周穎偉 莊達(dá)民 吳 旭 完顏笑如

（北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

在飛行活動(dòng)中，飛行員主要依靠視覺通道接收引導(dǎo)信息和飛行指令［1］.文字和符號(hào)作為視覺信息的重要組成部分，在顯示界面上的辨識(shí)績(jī)效直接影響飛行員判斷決策的速度與準(zhǔn)確性，因此成為工效學(xué)研究的重要內(nèi)容.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一些研究.文獻(xiàn)［2］運(yùn)用亮度和閃光作為加亮方式，對(duì)于符號(hào)的形狀和顏色進(jìn)行研究，得出符號(hào)形狀、顏色影響搜索時(shí)間的結(jié)論.文獻(xiàn)［3］對(duì)多信息通道下不同顏色編碼和空間位置的信息辨識(shí)情況進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)［4－7］通過設(shè)定多種任務(wù)研究了不同符號(hào)、文字的顏色、位置、形狀的辨識(shí)績(jī)效.這些研究主要探討了字符編碼顏色、位置、形狀的認(rèn)知特性，對(duì)顯示界面中字符編碼設(shè)計(jì)提出了一系列有價(jià)值的研究結(jié)果.但在實(shí)際應(yīng)用中，字符編碼的辨識(shí)績(jī)效會(huì)受到更多因素的影響.如良好的光照也是信息顯示可靠性的一個(gè)重要保障［8］.目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于光照的研究集中在日常工作條件下電子顯示終端認(rèn)讀方面，如文獻(xiàn)［9］研究了光照對(duì)不同電子顯示器亮度對(duì)比度和顏色域的影響，文獻(xiàn)［10－11］對(duì)電子紙閱讀績(jī)效從光照條件、字號(hào)、行間距等方面作了豐富的研究.以上研究得到的多為一維和二維編碼交互作用的定性化結(jié)論，缺乏多維編碼及環(huán)境因素的綜合性研究，未建立定量化數(shù)學(xué)模型.

本研究結(jié)合航空人機(jī)工效學(xué)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和人的認(rèn)知特性，采用靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)法，選取反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)正確率作為工效評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)顯示界面中字符種類、字符高度、顏色匹配與光照條件、視距進(jìn)行定量化探討，建立了字符編碼設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型.研究結(jié)果可為我國(guó)飛機(jī)駕駛艙顯示界面的字符編碼設(shè)計(jì)提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)程序采用Visual C＋＋6.0進(jìn)行編譯，并集成到飛行模擬駕駛艙.實(shí)驗(yàn)界面基于模擬駕駛艙內(nèi)32寸液晶顯示器，采用1 440像素×900像素分辨率.被試通過標(biāo)準(zhǔn)鍵盤進(jìn)行人機(jī)交互.模擬駕駛艙為全封閉型，艙內(nèi)光源為白色熒光燈（6 500K），光照強(qiáng)度可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié).

1.2 被 試

被試為32名北京航空航天大學(xué)具有相關(guān)航空知識(shí)背景的在讀研究生，男生20人，女生12人，年齡在23～29歲之間，平均身高171.3cm，無(wú)色盲、色弱，矯正視力在1.0以上.

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)研究需要，實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)層次.第1個(gè)層次采用4×8×8混合設(shè)計(jì).因素1為光照水平（lx），包括0，200，400和600.因素2為字符種類，包括中文、英文、數(shù)字和5個(gè)符號(hào)：■、◆、●、★、▲，編碼的選擇參照文獻(xiàn)［12］中常用文字和基本符號(hào)，字體均為黑體.因素3為字符高度（mm），包括5，6，7，8，9，11，14和18.其中，因素1為被試間設(shè)計(jì)，因素2，3為被試內(nèi)設(shè)計(jì).第2個(gè)層次采用4×4被試內(nèi)設(shè)計(jì).因素1為背景顏色，包括黑色（RGB（0，0，0））、灰色（RGB（211，211，211））、白色（RGB（255，255，255））和青色（RGB（0，255，255））.因素2為字符顏色，包括紅色（RGB（255，0，0））、綠色（RGB（144，238，144））、藍(lán)色（RGB（0，0，255））、黃色（RGB（255，255，0））.背景顏色和字符顏色的選擇參考了波音飛機(jī)儀表信息常用色.

字符編碼呈現(xiàn)方式采用快速系列視覺呈現(xiàn)方式.顯示界面中心區(qū)域的上、下、左、右位置同時(shí)呈現(xiàn)1種字符編碼的4個(gè)信息作為一個(gè)視覺刺激，如中文“導(dǎo)航、系統(tǒng)、雷達(dá)、預(yù)警”，呈現(xiàn)方位隨機(jī)，被試辨識(shí)指定的目標(biāo)編碼，如“導(dǎo)航”所在方位后按下鍵盤上相應(yīng)的方向鍵做出反應(yīng).系統(tǒng)自動(dòng)記錄被試的反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)正確率.實(shí)驗(yàn)設(shè)定一個(gè)完整的視覺刺激序列包含64個(gè)同等光照水平、字符種類、字符高度的視覺刺激.參考文獻(xiàn)［13］及通過預(yù)實(shí)驗(yàn)，設(shè)定刺激呈現(xiàn)時(shí)間為1.2s.根據(jù)光照因素，將被試分為4組，每組8人，每名被試完成64個(gè)刺激序列的實(shí)驗(yàn)（8個(gè)字符種類×8種字符高度）.16種顏色匹配方式（4種字符顏色×4種背景顏色）在每個(gè)刺激序列的64個(gè)刺激中等概率隨機(jī)出現(xiàn).為使各因素在被試間平衡，實(shí)驗(yàn)時(shí)字符種類和字符高度順序隨機(jī).

1.4 實(shí)驗(yàn)程序

實(shí)驗(yàn)前對(duì)被試進(jìn)行訓(xùn)練，待熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作方法后開始實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，被試坐于顯示器前的座椅上，視距為1 500mm，軀干用肩帶固定以保持視距不變.實(shí)驗(yàn)需82min，實(shí)驗(yàn)間有4次休息間隔，每次休息10min.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 光照水平、字符種類、字符高度結(jié)果分析

4種光照水平下被試對(duì)8種字符編碼目標(biāo)辨識(shí)的平均反應(yīng)時(shí)間和平均反應(yīng)正確率見圖1和圖2.

方差分析表明，在0.05顯著性水平上，就反應(yīng)時(shí)間而言，字符種類、字符高度的主效應(yīng)顯著（P＜0.001，P＜0.001），光照水平不顯著（P＝0.168）；字符高度與字符種類的交互效應(yīng)顯著（P＜0.001），與光照水平的交互效應(yīng)也顯著（P＝0.041），三者的交互效應(yīng)不顯著（P＝0.960）.

就反應(yīng)正確率而言，光照水平、字符種類、字符高度的主效應(yīng)顯著（P＜0.001，P＜0.001，P＜0.001）；字符高度與字符種類的交互效應(yīng)顯著（P＜0.001），與光照水平的交互效應(yīng)不顯著（P＝0.301），三者的交互效應(yīng)不顯著（P＝1.000）.

由圖1和圖2可知，無(wú)論以反應(yīng)時(shí)間還是反應(yīng)正確率作為績(jī)效指標(biāo)，8個(gè)字符編碼按照績(jī)效均值均可分為3類：績(jī)效較差的是中文和英文，兩種編碼的辨識(shí)績(jī)效差異不顯著（P反應(yīng)時(shí)間＝0.490，P反應(yīng)正確率＝0.880）；績(jī)效居中的是數(shù)字和◆；績(jī)效較好的是■、●、★、▲，其中★績(jī)效稍差，■、●、▲績(jī)效差異不顯著.由于3組字符之間的辨識(shí)績(jī)效差異顯著，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分組處理和分析.第1組為文字，包括中文和英文，績(jī)效均值為M反應(yīng)時(shí)間＝695.0ms，M反應(yīng)正確率＝70.9%；第2組為數(shù)字，包括數(shù)字和較難辨認(rèn)的圖形，如◆，績(jī)效均值為M反應(yīng)時(shí)間＝643.6ms，M反應(yīng)正確率＝80.7%；第3組為普通符號(hào)，包括▲、★、■、和●，績(jī)效均值為M反應(yīng)時(shí)間＝543.9ms，M反應(yīng)正確率＝92.7%.

圖2 8種字符編碼辨識(shí)的平均反應(yīng)正確率

2.2 字符高度、字符顏色、背景顏色結(jié)果分析

方差分析表明，在0.05顯著性水平上，就反應(yīng)時(shí)間而言，字符顏色、背景顏色的主效應(yīng)顯著（P＜0.001，P＜0.001）；字符顏色與背景顏色的交互效應(yīng)顯著（P＜0.001）；字符高度與字符顏色的交互效應(yīng)顯著（P＝0.010）；與背景顏色的交互效應(yīng)也顯著（P＜0.001）；三者的交互效應(yīng)不顯著（P＝0.148）.就反應(yīng)正確率而言，字符顏色、背景顏色的主效應(yīng)顯著（P＜0.001，P＜0.001）；字符顏色與背景顏色的交互效應(yīng)顯著（P＜0.001）；字符高度與字符顏色的交互效應(yīng)顯著（P＜0.001），與背景顏色的交互效應(yīng)也顯著（P＝0.049）；三者的交互效應(yīng)顯著（P＜0.001）.

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，不同顏色匹配的辨識(shí)績(jī)效差異顯著，為了分析績(jī)效辨識(shí)規(guī)律，用快速聚類法將16種顏色匹配方式的辨識(shí)績(jī)效分為3類，第1類績(jī)效較好，第2類績(jī)效中等，第3類績(jī)效較差.結(jié)果見表1.

表1 顏色匹配績(jī)效及聚類分析（均值＋標(biāo)準(zhǔn)差）

2.3 建立字符編碼設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，光照水平、字符種類、顏色匹配對(duì)字符編碼的辨識(shí)績(jī)效均有影響.由于飛行操作時(shí)對(duì)于顯示界面中信息的辨識(shí)績(jī)效要求較高，如美軍標(biāo) MIL-STD-1787C中要求信息顯示形式的異常姿態(tài)操作反應(yīng)時(shí)間在1s內(nèi)，反應(yīng)正確率在95%以上才可接受［14］，因此為滿足此類定量化要求，需建立字符編碼設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型.

2.3.1 建立字符編碼設(shè)計(jì)關(guān)系式

［13］中英文字符設(shè)計(jì)關(guān)系式，建立字符高度與光照水平、字符種類、顏色匹配、視距的數(shù)學(xué)模型，見式（1）.

其中，H為字符高度（mm）；D為視距，即眼睛至被觀察物體的直線距離（mm）；0.002 2為與視距相關(guān)的系數(shù)，取值參考了文獻(xiàn)［13］.Ii為光照水平（ambient illumination），本實(shí)驗(yàn)中包括I0，I200，I400，I600；Ti為字符種類（character type），包括T文字，T數(shù)字，T符號(hào)；Ci為 顏 色 匹 配 （color matching），包括C1，C2，C3，分別代表顏色匹配好、中、差3個(gè)分組.式（1）中，D為自變量，Ii，Ti，Ci為各影響因素的系數(shù).通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析擬合，得到各系數(shù)取值，即可確定各因素條件下視距與字符高度的線性關(guān)系，為一定視距下的字符高度提供工效學(xué)參考.

2.3.2 計(jì)算臨界字符高度

以美軍標(biāo)MIL-STD-1787C的要求作為辨識(shí)績(jī)效臨界值，計(jì)算達(dá)到該要求時(shí)臨界字符高度.

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照4個(gè)光照水平、3個(gè)字符種類和3組顏色匹配分別進(jìn)行對(duì)數(shù)函數(shù)擬合，得到36個(gè)反應(yīng)時(shí)間方程和36個(gè)反應(yīng)正確率方程，圖3為600lx時(shí)文字編碼的反應(yīng)正確率擬合結(jié)果.根據(jù)函數(shù)方程，分別計(jì)算反應(yīng)時(shí)間為1 000ms，反應(yīng)正確率為95%時(shí)字符高度H正確率和H反應(yīng)時(shí)間，取二者中較大值作為臨界字符高度H'，最終得到36個(gè)臨界字符高度，范圍為3.3～34.9mm.

圖3 600lx文字編碼反應(yīng)正確率擬合圖

2.3.3 確定各因素取值

令式（1）中H取臨界字符高度，建立36個(gè)函數(shù)方程，組成超定方程組，見式（2）.

解式（2），得到Ii，Ti，Ci的最優(yōu)取值，見表2.

表2 光照水平、字符種類、顏色匹配最優(yōu)取值表表內(nèi)容

3 討 論

3.1 光照水平探討

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，0～600lx范圍內(nèi)的4個(gè)光照水平對(duì)字符高度的影響差異較小.這可能是因?yàn)殡娮语@示界面作為發(fā)光體，其自身亮度能夠滿足人眼的視覺需求，即使在無(wú)光照時(shí)也能有較好的辨識(shí)績(jī)效.實(shí)驗(yàn)時(shí)采用屏幕亮度計(jì)對(duì)8種顏色的屏幕亮度進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明4個(gè)光照水平下，黑色、藍(lán)色亮度變化為0cd／m2，紅色為4cd／m2，綠色為5cd／m2，白色和青色為8cd／m2，灰色和黃色為9cd／m2.由此可知，8種顏色的屏幕亮度對(duì)比度變化較小.本實(shí)驗(yàn)4個(gè)光照水平中，600lx光照水平時(shí)字符編碼的辨識(shí)績(jī)效最好，進(jìn)一步的兩因素驗(yàn)后多重比較結(jié)果表明，0lx光照水平下8種字符高度的績(jī)效差異最大，600lx時(shí)績(jī)效差異最小，因此本實(shí)驗(yàn)條件下600lx為最佳光照水平.然而，過強(qiáng)的光照會(huì)引起屏幕眩光，影響辨識(shí)績(jī)效，因此對(duì)于更高光照水平下的字符編碼設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步研究.

3.2 字符種類探討

由圖1和圖2可知，8個(gè)字符種類的績(jī)效差異顯著.績(jī)效分析表明，符號(hào)的辨識(shí)績(jī)效明顯好于數(shù)字，數(shù)字的辨識(shí)績(jī)效明顯好于中文、英文.兩因素驗(yàn)后多重比較結(jié)果表明，符號(hào)在8種字符高度下的績(jī)效差異小于文字和數(shù)字.這種顯著性的差異可能源于人的視覺加工方式和認(rèn)知特性.知覺加工包括3種：自下而上的特征分析、整合、自上而下的加工［15］.本實(shí)驗(yàn)中符號(hào)形狀簡(jiǎn)單，且未賦予特殊意義，屬于自下而上的加工.中文、英文、數(shù)字等形狀復(fù)雜，且具有特定意義，屬于自上而下的加工，故符號(hào)與文字、數(shù)字的辨識(shí)績(jī)效差異較大.中文、英文與數(shù)字相比筆畫多，辨識(shí)難度相對(duì)較大，因此績(jī)效較差.中文與英文相比雖然中文字體更復(fù)雜，但作為母語(yǔ)，被試對(duì)中文的知覺加工速度更快，故兩種文字辨識(shí)績(jī)效相差不大，此結(jié)果與文獻(xiàn)［6］相同.

3.3 顏色匹配方式探討

由結(jié)果可知，3組顏色匹配分類對(duì)字符編碼辨識(shí)績(jī)效的影響差異顯著.深入分析表明，同一字符色與不同的背景色匹配后辨識(shí)績(jī)效不同.如黃／黑的字符／背景色的辨識(shí)績(jī)效較好，黃／白則績(jī)效較差.考慮到某些復(fù)雜顯示界面，如新型飛機(jī)設(shè)計(jì)中逐漸成為主流的平視顯示器，由于顯示背景不斷變化，字符設(shè)計(jì)則不宜考慮單一背景色，應(yīng)考慮辨識(shí)績(jī)效的穩(wěn)定性.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，4種背景顏色下辨識(shí)績(jī)效較好且較穩(wěn)定的是紅色，其后依次是藍(lán)色、黃色、綠色.

3.4 數(shù)學(xué)模型探討

本研究以文獻(xiàn)［13］中Peters等人的結(jié)論為基礎(chǔ)，根據(jù)光照水平、字符種類和顏色匹配對(duì)字符編碼辨識(shí)績(jī)效的影響，對(duì)各因素內(nèi)的水平進(jìn)行分類，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立了適用于多種光照水平及顏色匹配條件下文字、數(shù)字、符號(hào)的字符高度數(shù)學(xué)關(guān)系模型.該模型將光照水平（Ii）、字符種類（Ti）和顏色匹配（Ci）作為修正系數(shù)，對(duì)字符編碼的辨識(shí)條件進(jìn)行了較詳細(xì)的分類.依據(jù)公式（1）及表2，可計(jì)算4種光照水平和3組顏色匹配條件下，3個(gè)字符種類在特定視距時(shí)，辨識(shí)績(jī)效達(dá)到反應(yīng)時(shí)間1 000ms以內(nèi)，反應(yīng)正確率95%以上的字符高度.例如，當(dāng)視距D＝457mm，在600lx光照水平下（I600），顏色匹配效果最優(yōu)（C1）時(shí)，符號(hào)（T符號(hào)）的字符高度為1.5mm，該結(jié)果與文獻(xiàn)［16］中對(duì)重要信息字符高度為1.5mm的要求一致.

4 結(jié) 論

在本實(shí)驗(yàn)條件下，研究結(jié)果表明：

1）電子顯示界面中，0～600lx的光照水平變化對(duì)于字符編碼辨識(shí)績(jī)效的影響較小.

2）文字、數(shù)字和普通符號(hào)的辨認(rèn)績(jī)效差異顯著，文字辨識(shí)績(jī)效較差，數(shù)字績(jī)效中等，普通符號(hào)績(jī)效較好，故為達(dá)到較好的辨識(shí)績(jī)效，文字與數(shù)字、符號(hào)相比應(yīng)適當(dāng)增加字符高度.

3）顏色匹配方式對(duì)字符辨識(shí)績(jī)效的影響差異顯著.黃／白、綠／青的字符／背景色匹配辨識(shí)績(jī)效較差，建議在顯示界面中盡量避免使用.

4）為了滿足辨識(shí)績(jī)效達(dá)到反應(yīng)時(shí)間小于1 000ms，反應(yīng)正確率高于95%的要求，本研究建立了字符編碼設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，用于計(jì)算各影響因素下特定視距時(shí)字符編碼的高度，為人機(jī)顯示界面字符編碼設(shè)計(jì)提供定量化參考.

參考文獻(xiàn) （References）

［1］伊麗，郭小朝.新型殲擊機(jī)平視顯示器指示符號(hào)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究［J］.人類工效學(xué)，2010，16（3）：24－26

Yi Li，Guo Xiaochao.Experimental research on optimizing the display symbols of HUD in advanced fighter［J］.Chinese Journal of Ergonomics，2010，16（3）：24－26（in Chinese）

［2］van Orden K F，Divita J，Shim M J.Redundant use of luminance and flashing with shape and color as highlighting codes in symbolic displays［J］.Human Factors，1993，35：195－204

［3］Wickens C D，Andre A D.Proximity compatibility and information display：effects of color，space，and object display on information integration［J］.Human Factors，1990，32（1）：61－77

［4］曾慶新，莊達(dá)民，馬銀香.人機(jī)界面中目標(biāo)編碼設(shè)計(jì)［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33（6）：631－634

Zeng Qingxin，Zhuang Damin，Ma Yinxiang.Design of target code in human-machine interface［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2007，33（6）：631－634（in Chinese）

［5］張磊，莊達(dá)民.飛機(jī)界面設(shè)計(jì)顏色匹配性［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，35（8）：1001－1004

Zhang Lei，Zhuang Damin.Color matching of aircraft interface design［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2009，35（8）：1001－1004（in Chinese）

［6］張磊，莊達(dá)民.人機(jī)顯示界面中的文字和位置編碼［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37（2）：185－188

Zhang Lei，Zhuang Damin.Text and position coding of human-machine display interface［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2011，37（2）：185－188（in Chinese）

［7］Zhang Lei，Zhuang Damin，Wanyan Xiaoru.Information coding for cockpit human-machine interfaces［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2011，24（4）：708－713

［8］吳文燦，姜國(guó)華.駕駛艙顯示與照明系統(tǒng)人機(jī)工效的可靠性設(shè)計(jì)與分析［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，1998，11（1）：60－62

Wu Wencan，Jiang Guohua.Reliability design and analysis on cockpit displays and lighting systems ergonomics［J］.Space Medicine ＆ Medical Engineering，1998，11（1）：60－62（in Chinese）

［9］Kubota S.Effects of ambient lighting conditions on luminance contrast and color gamut of displays with different technologies［J］.Advances in Human Factors／Ergonomics，1995，20（1）：643－648

［10］Lee D S，Ko Y H.Effect of light source，ambient illumination，character size and interline spacing on visual performance and visual fatigue with electronic paper displays［J］.Displays，2011，32（1）：1－7

［11］Lin Yuting，Lin Pohung.Investigation of legibility and visual fatigue for simulated flexible electronic paper under various surface treatments and ambient illumination conditions［J］.Applied Ergonomics，2009，40（5）：922－928

［12］GJB300—87飛機(jī)平視顯示器字符［S］GJB300—87Display symbology for head up display of aircraft［S］（in Chinese）

［13］畢紅哲，莊達(dá)民.航空人機(jī)工程計(jì)算機(jī)仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010

Bi Hongzhe，Zhuang Damin.Computer simulation for aviation man-machine engineering［M］.Beijing：Electronic Industry Press of China，2010（in Chinese）

［14］MIL-STD-1787CAircraft display symbology［S］

［15］Wickens C D，Lee J D，Liu Yili.An introduction to human factors engineering［M］.2nd ed.New Jersey：Prentice Hall，2007

［16］Human factors design guide［R］.DOT／FAA／CT-01／08，1996