應急圖標呈現方式及亮度對比對認知績效的影響

劉欣宇, 金濤*, 吳正新, 顧浩然, 趙東玥

(1.中國石油大學(華東)機電工程學院, 青島 266580; 2.江南大學設計學院, 無錫 214122;3.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院, 青島 266580)

應急圖標在人員疏散、緊急救援等方面起著重要的作用。除人體工程學之外,逃生行為還與識別緊急信號的程度有很大關系[1]。應急圖標主要由圖形、文字、安全色組成,通過不同的圖形、文字、安全色組合傳遞不同的安全信息。當人流密集場所突發火災等安全事故時,人員快速疏散變得至關重要[2]。視覺系統的生理結構決定了可見性的極限,而可見性又對不同應急界面屬性的最佳屬性起到決定性作用,應急圖標呈現方式、亮度對比是影響認知績效的重要因素,合理的呈現方式和亮度對比可以降低用戶的認知負荷,不當的呈現方式和亮度對比極易降低用戶的認知績效,甚至在救援中起到阻礙作用。

許多學者研究了圖標的視覺特征認知的作用機理,但對應急圖標的呈現方式鮮有研究。Zhang等[3]探討了安全標志框架形狀和顏色的視覺注意表現。Ball等[4]研究表明,數據元素的呈現方式對認知加工有重要影響,注視時間和注視頻率與圖標的呈現方式息息相關,恰當的圖標呈現方式能夠降低認知負荷、提高視覺搜索績效。Lin等[5]、McGrath等[6]通過注意捕獲實驗,對圖標的不同呈現方式進行研究,結果表明：輪廓類圖標用戶偏好顯著低于填充類圖標。研究表明,亮度對比是影響視覺認知的重要因素。Ojanp??等[7]研究發現,對于黑白字母數字信息,視覺感知的速度隨著亮度對比度的降低而降低。Shieh等[8]在視覺研究中得出結論：目標信息搜索速度在高亮度對比度下得到顯著提升。在數字信息界面中,視覺識別性能隨亮度對比的增加而升高[9]。Wang等[10]研究發現,圖形的視覺效果受亮度對比的影響,且視覺神經與這種影響有不可分割的聯系。Choi等[11]對統一色調的亮度對比和顏色組合進行了研究,發現前景-背景亮度L對比度與眼動注視數目無顯著關系,但顏色對比高的組合比中低顏色對比組合引人注目。這與前人的研究結果有所差異。

目前,多數研究人員通過主觀評估等方法來對安全相關的圖標進行定性研究,而對于應急圖標鮮有研究。Yin等[12]研究表明,帶有輔助詞的刺激線索對回流抑制有調節作用。Eklund[13]對顏色正常和顏色缺陷觀察者進行實驗,發現綠色緊急圖標的識別性能對于正常顏色和顏色缺陷的觀察者都很高。Adams等[14]通過實驗驗證了警告類圖標中警告信息完整的重要性。Lin等[15]分析了不同警告標志的警告效果差異,結果表明,以文字為內容的警告標志的警告效果最差,其次是圖像與文字的結合,以圖像為內容的警告標志的警告效果最好。圖像與文字的結合雖視覺搜索速度不及單純的圖標,但識別準確率高,因此在復雜的環境中應以圖像與文字結合為內容,在簡單環境下以圖像為內容。Horasan[16]、Wong[17]從應急圖標的部分物理屬性(標識顏色、尺寸、內容表現形式、設置位置等) 研究了圖標的有效性。

綜上所述,前人在應急圖標的研究中雖對其部分內部特征或是對應急圖標的其他影響機理進行探究,但忽略應急圖標的圖標呈現方式和亮度對比對視覺搜索績效。鑒于此,采用視覺搜索實驗范式,實驗A的實驗刺激為3種呈現方式及4種亮度對比的應急圖標,認知負荷分為高、中、低3種,對應急圖標呈現方式及亮度對比對認知績效的作用進行研究。而實驗B則采用眼動追蹤試驗的結果,通過研究被試的注意時間和注意力的數量,從視神經角度探究行為研究結果背后的原因。主觀評價的評分側面反映被試認知負荷的大小。通過系統性實證研究,可深化對用戶在應急場景中對信息獲取和理解的認知過程的理解。這有助于優化設計原則,提高用戶對緊急信息的反饋速度,為應急管理系統的可用性和效能提供科學依據。

1 實驗A：應急圖標呈現方式及亮度對比實驗

1.1 實驗條件

實驗場地位于中國石油大學(華東)實驗室,用Python編寫實驗程序,刺激呈現在27寸(1寸=3.33 cm)的顯示屏中央,屏幕分辨率為1 920×1 080,室內照明條件正常(300 lx)。計算機屏幕背景為白色,顯示屏及視覺刺激距離被試60 cm。被試為40名在校生(20男20女,年齡20～28歲,視力正常,無色盲或色弱,右利手。被試者在此之前皆未參加過相似實驗,且對實驗內容不知情,實驗結束將得到相應報酬。該實驗根據中國石油大學(華東)倫理委員會指導方針進行。

1.2 材料設計

圖1 實驗A圖標呈現方式示例

圖2 實驗A圖標亮度對比示例

1.3 實驗設計

實驗采用3(認知載荷：高、中、低)×4(亮度對比)×3(呈現方式：圖形應急圖標、帶邊框應急圖標、反色應急圖標)被試內設計。實驗參照韋伯對比度計算出3種呈現方式應急圖標的亮度對比,并分為4個梯度： 0.10、0.30、0.60、0.90。實驗流程中設置測試背景為白色,在呈現完指導語后,在顯示屏中央會出現黑色的注視點“+”,持續1 500 ms后繼而搜索應急圖標呈現在屏幕中央,呈現時間在1 000 ms(低載荷)、600 ms(中載荷)、200 ms(高載荷)中隨機出現[19], 后出現黑色界面持續1 000 ms以達到消除視覺殘差的目的,被試需要在16個應急圖標組成的刺激數組中搜索目標應急圖標,在不影響錯誤率的情況下迅速做出反饋,圖標刺激數組中的任何位置都有可能隨機出現目標應急圖標,出現與不出現的概率各半,如果被試在圖標刺激數組中找到目標按“S”鍵,如果被試沒能在圖標刺激數組中發現目標應急圖標按“J”鍵。若被試通過按鍵做出反應后或3 000 ms后未及時作出反饋,切入下一輪實驗的注視點畫面。3種呈現方式的應急圖標隨機出現,正式實驗包含3個組,每組包含48個試次,如圖3所示。正式實驗開始之前,被試需要進行預實驗,每位被試進行30個試次,為避免參與者提前預知到結果,應急圖標呈現方式與亮度對比將混合均等出現。被試可在每組試次結束后休息,整個實驗進程持續約25 min,實驗過后被試隨即填寫主觀評價問卷。

圖3 實驗A流程

1.4 實驗結果

利用傳統知覺載荷的數據排除方法,剔除大于5 000 ms和小于200 ms的反應時間數據,結果剔除3.7%的數據[20-21]。然后根據所保留的準確數據,對平均反應時間進行4(亮度對比：0.10、0.30、0.60、0.90)×3(呈現方式：帶邊框圖標、圖形圖標、反色圖標)重復測量方差分析。實驗結果顯示：在高載荷下,圖標呈現方式主效應顯著,F=13.41,P<0.01。亮度對比主效應顯著,F=46.62,P<0.01(F為比較多組平均數差異的分析值,F值越大,相對組間的差異越大;P為組間差異的顯著性水平,當P<0.05,代表顯著,當P<0.01,代表極其顯著,當P>0.05,代表不顯著)。呈現方式與亮度對比之間交互作用不顯著,P>0.05。對呈現方式類型進行多重比較,結果顯示：反色應急圖標平均反應時間(1 582 ms)明顯低于帶邊框圖形應急圖標(1 992 ms)和圖形應急圖標(1 810 ms),P<0.05;對亮度對比主效應進行多重比較的結果表明：0.90亮度對比的平均反應時間(1 689 ms)明顯低于其他亮度對比,結果如圖4(a)所示。

圖4 高、中、低載荷下圖標集合平均反應時間

可以看出,在中載荷下,圖標呈現方式主效應顯著,F=8.42,P<0.01。亮度對比主效應顯著,F=39.97,P<0.01。呈現方式與亮度對比之間交互作用不顯著,P>0.05。對呈現方式類型進行多重比較,結果顯示：反色應急圖標平均反應時間(1 191 ms)明顯低于帶邊框圖形應急圖標(1 421 ms)和圖形應急圖標(1 314 ms),P<0.05;對亮度對比主效應進行多重比較的結果表明：0.90亮度對比的平均反應時間(1 217 ms)明顯低于其他亮度對比結果如圖4(b)所示。

可以看出,在低載荷下,圖標呈現方式主效應不顯著,P>0.05。亮度對比主效應不顯著,F=28.49,P>0.05。呈現方式與亮度對比之間交互作用不顯著,P>0.05。對呈現方式類型進行多重比較,結果顯示：4種應急圖標呈現方式平均反應時間無明顯差異;對亮度對比主效應進行多重比較的結果表明：4種亮度對比平均反應時間無明顯差異,結果如圖4(c)所示。

綜上,由圖4可知,在高、中載荷下,反色應急圖標的圖標搜索反應時間最短,而圖形應急圖標和帶邊框圖形應急圖標的搜索反應時間較長,這與Lin等[22]、金濤等[23]關于普通圖標搜索與圖標視覺特征研究的結論相似;亮度對比中0.90的搜索平均反應時間最短,亮度對比為0.10、0.30、0.60的搜索平均反應時間有隨亮度對比升高而降低的趨勢。然而,在低載荷下,應急圖標呈現方式及亮度對比圖標搜索時間均較低,圖標搜索平均反應時間無顯著差異。為深入探究應急圖標呈現方式及亮度對比對認知績效的影響,實驗B在實驗A的基礎上加入眼動研究,從而進一步解釋應急圖標呈現方式及亮度對比對認知績效的影響機理。

2 實驗B：眼動實驗

2.1 參與者

40名在校生(20位男生和20位女生),所有被試者年齡在20～28歲,參與者之前均未涉獵過相關實驗,其余實驗條件與實驗A保持一致。

2.2 實驗設備與材料

實驗程序由Python編寫,使用青研科技M2型外置紅外眼動儀采集實驗過程中的眼動數據,實驗流程及實驗材料與實驗A相同,對參與者眼動實驗數據進行采集分析。

2.3 眼動結果分析

基于眼動實驗所采集的眼動數據,對高、中、低載荷下的3種應急圖標呈現方式分別進行單因素方差分析,F=48.61,P<0.05,結果顯示：高、中載荷下,反色應急圖標注視時間明顯低于其他呈現方式應急圖標的平均注視時間。低載荷下圖標呈現方式注視時間無明顯差異,P>0.05,如圖5所示。對注視點個數進行分析,無顯著差異。

圖5 應急圖標呈現方式平均注視時間

其次,對高、中、低載荷下的平均反應時間進行1(呈現方式：帶邊框)×(亮度對比度：0.10、0.30、0.60、0.90)單因素方差分析,F=72.52,P<0.05,如圖5所示,結果顯示：高、中載荷下,亮度對比較高(0.90)的帶邊框應急圖標平均注視時間明顯低于低亮度對比,注視時間有隨亮度對比增大而降低的趨勢。低載荷下亮度對比注視時間無明顯差異,P>0.05。對注視點個數進行分析,無顯著差異,如圖6所示。眼動注視時間表達式為

圖6 應急圖標亮度對比平均注視時間

Tt=FfnAaf

(1)

式(1)中：Tt為總注視時間;Ffn為注視點數量;Aaf為平均注視時間。

根據式(1)可知,注視時間隨對比度降低而升高,反色應急圖標總注視時間低于圖形應急圖標和帶邊框應急圖標,從視神經認知角度解釋了實驗A的結果,進一步解釋了應急圖標呈現方式及亮度對比對認知績效的影響機理。

3 主觀測評

被試完成實驗后被要求填寫5點李克特量表問卷,對3種呈現方式和4種亮度對比 0(非常困難)～5(非常簡單)進行評分,衡量在實驗期間對不同條件下任務難度的主觀感受。問卷內容設計基于現有文獻[24-25]。

對主觀難易度評分的數據進行正態分布檢驗,結果表明,所有數據均與正態分布相匹配。以呈現方式、亮度對比為因子對主觀任務難易度評分進行重復測量方差分析。分析結果(圖7)顯示,呈現方式F=25.68,P<0.05,亮度對比F=48.54,P<0.01,二者皆對任務主觀難易度有顯著影響。沒有觀察到呈現方式與亮度對比的交互作用,P=0.56>0.05。呈現方式主效應的事后多重比較顯示,反色應急圖標的難易度評分顯著高于圖形應急圖標和帶邊框應急圖標,P<0.01;亮度對比主效應的事后多重比較顯示,0.9的難易度評分顯著高于其他亮度對比,P<0.05。此外,不同時間載荷下,被試表示反色應急圖標和更高的亮度對比更易于找到目標,更能減輕認知負擔。

圖7 主觀難易度評分結果

4 討論

評估不同應急圖標呈現方式和亮度對比對視覺搜索績效的影響機理,總體來說,通過圖標呈現方式和亮度對比創建12種圖標搜索類型,且優化了前人的研究方法[26-27],采用了更加嚴謹、精確的實驗方法,且將不同載荷下的應急圖標呈現方式、亮度對比混合隨機出現,降低被試的實驗預期,利用眼動生理實驗技術對實驗A結果進行檢驗,并使用主觀調查問卷評估被試的認知載荷。以上措施讓實驗材料更加全面,更貼近現實情境,實驗結果更為真實穩定,準確反映3種時間載荷下用戶對應急圖標的呈現方式及亮度對比的認知機理。

實驗A中,當參與者處于高、中載荷下,反色應急圖標平均反應時間明顯低于其他呈現方式應急圖標的平均反應時間,亮度對比度較高(0.90)的應急圖標平均反應時間明顯低于低亮度對比度的平均反應時間,說明反色的應急圖標和較高的圖標亮度對比可以顯著提高認知績效。Lin 等[5]研究表明,注視頻率方面平面+負背景排名第一,具有負背景和邊框的白色目標圖標比具有正背景和邊框的白色目標圖標更容易被注意到。圖標組成和背景會影響用戶對所查看圖標的偏好。具體來說,平面+負背景的圖標表現最佳,獲得最高的偏好級別。McGrath等[6]進行注意捕獲實驗,將不同圖標的呈現方式進行比較研究,結果顯示輪廓形圖標認知績效顯著低于填充形圖標,圖標呈現方式方面與和前人的研究結果一致。亮度對比方面驗證了Lin[9]和Wang等[10]的研究結果,亮度對比是影響視覺認知的重要因素,亮度對比提高一定程度上會提高認知績效,但與Choi等[11]的結果不同,出現此結果的原因可能是：本實驗采用單一綠色作為實驗材料的色調,而Choi等[11]使用多種顏色作為實驗材料色調的緣故。Choi等[11]研究發現,對于使用紅色圖標的刺激,低對比度也被觀察到是視覺突出的。相對于冷色和中性色調,暖色調視覺上最突出,這解釋了亮度對比對于認知績效不明顯的結果。此外,Gao等[28]研究表明,亮度對比能夠獲得視覺感知的分層,有利于界面信息元素的組織。高視覺層(60、80、90、100亮度差異)的目標適用于最重要和最緊急的元素,如標題、警告標志等;對于常用但不是高度緊急的元素(如文本),建議使用具有中等視覺層次(20、30、50亮度差異)的目標,這與本文結果一致。當被試者處于低載荷下,應急圖標呈現方式及亮度對比的平均反應時間均無顯著差異。原因可能是：較低認知載荷下,用戶對圖標的認知加工較為簡單,平均反應時間趨于一致。然而,根據行為實驗無法對實驗A的結果做出有效解釋,因此在實驗B利用眼動實驗進行驗證,發現被試處于高、中載荷下,反色應急圖標注視時間顯著低于其他呈現方式應急圖標的平均注視時間,亮度對比度較高(0.90)的帶邊框應急圖標平均注視時間明顯低于低亮度對比度,注視時間有隨對比度增大而降低的趨勢;低載荷下圖標呈現方式、亮度對比注視時間無明顯差異。而高、中、低載荷下注視點的個數無顯著差異,從而解釋了實驗A的結論。根據實驗B的實驗結論做出以下推斷：較高的亮度對比度下,被試對線狀圖標的視覺敏感度降低。Pelli等[29]研究表明,人類視網膜的桿狀雙極細胞能高效感知光伏能量刺激,但不能清晰地分辨圖形的邊緣特征,這在一定程度上解釋了高對比度下帶邊框應急圖標相比于其他類型圖標需要更多反應時間和注視時間的原因。此外,實驗后被試填寫的主觀評分問卷結果也一定程度上反映了被試不同條件下認知負荷的大小,也進一步支持了反色應急圖標和較高亮度對比的平均反應時間顯著低于其他類型的結果。

5 局限性

首先僅采用復雜度趨于一致的圖標作為實驗材料,使用不同復雜度的應急圖標可能會有不同的結果,因此在未來將把不同復雜度的應急圖標納入實驗材料,將其按照高、中、低的不同等級進行分類研究。本實驗中使用的應急圖標搜索任務較為簡單,今后工作中可應用更困難的任務(如圖標界面操作和識別圖標)和具有更多細節的圖標來研究呈現方式、亮度對比對應急圖標的影響。已有研究證實圖標結合文字解釋對提高圖標視覺搜索的準確率有一定促進作用,但圖標結合文字的搜索績效不及單純的圖標,本實驗僅研究了單純的圖標的認知績效,且僅將平均反應時間作為評價指標,因此在接下來的研究中,將研究圖標結合文字的呈現方式的認知績效,并納入錯誤率作為評價指標。最后,僅采用眼動實驗和主觀評價來驗證行為實驗的結果,在今后研究中,將從腦電角度對應急圖標呈現方式及亮度對比與被試的腦認知神經機制進行建立,并進而基于應急圖標的呈現方式及亮度對比探究其視覺編碼方式。

6 結論

應急圖標呈現方式和亮度對比對認知績效影響顯著,根據研究結果,可以對應急圖標提出相應的設計準則：應急界面的應急圖標建議使用反色應急圖標,能夠保證良好的應急搜索績效;應急界面信息元素與應急界面背景亮度對比在保證界面及圖標美觀的情況下建議使用較高亮度對比,在緊急事故發生時,較高亮度對比能顯著降低救援人員和受災人員的反應時間,有效提高救援效率。研究結果可作為應急界面設計師設計應急圖標的參考。