許盼盼，吳曉莉，晏 彪

(1.南京理工大學工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院，江蘇 南京 210094) (2.河海大學人因與信息系統(tǒng)交互實驗室，江蘇 常州 213022) (3.南京理工大學設(shè)計藝術(shù)與傳媒學院，江蘇 南京 210094)

隨著智能控制系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，視覺識別效率顯得尤為重要。由于顏色對人的視覺識別效率的影響很大，因此需要開展智能控制系統(tǒng)中色彩編碼對人的注意捕獲機制的影響效果研究。針對色彩編碼在智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，國內(nèi)外多側(cè)重于界面的可用性評價。Laar[1-2]在控制類型的顯示設(shè)計中提出了關(guān)于顏色的視覺分層方法；Wu等[3]分析了色相、明度和飽和度在前景色和背景色搭配上的認知績效；Ahlstrom等[4]采用層次化的明度編碼對空中交通管制顯示器界面進行了改良設(shè)計分析；Dennis[5]通過層次化顏色組合對信息進行重要性排序；Xue等[6]發(fā)現(xiàn)黑色背景上隨著目標與背景間色差的增大，出現(xiàn)了反應(yīng)漸慢的趨勢；李晶等[7]通過對視覺感知分層和注意捕獲程度的關(guān)聯(lián)分析,提出利用兩顏色之間的相互干擾反應(yīng)時間之差來判斷其注意捕獲程度。

在顏色對注意捕獲的影響方面，國內(nèi)外學者針對不同因素對該機制的效率和作用進行了實驗驗證。Theeuwes[8-9]研究發(fā)現(xiàn)，在單任務(wù)條件下顏色干擾能捕獲注意；白學軍等[10]采用訓練-測試范式考察了顏色和位置信息在價值驅(qū)動注意捕獲中的作用；王慧媛等[11]采用線索化范式,在線索和靶子間建立語義關(guān)聯(lián), 考察語義關(guān)聯(lián)對注意捕獲的影響。

前述研究雖取得了豐碩的成果，但仍需要進一步研究色彩對各類指示圖標、文字等信息元素的影響。本文從數(shù)據(jù)圖符角度出發(fā)研究交互界面的色彩編碼，對核電廠控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)圖符色彩編碼方式進行行為實驗，尋求最佳的監(jiān)控界面數(shù)據(jù)圖符可視化呈現(xiàn)方式。

1 數(shù)據(jù)圖符特征分析與設(shè)計

1.1 圖符特征分析

提取核電系統(tǒng)中硼酸和水補給系統(tǒng)界面中的數(shù)據(jù)圖符，依據(jù)功能區(qū)的監(jiān)測對象不同——水、硼酸、水和硼酸混合液，將監(jiān)控設(shè)備的測量數(shù)據(jù)分成3類：水數(shù)據(jù)信息、硼酸數(shù)據(jù)信息、水和硼酸混合溶液數(shù)據(jù)信息(表1)。提取起主要作用的兩種元素——水、硼酸作為實驗材料。

表1 原界面數(shù)據(jù)圖符

1.2 圖符色彩編碼

數(shù)據(jù)信息圖形化可以將復(fù)雜的信息簡單化，使要表達的內(nèi)容更加直觀清晰[12]。李晶等[13]通過視覺搜索實驗分析了不同形狀特征對認知績效的影響，結(jié)果表明圓弧輪廓的認知績效最高，最容易捕獲注意，即數(shù)據(jù)框下增加圓環(huán)狀圖表是最優(yōu)的數(shù)值可視化呈現(xiàn)方式。圓環(huán)狀的圖表既可均勻表達數(shù)值大小及屬性，也便于與數(shù)據(jù)框關(guān)聯(lián)。

為了增加信息的可識別性和差別性，在原界面純字符的基礎(chǔ)上增加色彩圖符——動態(tài)色環(huán)，用顏色刺激來提高用戶的視覺認知效率。對顯示水、硼酸數(shù)據(jù)信息區(qū)域的色環(huán)顏色在色彩的三原色——紅、黃、藍中選擇，對顯示水和硼酸混合液數(shù)據(jù)信息區(qū)域的色環(huán)顏色采用三原色中兩者的混合色。

2 實驗

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

本文實驗的目的是分析信息圖符在不同色彩編碼情況下對搜索效率的影響，分析數(shù)據(jù)圖符色彩語義和字符色彩組合對注意捕獲效應(yīng)的影響，研究數(shù)據(jù)可視化的呈現(xiàn)方式。實驗假設(shè)如下：1)當數(shù)據(jù)圖符帶有色彩刺激時，會產(chǎn)生注意捕獲效應(yīng)；2)當線索色環(huán)的色彩語義與數(shù)據(jù)圖符的特征屬性一致時，搜索效率最高。

2.2 實驗設(shè)計

1)變量。

實驗以字符組合方式(2組：白底黑字/黑底白字)、線索色環(huán)顏色(4組：紅/黃/藍/無)及線索有效性(2組：有效/無效)3個因素為自變量，通過行為指標進行數(shù)據(jù)分析。實驗按照搜索任務(wù)分為“硼酸”和“水”兩組。

2)實驗材料。

線索畫面上有以“+”為圓心的虛擬圓均勻分布的4個信息圖符：色環(huán)存在時，圖符都由1個數(shù)據(jù)框和1個圓環(huán)構(gòu)成，其中1個圓環(huán)為滿色的圓環(huán)，顏色為紅(H：0，S：75，B：72)、黃(H：45，S：75，B：72)、藍(H：195，S：75，B：72)中的一種，數(shù)據(jù)框內(nèi)部數(shù)字為“10”，其余3個為灰色圓環(huán)，數(shù)據(jù)框內(nèi)數(shù)字為“0”；搜索畫面中的靶子信息為漢字“水”或“硼”中的一個，非靶信息有3個，分別為漢字“混”、“合”、“砂”，漢字前有一個數(shù)據(jù)框，4個數(shù)據(jù)框中分別為數(shù)字“1”“2”“3”“4”，數(shù)字與漢字隨機組合。數(shù)據(jù)框字符有黑底白字和白底黑字兩種形式。測試背景采用核電控制界面的主體背景色(H：240，S：0，B：87)。

3)實驗流程。

實驗流程如圖1所示。每一個靶子進行64次搜索，共進行128次實驗，搜索任務(wù)出現(xiàn)的順序隨機。

圖1 實驗流程

2.3 實驗設(shè)備與被試對象

設(shè)備選用一臺15.6英寸計算機顯示屏呈現(xiàn)圖片刺激，屏幕分辨率為1 366像素×768像素，實驗程序采用E-prime編寫。被試對象為河海大學在校研究生(男、女各11人)，均為工科背景，平均年齡23周歲，無色弱、色盲等，矯正視力在1.0以上。

2.4 實驗結(jié)果

選取20組有效數(shù)據(jù)，刪除反應(yīng)時不到 700 ms或超過 3 000 ms的試次, 刪除每個被試對象平均數(shù)上下 2 個標準差外的試次, 共刪除了8.7%的數(shù)據(jù)。

對反應(yīng)時間進行方差齊性檢驗發(fā)現(xiàn)，字符組合方式(p=0.416，p>0.05)、線索色環(huán)顏色(p=0.314，p>0.05)、線索有效性(p=0.682，p>0.05)的顯著性p均大于0.05，即方差齊性假設(shè)成立，因此可以對數(shù)據(jù)進行下一步方差分析。

1)字符組合方式結(jié)果分析。

實驗結(jié)果表明，字符組合為白底黑字的平均反應(yīng)時間(1 452.87 ms)少于字符組合為黑底白字的平均反應(yīng)時間(1 491.19 ms)，且在線索有效和無效兩種情況下，字符組合為白底黑字的反應(yīng)時間均少于字符組合為黑底白字的反應(yīng)時間，如圖2所示。進行反應(yīng)時間的重復(fù)測量方差分析結(jié)果表明(表2)，數(shù)據(jù)字符組合的主效應(yīng)不顯著(F=1.572,p=0.212,p>0.05)。

表2 字符組合反應(yīng)時間的主體間效應(yīng)比較

圖2 字符組合反應(yīng)時

2)對靶子為“水”的實驗結(jié)果分析。

對靶子為“水”一組的反應(yīng)時間方差齊性檢驗發(fā)現(xiàn)，色環(huán)顏色(p=0.669，p>0.05)、線索有效性(p=0.301，p>0.05)的顯著性p均大于0.05，即方差齊性假設(shè)成立，可對數(shù)據(jù)進行下一步方差分析。

對色環(huán)顏色、線索有效性兩種變量進行重復(fù)測量方差分析表明(表3)，線索有效性主效應(yīng)顯著(F=9.692,p=0.003,p< 0.01)，線索有效時的反應(yīng)時間(1 321.16 ms)明顯少于線索無效時的反應(yīng)時間(1 439.06 ms)，同時線索有效性與線索的顏色沒有產(chǎn)生交互作用(F=0.182,p=0.670,p>0.05)。更為重要的是線索顏色的主效應(yīng)顯著(F=6.166,p< 0.05),如圖3所示，當線索色環(huán)為藍色時，反應(yīng)時間明顯少于線索色環(huán)為紅色或者黃色的反應(yīng)時間，且線索有效條件下的反應(yīng)時間明顯少于線索無效條件下的反應(yīng)時間，即出現(xiàn)了注意捕獲現(xiàn)象。當線索為其他顏色時，線索有效和無效兩種條件下的反應(yīng)時間仍有差異，但差異比線索色環(huán)為藍色時小，即其他顏色的注意捕獲量少。同時，線索色環(huán)在有色條件下的反應(yīng)時間均少于線索色環(huán)無色條件下的反應(yīng)時間。

圖3 水實驗組反應(yīng)時間

表3 水實驗組反應(yīng)時間的主體間效應(yīng)比較

3)靶子為“硼酸”的實驗結(jié)果分析。

對靶子為“硼酸”一組的反應(yīng)時間進行方差齊性檢驗發(fā)現(xiàn)，色環(huán)顏色(p=0.215，p>0.05)、線索有效性(p=0.338，p>0.05)的顯著性p均大于0.05，即方差齊性假設(shè)成立，可對數(shù)據(jù)進行下一步方差分析。

對色環(huán)顏色、線索有效性兩種變量進行重復(fù)測量方差分析表明(表4)，線索的有效性主效應(yīng)顯著(F=10.523,p<0.05)，線索有效時的反應(yīng)時間(1 521.25 ms)明顯少于線索無效時的反應(yīng)時間(1 607.09 ms)，同時線索有效性與線索的顏色沒有產(chǎn)生交互作用(F=0.375,p>0.05)。更為重要的是線索色環(huán)顏色的主效應(yīng)顯著(F=3.027,p<0.05),如圖4所示，當靶子為“硼酸”、線索色環(huán)為紅色時，反應(yīng)時間明顯少于線索色環(huán)為黃色和藍色的反應(yīng)時間，且線索有效條件下的反應(yīng)時間明顯少于線索無效條件下的反應(yīng)時間，即出現(xiàn)了注意捕獲現(xiàn)象。當線索色環(huán)為其他顏色時，線索有效或無效兩種條件下的反應(yīng)時間仍有差異，且差異與紅色相比更大，但總反應(yīng)時間過長，搜索效率不高。線索有色條件下的反應(yīng)時間均少于線索無色條件下的反應(yīng)時間。

圖4 硼酸實驗組反應(yīng)時間

表4 硼酸實驗組反應(yīng)時間的主體間效應(yīng)比較

對“水”“硼酸”兩組反應(yīng)時間進行重復(fù)測量方差分析表明，靶子身份的主效應(yīng)顯著(F=69.443,p<0.001)，數(shù)據(jù)表明靶子為“水”的反應(yīng)時間(1 380.11 ms)明顯少于靶子為“硼酸”的反應(yīng)時間(1 564.67 ms)，但是靶子身份未與其他因素產(chǎn)生交互作用，這說明靶子身份的反應(yīng)時間有差異，但不對每個靶子條件下的注意捕獲現(xiàn)象產(chǎn)生影響。在兩組反應(yīng)時間數(shù)據(jù)中，線索有色條件下的反應(yīng)時間均少于線索無色條件下的反應(yīng)時間。

3 數(shù)據(jù)符優(yōu)化設(shè)計

兩組實驗數(shù)據(jù)表明，帶有藍色圓環(huán)的水數(shù)據(jù)信息搜索效率最高，帶有紅色圓環(huán)的硼酸數(shù)據(jù)圖符搜索效率最高。根據(jù)水的屬性和一般人的認知，會自覺將水的屬性和藍色聯(lián)系在一起；而根據(jù)硼酸的特征，會自覺將酸屬性的溶液與紅色聯(lián)系在一起。實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)屬性特征的色彩語義一致，根據(jù)該結(jié)果對數(shù)據(jù)圖符進行優(yōu)化。

在該核電廠控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面中，將顯示水數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)符設(shè)計為藍色(H：195，S：75，B：72)圓環(huán)動態(tài)圖符和白底黑字的組合；將顯示硼酸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)符設(shè)計為紅色(H：0，S：75，B：72)圓環(huán)動態(tài)圖符和白底黑字的組合；顯示水和硼酸混合液數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)符根據(jù)其信息特征，采用藍色和紅色的混合色——紫色(H：270，S：75，B：72)圓環(huán)動態(tài)圖符和白底黑字的組合，如圖5所示，優(yōu)化后的監(jiān)控界面如圖6所示。

圖5 優(yōu)化設(shè)計的數(shù)據(jù)圖符

圖6 優(yōu)化后的核電廠監(jiān)控界面

4 結(jié)論

本文對數(shù)據(jù)圖符信息特征和色彩編碼設(shè)計進行實驗研究，得到以下結(jié)論：

1)圖符反應(yīng)時間實驗結(jié)果表明，在數(shù)據(jù)符的表達形式中，圖符+字符組合形式下的搜索效率比純字符形式下的搜索效率高；當靶子的屬性特征與線索的色彩語義一致時線索會捕獲注意，即反應(yīng)時間最短，搜索效率最高；不同字符的顏色組合條件下的效應(yīng)不顯著，白底黑字和黑底白字這兩種字符顏色組合的搜索效率無明顯差異，對注意捕獲能力不產(chǎn)生影響。

2)當刺激帶有某種色彩語義時，在一定程度上具有吸引注意的能力；色彩的語義與目標的特征屬性一致時，這種捕獲注意的能力達到最大。

本文的研究結(jié)果為智能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化的表達方式提供了依據(jù)。