陳曉皎 薛澄岐 陳 默 田 靜 邵 將 張 晶

(東南大學機械工程學院, 南京 211189)

基于眼動追蹤實驗的數(shù)字界面質量評估模型

陳曉皎 薛澄岐 陳 默 田 靜 邵 將 張 晶

(東南大學機械工程學院, 南京 211189)

為了提高界面設計的合理性以及評估結果的準確性,以眼動追蹤為實驗手段,結合軟件工程領域的質量評估模型,開發(fā)了一個面向數(shù)字界面的質量評估模型.首先,基于對界面功能的分析,優(yōu)化出4個質量特性作為第一層次評估指標,分別為情感吸引性、設計復雜性、交互高效性、認知負荷大小;然后,由模型的質量特性推導出質量子特性,進而確定出6個質量子特性以及若干度量指標,分別將其作為第二、第三層次的評估指標.基于此,構建了一套多維、多層次的數(shù)字界面評價體系.最終,通過基于任務的F-18戰(zhàn)斗機顯控界面實驗,實現(xiàn)對戰(zhàn)斗機顯控界面客觀綜合的評估.評估結果表明,提出的評價模型能有效提高界面評估結果的可靠性.

數(shù)字界面;眼動追蹤;評估模型;質量;定量評估

數(shù)字界面作為信息化時代傳遞信息的重要載體,是用戶獲取信息進行決策判斷的主要依據(jù).信息傳遞是否精確、高效會影響用戶認知的差異以及決策判斷,而界面設計不合理導致的認知失誤會造成操作事故.因此,對界面進行有效評估,實現(xiàn)界面的優(yōu)化設計,對降低操作失誤率具有重要的作用.

目前國內外已經運用多種界面評估手段對數(shù)字界面進行評估,主要有主觀評價法、績效評估法、綜合理論評估法、數(shù)學模型評估法和生理實驗測評法.前4種評估方法在樣本采集數(shù)量不充分的情況下,存在一定的主觀意識偏差,在數(shù)字界面評估中往往被當作輔助評估方法.生理實驗測評法是指運用眼動追蹤技術和腦電技術對界面開展定量評估,其中眼動追蹤技術能對復雜數(shù)字界面的質量進行較為客觀的評估.Fitts等[1]開展了飛機駕駛艙界面設計的眼動評估研究, Cowen等[2]對網(wǎng)頁界面設計的布局合理性進行了眼動評估研究.Roth等[3]對不同類型的網(wǎng)站界面的設計元素布局進行了眼動研究,Asan等[4]對眼動追蹤技術與認知負荷相關聯(lián)的生理指標進行研究,朱偉等[5]對軟件界面評估中運用的眼動追蹤技術的指標進行了研究.這些研究著眼于利用生理指標對界面進行評估,但是關于眼動追蹤技術和界面評估如何構建映射關系,眼動追蹤技術哪些指標可以作為界面評估的度量指標,尚未有完善的論證.本文將眼動追蹤實驗的技術指標作為度量指標,借鑒軟件程序領域質量模型的構建思路,分析影響數(shù)字界面質量的界面元素,以提高界面評估結果的可靠性為目標構建評估模型.

1 數(shù)字界面質量眼動評估模型構建

1.1 眼動追蹤評估指標

眼動追蹤技術作為目前應用最為廣泛的界面評估方法,主要根據(jù)瞳孔直徑、注視點熱區(qū)、注視點數(shù)目、注視點序列等實驗數(shù)據(jù),對數(shù)字界面進行較為客觀、科學的評估.因此,本文選擇眼動追蹤技術作為建立數(shù)字界面質量評估模型的實驗途徑.

1) 瞳孔直徑是用戶視覺信息加工時的負荷指標之一.人在進行視覺信息加工時,瞳孔直徑的變化幅度與進行信息認知的努力程度密切相關.當認知負荷較大時,瞳孔直徑較大;反之,認知負荷較小時,瞳孔直徑也會相應較小[6].

2) 注視熱點直觀反應受試者在某個區(qū)域的停留時間長短和注視點的空間分布.此評估指標能較為直觀地反映受試者對界面的關注區(qū)域,針對重要信息的布局設計進行評估,同時評估是否有無關信息的干擾.

3) 注視點數(shù)目與視覺搜索的績效成反比,注視點數(shù)目越多表明視覺搜索的效率越低,注視點數(shù)目越少則表明搜索的效率越高.受試者對界面的信息獲取,以及決策判斷的效率都與此指標相關.

4) 注視點序列追蹤受試者眼球的轉動,依次標記出注視點在注視區(qū)域之間的位置轉換、停留時間、移動順序和路線.該指標用來度量界面布局的有效性以及層級信息的合理性.

1.2 質量評估模型構建

建立數(shù)字界面評估模型時,可參考McCall模型、Boehm模型、FURPS模型、ISO 9126模型等常見的軟件質量評估模型[7].評估軟件質量的通用模型一般分為3層：第一層次評估指標為質量特性；第二層次評估指標為質量子特性；第三層次評估指標為度量指標.度量指標需要根據(jù)具體的評估對象進行合理選擇[8].在評估模型的構建過程中,將以上軟件質量模型的構建邏輯引入到數(shù)字界面的評估體系中.本文根據(jù)“屬性—準則—度量”的原則,以界面功能實現(xiàn)的關鍵元素作為模型的屬性,以界面元素的設計合理性作為模型的構建準則,以眼動實驗技術指標作為模型的度量指標,建立數(shù)字界面質量的眼動評估模型.評估模型構的建過程如圖1所示.

圖1 數(shù)字界面質量的眼動評估模型構建過程

借助軟件質量評估通用模型的層次劃分理論,分析數(shù)字界面的屬性,把情感吸引性、設計復雜性、交互高效性和認知負荷大小作為數(shù)字界面質量評估模型的質量特性.根據(jù)數(shù)字界面的設計準則[9],通過質量特性推導出質量子特性.其中情感吸引性對應界面設計的基本元素,設計復雜性對應界面信息的數(shù)量和界面布局,交互高效性對應注視平均時間和操作正確率,認知負荷對應認知資源投入量.最后把眼動技術指標作為度量指標,建立數(shù)字界面質量的眼動評估模型,如圖2所示.

圖2 數(shù)字界面質量眼動評估模型

該數(shù)字界面質量眼動評估模型中質量特性、質量子特性和度量指標之間的映射關系如下：

1) 情感吸引性.利用數(shù)字界面對用戶的認知吸引性,來反映用戶對界面的情感因素.把界面的圖形、控件、字體、色彩等基本設計元素作為評估模型的質量子特性.

2) 設計復雜性.不同層級的大量信息呈現(xiàn)給用戶,且不同類別的設計元素組件按照一定的設計規(guī)律布局呈現(xiàn),因此界面設計具有復雜性.將信息數(shù)量和界面布局歸納為評估模型的質量子特性.設計復雜性的計算公式[10]為

式中,C表示復雜性;N為所有組件的數(shù)目;n為組件種類;Pi為第i類組件出現(xiàn)的概率.可看出,復雜性與組件數(shù)目、組件種類和Pi相關,N,n和Pi越大,對象設計越復雜.

3) 交互高效性.人機界面交互是人和界面之間進行信息溝通的一個雙向過程.人機交互的高效與否在一定程度上可作為評估界面設計優(yōu)劣的指標,任務完成時間和操作的正確率與交互高效性密切相關.任務完成時間在眼動實驗中用注視平均時間來衡量,注視平均時間反應測試人員提取信息的難易程度,注視時間越長表明信息提取的效率越低.操作的正確率也能在一定程度上作為界面交互高效性的表征反映.

4) 認知負荷.用戶對界面的認知過程需要認知資源的投入,認知資源的投入比例與界面帶給用戶的認知負荷是息息相關的.本文采用眼動追蹤的生理測評方法對認知負荷大小進行測量.眼動技術指標中的瞳孔直徑與認知負荷密切相關.當認知負荷變高時,瞳孔直徑會擴大;反之,認知負荷變小時,瞳孔直徑也會相應變小.

2 基于界面質量模型的眼動實驗

2.1 實驗材料

目前F-18戰(zhàn)斗機座艙顯控界面的數(shù)據(jù)比較完整,因此本文選取F-18戰(zhàn)斗機顯控界面作為實驗樣本.實驗圖片尺寸為1 024×768像素,格式為BMP圖片,位深度為16,符合眼動儀屏幕的分辨率需求.

2.2 實驗準備

被試為東南大學和南京大學的本科生和研究生,共15人.其中考慮飛行員大多為男性,因此被試選取男生較多,男生10人,女生5人,年齡在23～27歲之間.被試人群無色弱或色盲現(xiàn)象.實驗設備為德國SMI公司的iView X系列Hi-Speed型高精度眼動儀,包括iView PC測試計算機、Stimulus PC圖像顯示計算機和測試托架.

2.3 實驗任務

根據(jù)情境任務假設方法[11],設計F-18戰(zhàn)斗機顯控界面眼動實驗任務:

1) 要求被試按照自己對界面的理解觀察界面,設定界面呈現(xiàn)時間為2 000 ms,中間空屏呈現(xiàn)1 000 ms.

2) 要求被試檢查界面的引擎界面是否處于正常狀態(tài),并要求被試口頭回答是否正常,按任意鍵結束.

3 眼動實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 注視點數(shù)目

根據(jù)數(shù)字界面質量眼動評估模型的質量特性中的指標-情感吸引性,統(tǒng)計用戶的注視點熱區(qū)和注視點數(shù)目,劃分界面的興趣關注區(qū)域(AOI),結果如圖3所示.

(a) 界面1興趣關注區(qū)域

(b) 界面2興趣關注區(qū)域

首先分析15個被試在任務1中對界面1、界面2的興趣關注區(qū)域的注視點數(shù)目,結果如圖4所示,均值和方差如表1所示.根據(jù)數(shù)字界面質量眼動評估模型可知,在興趣關注區(qū)域的注視點數(shù)目多則吸引性好,因此界面2情感吸引性優(yōu)于界面1.

圖4 興趣關注區(qū)域注視點數(shù)目對比

主界面樣本容量/人均值/個標準差1158．66666710．0119002159．8666676．356849

3.2 注視點序列

15名被試在實驗過程中對界面1和界面2進行操作.通過注視點序列的軌跡,可以呈現(xiàn)被視的注視軌跡是否按照界面既定任務的操作流程進行移動,同時可以考察被試是否理解實驗任務,是否按照實驗任務的指導語執(zhí)行實驗任務.單個被試在界面1與界面2的注視點序列如圖5所示.

(a) 界面1的注視點序列

(b) 界面2的注視點序列

由圖5可看出,單個被試在界面1中的注視點序列路徑比界面2的注視點序列路徑復雜,有迂回路徑,且注視點數(shù)目多于界面2.根據(jù)數(shù)字界面質量眼動評估模型,界面的注視點序列清晰明確,且注視點數(shù)目較少,則界面布局較好;因此界面1設計復雜性高于界面2,界面2的交互高效性優(yōu)于界面1.

3.3 瞳孔直徑分析

所有被試在完成界面1和界面2檢查任務時的瞳孔直徑平均值如圖6所示,所得均值和方差如表2所示.

根據(jù)數(shù)字界面質量眼動評估模型,執(zhí)行實驗任務時,被試的瞳孔直徑越大,其對于界面的認知負荷越大.因此,根據(jù)評估模型的質量特性中的認知負荷指標,界面1需要用戶投入的認知資源量大于界面2,即界面1的認知負荷高于界面2.

圖6 被試瞳孔平均直徑分布圖

主界面樣本容量/人均值/個標準差11558．153775．25656621554．424764．872989

4 結語

本文借助產品質量評估模型和眼動追蹤技術,構建了數(shù)字界面質量評估模型.從界面功能實現(xiàn)的屬性需求出發(fā),定義了評估模型的質量特性.由質量特性推導出質量子特性,把界面設計基本元素、界面信息數(shù)量、界面布局、注視平均時間、操作正確率和認知資源投入量作為模型的質量子特性的衡量指標.從眼動實驗中提取了注視點熱區(qū)、注視點數(shù)目、注視點序列、瞳孔直徑等技術指標,建立評估模型的度量指標.在質量子特性和度量指標映射關系的基礎上,建立數(shù)字界面質量評估模型.最后,通過眼動實驗研究,實現(xiàn)了對戰(zhàn)斗機顯控界面客觀綜合的評估,驗證了此數(shù)字界面質量評估模型的有效性.

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Quality assessment model of digital interface based on eye-tracking experiments

Chen Xiaojiao Xue Chengqi Chen Mo Tian Jing Shao Jiang Zhang Jing

(School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)

To improve the rationality of the interface design and the evaluation accuracy, combining eye tracking and the quality assessment model from the field of software engineering, a digital interface quality evaluation model is proposed. First, based on the analysis of the interface function, four quality characteristics are achieved and considered as the first level evaluation indices. These quality characteristics are attractiveness, complexity of design, efficiency of interaction, and cognitive load. Then, six child quality characteristics and some metric elements are identified by mining the model’s quality characteristics, which are classified as the second and the third level evaluation indices. Therefore, a multidimensional and multilevel evaluation model based on the digital interface is established. Finally, a comprehensive assessment of the aircraft display interface was achieved by the experiment of F-18 aircraft display interface based on tasks. The evaluation results demonstrate that the model can effectively improve the reliability of interface evaluation results.

digital interface; eye-tracking; evaluation model; quality; quantitative evaluation

第47卷第1期2017年1月 東南大學學報(自然科學版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol．47No．1Jan．2017DOI：10．3969/j．issn．1001-0505．2017．01．008

2016-05-17. 作者簡介: 陳曉皎(1988—),女,博士生;薛澄岐(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導師,ipd_xcq@seu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(71471037)、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(KYLX15_0061).

陳曉皎,薛澄岐,陳默,等.基于眼動追蹤實驗的數(shù)字界面質量評估模型[J].東南大學學報(自然科學版),2017,47(1):38-42.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.01.008.

TP301

A

1001-0505(2017)01-0038-05