《厦门理工学院学报》  2021年第1期 53-60   出版日期:2021-02-28   ISSN:1673-4432   CN:35-1289/Z
显示器画面排布和信息提示对监控效率的影响


数字化监控系统在现代生产生活中发挥着重要的作用[1],近年来诸多触目惊心的火灾报道更是说明了其重要性。视觉信息的呈现方式对视觉搜索效率有显著的影响[2],人机交互界面的相关研究表明,好的数字化界面布局将优化人机交互过程[3]。作为影响监管人员视觉认知效率的重要因素, 监控画面排布设计的优化对于提高监管效率、减少事故发生有很大帮助。因此,设计合理的监控系统来提升监管效率是一个重要课题。 当前相关研究中,研究者更多在意界面的容纳度而非界面设计对监控效率的影响[4],且以往该领域的研究主要依赖研究者的经验或定性分析工具[5]。近年来,随着眼动跟踪技术的发展,研究者可以实现对监控画面布局的更精准观察[6]。本研究基于实验操控,采用眼动追踪技术采集被试注视监控界面时的眼动数据,结合问卷调查进行数据分析,探讨不同的监控画面排布方案和信息提示对监控效率的影响,以利于监控画面排布和监控系统的优化,提高监控人员的监控效率。 1实验设计 11实验目的 通过对监控画面布局进行设计,研究分画面间是否有间隙,画面的水平或垂直序列方式,是否给予提示对被试观看监控画面时注意力分布的影响,从而有针对性地提出改善建议,优化监控效率。 12页面布局和组间设计 界面作为人机信息交互的基础,改善其设计水平能有效提高人机系统绩效[6]。文献[7]对数字化界面的设置要素进行了综合考量,以期达到合理的视觉效果和高效的信息传播能力,提出了人机交互界面布局设计平衡、比例、简洁、呼应的美度指标。本文充分考量这些指标,对监控画面进行设计。 若监控人员难以从监控画面背景中识别正确信息,造成看错或忽视这些信息,则监控画面排布的可用性就很差。而在监控显示器的分画面间留出间隙,可以减小画面密度,易于辨别视觉效果。赵乃迪[8]通过对互联网网页进行实验,验证了被试在高密度页面的视觉搜索效率显著低于低密度页面,这一点在手机界面上也得以验证[9]。也有研究指出,人机界面的信息采取水平方式排布比垂直排布更为高效,如:雷静[10]认为信息栏目呈水平结构排列时最有利于视觉搜索;宋洋洋等[11]提出,在网页视觉搜索中,区间位置效应其视觉搜索时间呈现从左到右、从上到下逐渐增加的趋势。 本研究执行2(监控分画面间有无间隙)×2(分画面以水平或垂直序列排布)×2(监控管理流程中是否给予提示)的组间实验设计,对每个因子及其各自的两个水准进行交互,形成8种不同监控管理方式。以X公司真实生产车间监控画面为实验素材,根据分画面有无间隙、分画面排列方式(2×2)设计4种监控界面,具体如图1所示。 图14种监控画面 Fig1Four kinds of monitoring pictures 实验组在实验说明中增加提示“该工厂近年来常常发生各种各样的意外,监控人员责任很大,需要敏锐地察觉到可能存在的危险因素,你的疏忽也许会无法挽回本可以及时减免的重大的人财损失”;控制组则不做提示。 厦门理工学院学报2021年 第1期李若玉,等:显示器画面排布和信息提示对监控效率的影响 13试测 为了更严谨地执行正式实验,先招募志愿者进行试测。测试了实验材料、流程、数据等,确保都可行后才进行正式实验。 14实验流程 通过微信群、朋友圈等方式招募100名在校学生参与眼动实验。被试视力或矫正视力正常,无色盲、色弱。剔除视力、数据不完整等不满足条件的被试,有效被试为80人,其中男女比例各半,年龄分布在18~24岁,将男、女随机平均分配到8组中。每个人需要在浏览显示器后选择出自己认为有问题的画面,并回答相应问卷。本实验利用眼动仪来记录被试的注视时间、注视次数、注视轨迹等。除必要的实验步骤说明外,研究内容与目的未告知被试,以避免实验室效应。 实验步骤如下: 1)向被试说明本次实验的流程,告知其将花费的时间和获取的奖励。 2)请被试阅读关于实验背景、操作步骤的实验说明并加以讲解、确认。 3)为被试配戴好眼动头盔。被试保持平静和放松的状态,进行五点定标。 4)指导被试观看监控画面。为了验证水平或者垂直序列排布方式对监控效率的影响,在听到“开始”指令后,请被试首先看6号分画面以确认人员是否在岗(本研究中,在水平或者垂直序列排布方式下,6号分画面在屏幕上的位置明显不同);然后继续执行其他监控任务,若认为当前画面显示工厂运作存在某些可能的不安全因素,请指出,否则结束本任务。观测时长限制为100 s。 5)给被试摘下眼动仪,请其填写问卷,表达谢意,支付报酬,送其离开。 2实验结果与数据分析 眼动跟踪系统进行数据采集,研究获取被试视觉搜索的整个活动过程。使用ANOVA分析各人口统计量是否对发现问题画面的速率和发现问题的正确率产生影响,结果显示,视力、性别和是否有过VR体验对其影响均无显著性差异。 21视觉搜索效率 视觉搜索效率可以说明界面信息布局的优劣,认知处理时间远大于搜索信息时间,说明信息布局合理,搜索信息效率高[12],监控效率高。本研究采用视觉搜索效率公式[13]对各组被试进行任务“请看6号画面并告知人员是否在岗”的视觉搜索效率评估,计算公式为: R=fs。(1) 式(1)中:R为视觉搜索效率;f为凝视持续的时间(认知处理信息的时间),单位为ms;s为扫视时间(搜索路径持续时间),单位为ms。 本文采用凝视/扫视比来比较被试在不同布局监控界面的搜索效率。表1给出了在有无获取监控信息提示情景下各组被试的注视时长、进行某任务的扫视时间、凝视持续时间和扫视次数。表1中,1~4组为被试获取提示下的实验组,5~8组为被试未获取提示下的实验组。由表1可见:(1)分画面水平序列方式下的反应时间与凝视持续时间小于垂直序列方式下;(2)分画面有间隙时的反应时间与凝视持续时间小于分画面无间隙的。说明无间隙、垂直序列排布方式对存在问题画面的搜索耗时长于有间隙、水平序列排布方式的。 表1各实验组具有代表性的眼动指标参数 Table 1Representative eye movement index parameters by experimental groups 实验组注视时长/ms执行某任务的扫视时间/ms凝视时长/ms扫视次数140 0652 0404 741160266 72413 87111 855189358 6442 7206 990144467 47331 1628 251218558 2662 5107 569178647 1339 7609 629138757 0083 0409 872141837 3317 30015 102123表2为各实验组对任务“请看6号画面并告知人员是否在岗”的搜索效率。根据不同画面布局方案的凝视与扫视,可根据注视时长、凝视时间、注视点数等,分析有无获取监控信息提示、间隙、序列方式对被试发现问题画面效率的影响。 表2各实验组对给定任务的视觉搜索效率 Table 2Visual search efficiency for a given task by experimental groups 实验组搜索效率是否高效13304 411 765是20854 660 803否32569 852 941是40280 822 797否52874 174 174是60986 577 869否73247 368 421是80200 396 825否22注视时间和注视次数 通过分析各组被试选取问题画面的效率(结合调查问卷进行准确性分析),验证监控分画面有无间隙、分画面水平或垂直序列方式、监控系统有无提示对被试监控效率的影响,并且进一步利用计量经济模型进行方差分析,以验证研究假设。对被试者在3因子、8组实验中观看监控画面的注视时间和注视次数进行ANOVA方差分析,结果见表3。 表3不同实验组的眼动指标平均值与标准差 Table 3Mean and standard deviation of eye movement indexes by experimental groupsms 实验 组注视时长平均注视时长标准差任务扫视时间平均注视时长标准差注视到第一个问题画面经过的时间平均注视时长标准差153792 50015983 340 6904382 500 0003131 304 64036017 6025817 800 00264442 87516635 974 2003907 000 0002866 128 08926773 0026154 200 00354570 25018103 825 6702615 125 0001200 904 39221474 1020228 300 00456553 75022037 003 5206467 000 00010464 331 55024912 7528181 160 28533511 17515157 939 2904485 714 2862316 024 03932562 5013428 499 67643504 25018895 953 7102584 666 6673271 418 43242933 8023319 420 14732856 62515906 350 0801503 857 1431066 194 76027628 3013849 900 00834969 8758518 874 8735818 714 2863778 377 75934969 908518 900 00由表3可见,被试观看监控画面时,在本研究所采用的各种变量作用下,注视时间存在显著差异,被试观看无间隙和垂直序列监控界面相对于观看有间隙和水平序列监控界面而言,其注视时间更长 (F间隙=1126 ,P=0002<005,F序列方式= 565,P= 0022<005)。被试注视到6号画面的时间也存在一定差异,在任务“请看6号人员画面是否在岗”中,对于给定的任务画面水平或垂直序列的主效应较为显著,在水平序列监控界面上找到6号画面所需的时间比在垂直序列的监控界面上更短(F间隙=013,P=0717>005,F序列方式=336,P=0075<01)。 研究被试选择第一个问题画面被注视到前经过的时间,态度主效应最为显著,被试获取监控信息提示比未获取监控信息提示能够更快地注意到问题画面。同时,间隙对注意到问题画面的时间也存在显著影响,监控界面的分画面之间存在间隙,能使被试更快发现问题画面(F间隙=29,P=0091 00<01,F序列方式=020,P=0661>01,F态度=1105,P=0002<005)。 23视觉搜索和信息提示 视觉搜索是在视觉环境中寻找特定目标的过程,是生产生活中一项很常见的任务[14]。视觉搜索要求在特定的刺激背景中搜索到目标,具有强烈的目的性[1516]。在视觉搜索行为的研究中,反应时间与反应准确性是视觉搜索效率的重要指标[17]。李晶等[18]发现,通过形状编码引导视觉注意的前后顺序能有效提高信息搜索和目标认知效率;杨林栋等[19]在探讨效率、时间压力和目标个数对视觉搜索绩效的影响时发现,在有时间压力和目标出现概率的情况下搜索效率视觉较高;刘畅等[20]对语音噪声环境下的视觉搜索绩效进行了研究,认为语言传输指数对于视觉搜索准确率并没有显著影响。 通过给予监控人员提示,以提高其对危险感知能力,增强安全意识,提高危险警惕,保障人身安全,预防事故发生[21]。而在是否得到提示时的眼动模式分为带发现搜索与无目的浏览[22]。带发现搜索即得到外在提示并带着某种任务进行视觉搜索,无目的浏览是在注视某个对象时,主观上不容易注意到该对象展现的某些属性特征,除非特征能被显著注意到。研究表明,被试在有无项目位置信息提示页面布局中,视觉搜索绩效和鼠标点击绩效指标上的差异十分显著[19]88。在外界提示是否有助于被试的视觉搜索方面,白霜等[23]研究指出,刺激对被试的视觉搜索绩效与正确率的提高有显著的统计学意义。 本研究采用轨迹图来分析有无信息提示下的视觉搜索效率。图2、图3分别为被试在有无获取信息提示下的凝视扫视轨迹图。图3中,圆点表示注视点,其大小代表停留时间,数字表示先后顺序,圆点之间的直线表示眼跳,扫视路径的长度则体现被试视觉在各区域之间的往返情况,此图可以很直观地观察被试的观看过程[24]。由图2可见,被试在获取提示、积极带发现观看画面时,在各个区域内的注视点普遍比较密集,在某些区域则聚集着更多的注视点。由图3可见,被试在未获取提示、无目的浏览状态下,表现出的是分散且往返程度低的凝视扫视过程。可见,轨迹图所展示结果与定量数据分析结论相符合,即当监控管理流程中增加监控提示状态下,被试可形成密集且往返程度高的凝视扫视过程。 图2获取信息提示下的凝视扫视轨迹图 Fig2Gazeglance trajectories with system prompts 图3未获取信息提示下的凝视扫视轨迹图 Fig3Gazeglance trajectories without system prompts 不同的布局排布方式和心态,被试的视觉搜索过程呈现显著的不同。图4列举了各实验组的轨迹图,由此可见,注视点所聚集的区域不尽相同,注视点延伸轨迹大不相同,注视点数量差距显著。 图4各实验组的凝视扫视轨迹图 Fig4Gazeglance track by experimental groups 前4组被试获得监控信息提示,后4组无。组1、组2在各区域间无间隙且以水平、垂直方向序列,组3、组4在各区域间有间隙且以水平、垂直方向序列,表明,被试对各个区域的关注均匀程度较大;组5、组6在各区域间无间隙且以水平、垂直方向序列,组7、组8在各区域间有间隙且以水平、垂直方向序列,表明,被试对各个区域的关注均匀程度较小。 25热点图 热点图能够直观反映被试的注意程度,其颜色越深代表注视频率越高。由图5可以看出:1)有提示下,被试的注意更集中;2)相比各区域间存在间隙,被试在无间隙的界面注视时间更长;3)相比各区域以水平方式序列,被试在垂直方式序列的界面注视时间更长。 图5是否获取提示下的眼动轨迹热点图 Fig5Eye movement track heat with or without system prompts compared 3讨论 31监控显示器分画面有无间隙时的监控效率 对监控显示器分画面有无间隙的眼动数据进行双样本t值检验,结果显示:在005显著性水平下,有间隙的监控界面平均注视时间(42 183 ms)显著小于无间隙的监控界面平均注视时间(53 480 ms)。与分画面无间隙相比,分画面间留有间隙能够提高监控效率。间隙增加了每个分画面被区别出来的能力。由于监控界面具有色彩且工厂的场景具有相似性,有间隙加以区分能帮助监控人员更有效地执行任务。 32监控显示器分画面序列不同排布方式下的监控效率 对监控显示器分画面水平/垂直序列排布方式的眼动数据进行双样本t值检验,结果显示:在005显著性水平下,水平序列的监控界面平均注视时间(2 6899 ms)显著小于垂直序列的监控界面平均注视时间(5 4925 ms)。与分画面垂直序列排布相比,分画面水平序列排布能够提高监控效率。在水平序列排布下,监控人员进行某个给定任务的效率更高。大多数人的视觉活动习惯为从左到右、从上到下[25]。由视觉搜索轨迹图、视觉搜索效率计算得知,在给定某个任务时,监控显示器的分画面以水平序列方式进行排布能使监控人员更快找到该任务画面,尤其在多区域监控界面上。 33监控管理流程中是否给予提示情况下的监控效率 对监控管理流程中是否给予提示的眼动数据进行双样本t值检验, 结果显示:在005显著性水平下,有提示情况下发现第一个问题画面平均时间(21 233 ms)显著小于被试未获提示情况下的(38 246 ms)。与未给予监控人员提示相比,有提示时监控效率更高。在未获取监控提示时,对不安全因素的处理属于保守信息处理模式,积极观看能更快地发现问题画面。 4结论与建议 本研究借助眼动跟踪技术对监控画面排布进行了优化,并对监控管理流程中是否给予监管人员提示进行了探讨。根据监控显示界面的眼动指标,得到如下3点结论: 1)相对于无间隙的分画面排布方案,采用有间隙的分画面排布方案,监控人员发现问题画面的效率更高。被试在对有无间隙的排布方案监控界面进行观看时,有间隙的监控界面平均注视时间为42 183 ms,显著小于无间隙的监控界面平均注视时间(53 480 ms)。 2)相对于垂直序列的分画面排布方案,采用水平序列的分画面排布方案,监控人员发现问题画面的效率更高。被试在对水平、垂直方式序列排布方案的监控界面进行观看时,水平序列的监控界面平均注视时间为2 6899 ms,显著小于无间隙的监控界面平均注视时间(5 4925 ms)。 3)给予监控人员相应提示可显著提高监控效率。被试在获取提示下发现第一个问题画面所需的平均注视时间为21 233 ms,显著小于未获取提示下的平均注视时间(38 246 ms)。 根据以上结果,对企业的监控管理提出以下3条建议:1)在监控界面各分画面之间留有间隙;2)监控界面的各分画面的序列方式采取水平向序列;3)监控管理流程中应对监控人员给予合适的提示,以便监控人员集中注意力。 本研究丰富了人机界面视觉搜索效率的相关研究,为企业提高监控效率提供了理论基础。但本研究还存在许多不足,如:样本多为在校学生,忽略了在有无任务情形下对监控效率的影响。未来研究可以扩大样本数量,扩展被试的角色,可从任务类型、任务的紧急程度等诸多因素进一步研究。