金 濤 牛亞峰 周 蕾

(1中國石油大學(華東)機電工程學院, 青島 266580)(2東南大學機械工程學院, 南京 211189)

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不同工作載荷下的警示性圖標認知機理

金 濤1牛亞峰2周 蕾2

(1中國石油大學(華東)機電工程學院, 青島 266580)(2東南大學機械工程學院, 南京 211189)

采用工作載荷范式研究警示性圖標在不同工作載荷下的認知機理,以及視覺突顯性與圖形語義信息對警示性圖標認知的作用．首先進行了有語義圖標實驗,以檢驗具有語義信息的警示性圖標在高低知覺負載下的注意捕獲效應(yīng),結(jié)果表明,在高、低工作載荷下警示性圖標都比普通圖標具有加工優(yōu)先性,但與任務(wù)無關(guān)的警示性圖標在高、低工作載荷下的注意捕獲能力沒有顯著差異,說明警示性圖標能夠自動獲取注意系統(tǒng)的加工．為分離突顯性視覺特征與語義信息2個因素對實驗結(jié)果的影響,進行了無語義圖標實驗,將警示性圖標轉(zhuǎn)換為具有突顯性但無語義信息的轉(zhuǎn)置圖標,發(fā)現(xiàn)警示性圖標在高工作載荷下的注意捕獲效應(yīng)顯著小于低工作載荷,即工作載荷能夠顯著調(diào)節(jié)其注意捕獲能力,說明警示性圖標在有語義圖標實驗中的注意捕獲效應(yīng)應(yīng)歸因于其本身攜帶的語義信息．本研究證實語義明確的警示性圖標能夠被注意系統(tǒng)自動捕獲,圖形語義信息在其中起到關(guān)鍵性作用,突顯性的視覺特征也會增加警示性圖標的注意捕獲效應(yīng)．

認知機理;警示性圖標;圖形語義;突顯性;工作載荷

具有警惕性或威脅性信息的視覺刺激,通常比一般刺激更容易吸引人們的注意[1]．如遇到毒蛇圖標、紅色按鈕和道路禁止路標,都會馬上引起注意[2]．可見,警示性圖標比一般圖標會更容易獲取人們的注意而獲得優(yōu)先加工[3],但這種現(xiàn)象的原因尚不明確．

Young[4]利用彩色幾何圖形和線條等視覺特征素材,發(fā)現(xiàn)突顯性視覺特征會自下而上地自動引導注意．Theeuwes[5]提出的額外奇異刺激范式是自下向上注意捕獲方式最有說服力的證據(jù),發(fā)現(xiàn)顏色突顯刺激從下而上地捕獲了注意．研究表明[6-7],注意資源會被與任務(wù)無關(guān)的突顯刺激無意識的吸引,突顯視覺特征是圖標刺激獲得優(yōu)先加工的重要因素之一,而有些研究[8-9]發(fā)現(xiàn)語義信息在圖標認識中起著重要作用,在不同搜索任務(wù)中大腦會采用視覺表征、語義信息表征或兩者同時使用等不同的策略．警示性圖標之所以會被注意優(yōu)先捕獲還可能有以下原因:圖形的語義信息與記憶內(nèi)容的含義相近時,大腦選擇與工作記憶最相關(guān)的目標刺激,從而激發(fā)自上向下的注意捕獲[10-11]．驗證此解釋對提高警示性圖標的認知績效非常重要:若視覺特征會導致圖標的優(yōu)先捕獲注意,則通過提高視覺特征的突顯性可以增強警示性圖標的注意捕獲能力;若是圖形含義可引起優(yōu)先捕獲注意,則應(yīng)建立更易被用戶接受的圖形語義表達方式．本文將研究在不同知覺負載條件下,視覺特征與語義信息在警示性圖標注意加工過程中的作用,并揭示其視覺認知加工機理．

目前對警示性圖標的視覺認知機理研究尚不多見,但在相關(guān)領(lǐng)域已開展了大量研究[12-13]．這些研究所用實驗材料難以有效分離圖形的視覺特征和語義信息,無法研究2個因素在圖標注意加工中的各自作用與機理．本研究采用經(jīng)典的知覺負載范式,以正置圖標(具有視覺特征和圖形語義信息)和倒置圖標(只有視覺特征)為實驗材料[14],研究視覺特征因素和圖形語義信息在高低知覺負載條件下對警示性圖標注意捕獲能力的影響,及警示性圖標的認知加工機理．

1 有語義圖標實驗

1.1 被試

選擇21名在校大學生和研究生,右利手,年齡在20～27歲,平均年齡為23歲(SD=311)．被試視力正常,無色盲色弱．被試均自愿參加實驗,實驗前不知道實驗意圖．

1.2 實驗材料

搜索集畫面是虛擬圓上均勻分布的6個灰色字母(見圖1),被試距畫面中心約600 mm,圓的直徑視角為58°,字母視角為1.0°×1.2°．圓心有一個灰色“+”是注視點,視角為0.7°×0.7°．干擾刺激為警示性圖標或普通圖標,呈現(xiàn)于直徑視角為8.7°的虛擬大圓上的6個可能位置,圖標視角為5.6°×5.6°．警示性圖標由外部粗方框(線寬0.8 mm)和內(nèi)部圖形組成,普通圖標由外部細方框(線寬0.6 mm)和內(nèi)部圖形組成．選出20個常見易辨、含義明確、灰度一致的圖標作為內(nèi)部圖標,經(jīng)測試,2 s內(nèi)的正確識別率為100%,倒置或旋轉(zhuǎn)±90°后的可識別率為0．

圖1 單個子試驗的實驗流程圖

刺激畫面呈現(xiàn)于亮度為95 cd/m2、分辨率為1 280×1 024 dpi的17 inch(566.67 mm)顯示屏上．利用Matlab PsychToolBox編制實驗程序．

1.3 實驗過程

實驗利用2(高/低載荷)×3(警示性圖標/普通圖標/無干擾)被試內(nèi)設(shè)計．注意捕獲效應(yīng)量(AC)為干擾圖片出現(xiàn)與不出現(xiàn)2種情況下的反應(yīng)時之差．

實驗流程如圖1所示．測試背景為黑色,首先灰色注視點“+”在屏幕中央呈現(xiàn)1 500 ms．隨后搜索集在顯示屏上出現(xiàn)并保持800 ms,要求被試在搜索集中盡快搜索目標字母(X或N),如果是X按A鍵,如果是N按L鍵．被試單擊后或3 000 ms后無反應(yīng),進入下一輪實驗．在低載荷情況下,搜索集的6個字母由1個目標字母(X或N)、1個非目標字母(任意選自A,E,F,K,H,M)和4個字母O組成;在高載荷情況下,搜索集的6個字母由1個目標字母(X或N)和5個不同的非目標字母(任意選自A,E,F,K,H,M)組成．所有字母隨機呈現(xiàn)于虛擬內(nèi)圓的6個位置．

在16%的子試驗中,干擾圖標隨機呈現(xiàn)于搜索集外圍,持續(xù)200 ms．干擾圖標分為警示性圖標和普通圖標,出現(xiàn)概率各為8%．為克服干擾圖標對目標字母認知反應(yīng)的影響,所有試驗中目標字母與干擾圖標至少間隔1個字母大小．在其他84%的子試驗中,搜索集外圍無干擾圖標．正式實驗分為6個組,每組有80個試驗,高低工作載荷情況混合均等出現(xiàn)．正式實驗之前,各位被試要進行40個子試驗,外圍不呈現(xiàn)干擾圖標,以免被試對干擾圖標產(chǎn)生預期．每組測試結(jié)束后休息1 min,整個實驗過程耗時約30 min．

1.4 實驗結(jié)果

利用傳統(tǒng)知覺載荷數(shù)據(jù)排除方法剔除大于2 s和小于0.2 s的反應(yīng)時數(shù)據(jù),然后基于保留的正確數(shù)據(jù),將平均反應(yīng)時進行重復測量方差分析,結(jié)果如圖2所示．由圖可見:工作載荷主效應(yīng)顯著,F(1, 20)=156.85,p< 0.01,表明工作載荷對操作績效有明顯影響；干擾圖標主效應(yīng)顯著,F(2,40)=18.91,p<0.01；二者之間交互效應(yīng)不顯著(p> 0.05)．對干擾圖標主效應(yīng)的事后多重比較結(jié)果表明:警示性圖標(883 ms)的反應(yīng)時顯著高于普通圖標(874 ms)和無干擾圖標(797 ms)(p< 0.01)．證明無論知覺特征是否突顯,圖標都可捕獲注意并獲得加工．

圖2 不同視覺突顯程度的干擾圖標在高低工作載荷下的平均反應(yīng)時

注意捕獲效應(yīng)量為有干擾圖標與無干擾圖標的反應(yīng)時差值．為深入比較警示性圖標與普通圖標的注意捕獲量大小,對2類干擾圖標在不同工作載荷下的注意捕獲效應(yīng)量進行重復測量方差分析,結(jié)果如圖3所示.由圖可見:工作載荷主效應(yīng)未達到顯著水平,F(1,20)=3.43,p>0.05,工作載荷高低對總注意捕獲效應(yīng)量的影響無顯著差異;干擾圖標主效應(yīng)顯著,F(1,20)=599,p<0.01；警示性圖標的平均注意捕獲效應(yīng)量(87 ms)顯著高于普通圖標(39 ms),前者的注意捕獲能力高于后者;工作載荷和干擾圖標的交互作用不顯著,F(1,20)=0.23,p>0.05,高低工作載荷下2種干擾圖標的注意捕獲能力沒有顯著變化．可見,警示性圖標的注意捕獲能力強于普通圖標,但在高低載荷下2種干擾圖標的注意捕獲能力無顯著變化．

圖3 不同類型的干擾圖標在高低工作載荷下的注意捕獲效應(yīng)量

對錯誤率進行重復測量方差分析,結(jié)果表明:工作載荷主效應(yīng)顯著,F(1,20)=32.94,p<0.01,高載荷條件下的錯誤率明顯高于低載荷;干擾圖標主效應(yīng)不顯著,F(2,40)=1.42,p>0.05;兩者交互作用不顯著(p>0.05),故不存在反應(yīng)時與正確率的權(quán)衡．

有語義圖標實驗結(jié)果表明,警示性圖標的總注意捕獲量顯著高于普通圖標,證明視覺特征的突顯性可影響圖標的注意捕獲能力;在搜索集外圍出現(xiàn)的圖標可獲得注意的優(yōu)先加工,且這種加工性不受知覺載荷的影響．圖標的這種自動捕獲注意的能力,可能存在2種解釋:① 突顯性視覺特征無意識引起人們自下而上的注意;② 圖標語義與人腦記憶內(nèi)容一致導致從上而下的注意．為深入解析這2種因素的影響,在無語義圖標實驗中,分離了同一圖標的視覺特征與圖形語義信息,進一步研究圖標的視覺認知機理．

2 無語義圖標實驗

2.1 方法

將有語義圖標實驗中的干擾圖標改為倒置圖標(或旋轉(zhuǎn)±90°),使圖標失去語義信息,而不影響對圖標的視覺特征加工[14]．實驗采用2(高/低載荷)×3(警示性圖標/普通圖標/無干擾)被試內(nèi)設(shè)計．其余皆同有語義圖標實驗．

2.2 實驗結(jié)果

刪除大于2 s和小于0.2 s數(shù)據(jù)，對反應(yīng)正確的平均反應(yīng)時進行重復測量方差分析,結(jié)果如圖4所示．由圖可見:工作載荷主效應(yīng)顯著,F(1,20)=167.33,p<0.01,失去語義顯著增加了任務(wù)難度,降低了認知績效;干擾圖標的視覺特征主效應(yīng)顯著,F(2,40)=9.02,p<0.01;工作載荷與視覺特征的交互效應(yīng)顯著,F(2,40)=5.10,p<0.01．對干擾圖標視覺特征的主效應(yīng)進行事后多重比較表明:出現(xiàn)警示性圖標(850 ms)和普通圖標(840 ms)的反應(yīng)時均顯著高于無干擾圖標的情況(823 ms)(p<0.01),其他無顯著差異(p>0.05),證明具有2種知覺特征的干擾圖標捕獲了注意．工作載荷與干擾圖標視覺特征的交互效應(yīng)進行簡單效應(yīng)檢驗結(jié)果表明:低載荷條件下,警示性圖標、普通圖標和無干擾3種情況之間的兩兩差異全部顯著(p<0.01);高載荷條件下,除警示性圖標與普通圖標條件之間無顯著差異之外(t(20)=1.89,p>0.05),其他差異全部顯著(t(20)=4.72,p<0.01;t(20)=3.18,p<0.01)．可見,警示性圖標和普通圖標都可捕獲注意,在低載荷下前者比后者更易捕獲注意,但在高載荷下兩者的捕獲注意能力相當．

圖4 不同視覺特征的干擾圖標在高低工作載荷下的平均反應(yīng)時

對2類干擾圖標在不同載荷下的注意捕獲效應(yīng)進行重復測量方差分析,結(jié)果如圖5所示. 由圖可見:工作載荷主效應(yīng)不顯著,F(1,20)=0.21,p>0.05,高低載荷下的注意捕獲效應(yīng)量沒有明顯差異;視覺特征的主效應(yīng)不顯著,F(1,20)=0.93,p>0.05,警示性圖標與普通圖標的總注意捕獲效應(yīng)量無顯著差異;工作載荷與視覺特征的交互效應(yīng)顯著,F(1,20)=6.11,p<0.01．

圖5 不同視覺特征的干擾圖標在高低工作載荷下的注意捕獲效應(yīng)量

進一步簡單效應(yīng)檢驗結(jié)果表明:低載荷下,普通圖標的注意捕獲效應(yīng)量(28 ms)顯著低于警示性圖標(79 ms),t(1,20)=2.57,p<0.01;高載荷下,普通圖標與警示性圖標的注意捕獲效應(yīng)量并無顯著差異,前者較后者的注意捕獲效應(yīng)呈現(xiàn)出減小趨勢,t(1,20)=0.29,p>0.05,證明在低載荷下警示性圖標的注意捕獲能力明顯強于普通圖標,而在高載荷下,2種圖標的捕獲注意能力趨于一致．此外,普通圖標在高低載荷下的注意捕獲量無顯著差異,t(1,20)=1.31,p>0.05,普通圖標作為一種突然出現(xiàn)的干擾圖標刺激,在高低載荷下都能取得注意捕獲而得到加工．但警示性圖標在高低載荷下的注意捕獲效應(yīng)存在顯著差異,t(1,20)=0.40,p<0.01,說明警示性圖標的注意捕獲能力受到工作載荷的影響．

對錯誤率進行重復測量方差分析顯示:工作載荷主效應(yīng)顯著,F(1,20)=50.02,p<0.01,高載荷條件下的錯誤率高于低載荷;視覺特征主效應(yīng)顯著,F(2,40)=7.21,p<0.01;工作載荷與視覺特征的交互作用不顯著,F(2,40)=1.67,p>0.05．對視覺特征主效應(yīng)進行事后多重比較發(fā)現(xiàn):警示性圖標呈現(xiàn)時的錯誤率顯著高于普通圖標和無干擾圖標呈現(xiàn)時的錯誤率,因此不需要進行反應(yīng)時與正確率的權(quán)衡．

3 討論

本研究通過有語義圖標實驗的研究發(fā)現(xiàn),高低載荷下語義明確的圖標均能捕獲注意,而警示性圖標比普通圖標具有更強的注意捕獲能力;視覺特征的突顯性會增加圖標的注意捕獲能力;圖標作為與任務(wù)無關(guān)的干擾刺激,能獲取優(yōu)先加工,并且不受工作載荷的影響．可見,圖標能突破知覺和注意資源的限制,自動獲取注意的優(yōu)先選擇．

無語義圖標實驗通過倒置圖標保留了視覺特征而去掉了語義信息,成功分離了圖標中的視覺特征與語義信息．據(jù)前人研究可知,倒置圖形干擾對刺激的整體加工,但不影響對刺激的視覺特征加工[15]．通過無語義圖標實驗說明失去語義信息的倒置圖標的注意捕獲效應(yīng)受到高低工作載荷的影響,在低載荷下警示性圖標比普通圖標具有更強的注意捕獲能力,而在高載荷下前者與后者的注意捕獲能力卻趨于一致．可見,語義信息是影響圖標獲得自動注意加工的重要因素,而視覺特征作為低水平簡單知覺屬性并不具備這種調(diào)節(jié)能力．故有語義圖標實驗中不受工作載荷調(diào)節(jié)的注意捕獲效應(yīng)可歸結(jié)為自身語義信息的作用,當圖標語義信息與記憶內(nèi)容相匹配時,圖標激活了工作記憶中的語義表征,以自上而下的方式優(yōu)先獲取注意．可見,圖標的語義信息越明確,越與記憶中熟悉的內(nèi)容一致,越容易捕獲注意．

4 結(jié)語

利用有語義圖標實驗檢驗了具有語義信息的警示性圖標在高低知覺負載下的注意捕獲效應(yīng),在無語義圖標實驗中,采用無語義信息的倒置圖標作為干擾刺激,驗證語義信息及視覺特征在警示性圖標認知中的作用及影響機理．通過上述實驗,得到警示性圖標的3種認知機理:① 突顯的視覺特征會導致自下而上的注意優(yōu)先捕獲．② 圖標語義信息與人腦記憶內(nèi)容一致時,會引起從上而下的注意捕獲．③ 語義信息明確的圖標之所以能突破認知資源的限制而自動化獲得加工,更多是得益于圖標本身的圖形語義信息,而突顯的視覺特征會增加圖標的注意捕獲效應(yīng)．

References)

[1]鄧曉紅,張德玄,黃詩雪,等.閾上和閾下不同情緒線索對返回抑制的影響[J].心理學報,2010,42(3):325-333. Deng Xiaohong, Zhang Dexuan, Huang Shixue, et al. Effects of supra- and sub-liminal emotional cues on inhibition of return[J].ActaPsychologicaSinica, 2010, 42(3): 325-333. (in Chinese)

[2]van Bockstaele B, Verschuere B, Tibboel H, et al. A review of current evidence for the causal impact of attentional bias on fear and anxiety[J].PsychologicalBulletin, 2014, 140(3):682-721. DOI:10.1037/a0034834.

[3]Schmidt L J, Belopolsky A V, Theeuwes J. Attentional capture by signals of threat[J].Cognition&Emotion, 2015, 29(4): 687-694. DOI:10.1080/02699931.2014.924484.

[4]Young S L. Increasing the noticeability of warnings: Effects of pictorial, color, signal icon and border[J].HumanFactors&ErgonomicsSocietyAnnualMeetingProceedings, 1991, 35(9):580-584. DOI:10.1518/107118191786754662.

[5]Theeuwes J. Perceptual selectivity for color and form[J].Perception&Psychophysics, 1992, 51(6):599-606. DOI:10.3758/bf03211656.

[6]牟兵兵, 宛小昂. 視覺搜索中的情緒干擾項預習效應(yīng)[J]. 心理學報, 2014,46(11):1603-1612. Mu Bingbing, Wan Xiaoang. The emotional distractor previewing effect in visual search[J].ActaPsychologicaSinica, 2014, 46(11):1603-1612.(in Chinese)

[7]Yeshurun Y, Kimchi R, Sha’Shoua G, et al. Perceptual objects capture attention[J].VisionResearch, 2009, 49(10):1329-1335. DOI:10.1016/j.visres.2008.01.014.

[8]白學軍, 尹莎莎, 楊海波,等. 視覺工作記憶內(nèi)容對自上而下注意控制的影響:一項ERP研究[J]. 心理學報, 2011, 43(10):1103-1113. Bai Xuejun, Yin Shasha, Yang Haibo, et al. The influence of visual working memory contents on top-down attentional control: An ERP study[J].ActaPsychologicaSinica, 2011,43(10):1103-1113.(in Chinese)

[9]Kiss M, Grubert A, Petersen A, et al. Attentional capture by salient distractors during visual search is determined by temporal task demands[J].JournalofCognitiveNeuroscience, 2012, 24(3):749-759. DOI:10.1162/jocn-a-00127.

[10]張慶, 張杰棟, 胡思源,等. 不受知覺負載調(diào)節(jié)的注意捕獲效應(yīng):生態(tài)信息的作用[J]. 心理學報, 2011, 43(11):1229-1238. Zhang Qing, Zhang Jiedong, Hu Siyuan, et al. Ecological stimuli are processed automatically[J].ActaPsychologicaSinica, 2011, 43(11):1229-1238. (in Chinese)

[11]劉麗,李運,李力紅,等.自上而下的注意控制定勢在注意捕獲中的作用[J].心理學報,2014,46(10):1442-1453. Liu Li, Li Yun, Li Lihong, et al. The effect of top-down attentional control setting on attentional capture[J].ActaPsychologicaSinica, 2014,46: 1442-1453. (in Chinese)

[12]Nordfang M, Dyrholm M, Bundesen C. Identifying bottom-up and top-down components of attentional weight by experimental analysis and computational modeling[J].JournalofExperimentalPsychologyGeneral, 2013, 142(2):510-535. DOI:10.1037/a0029631.

[13]張豹,黃賽,祁祿.工作記憶表征引導視覺注意選擇的眼動研究[J].心理學報,2013,45(2):139-148. Zhang Bao, Huang Sai, Qi Lu. Working memory representation does guide visual attention: Evidence from eye movements[J].ActaPsychologicaSinica, 2013, 45(2):139-148. (in Chinese)

[14]Folk C, Berenato A, Wyble B. Semantic priming produces contingent attentional capture by conceptual content[J].JournalofVision, 2014, 14(10): 318-318. DOI:10.1167/14.10.318.

[15]Ohman A, Lundqvist D, Esteves F. The face in the crowd revisited: A threat advantage with schematic stimuli[J].JournalofPersonality&SocialPsychology, 2001, 80(3): 381-396. DOI:10.1037/0022-3514.80.3.381.

Cognitive mechanism of warning icons under different working loads

Jin Tao1Niu Yafeng2Zhou Lei2

(1College of Mechanical & Electrical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)(2School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)

The classic paradigm of perceptual load was used to study the cognitive mechanism of warning icons under different working loads and the effects of visual features and semantic information. Semantic icon experiment was conducted to examine the attentional capture effect of the warning icons with semantic information under high and low perceptual loads. It is found that warning icons have a processing priority to regular icons under both high and low working loads, but the abilities of warning icons irrelevant to task to capture the attention under both high and low working loads have no significant difference, showing that warning icons can obtain the automatic processing of the noticed system. For separating the effects of visual features and semantic information on the cognitive experimental results of warning icons, reverse warning icons with salient visual features but without semantic information were used in the non-semantic icons experiment, it is found that the attention capture effects of reverse warning icons under high working loads are lower than those under low working loads, that is, working loads can significantly adjust the attention capture ability of reverse warning icons, which suggests that the attentional capture effect of a warning icon in the semantic icons experiment should be attributed to its semantic information. Results show that warning icons with explicit semantics can be automatically captured by the attention system, where the semantic information of graphics plays a key role, and the salient visual features can also increase the attention capture effects of warning icons.

cognitive mechanism; warning icons; graphics semantics; salience; working load

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.016

2016-02-16. 作者簡介: 金濤(1980—),男,博士,講師,jzht126@163.com.

國家自然科學基金資助項目(51405514)、教育部人文社會科學研究青年基金資助項目(16YJCZH037)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(15CX02032A).

金濤,牛亞峰,周蕾.不同工作載荷下的警示性圖標認知機理[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(6):1204-1208.

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.016.

TB472;B849

A

1001-0505(2016)06-1204-05