褚英帆， 秦華,2*， 冉令華， 郭恒瑞， 張欣

(1.北京建筑大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院， 北京 102616； 2.北京建筑大學(xué)北京建筑安全檢測(cè)工程技術(shù)研究中心， 北京 102616； 3.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院， 北京 100191)

近年來(lái)自動(dòng)駕駛技術(shù)飛速發(fā)展，車載中控屏作為車輛智能化的最直觀表現(xiàn)，在駕駛過(guò)程的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。作為智能化和多樣化的車內(nèi)飾代表，車載中控屏承載了包括娛樂(lè)、通信、導(dǎo)航、駕駛等多種信息任務(wù)。目前車內(nèi)中控屏的布置一般位于駕駛員的右側(cè)，影響了駕駛過(guò)程快速、準(zhǔn)確地獲取遠(yuǎn)離有效視野范圍的信息[1]。有關(guān)信息呈現(xiàn)的研究結(jié)果表明：界面的視覺信息應(yīng)進(jìn)行合理的排布，這樣操作者進(jìn)行視覺搜索的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)會(huì)大大縮短[2-3]。在視覺搜索的研究中通常將頭部和眼球都固定后所能看到的范圍, 定義為“靜視野”；把頭部固定不動(dòng)而眼球可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)所能看到的范圍, 定義為“動(dòng)視野”[4]。駕駛過(guò)程中，交互界面在進(jìn)行信息布局時(shí)可以充分利用不同視野條件的視覺績(jī)效并以此緩解駕駛員視覺疲勞，提高駕駛安全。

中外學(xué)者對(duì)交互界面信息布局設(shè)計(jì)已有一些研究。Raeisi等[5]通過(guò)鏈值分析方法計(jì)算面板元素間鏈路的重要性和頻率綜合權(quán)重，進(jìn)行交互界面的信息布局設(shè)計(jì)。李晶等[6]的研究結(jié)果表明，交互界面中符合認(rèn)知特征的信息布局設(shè)計(jì)可以提高操作人員的工作效率。李慧芬等[7]為了提高車內(nèi)信息系統(tǒng)的使用效率, 從布局和顯示數(shù)目?jī)蓚€(gè)方面展開研究, 得出有利于提高使用效率的界面設(shè)計(jì)方案。閆云豪等[8]針對(duì)智能駕駛環(huán)境, 重點(diǎn)進(jìn)行了駕駛信息與顯示位置的匹配與駕駛信息顯示界面的布局設(shè)計(jì)兩方面的研究，提出了使用戶感知滿意的界面布局方案。在視覺感知的有關(guān)研究中表明，駕駛過(guò)程中駕駛員30%～40%的視覺注意力資源將被用于執(zhí)行非駕駛?cè)蝿?wù)[9]。對(duì)此，秦華等[10]提出，駕駛過(guò)程中應(yīng)減少次任務(wù)占用的視覺注意資源。此外，隨著年齡增加，人的視覺功能會(huì)逐漸衰退，視野范圍從55歲就開始變窄[11]，因此駕駛中視覺績(jī)效也會(huì)隨之下降，尤其是當(dāng)界面信息呈現(xiàn)時(shí)長(zhǎng)較短時(shí)[12-13]。針對(duì)老年人的視覺功能性衰退，在臨床實(shí)驗(yàn)中有視敏度和視覺對(duì)比度等相關(guān)的測(cè)試研究，但對(duì)老年人在駕駛過(guò)程中的視覺行為不具有預(yù)測(cè)性[14]。

綜上所述，已有大量對(duì)人機(jī)交互界面的信息位置、布局和數(shù)量的研究實(shí)驗(yàn)，其中也不乏針對(duì)老年人群視野變化特點(diǎn)進(jìn)行的醫(yī)學(xué)測(cè)試。但目前的研究中暫未考慮基于駕駛環(huán)境中界面信息位置的視野測(cè)試，以及從不同年齡分組測(cè)試的角度來(lái)直觀構(gòu)建老年駕駛員與車載中控屏進(jìn)行視覺信息交互過(guò)程中的視野特征?，F(xiàn)以車載中控屏作為不同年齡人群在駕駛中的視野研究對(duì)象，重點(diǎn)探究老年駕駛員在中控屏不同信息布局位置下的視覺績(jī)效，以確定中控屏的最佳信息布局位置。通過(guò)合理的中控屏信息布局設(shè)計(jì)減少老年駕駛員在駕駛中的讀取交互信息的時(shí)間，提高駕駛安全性。

1 研究方法

針對(duì)老年人視覺衰退引起在駕駛時(shí)的視覺注意分散問(wèn)題，以減少老年人在讀取中控屏信息時(shí)對(duì)視覺注意資源的占用、降低駕駛風(fēng)險(xiǎn)為研究目標(biāo)，從視覺搜索的感知與識(shí)別兩個(gè)層次尋找中控屏中的最佳信息布局位置。實(shí)驗(yàn)一共包括兩個(gè)自變量：年齡、信息布局位置。因變量為視覺搜索的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、正確率和眼動(dòng)數(shù)據(jù)。

1.1 參試者

在北京招募20～70歲不同年齡段的人群，分為青年、中年和老年3個(gè)年齡組，所有被試的身體健康狀況良好，視力或矯正視力良好。各年齡組被試的基本信息如表1所示。

表1 參試者年齡信息表Table 1 Participant age information form

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本次視覺搜索實(shí)驗(yàn)使用E-prime實(shí)驗(yàn)平臺(tái)編制程序，以白色為實(shí)驗(yàn)背景。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景最大程度還原了駕駛過(guò)程的車內(nèi)位置布局，主屏幕承擔(dān)參試者實(shí)驗(yàn)時(shí)的主要視覺注意，模擬駕駛情景下的視覺注意分配策略；側(cè)面屏幕模擬了比亞迪-元Pro的DiLink 10.1 in(1 in=2.54 cm)中控屏幕，搜索區(qū)域?yàn)?40 mm×180 mm，在分辨率為1 080 p、刷新頻率為60 Hz的模擬屏幕上顯示。參試者使用外接鍵盤進(jìn)行輸入，其他輔助設(shè)備包括德國(guó)SMI 公司的眼鏡式眼動(dòng)儀、可調(diào)式座椅以及用于測(cè)量距離的米尺。

靜視野測(cè)試由24種刺激范圍不同的線條圖形構(gòu)成實(shí)驗(yàn)材料，且每種圖形具有不同的語(yǔ)義內(nèi)容；動(dòng)視野測(cè)試的實(shí)驗(yàn)材料為簡(jiǎn)單圖形線條進(jìn)行填充后的24種形象剪影。參試者對(duì)簡(jiǎn)單線條圖形的視覺加工過(guò)程是整體的，填充后的剪影圖形會(huì)對(duì)語(yǔ)義加工產(chǎn)生干擾，增加加工復(fù)雜度的同時(shí)不會(huì)影響對(duì)填充圖形的視覺特征加工過(guò)程。實(shí)驗(yàn)材料選取的依據(jù)來(lái)源于視覺搜索的感知與識(shí)別過(guò)程，從語(yǔ)義加工的角度進(jìn)行此次基礎(chǔ)性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)在模擬日間行車的環(huán)境中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)為保證被試的頭部始終保持駕駛過(guò)程中一致的狀態(tài)，采用了語(yǔ)音提示的方式，過(guò)程中實(shí)驗(yàn)員通過(guò)一直觀察眼動(dòng)儀的錄制過(guò)程確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

1.3 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

實(shí)驗(yàn)?zāi)M了駕駛員對(duì)靜態(tài)車載中控屏信息的視覺搜索過(guò)程，對(duì)橫向和縱向兩種擺放方式分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

(1)靜視野測(cè)試。參試者在保持眼球不動(dòng)的前提下，對(duì)屏幕中不同視野位置呈現(xiàn)的內(nèi)容進(jìn)行掃描，看到有內(nèi)容出現(xiàn)即可按鍵反應(yīng)。以探究靜視野條件下不同布局位置的視覺感知績(jī)效。

(2)動(dòng)視野測(cè)試。參試者可以轉(zhuǎn)動(dòng)眼球，對(duì)屏幕中不同布局位置呈現(xiàn)的內(nèi)容進(jìn)行識(shí)別，看清楚內(nèi)容即可按鍵反應(yīng)并作出應(yīng)答。以探究動(dòng)視野條件下不同布局位置的視覺識(shí)別績(jī)效。為深入探究動(dòng)視野條件下的眼動(dòng)機(jī)制，證實(shí)行為實(shí)驗(yàn)的推斷，對(duì)動(dòng)視野條件下參試者的視覺行為數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

在動(dòng)視野目標(biāo)的搜索過(guò)程中，參試者對(duì)目標(biāo)內(nèi)容的判斷與實(shí)際情況相符合時(shí)，認(rèn)為這次搜索反應(yīng)為正確，否則為錯(cuò)誤。參試者僅需判斷出刺激材料所屬的種類即判定為正確，在一次反應(yīng)中可明確說(shuō)出刺激材料最具體名稱的參試者將被判定為在視覺搜索過(guò)程中的精準(zhǔn)程度更高。

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)采用3(青年組、中年組、老年組)×6(6個(gè)信息布局位置)組內(nèi)設(shè)計(jì)。同一初始項(xiàng)中實(shí)驗(yàn)材料不重復(fù)出現(xiàn)。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)流程為：閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)語(yǔ)，按鍵開始實(shí)驗(yàn)。提示音結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)材料將在模擬中控屏的6個(gè)位置隨機(jī)出現(xiàn)，呈現(xiàn)1 000 ms后，要求參試者在盡量準(zhǔn)確的前提下做出快速應(yīng)答。靜視野測(cè)試下，參試者看到圖形按1鍵，未看到圖形按2鍵；動(dòng)視野測(cè)試下，參試者看清圖形按1鍵并回答內(nèi)容，未看清圖形按2鍵。參試者做出反應(yīng)后自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)試次。根據(jù)不同的模擬中控屏擺放，本次實(shí)驗(yàn)分為橫向擺放測(cè)試和縱向擺放測(cè)試2個(gè)項(xiàng)目，共48組測(cè)試。正式實(shí)驗(yàn)之前被試需要進(jìn)行18個(gè)試次的練習(xí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中參試者持注意力集中，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)大約40 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2為兩種測(cè)試方法下各個(gè)年齡段人群在視覺搜索過(guò)程中的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差，可以發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增加，反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)隨之增加。表明，無(wú)論視野測(cè)試條件如何，老年人的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)相對(duì)于青、中年人的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)存在明顯增加現(xiàn)象。信息布局位置對(duì)老年人的視覺搜索績(jī)效也存在影響顯著，縱向擺放方式下老年人的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)高于青、中年人。

表3為兩種測(cè)試方法下參試者在不同布局位置進(jìn)行視覺搜索時(shí)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差。

從表3中發(fā)現(xiàn)，在橫向擺放方式中位置1、4、5三個(gè)位置的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)表現(xiàn)為優(yōu)于其他位置；在縱向擺放方式下位置1、4、6三個(gè)位置的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)表現(xiàn)為優(yōu)于其他位置。從不同測(cè)試方法看，靜視野測(cè)試條件下位置3、4(橫向)、位置1、4、6(縱向)的視覺搜索績(jī)效優(yōu)于其他位置；動(dòng)視野測(cè)試條件下位置1、4、5(橫向)、位置3、4、5(縱向)的視覺搜索績(jī)效優(yōu)于其他位置。

表2 各個(gè)年齡段人群反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Descriptive statistical results of response time of people of all ages

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Experimental flow chart

表3 不同視野位置反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Descriptive statisticalresults of response time at different visual field positions

2.2 眼動(dòng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 不同位置的平均注視點(diǎn)分布Fig.2 Average fixation distribution at different visual field positions

動(dòng)視野測(cè)試下，為進(jìn)一步探究導(dǎo)致視覺搜索績(jī)效降低的深層次原因，對(duì)參試者進(jìn)行了眼動(dòng)追蹤，得到進(jìn)行視覺搜索時(shí)在不同位置的注視數(shù)據(jù)，如圖2所示。

由圖2可知，老年人在對(duì)模擬中控屏幕的信息進(jìn)行識(shí)別的過(guò)程中會(huì)耗費(fèi)更多的視覺注意力、注視點(diǎn)分布更集中，橫向擺放方式中的注視點(diǎn)集中程度高于縱向擺放方式。同時(shí)，注視區(qū)域的集中分布點(diǎn)也呈現(xiàn)出加大差異，但總體表現(xiàn)為注視區(qū)域集中分布在距離上更接近參試者的視野位置。正如郭鳳香等[15]等研究表明，老年人的視覺認(rèn)知機(jī)能存在衰退現(xiàn)象。研究結(jié)果顯示，不同年齡段人群均將多數(shù)視覺注意分配在車載信息界面的左側(cè)區(qū)域和中心區(qū)域。

2.3 方差分析結(jié)果

表4為靜視野測(cè)試對(duì)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)分別進(jìn)行年齡組、信息布局位置的異方差單因素分析，其中F為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，P為顯著性水平。

結(jié)果表明，兩種擺放設(shè)置下，年齡組對(duì)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)有顯著差異(P<0.05)，根據(jù)不同的擺放方式可以發(fā)現(xiàn)，縱向擺放設(shè)計(jì)下年齡組作為影響因素對(duì)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的影響更為顯著(P<0.01)。表明不同年齡段人群作為自變量在各種測(cè)試條件及擺放方式下的視覺搜索績(jī)效普遍較差。

表5為動(dòng)視野測(cè)試條件下，對(duì)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)和正確率分別進(jìn)行年齡組、信息布局位置的Kruskal-Wallis檢驗(yàn)。其中，χ2為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，P為顯著性水平。

結(jié)果顯示，兩種擺放設(shè)置下，年齡組對(duì)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)有顯著差異(P<0.05),表明隨著年齡的增加視覺搜索績(jī)效存在明顯的下降趨勢(shì)。通過(guò)觀看實(shí)驗(yàn)視頻可知，老年組的精準(zhǔn)程度明顯低于青、中年組，其中青年組的精準(zhǔn)程度更高。結(jié)合目前L3級(jí)自動(dòng)駕駛車輛面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)考慮，若駕駛?cè)藢⒆⒁饬D(zhuǎn)移至路面外并沉浸于次任務(wù)中，其接管反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6 s[16-17]。未來(lái)的對(duì)次任務(wù)承載界面，即中控屏的研究中如可以充分考慮駕駛員從主任務(wù)到次任務(wù)的視覺搜索時(shí)間間隔，可以顯著提高未來(lái)交通出行的安全性。

表4 反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)方差分析(靜視野測(cè)試)Table 4 Response time heteroscedasticity test results (static visual field test)

表5 反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)K-W檢驗(yàn)結(jié)果(動(dòng)視野測(cè)試)Table 5 Reaction time K-W test results (moving field test)

2.4 分析與討論

靜視野測(cè)試中，年齡組在橫向和縱向擺放方式中對(duì)認(rèn)知績(jī)效均有顯著影響，老年人群的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)在信息布局邊緣位置的反應(yīng)時(shí)明顯大于其他年齡段，但為表現(xiàn)出布局位置對(duì)搜索績(jī)效的顯著影響。從描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可見，隨著年齡的增加，靠近有效視野邊緣的位置是視覺搜索過(guò)程中主要的認(rèn)知編碼[18]。針對(duì)老年人的視野研究中可以發(fā)現(xiàn)，在青年人和中年人之間就存在大幅度的增齡性減退，老年人群中的衰減趨勢(shì)尤為明顯。隨著在駕駛中對(duì)中控屏信息搜索難度的不斷增加，有效視野能力的增齡性減退明顯，身處高風(fēng)險(xiǎn)的駕駛環(huán)境中將使得老年駕駛?cè)税l(fā)生交通事故風(fēng)險(xiǎn)率增加。目前中外部分學(xué)者通過(guò)有效視野測(cè)試(UFOV)[19-20]來(lái)評(píng)價(jià)駕駛?cè)说鸟{駛績(jī)效，研究?jī)?nèi)容多在有效視野范圍的形狀及績(jī)效層面，本研究則重點(diǎn)針對(duì)中控屏不同信息的布局位置對(duì)各個(gè)年齡段進(jìn)行視覺搜索測(cè)試，將有效視野測(cè)試(UFOV)的結(jié)論應(yīng)用在具體的駕駛生活中。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試明確更符合老年人視覺特征的信息布局位置，從而為今后中控屏信息顯示設(shè)計(jì)提供參考，更切實(shí)有效地減低因非駕駛信息引發(fā)交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。

動(dòng)視野測(cè)試中，將有語(yǔ)義的簡(jiǎn)單線條圖形填充為有語(yǔ)義剪影圖形，搜索條件從靜視野轉(zhuǎn)換到動(dòng)視野，進(jìn)而提高了對(duì)視覺特征加工的難度。動(dòng)視野測(cè)試的結(jié)果依舊表明，隨著年齡的增長(zhǎng)和信息布局位置的邊緣性移動(dòng)，老年人群的視覺搜索績(jī)效會(huì)顯著降低。正符合吳曉莉等[21]的研究結(jié)果，人機(jī)交互過(guò)程中遵循視野位置呈現(xiàn)規(guī)律的目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)更短、出錯(cuò)率更低。同時(shí)剪影圖形作為一種較高層次水平的知覺屬性，可增加被試在視覺識(shí)別過(guò)程中加工的難度，反映出在動(dòng)視野條件下對(duì)信息的搜索績(jī)效。通過(guò)對(duì)視覺行為數(shù)據(jù)的收集發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增長(zhǎng)，搜索過(guò)程中會(huì)占用更多的視覺注意力。由目前的研究可知，視覺搜索過(guò)程中影響認(rèn)知負(fù)荷來(lái)源包括：任務(wù)(環(huán)境)、操作者、人機(jī)交互過(guò)程[22]，新穎多樣的中控屏設(shè)計(jì)則在在原有的設(shè)計(jì)中加入了更多的非駕駛?cè)蝿?wù)[23]，無(wú)形中增加了駕駛?cè)说囊曈X搜索壓力。手機(jī)界面的適老化相關(guān)研究中[24]可以發(fā)現(xiàn)，老年人生理視覺能力退化導(dǎo)致其對(duì)界面信息輸入的有限性降低，具體表現(xiàn)為對(duì)圖形、文字和顏色的識(shí)別準(zhǔn)確度降低[25]。同時(shí)，老年人對(duì)手機(jī)屏幕中央位置的視覺感知更敏感，符合從中央眼窩、附中央眼窩視區(qū)到邊緣視覺區(qū)搜索績(jī)效遞減的視野規(guī)律。

由此可知，車載中控屏所涵蓋的娛樂(lè)資訊、導(dǎo)航、通信等眾多功能進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮老年人的視覺特點(diǎn)、遵循視野規(guī)律，對(duì)重要信息進(jìn)行細(xì)致、合理的布局規(guī)劃就顯得十分必要，以此使得老年人在駕駛中對(duì)車載交互信息搜索的效果達(dá)到最佳，提高駕駛安全性得同時(shí)亦可高效地緩解由監(jiān)視自動(dòng)駕駛系統(tǒng)引發(fā)的工作無(wú)聊現(xiàn)象。

3 結(jié)論

利用視覺搜索實(shí)驗(yàn)探究了不同年齡段人群在中控屏幕不同信息布局位置下影響績(jī)效得視覺機(jī)理。在靜視野實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證了隨著年齡的增加，不同年齡段人群對(duì)車載信息視覺感知過(guò)程中的差異。在動(dòng)視野測(cè)試中，驗(yàn)證了不同信息布局位置對(duì)信息視覺識(shí)別過(guò)程中的影響。最終，信息布局位置與年齡組對(duì)視覺搜索績(jī)效的影響機(jī)理顯示，中年組和老年組在信息布局位置1、2、4、5(橫向擺放)，信息布局位置1、3、5(縱向擺放)顯著提高了視覺績(jī)效。本文所提出的研究結(jié)論可以應(yīng)用于具有語(yǔ)義的車載中控信息、指向性圖標(biāo)等方面的設(shè)計(jì)，對(duì)人機(jī)交互界面中信息呈現(xiàn)的位置布局具有理論指導(dǎo)意義，為提高駕駛過(guò)程中執(zhí)行次任務(wù)時(shí)的駕駛安全性提供參考。

同時(shí)本研究存在一些局限性。首先，研究范圍為車載中控屏所包含的信息集群，需要深入調(diào)查各種車載信息界面的視覺復(fù)雜性。其次，僅采用視覺行為與特征指標(biāo)來(lái)評(píng)估視覺搜索績(jī)效，未來(lái)研究中應(yīng)充分考慮腦電、心電等多種生理指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。