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基于眼动指标的平视显示器字符颜色对平视显示器和下视显示器相容性影响分析

更新时间:2009-03-28

平视显示器(head up display,HUD)起源于20世纪60年代航空领域,HUD主要作用是在飞行员前方视野处的透明显示屏上提供关键的飞行导航和引导信息,便于飞行员同时观察外部场景和仪表信息,而不会将注意力从外部场景中转移出去。随着HUD技术的成熟,HUD的角色也发生了转变,由最初的特定飞行阶段的辅助信息仪表逐步转变为在某些特定条件下可以取代下视显示器(head down display,HDD),因此关于HUD和HDD相容性的研究也显得尤为重要。在飞行过程中,飞行员进行HUD和HDD切换时视线的流畅性直接关系到飞行员的认知绩效和操作绩效。并且在信息的传播过程中,90%信息是通过视觉通道为人体所感知,其中色彩因素产生的视觉冲击大于形状等其他因素,李为等[1]发现彩色编码在缩短视觉搜索时间方面比形状编码更有效。张德乾等[2]关于色调因素对视觉反应绩效的影响的探索研究表明色调对视觉反应绩效有影响[3]。颜色编码是显示器视觉信息显示的重要编码方式,特别是在狭小的工作空间内如驾驶舱环境,HUD和HDD可以同时显示相同的关键的飞行信息,向飞行员传递直观的飞行信息,恰当的颜色编码可以增强信息的突显性,提高飞行机组的认知绩效,Derefeldt等[4]通过检测军事飞行员在模拟作战时的表现,发现在使用颜色编码的符号系统时,飞行员可以更快地发射导弹,降低了被攻击的可能性,证明了颜色编码的实用效益。

基于HUD符号设计准则可知HUD字符的颜色较为单一,与HDD字符的颜色存在差异性,因此,经过眼动数据分析,可以很好地研究飞行员进行显示器切换后的注视扫描策略以及信息认知情况,进而优化改进HUD字符的颜色编码设计,提高HUD和HDD的相容性,以确保信息的正确传递和飞行安全,避免造成飞行员对信息认知和理解方面的困难。通过记录被试在5种不同的HUD字符颜色编码条件下完成进近阶段的眼动数据,统计被试在飞行过程中回答相关提问的反应时,分析在不同的颜色编码条件下,飞行员切换显示器时的信息认知情况和扫视策略,进而分析颜色编码对HUD和HDD相容性的影响,对改善HUD颜色编码设计,提高飞行员的认知绩效,确保飞行安全具有积极作用。

1 眼动实验过程

1.1 设备

实验设备是由7台显示器、基于P3D技术开发的模拟飞行软件、模拟飞行摇杆、分辨率为1 920×1 080投影仪和眼动测量设备搭建的大型模拟仿真平台。眼动测量设备选用了SMART EYE PRO远程三维遥测式眼动追踪系统,可以实时测量;采样率为60 Hz/120 Hz,使用红外照明,无论是光线条件强烈或昏暗环境下都不易受周围环境影响;摄像机可以快速校准;即时跟踪恢复。

1.2 实验人员

实验被试为20名中国民航大学在校研究生(23~26岁,平均年龄25岁),具有航空知识背景,右利手,被试的视力或矫正视力在1.0以上,无色盲色弱。正式实验开始前,被试均进行了模拟飞行培训,飞行操作水平基本一致,能够完成实验要求的操作任务。

1.3 实验方法和任务

由图5可知,瞳孔直径的由小到大的依次顺序为绿色<青色<品红色<黄色<蓝色。由表4可知,绿色与黄色和蓝色之间存在显著性差异,p值分别为0.015、0.009。黄色、青色、蓝色以及品红色之间不存在显著性差异,表明采用绿色编码时,被试对信息的认知状态良好,没有产生过激的视觉刺激,从而影响被试的情绪,当采用黄色和蓝色编码时,由于色相引起的刺激或小或大,引起被试神经紧张和情绪变化,不利于切换显示器后被试对飞行信息的提取。

  

图1 实验任务流程图Fig.1 Experimental task flow chart

实验采用单因素(颜色)被试内设计,将HUD的颜色设计为5种水平(黄、绿、青、蓝、品红),因为HDD字符颜色的设计已经相当完善,所以HUD字符的颜色保持不变。HUD字符颜色的选取主要依据孟塞尔标准和CS25—Admt11[5]中关于显示器字符颜色编码的建议。孟塞尔标准12色相图是色彩设计的基础,从12色相环中很容易辨认出任何一种色相,也可以简单地认出中间的色彩,见图2。基于孟塞尔12色相环,可知以黄色为起点,每种颜色的角度间隔为60°,依次是绿色、青色、蓝色、品红色、红色。依据CS25—Admt11第5部分中对某些特征的颜色编码的建议,红色适用于警告性功能,因此,在选取颜色编码时未选用红色。为消除实验顺序及疲劳对实验结果的影响,采用拉丁方实验编排,每组实验持续7 min左右。实验变量如表2所示。

分析:B项中的四种离子,许多考生就认为可以共存,而且加入NaOH溶液后加热,可以有NH3放出和CaCO3沉淀生成,因而造成失误。实际上和是不能大量共存的,从两种离子存在的环境上来说,应存在于强碱性的溶液中,而却不能在强碱性的溶液中大量存在。许多同学就有疑问:和这两种离子都带负电荷,而且在溶液中水解都是呈现碱性,为什么就不能共存呢?

 

表1 实验任务设计Table 1 Design of experiment task

  

实验阶段实验详细步骤适应阶段飞行进入A/P模式,以HDD信息为主,HUD信息为辅,监视仪表飞行信息参数变化;进近阶段(1)切断A/P模式,放襟翼15°(2)航向对准340°,俯仰保持-5°~5°范围内,收油门(3)高度调节为762.5 m,空速调节为102.9 m/s(4)高度下降到762.5 m时,空速调整为72.1 m/s,放起落架(5)高度下降到457.5 m,空速调整为61.7 m/s,扰流板预位(6)持续监视HUD和HDD上的飞行信息

注:实验过程中,主试随机提问有关HDU和HDD飞行信息的问题,要求被试又快又准地进行回答。

  

图2 孟赛尔标准12色相环Fig.2 12 standard Munsell hue ring

 

表2 HUD颜色水平分类Table 2 HUD color level classification

  

颜色水平RGB色标色样黄(255,255,0)绿(0,255,0)青(0,255,255)蓝(0,0,255)品红(255,0,255)

2 结果与分析

由于HUD字符颜色的变化,被试进行仪表切换后会有不同的扫视策略以及信息认知绩效,为了探究在显示器切换后,HUD字符的颜色对被试认知信息的影响,在实验的过程中收集眼动数据,并对显示器界面的相关信息进行提问,获得注视轨迹长度、注视时间、瞳孔直径和反应时,以反映被试进行显示器切换后,搜集信息的策略、提取信息的时长以及心理状态。

注视轨迹能够具体、直观和全面地反映眼动的时空特征,和被试的行为模式,由此判定在不同条件下的眼动模式及其差异性。若路径混乱则表明界面的逻辑性差,若路径移动有序则表明设计符合人的视觉习惯,观察效率高且宜人[7,8]。注视轨迹长度是指各取样注视点之间距离的总和,过长的注视轨迹长度表明搜索行为的效率较低。

首先采用SPSS分析软件对实验指标进行方差齐次性检验,扫视轨迹长度、平均注视时间、瞳孔直径和反应时均符合方差齐次性检验,然后再经过单因素方差分析[6],对5种颜色水平下的各项指标进行比较。单因素方差分析结果表明:在0.05显著性水平上,扫视轨迹长度的主效应非常显著(p<0.001),平均注视时间、瞳孔直径和反应时的组间主效应显著(p=0.002、p=0.047、p=0.042)。各项指标的均值和方差结果如表3所示,不同指标的各颜色水平间多重比较统计如表4所示。

2.1 注视轨迹长度

现有文献鲜有学者关注新兴旅游部门的自我就业群体,并衍生研究大学生创业可行性。学者们基本都是从宏观或中观的角度分析旅游非正规就业及共享经济下的游客行为,鲜有学者从微观的角度去追踪考察旅游自我就业者现状与创业可行性。最后,随着失业问题的灵活就业弹性方法的提出,由于其主动性、家庭参与性等特征,旅游非正规就业在未来可能成为我国旅游地最重要的旅游就业方式之一,因而对于旅游非正规就业研究具有现实意义,所以以番禺沙湾特色小镇为主的旅游自我就业现状与创业可行性研究是本题研究的首要目标。

实验采用单一控制变量,拉丁方实验编排,消除了实验顺序及疲劳对实验结果的影响。由于实验设备的原因,无法采集HDD界面的眼动数据,无法与HUD的眼动数据形成对比分析,是实验存在的不足之处。因此,在实验的过程中随机向被试提问有关两个显示器界面信息的问题,且前后问题涉及的显示器不同,既可以避免被试在实验过程中只参考一个显示器信息进行操作的现象,又可以达到检测因变量颜色编码对HUD和HDD相容性影响的目的。

 

表3 实验方法测得的各项指标Table 3 The indexes measured by the experimental method

  

参数颜色水平黄绿青蓝品红扫视轨迹长度/mx41.3736.5235.7847.6241.41σ4.914.455.026.075.89平均注视时间/msx175.24145.47153.24197.88166.83σ43.5746.4253.7530.7438.73瞳孔直径/mmx4.303.974.094.334.22σ0.400.400.470.430.41反应时/msx6.024.114.396.385.60σ2.861.361.892.612.55

注:为平均值;σ为标准差。

由图3可知当HUD的字符颜色为蓝色时注视轨迹长度最大,品红色次之,黄色大于青色和绿色。对扫视轨迹进行单因素方差分析多重比较可知,绿色与黄色、蓝色和品红色之间有显著性差异(p=0.005、p<0.001、p=0.004);说明与绿色和青色相比,当采用黄色、蓝色和品红色时被试的扫视轨迹较为混乱,搜索信息的效率降低,进行显示器转换后并不能迅速地捕获到所需信息,需要进行反复确认后才能肯定回答信息值。

2.2 平均注视时间

平均注视时间反映了被试提取信息的难易程度,比如遇到低频词,注视便停留得久,平均注视时间越长表明该表征的意义性越差。此外,Kasarskis[9]关于熟练飞行员和飞行学员的注视时间对比研究发现熟练的飞行员注视停留时间较短,且有更为简洁清晰的扫视模式。刘伟等[10]关于飞行员扫视、操作绩效的研究发现高级飞行员比学员有较短的注视时间。因此,注视时长既可以用于衡量提取信息困难与否,又可以比较操作熟练度。

在实验过程中,通过向被试提问相关的仪表信息问题,要求被试又快又准地作答,可以明确被试的实验任务以及提高注意力集中程度。同时可以确保被试发觉HUD和HDD界面字符颜色的差异性。

  

图3 各颜色水平下扫视轨迹长度比较Fig.3 Comparing the length of the saccade trajectory of each color level

 

表4 实验方法测得的不同颜色间的多重比较Table 4 Multiple comparisons between different colors measured by experimental methods

  

颜色水平扫视轨迹长度/m平均注视时间/ms瞳孔直径/mm反应时/s均值差值显著性均值差值显著性均值差值显著性均值差值显著性绿*0.05*0.032*0.015*0.048黄青*0.0010.1120.1190.068蓝*<0.0010.1020.8490.572品红0.9790.5410.5370.711青0.6590.5720.3690.870绿蓝*<0.001*<0.001*0.009*0.012品红*0.0040.1220.0670.105青蓝*<0.001*0.0020.081*0.018品红*0.0010.3240.3430.144蓝品红*<0.001*0.0260.4200.351

注:*表示有显著性差异,p<0.05。

由图4可知,平均注视时间的由长到短排序依次为蓝色>黄色>品红色>青色>绿色。结合表4,绿色与黄色和蓝色之间存在显著性差异(p=0.032、p<0.001);选用蓝色和黄色编码时,被试的注视时间明显增加,当提问到HUD的相关信息时,由HDD界面切换到HUD界面时,被试提取相关信息更困难;使用绿色时平均注视时间最小,被试可以迅速地确认信息值,认知绩效良好。

颜色属于一种静态形式的显示,在显示设计中的作用非常重要。颜色匹配对于辨识绩效有显著影响[11]。有大量研究表明在视觉任务中,颜色编码对处理信息时间有显著影响[12]。当HUD字符的颜色发生改变时,注视轨迹长度、平均注视时间以及反应时的主效应显著,且变化趋势基本保持一致。使用绿色和青色编码时,认知绩效明显优于黄色和蓝色;以黄色为起点,各项指标值开始减小,当然颜色为绿色时,各项指标的均值达到最小,由绿色到蓝色各项指标的均值又开始变大,蓝色时达到顶峰,从蓝色到品红色的过程中又开始降低。这表明:扫视轨迹长度、平均注视时间和反应时可以反映颜色编码的变化对HUD和HDD相容性的影响。扫视轨迹越长,表明在应用此种颜色设计时,导致被试的搜索信息效率降低,搜索信息的范围大或搜索路径混乱。平均注视时间越长,表明被试对信息的停留时间越长,信息认知加工越复杂,象征着被试越难理解此信息。反应时越长则说明被试进行显示器切换时的对界面信息的认知理解受阻,显示器切换使用后,被试对当前界面信息的颜色编码表示方式不适应,说明了适用该颜色编码时HUD和HDD的相容性较差。

  

图4 各颜色水平下平均注视时间比较Fig.4 Comparison of average fixation time at different color levels

2.3 瞳孔直径

瞳孔直径是表征观察者对信息注意状态的指标。用于解释不同条件下的知觉广度或注意广度,也可以揭示不同刺激条件对被试注意状态的激发。心理学上有关瞳孔的研究认为人在紧张时,瞳孔会扩大,瞳孔直径的变化可以表征情绪的变化。

在白天晴朗微风环境下,按照仪表飞行的原则进行巡航监控任务。要求被试以HDD仪表为主,HUD信息仪表为辅,飞行高度控制在1 068 m左右,空速控制200节左右,航向保持340,俯仰保持在-5°~5°范围内,保持平稳飞行1 min。1 min后,主试发布口令:可以进行进近操作。被试听到口令后,开始准备进近,具体操作步骤见表1。此外,在实验过程中主试会随机提问有关HUD和HDD仪表信息的相关问题,要求被试又快又准地作答。实验任务设计如表1所示,实验流程图如图1所示。

  

图5 各颜色水平下瞳孔直径比较Fig.5 Comparison of pupil diameter at different color levels

2.4 反应时

以上讨论的四种数学学习疑难类型是依据对信息加工过程的一般模式分析得到的,只是几种典型的学习疑难,也并不是只有这几种数学学习疑难,并且四种类型的数学学习疑难并非完全相互独立,有时各自产生的学习疑难还会相互干扰和加强.

由图6可知,反应时由小到大的排序依次为绿色<青色<品红色<黄色<蓝色。单因素方差分析多重比较可知,绿色与黄色和蓝色之间存在显著性差异(p=0.048、p=0.012);青色与蓝色之间存在显著性差异(p=0.018)。从绩效角度表明使用蓝色编码时,切换显示器后,被试并不能快速地辨识信息,其主要原因是视觉感受器所传递的信息强度不足,使中枢神经处理能力下降,不能有效的响应,导致被试人员的反应时延长。使用绿色和青色时则恰恰相反,表明颜色编码对被试切换使用显示器后信息辨识的影响不尽相同。

  

图6 各颜色水平下反应时比较Fig.6 Comparison of time reaction at different color levels

3 讨论

3.1 关于实验方法的讨论

从方法和内容上看,法律与科技均具有科学性。首先,法律的制定、实施均需要科学的方法和手段。要想制定出好的法律,必须遵守科学的方法和手段,毫无章法的立法或者执法,必然导致法律成为“恶法”。其次,法律的研究需要科学的原理和方法。最后,只有科学的法律,才能更好的得到遵守,并且更好的维护社会正义。

3.2 关于实验结果的讨论

本研究中,对照组施行常规化护理干预,实验组应用优质护理。结果显示,实验组冠心病心绞痛患者对护理服务满意度高于对照组,P<0.05;实验组住院的时间、患者舒适度优于对照组,P<0.05;护理前两组焦虑情绪评分、心功能等级相近,P>0.05;护理后实验组焦虑情绪评分、心功能等级优于对照组,P<0.05。

研究结果表明随着人紧张程度的增加,瞳孔扩大,当达到一定疲劳程度后,瞳孔开始缩小[13]。瞳孔直径的变化可以表征情绪的变化。由图5可知,在相同的实验环境条件下,使用绿色编码时平均瞳孔直径最小为3.97 mm,蓝色编码条件下平均瞳孔直径最大为4.33 mm,黄色次之,瞳孔直径的差异性表明由于HUD颜色编码的差异性,导致被试进行显示器切换后回答问题时紧张程度不同,进而影响了被试的操作绩效。与张磊等[14]关于颜色编码的研究结论基本一致,黄色和品红色为暖色系,能起到兴奋和积极的作用,但是同时会引起人的不安和神经紧张,绿色、青色和蓝色属于冷色系,能起到镇静的作用,使用蓝色编码时,不利于被试进行信息的搜索任务,造成使用蓝色编码时眼动指标和绩效指标普遍较差。

4 结论

人获取信息时以视觉通道最为重要,通过测量眼动数据,可以客观地反映人的视觉心理过程。通过对不同颜色编码条件下飞行员进行显示器切换时的注视轨迹长度、平均注视时间、瞳孔直径,并结合反应时,可得以下结论。

(1)当使用绿色和青色编码时,飞行员的搜索行为效率高,认知绩效好,被试的心理状态也较为稳定,情绪波动不明显,明显优于其他三种颜色。

(2)当采用黄色和蓝色编码设计时,飞行员搜索信息的效率降低,显示器切换后扫视的流畅性较差,且容易造成紧张情绪,不利于飞行监控任务。

式中:I、f、c、o分别表示LSTM细胞中的输入门、遗忘门、细胞状态、输出门;h   表示当时间为t时LSTM单元的输出;W和b分别对应的权重系数矩阵和偏置项;上标t表示时间;σ和tanh分别为sigmoid和双曲正切激活函数。 

(3)随着颜色色相趋于缓和,视觉刺激处于适中水平时,飞行员的扫视模式有所改善,认知绩效水平得到提升,进行任务时不易造成被试的紧张情绪,也意味着HUD和HDD间的相容性较好。

加入WTO后中国经济进入高速增长期,国际市场的激烈竞争倒逼国内改革,经济的高速增长创造了“中国奇迹”。制造业在这场改革中受益最大,中国成为“世界工厂”,国力得到极大增强。

参考文献

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杨坤,杜晶
《科学技术与工程》 2018年第14期
《科学技术与工程》2018年第14期文献

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