呂 文,康文科

(1.四川省工業(yè)和信息化研究院,四川 成都 610017;2.西北工業(yè)大學(xué),陜西 西安 710072)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展,自然和諧的交互方式已經(jīng)成為現(xiàn)代和未來人機(jī)交互設(shè)計(jì)的最終目標(biāo),而自然和諧的人機(jī)交互需要人體視覺、聽覺、力觸覺等多感官的協(xié)調(diào)參與;同時(shí),隨著智能化和信息化技術(shù)的飛速發(fā)展,現(xiàn)代產(chǎn)品的操控系統(tǒng)越來越復(fù)雜,人機(jī)交互信息量大,信息類型多,這就要求人機(jī)交互系統(tǒng)更加準(zhǔn)確、快速、高效和舒適。為了達(dá)到這個(gè)目的,在人機(jī)信息交互過程中,必須充分發(fā)揮人體視覺、聽覺、力觸覺等多種感知方式的綜合效能,形成全方位的多信息融合交互系統(tǒng),使操控者能夠全面感知和掌握信息,同時(shí),平衡各種感覺器官的感知能力,使每一個(gè)感覺器官的感知能力最大化,從而提升人機(jī)交互的綜合效率。

1 視覺人機(jī)交互

1.1 研究背景和意義

視覺是人類最重要的感覺,舒適度是人體的主觀感受,特別是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛運(yùn)用使得對色彩的準(zhǔn)確測量和科學(xué)的表達(dá)顯得非常重要和迫切[1]。目前對舒適度的研究中普遍都是定性描述,定量化計(jì)算難度很大,無法建立視覺人機(jī)交互與舒適度之間的量化測量模型,無法完成人機(jī)交互過程中實(shí)時(shí)量化測量的需求,無法提供科學(xué)化、定量化的設(shè)計(jì)參考及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),無法滿足未來計(jì)算機(jī)人機(jī)交互智能設(shè)計(jì)的要求。因此,研究多維信息空間中視覺人機(jī)交互的感知特性,視覺、力觸覺、聽覺等感知系統(tǒng)的融合機(jī)理,視覺的舒適度的定量化檢測,構(gòu)建綜合視覺、聽覺及力觸覺的多維信息空間人機(jī)交互舒適度量化計(jì)算模型,這些試驗(yàn)既可以單獨(dú)測定每一個(gè)感知系統(tǒng)的舒適度,也可以同時(shí)測定多感知的綜合舒適度,實(shí)現(xiàn)視覺、聽覺、力觸覺等多信息有機(jī)融合,對不同要求使用不同方法,由此得出最符合人機(jī)工程的結(jié)果。提高復(fù)雜人機(jī)交互系統(tǒng)的效率和質(zhì)量,為消費(fèi)者提供更加自然的人機(jī)交互體驗(yàn),具有重大的理論意義及應(yīng)用價(jià)值。

手機(jī)閱讀是當(dāng)下流行的一種碎片化時(shí)間管理方式,人們通過手機(jī)閱讀新聞、小說等來獲取多方位多樣化的信息?！?019年度中國數(shù)字閱讀白皮書》顯示(圖1),截至2019年,中國數(shù)字閱讀用戶總量達(dá)到了4.7億。中國新聞出版研究院公布的第十八次全國國民閱讀調(diào)查數(shù)據(jù)亦顯示,2020年數(shù)字化閱讀方式(網(wǎng)絡(luò)在線閱讀、手機(jī)閱讀、電子閱讀器閱讀、Pad閱讀等)的接觸率為79.4%,較2019年的79.3%增長了0.1個(gè)百分點(diǎn)。由此可見,人們每天會花費(fèi)大量的時(shí)間在手機(jī)閱讀上,可以說手機(jī)閱讀已成為人們生活的一部分。但是人們在長時(shí)間使用手機(jī)閱讀后,常會出現(xiàn)眼睛干澀酸痛、頭暈、頭痛等視疲勞(asthenopia)現(xiàn)象。視疲勞“asthenopia”一詞是衍生于希臘語,原意是眼睛無力的意思,長時(shí)間用眼后產(chǎn)生的眼眶疼痛、視物模糊、眼部灼熱感、眼睛干澀、流淚等不良反應(yīng)。

圖1 2019年度數(shù)字閱讀白皮書

個(gè)人電腦、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的視覺顯示終端(Visual Display Terminal,VDT)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展與普及,手機(jī)和平板電腦也都可以納入VDT的范疇。VDT綜合癥就是指由于眼睛長時(shí)間注視視屏終端引起的眼睛不適等綜合癥狀[2]。視覺舒適度就是指眼睛接受VDT等外界電磁波時(shí)眼睛主觀的舒適感受,具體表現(xiàn)在用眼一段時(shí)間后眼睛的疲勞程度、眨眼頻率、視力狀況等。人類的感知活動大部分是通過視覺系統(tǒng)完成,目前模擬視覺感知主要是基于模型的方法,其中傳感信息被用來重構(gòu)關(guān)于感知世界的模型[3]。本研究采用理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究基于視覺的多維信息感知舒適性,以閱讀手機(jī)電子書為例,研究被試者閱讀手機(jī)電子書一段時(shí)間之后的視覺舒適程度,并且跟蹤一定條件下其視覺舒適度與時(shí)間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)視覺信息感知的舒適度量化計(jì)算,建立以視覺為基礎(chǔ)的多維信息人機(jī)交互舒適度量化模型,最后進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)對模型加以驗(yàn)證。研究成果可廣泛應(yīng)用于復(fù)雜操作系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等系統(tǒng)環(huán)境中,對于提升人機(jī)交互設(shè)計(jì)的水平具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

現(xiàn)如今國內(nèi)相關(guān)研究的主要方向是電子顯示設(shè)備各方面因素與人體視覺舒適度的研究,如環(huán)境照度、字體、字號、間距、色彩搭配等,比較契合時(shí)代發(fā)展中人的視覺應(yīng)用場景,其中的大部分研究是針對某一特定使用環(huán)境下的部分主要因素的研究,其相關(guān)成果有:姜穎等通過主客觀試驗(yàn)相結(jié)合對面向視覺顯示終端(VDT)的信息顯示界面視覺舒適度進(jìn)行研究總結(jié)的量化模型,該研究以不同色彩組合的儀表界面為測試對象,以被試者的腦電信號等生理特征為客觀依據(jù),輔以被試者對表盤界面的舒適度主觀評分,評價(jià)方法較科學(xué);侯冠華等對于字號、間距影響數(shù)字閱讀體驗(yàn)的年齡差異研究,綜合考慮了不同年齡的群體閱讀體驗(yàn)特征,采用主客觀測評相結(jié)合的方式,選取文字字號、間距作為研究變量,以視覺舒適度為標(biāo)準(zhǔn)研究不同字號、間距對不同年齡段用戶閱讀體驗(yàn)影響的差異;另外還有劉暢等定量研究色度對立體圖像視覺舒適度的影響;蔡建奇等針對iPad等類電子產(chǎn)品的睡前使用環(huán)境進(jìn)行的環(huán)境照度對人體視覺舒適度的影響。由此可以看出,目前針對視覺舒適度的總體量化研究較少。

2 評價(jià)指標(biāo)

視覺健康舒適度是對眼部視覺疲勞進(jìn)行客觀量化的指標(biāo),它基于人的眼軸和角膜屈光的變化,實(shí)現(xiàn)了對人眼健康舒適度的客觀評價(jià)[4]。影響視覺舒適度的主要因素有光照水平[5]、屏幕顯示的亮度對比[6]以及光環(huán)境(如運(yùn)動場、會客廳、臥室等)、文字大小、文字間隔、用眼時(shí)間、照度、色彩組合、年齡等。在建立視覺舒適度的數(shù)學(xué)模型時(shí),必須考慮到視覺舒適度具有“心理感覺量”和“取決于多種不確定因素”這兩個(gè)特征。以隨閱讀時(shí)間變化的閱讀舒適度變化為例開展研究,根據(jù)文獻(xiàn)分析,確定可用性、感知的視覺舒適度為主觀測量指標(biāo),在試驗(yàn)時(shí)直接詢問被測試者的感受,運(yùn)用量表對被測試者的主觀感覺進(jìn)行量化,這一方法是評價(jià)視覺是否舒適的最直接方法。研究量表見表1。

表1 視覺舒適度限定范圍及人的表征狀態(tài)

3 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)采用組間重復(fù)測量試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,選擇了手機(jī)自帶閱讀app作為測試標(biāo)準(zhǔn)。被試者為20位年齡在19~22歲之間的志愿者,均為來自于西北工業(yè)大學(xué)的大學(xué)生,無重度近視和散光(近視在300度以內(nèi),散光在-100度以內(nèi))。

在舒適度的研究中,疲勞是影響舒適度心理因素中最重要的因子[7],在室內(nèi)正常照明、安靜、舒適的環(huán)境下進(jìn)行,為避免視力疲勞的干擾,所有被試者在測試前均有充足的睡眠,且安排在測試前閉眼休息至完全無疲勞狀態(tài),以保證被試者在測試過程中能夠處于良好的心理和生理狀態(tài)。

試驗(yàn)開始前,錄入被試者基本信息,并向未被試者講解試驗(yàn)流程,統(tǒng)一安排被試者休息至舒適度測試為0(完全舒適)的狀態(tài)下,開始試驗(yàn)。被試者每使用手機(jī)閱讀5 min電子書,立刻詢問被試者的主觀視覺舒適度后填寫量表。每位參與者需50~60 min完成所有內(nèi)容。試驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 視覺舒適度測試流程

4 視覺舒適度量化數(shù)學(xué)模型的建立

由于研究僅分析閱讀時(shí)間對視覺舒適度的影響,而要得到視覺舒適度信息感知的數(shù)學(xué)模型,以及視覺舒適度與時(shí)間之間的普遍規(guī)律,就必須保證其他因素不變,僅記錄不同時(shí)間下視覺舒適度的數(shù)值,故試驗(yàn)采用控制變量法,對20個(gè)被測者在相同時(shí)間段、相同地點(diǎn)進(jìn)行了多次試驗(yàn),共計(jì)20組數(shù)據(jù),相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 測量數(shù)據(jù)

對于測量得到的數(shù)據(jù),以試驗(yàn)記錄次數(shù)為x軸,以視覺舒適度為y軸,如圖3所示在x-y坐標(biāo)系里畫出散點(diǎn)圖,從圖3可以看出這25個(gè)被測者的視覺舒適度變化都大致分為三個(gè)階段:平穩(wěn)增長期、迅速增長期、增長緩慢期,隨著時(shí)間t的增加,視覺舒適度y開始幾乎不增長,然后迅速增長,最后增長速度減慢,且點(diǎn)的分布越來越接近于一條平行于x軸的直線,因此y值不會無限增大。

圖3 試驗(yàn)時(shí)間與視覺舒適度的關(guān)系曲線

根據(jù)散點(diǎn)圖中視覺舒適度的變化規(guī)律及趨勢線,發(fā)現(xiàn)視覺舒適度與時(shí)間的變化趨勢線近似為S型,將數(shù)據(jù)代入Origin非線性擬合,通過對比,得出擬合模型為Slogisticl1 S型函數(shù)時(shí)擬合度最高,R平方為0.991此時(shí)方程為:

擬合曲線如圖4所示。

圖4 擬合曲線

擬合方程各參數(shù)為:a=3.129 66,xc=35.940 68,

k=0.156 07。

故擬合方程為:

公式(2)就是所求的信息感知中的視覺舒適度值y與時(shí)間變量x之間關(guān)系的表達(dá)式。視覺舒適度量化模型建立已實(shí)現(xiàn)。

5 舒適度量化的數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該數(shù)學(xué)模型關(guān)系式的準(zhǔn)確性,又對另外的5名試驗(yàn)者在相同的條件下進(jìn)行模型驗(yàn)證試驗(yàn)。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)舒適度和通過數(shù)學(xué)模型關(guān)系式轉(zhuǎn)化得出的視覺舒適度進(jìn)行比較。驗(yàn)證數(shù)據(jù)見表3。圖5為驗(yàn)證數(shù)據(jù)相較于關(guān)系式曲線的散點(diǎn)圖。

圖5 驗(yàn)證數(shù)據(jù)相較于關(guān)系式曲線的散點(diǎn)圖

從表3中的驗(yàn)證數(shù)據(jù)看,從試驗(yàn)中的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過關(guān)系表達(dá)式的計(jì)算得出的視覺舒適的數(shù)學(xué)模型基本符合。由此可以驗(yàn)證文中提出的通過試驗(yàn)測量舒適度數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)得出數(shù)學(xué)模型,最后通過數(shù)學(xué)模型推算相應(yīng)時(shí)間的整個(gè)過程是正確的。

表3 模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

通過對試驗(yàn)對象進(jìn)行大量試驗(yàn),將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件,繪出視覺舒適度隨閱讀時(shí)間的變化曲線,以S型曲線為參考進(jìn)行擬合,得出了視覺舒適度與閱讀時(shí)間之間的關(guān)系式,建立閱讀時(shí)間與視覺舒適度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明:得出的數(shù)學(xué)模型能較好地反應(yīng)視覺舒適度隨閱讀時(shí)間變化的客觀規(guī)律,該數(shù)學(xué)模型可以為設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的視覺時(shí)間配置提供理論依據(jù),使產(chǎn)品在視覺人機(jī)交互方面更加人性化,更符合“以人為本”的設(shè)計(jì)理念。當(dāng)然,在實(shí)際設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中也可以把這部分作為一個(gè)指導(dǎo)方案,所以該模型有著重要的實(shí)用價(jià)值。

由于人眼視覺系統(tǒng)的復(fù)雜性以及視覺舒適度影響因素的多樣性,因此視覺舒適度量化研究必須是一個(gè)長期的、系統(tǒng)的過程,本文只針對閱讀時(shí)間對視覺舒適度的影響進(jìn)行了研究,對于其他影響因素,如閃爍、雙眼亮度差、雙眼色差等,以及人眼的個(gè)體生理因素仍需進(jìn)一步的研究與探索。