進行測試時，測試者的瞳孔直徑更小。根據工作難度越大，瞳孔越小，疲勞度越大，瞳孔越小的結論[9]，以及當人處于愉快、積極情緒下的瞳孔直徑大于平靜狀態下的瞳孔直徑，而平靜狀態下的瞳孔直徑大于疼痛、悲傷等消極情緒下的瞳孔直徑的結論[10-12]，可以推斷在高明度背景色方案中捕捉視覺目標難度更大，也更容易造成視覺疲勞與消極情緒。而在測試后也有多位測試者反映在對高明度背景色方案的測試過程中眼睛會非常不舒服。這些說明了測試者在光照不足情況下使用高明度背景色的人機界面會更容易導致視覺疲勞，并且捕捉視覺目標難度更大。

5.2 數據加權得分

5.2.1 數據歸一

根據測試結果建立矩陣X=(xij)m×n,xij是第i個方案下第j個評價指標的數據。

對不同數量級的測試數據進行歸一，便于后續計算。方法如下：

從而得到歸一化矩陣X′=(x′ij)m×n：

首先，通過測試數據建立矩陣X=(xij)2×6。

其次，根據式（8）得到陣歸一化矩陣X′=(x′ij)2×6。

5.2.2 設計方案加權得分

通過式（10）對兩個設計方案的歸一化數據進行加權計算。

通過式（11）對兩組設計方案各評價指標的加權得分進行求和，計算每個設計方案的加權總分。

經過計算，高明度背景色設計方案得分為0.458 4，低明度背景色設計方案得分為0.541 6，兩個設計方案加權總分如表5所示。低明度背景色設計方案得分高于高明度背景色設計方案，由此推斷在低光照度下，低明度背景色的視覺工效優于高明度背景色。

表5 設計方案加權得分

6 總結與展望

低明度背景色方案的加權得分要高于高明度背景色，從此可以得到結論：在光照條件為1.0～3.5 lux的低光照度下，低明度背景色VDT人機界面的視覺工效要優于高明度背景色VDT人機界面。同時這也與朱祖祥教授的研究結果相似：在430 lux光照條件下，VDT黑色背景的視覺工效優于白色背景[3-4]。

另外從眼動測試視覺熱點圖中可以發現，在低光照度情景下，在低明度背景色設計方案上有一定的“視覺聚焦”效應，而在高明度背景色設計方案上則顯得更加“視覺散漫”。同時也從眼動數據與主觀感受可以看出，在高明度背景色設計方案上捕捉視覺目標難度更大，并且更容易造成視覺疲勞。

根據論文研究結果建議：在針對1.0～3.5 lux的低光照度使用情景進行人機界面設計時，應該采用低明度的背景色進行設計。明度取值可以參考本次實驗設計方案中背景色明度的取值10%～34%之間，但因為本文只測試了一種低明度背景色人機界面，所以不排除會有視覺工效更好的明度取值范圍。

本文雖然得到了在1.0～3.5 lux下低明度背景色視覺工效優于高明度背景色視覺工效的結論，但如果想要針對此情景下明度值在哪個范圍內時低明度背景色的視覺工效最優，以及如何根據不同光照度的低照度環境來選擇對應的低明度背景色還需進一步的研究。