王　寧,余隋懷,肖琳臻,周　憲

(西北工業(yè)大學(xué) 陜西省工業(yè)設(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)室,西安 710072)

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考慮用戶視覺(jué)注意機(jī)制的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

王寧,余隋懷,肖琳臻,周憲

(西北工業(yè)大學(xué) 陜西省工業(yè)設(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)室,西安 710072)

摘要：為了有效提高人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率,將視覺(jué)注意的計(jì)算方法引入到人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)過(guò)程中,提出了一種考慮用戶視覺(jué)注意機(jī)制的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方法.利用視覺(jué)注意計(jì)算模型分析了人機(jī)交互界面中各元件的視覺(jué)注意程度,構(gòu)建了視覺(jué)注意焦點(diǎn)圖；采用配對(duì)比較法確定各元件的重要度和使用頻率,以灰度圖的形式建立了人機(jī)交互界面重要性分布圖.通過(guò)比對(duì)視覺(jué)注意焦點(diǎn)圖和重要性分布圖,以用戶的視覺(jué)特性為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了評(píng)估.以智能手機(jī)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)為例,對(duì)所提出方法進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明：該方法優(yōu)化了用戶的視覺(jué)特性,與傳統(tǒng)方法相比,人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率得以提升；所設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面增強(qiáng)了用戶的交互體驗(yàn).

關(guān)鍵詞：人機(jī)交互界面;視覺(jué)注意機(jī)制;界面設(shè)計(jì);視覺(jué)注意計(jì)算模型

computational model of visual attention

人機(jī)交互界面(Human-Computer Interface,HCI)是人與機(jī)器、環(huán)境之間進(jìn)行信息交互的主要接口,隨著人類所處的環(huán)境和使用的機(jī)器越來(lái)越復(fù)雜,人與機(jī)器、環(huán)境之間的交互界面也愈加復(fù)雜,在單位時(shí)間和單位空間中,人機(jī)交互界面所傳遞的信息也越來(lái)越多[1].這就要求用戶要在較短時(shí)間內(nèi)接收大量的信息并進(jìn)行加工處理,進(jìn)而做出迅速而準(zhǔn)確的反應(yīng).這其中,視覺(jué)信息占全部交換信息大部分,約為80%左右[2-3].因此人機(jī)交互界面的視覺(jué)工效對(duì)提高人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和工作效率,降低用戶的操作負(fù)擔(dān)和疲勞程度有重要的作用.合理的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)能有效地降低操作失誤,提高操作人員的認(rèn)知能力,使操作人員及時(shí)對(duì)系統(tǒng)故障做出正確判斷[4].視覺(jué)注意機(jī)制在視覺(jué)信息處理過(guò)程中起著非常重要的作用,一般在人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)中,在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入人類視野的信息都是海量的,而人類視覺(jué)系統(tǒng)的信息處理資源卻是有限的,無(wú)法并行處理所有的信息,同時(shí),并不是所有的視覺(jué)信息都是同等重要的,需要根據(jù)信息的重要程度分別給予不同的處理順序.通過(guò)視覺(jué)注意機(jī)制,能對(duì)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)中輸入的視覺(jué)信息進(jìn)行有選擇的處理,降低信息處理的計(jì)算量,提高視覺(jué)信息處理的效率,使得用戶能夠?qū)θ?機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)出現(xiàn)的各種情況作出及時(shí)的反應(yīng)和處理.因此對(duì)于用戶視覺(jué)系統(tǒng)和視覺(jué)生成機(jī)制的理解,是進(jìn)行人機(jī)界面乃至整個(gè)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).文獻(xiàn)[5]基于用戶的視覺(jué)注意和視覺(jué)搜索規(guī)律提出了移動(dòng)應(yīng)用界面的設(shè)計(jì)原則,但對(duì)于用戶視覺(jué)機(jī)制在人機(jī)交互界面具體設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用未進(jìn)行討論.文獻(xiàn)[6]探討了視覺(jué)選擇性注意的發(fā)生規(guī)律及在人機(jī)交互過(guò)程中的表現(xiàn),分析了網(wǎng)頁(yè)交互界面中布局、色彩、內(nèi)容等要素對(duì)用戶視覺(jué)注意的影響,但對(duì)于人機(jī)交互界面中元件的視覺(jué)注意程度分析是建立在定性分析的基礎(chǔ)上.文獻(xiàn)[7]利用眼動(dòng)分析對(duì)人機(jī)交互界面的可用性進(jìn)行評(píng)估,但眼動(dòng)追蹤實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)流程較為復(fù)雜,對(duì)實(shí)驗(yàn)條件有較高的要求,且需要一定數(shù)量的用戶參與實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)效率較低.為了提高人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)的水平和效率,本文提出一種基于視覺(jué)注意機(jī)制的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方法,利用視覺(jué)注意計(jì)算模型分析人機(jī)交互界面中各組成元件的視覺(jué)注視程度,構(gòu)建視覺(jué)注意焦點(diǎn)圖,分析各組成元件的重要度和使用頻率,建立人機(jī)交互界面的重要性分布圖.通過(guò)兩幅圖的比對(duì)及人機(jī)工程學(xué)中對(duì)視覺(jué)特征的來(lái)評(píng)價(jià)人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)質(zhì)量,以智能手機(jī)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)為例對(duì)所提出的方法進(jìn)行了驗(yàn)證.

1組成元件的視覺(jué)注意分析

1.1視覺(jué)注意分析

人機(jī)交互界面中包含了多個(gè)組成元件,這些組成元件能夠?qū)崿F(xiàn)不同的功能.元件包含了色彩、形狀、方向、位置和紋理等視覺(jué)特征.用戶在觀察人機(jī)交互界面時(shí)會(huì)對(duì)某些組成元件給予更多的視覺(jué)注意,而對(duì)其他元件的視覺(jué)注意程度較低,這是由于在人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)中某些組成元件更能引起用戶的視覺(jué)注視.因此,需要找出在人機(jī)交互界面中哪些組成元件更能引起用戶的視覺(jué)注意,盡管現(xiàn)在視覺(jué)注意在大腦中的形成機(jī)制尚不明確,但現(xiàn)有的一些以色彩、形狀和位置等視覺(jué)特征分析為基礎(chǔ)的視覺(jué)注意計(jì)算模型[8-10]能較好的對(duì)用戶視覺(jué)注意進(jìn)行計(jì)算和模擬.文中以文獻(xiàn)[11]提出的上下文顯著性檢測(cè)算法為基礎(chǔ),結(jié)合人機(jī)工程學(xué)中的一些視覺(jué)特征[12]來(lái)計(jì)算人機(jī)交互界面中組成元件的視覺(jué)注意程度.在人機(jī)交互界面中,色彩是一種刺激性較強(qiáng)的視覺(jué)特征,相比人機(jī)交互界面中的其他視覺(jué)特征,在視覺(jué)上色彩更容易引起用戶的注意.人類在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中,所形成的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色和亮度的差別,即對(duì)比鮮明的邊緣,比絕對(duì)的亮度水平要更加敏感[13].因此在對(duì)人機(jī)交互界面進(jìn)行視覺(jué)注意分析時(shí),單純的考慮組成元件的色彩絕對(duì)值并沒(méi)有實(shí)際意義,而應(yīng)該關(guān)注各組成元件之間的色彩差異.對(duì)于人機(jī)交互界面色彩特征描述,需要選擇符合人類視覺(jué)感知的色彩模型.目前,在彩色成像設(shè)備和彩色顯示設(shè)備中最為常用的是加色法混色(Red Green Blue,RGB) 模型,但是這種模型是用紅、綠、藍(lán)三基色按照不同比例的混合來(lái)顯示不同的色彩,而人類在感知色彩時(shí),并不能直接到感覺(jué)紅、綠、藍(lán)三基色的比例關(guān)系,所以RGB模型并不是理想的描述人類色彩感知的色彩模型.人類是通過(guò)亮度、飽和度和色調(diào)來(lái)感知色彩并加以區(qū)分,因此文中選擇國(guó)際照明委員會(huì)L*a*b*色彩模型來(lái)描述用戶界面的色彩特征.

用戶在觀察人機(jī)交互界面時(shí),觀察的是物體,而不是像素點(diǎn),所以可以將每個(gè)組成元件分別看作是一個(gè)具有單一色彩的物體.設(shè)人機(jī)交互界面中共有n個(gè)組成元件,ci、cj為該界面中第i、j(i,j=1,2,…,n)個(gè)組成元件,則兩個(gè)元件之間的色差為

dc(ci,cj)=

(1)

(2)

式中:A為組成元件的面積；(x,y)為元件構(gòu)成的圖形劃分為基本圖形后每個(gè)基本圖形中心的坐標(biāo).

(3)

根據(jù)Goferman提出的上下文顯著性檢測(cè)算法,元件ci、cj之間的差異定義為

(4)

元件ci在單一尺度下的視覺(jué)注意程度值為

(5)

因用戶一般都是在一個(gè)固定距離觀察人機(jī)交互界面,且在觀察過(guò)程中,人機(jī)交互界面的尺寸不會(huì)發(fā)生變化,所以各組成元件視覺(jué)注意程度的計(jì)算只需考慮單一尺度即可.

1.2視覺(jué)注意焦點(diǎn)圖的可視化處理

為了使用戶的視覺(jué)注意情況可以更加直觀的表達(dá),需要將用戶對(duì)不同元件的視覺(jué)注視情況進(jìn)行可視化處理.文中以灰度圖的方式來(lái)表示元件的視覺(jué)注意程度,用不同的灰度來(lái)表達(dá)元件所具有的不同的視覺(jué)注意程度值,若一個(gè)元件越容易引起用戶的視覺(jué)注視,其就具有更高的灰度值,若元件的視覺(jué)注意程度值越低,就以較低的灰度值顯示.因?yàn)榛叶戎档姆秶?～255,因此具有最高視覺(jué)注意程度值的元件的灰度為255,有最低視覺(jué)注意程度值的元件的灰度為0,其他元件的灰度值通過(guò)插值的方式獲取,計(jì)算公式為

(6)

式中：gVi為元件ci的灰度值；rVi為元件ci的視覺(jué)注意程度值在所有元件按視覺(jué)注意程度值從小到大排列后的排序.

2人機(jī)交互界面重要性分布圖

2.1組成元件的重要性和使用頻率分析

人機(jī)交互界面一般都由多個(gè)元件組成,每個(gè)元件都具有不同的重要度和使用頻率.因?yàn)樵谌藱C(jī)交互界面中的組成元件數(shù)量并不多,所以文中采用配對(duì)比較法來(lái)確定元件的重要度和使用頻率.令I(lǐng)i、Ij為元件ci、cj的重要度,由用戶逐對(duì)的比較兩個(gè)元件ci、cj的重要度并進(jìn)行打分,若Ii>Ij,元件ci計(jì)1分,若Ii

表1　元件的重要度配對(duì)比較

同樣使用配對(duì)比較法分析元件的使用頻率,令Fi、Fj分別為元件ci、cj的使用頻率,由用戶逐對(duì)的比較兩個(gè)元件ci、cj的使用頻率并進(jìn)行打分,若Fi>Fj,元件ci計(jì)1分,若Fi

令Si為元件ci的重要性,元件重要性綜合考慮了重要度和使用頻率,其計(jì)算公式為

Si=αIi+βFi

(7)

其中α、β分別為元件重要度和使用頻率的權(quán)重,由行業(yè)專家和設(shè)計(jì)師確定.

表2　元件的使用頻率分析

2.2人機(jī)交互界面重要性分布圖可視化處理

文中通過(guò)灰度圖的方式來(lái)表示人機(jī)交互界面的重要性分布,每一個(gè)元件都具有不同的重要性,即以不同的灰度值來(lái)顯示,如果元件具有較高的重要性,就以更高的灰度值來(lái)顯示,若重要性低則以較低的灰度值表示.因?yàn)榛叶戎档姆秶?～255,因此具有最高重要性的元件的灰度為255,有最低重要性的元件的灰度為0,其他元件的灰度值通過(guò)插值的方式獲取,計(jì)算公式為

(8)

式中：gsi為元件ci的在人機(jī)交互界面重要性分布圖中的灰度值;rsi為元件ci的重要性在所有元件按重要性從小到大排列后的排序.

3基于視覺(jué)注意機(jī)制的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

用戶在觀察人機(jī)交互界面時(shí),會(huì)更快、更多的注意到那些引起他們視覺(jué)注視的元件.在緊急情況下,用戶必須在最短時(shí)間內(nèi)找到那些重要的元件來(lái)處理發(fā)生的事件.另外,還有一些元件具有很高的使用頻率,如果用戶能夠很容易地找到這些元件,就可以節(jié)省大量的時(shí)間,提高操作效率,使用戶獲得更好的交互體驗(yàn).因此,具有高重要度和使用頻率的元件應(yīng)當(dāng)更容易被用戶關(guān)注到,即具有較高視覺(jué)注意程度.為此,文中提出以視覺(jué)注意焦點(diǎn)圖和重要性分布圖進(jìn)行比對(duì)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法,并引入人機(jī)工程學(xué)中的指標(biāo)來(lái)進(jìn)行評(píng)估.基于視覺(jué)注意機(jī)制的人機(jī)界面設(shè)計(jì)流程具體包括：① 設(shè)計(jì)師完成人機(jī)交互界面初步設(shè)計(jì)方案；② 提取元件的色彩、空間位置等初級(jí)視覺(jué)特征;③ 根據(jù)視覺(jué)注意計(jì)算模型計(jì)算各元件的視覺(jué)注意程度；④ 構(gòu)建人機(jī)界面視覺(jué)焦點(diǎn)圖；⑤ 分別分析各元件的重要度和使用頻率； ⑥ 確定重要度和使用頻率的權(quán)重,計(jì)算元件的重要性；⑦ 構(gòu)建人機(jī)界面元件重要性分布圖；⑧ 設(shè)計(jì)師將視覺(jué)注意焦點(diǎn)圖和重要性分布圖進(jìn)行視覺(jué)比對(duì),并根據(jù)人機(jī)工程學(xué)中對(duì)視覺(jué)特征的分析來(lái)對(duì)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估.

評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)包括：① 視線的變化習(xí)慣于從左到右、從上到下和順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)；② 當(dāng)眼睛偏離視中心時(shí),在偏離距離相等的情況下,人眼對(duì)左上限的觀察最優(yōu),依次為右上限、左下限,而右下限最差；③ 人眼的水平運(yùn)動(dòng)比垂直運(yùn)動(dòng)速度快；④ 組成元件的排列盡量緊湊,以減少人眼視覺(jué)搜索的范圍,降低視覺(jué)疲勞.確定人機(jī)界面設(shè)計(jì)方案是否符合用戶需求及視覺(jué)特性,若滿足要求,輸出設(shè)計(jì)方案,若不滿足要求,則重新對(duì)人機(jī)界面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改,直至完成滿足要求的人機(jī)界面設(shè)計(jì)方案.

4實(shí)例驗(yàn)證

本文以智能手機(jī)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)為例來(lái)驗(yàn)證所提出的方法.在智能手機(jī)的人機(jī)交互界面中共有12個(gè)組成元件,如圖1所示,因?yàn)樵械膱D案所占面積較小,對(duì)元件的整體色彩影響有限,因此,在視覺(jué)注意的分析和計(jì)算中將元件看作是具有單一色彩的圖形.各組成元件的色彩和位置信息見(jiàn)表3～4.

圖1　智能手機(jī)人機(jī)交互界面

根據(jù)表3～4中數(shù)據(jù),取k=3,利用式(4)～(5)計(jì)算得出各組成元件的視覺(jué)注意程度值,見(jiàn)表5.根據(jù)表5中的視覺(jué)注意程度值,賦予每個(gè)組成元件不同的灰度值,建立人機(jī)交互界面視覺(jué)注意焦點(diǎn)圖,如圖2所示.

表3　各組成元件的色彩信息

表4　各組成元件的位置信息

表5　組成元件視覺(jué)注意程度值

圖2　人機(jī)交互界面視覺(jué)注意焦點(diǎn)圖

同時(shí),由20名用戶對(duì)該界面中的12個(gè)組成元件的重要度和使用頻率進(jìn)行評(píng)價(jià),根據(jù)行業(yè)專家和設(shè)計(jì)師的意見(jiàn),設(shè)置 ,通過(guò)式(8)得出各組成元件的重要性,并建立重要性分布圖(如圖3所示).

圖3　人機(jī)交互界面重要性分布圖

比對(duì)人機(jī)交互界面的視覺(jué)注意焦點(diǎn)圖和重要性分布圖,可以直觀的觀察到人機(jī)交互界面中具有較高重要性的元件同時(shí)也具有較高的視覺(jué)注意程度,如元件c1、c2等.同時(shí),具有較高重要度和使用頻率(重要性)的元件基本都分布在人機(jī)交互界面的左上、右上象限；而較低重要度和使用頻率(重要性)的元件分布在左下、右下象限,能較好的滿足用戶的視覺(jué)特性,所設(shè)計(jì)的方案能很好的提高用戶的操作效率和交互體驗(yàn).

5結(jié) 論

1) 文中將視覺(jué)注意的計(jì)算方法引入到人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)過(guò)程中,提出了一種考慮用戶視覺(jué)注意機(jī)制的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方法,與目前常用的基于眼動(dòng)追蹤的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方法相比,該方法不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)流程和實(shí)驗(yàn)條件,具有更高的效率和準(zhǔn)確性.

2) 以智能手機(jī)的人機(jī)交互界面為案例,分別構(gòu)建人機(jī)交互界面的視覺(jué)注意焦點(diǎn)圖和重要性分布圖,設(shè)計(jì)師能夠直觀地對(duì)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估,評(píng)估結(jié)果作為設(shè)計(jì)的依據(jù)可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì).結(jié)果表明文中所提方法能為設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)活動(dòng)提供高效的輔助,有效提高人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率.

參 考 文 獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯、校對(duì)潘秋岑)

Human-Computer Interface Design Considering Visual Attention

WANGNing,YUSuihuai,XIAOLinzhen,ZHOUXian

(Shaanxi Engineering Laboratory for Industrial Design,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

Abstract:In order to improve the design efficiency and quality,a new method for human-computer interface design,which considers human visual attention and ergonomics,is proposed.The visual attention of human-computer interface is analyzed and calculated by a context-aware saliency detection algorithm and the visual attention map is established.Meantime,the importance and frequency of use of each component is obtained by the users’ investigation.And the significance distribution map of human-computer interface is drawn.By comparing the two maps,the designer can estimate if the component with high significance has high visual attention or not.Studying the design of human computer interaction interface of intelligent mobile phone,the proposed method is validated.The results show that the proposed method optimizes the user’s visual characteristics.Compared with the traditional method,the quality and efficiency of the human-computer interaction interface design is improved.The designed human-computer interaction interface enhances the user’s interactive experience.

Key words:human-computer interface;visual attention;interface design;

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.04.014

收稿日期：2015-10-16

基金資助：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAH21F01);西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目(FW1409)

作者簡(jiǎn)介：王寧(1981-),男,西北工業(yè)大學(xué)博士研究生通訊作者：余隋懷(1962-),男,西安工業(yè)大學(xué)教授,主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì).E-mail:ysuihuai@vip.sina.com.

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:中圖號(hào)：TB18;TB47A

文章編號(hào)：1673-9965(2016)04-0334-06