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显示移动速度对动态搜索绩效的影响研究

  • 胡波1

    机 构：空军工程大学 防空反导学院， 陕西 西安 710051

    邮 箱：3130104599@zju.edu.cn

    作者简介：胡波(1995—)，男，陕西西安人，硕士生，从事人机工程研究，E-mail:3130104599@zju.edu.cn

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  • 刘晓卫1

    机 构：空军工程大学 防空反导学院， 陕西 西安 710051

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  • 王崴1

    机 构：空军工程大学 防空反导学院， 陕西 西安 710051

    角 色：通讯作者

    邮 箱：1hww11@tom.com

    作者简介：王崴（1974—），男，陕西长武人，教授，博士，从事人机工程研究，E-mail:1hww11@tom.com，https://orcid.org/0000-0002-9994-0451

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  • 瞿珏1,2

    机 构：

    1. 空军工程大学 防空反导学院， 陕西 西安 710051

    2. 西北工业大学 航空学院， 陕西 西安 710072

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  • 蔡睿1

    机 构：空军工程大学 防空反导学院， 陕西 西安 710051

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1. 空军工程大学 防空反导学院， 陕西 西安 710051； 2. 西北工业大学 航空学院， 陕西 西安 710072

中图分类号: TP 393

DOI:10.3785/j.issn.1006-754X.2019.02.008

Research on the effect of display movement speed on dynamic search performance

  • HU Bo1

    Affiliation：College of Air-Defense and Anti-Missile, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China

    Email：3130104599@zju.edu.cn

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  • LIU Xiao-wei1

    Affiliation：College of Air-Defense and Anti-Missile, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China

    ×
  • WANG Wei1

    Affiliation：College of Air-Defense and Anti-Missile, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China

    Role：Corresponding author

    Email：1hww11@tom.com

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  • QU Jue1,2

    Affiliation：

    1. College of Air-Defense and Anti-Missile, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China

    2. School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China

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  • CAI Rui1

    Affiliation：College of Air-Defense and Anti-Missile, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China

    ×

1. College of Air-Defense and Anti-Missile, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China； 2. School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China

CLC: TP 393

DOI:10.3785/j.issn.1006-754X.2019.02.008

参考文献 1
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参考文献 3
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GUOXiao-yun. The effect of speed, time stress and number of targets upon dynamic visual search[D]. Beijing: Tsinghua University, Department of Industrial Engineering, 2011: 29-41.
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参考文献 4
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参考文献 5
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参考文献 6
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参考文献 7
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参考文献 8
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参考文献 9
白学军,曹玉肖,顾俊娟,等.窗口大小、呈现速度和字号对引导式文本阅读的影响[J].心理科学,2011,34(2):278-283.
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参考文献 10
刘烁兰.现代Web弹幕人机交互效率研究[D].广州: 中山大学软件学院,2015：1-5.
LIUShuo-lan. Research on human-computer interaction efficiency of modern Web barrage[D]. Guangzhou: Sun Yat-sen University, software school, 2015.
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参考文献 11
王燕青,任金金,余琴.X光机传输带速度对机场安检人员漏检率的影响分析[J].综合运输,2017,39(5):55-59.doi:CNKI:SUN:YSZH.0.2017-05-013
WANGYan-qing, RENJin-jin, YUQin. Impact analysis of X-ray machine conveyor belt speed on airport security missing rate[J]. China Transportation Review, 2017, 39(5): 55-59.
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目录 contents

    摘要

    为了探究动态视觉搜索任务中显示移动速度对搜索绩效的影响，设计了动态视觉搜索实验。通过E-prime软件测试8个显示移动速度下的搜索绩效，并对反应时间进行配对t检验。实验结果表明：当显示移动速度不高于4°/s时，动态搜索绩效与静态搜索绩效没有显著差异；当显示移动速度不低于6°/s时，二者差异显著，且其差异随显示移动速度的增大而增大。此外，当显示移动速度不高于8°/s时，不同显示移动速度之间的搜索绩效差异性与速度区间的宽度Δω有关，Δω越大，搜索绩效差异越显著；当显示移动速度高于8°/s时，不同显示移动速度之间的动态搜索绩效均存在显著差异。动态视觉搜索任务的平均反应时间和误检率随着显示移动速度的增大而增大。研究结果说明显示移动速度对动态搜索绩效的影响显著，可为动态界面显示移动速度的设置提供一定参考。

    Abstract

    To explore the effect of display movement speed on search performance in dynamic visual search tasks, a dynamic visual search experiment was designed to test search performance at the 8 display movement speeds of 0, 2, 4, 6, 8, 12, 16, 32°/s through E-prime software, and paired t-test for reaction time. The experiment result showed that when the display movement speed was not higher than 4°/s, there was no significant difference between dynamic search performance and static search performance, but when not less than 6°/s, the difference was significant, and the difference increased with the increase of the display movement speed. In addition, when the display movement speed was not higher than 8°/s, search performance differences between the different display movement speeds was related to the width Δω of the velocity interval. The larger the Δω, the more significant the difference in search performance. When the display movement speed was higher than 8°/s, there was a significant difference in search performance between different display movement speeds. The average reaction time and error rate in dynamic visual search tasks increased with the increase of the display movement speed. The research results showed that the display movement speed had a significant effect on the search performance, and could provide some references for display movement speed setting of the dynamic interface.

    通过眼睛的扫视、注视和移动等活动完成视觉信息的收集和判断，从而找到目标物的过程称为视觉搜索[1]。而Wolfe将在一定视觉环境中寻找特定目标的过程定义为视觉搜索[2]。目前，视觉搜索仍没有统一的定义，但能明确的是其目的是搜寻特定的目标。在日常生产生活中，视觉搜索任务广泛存在，比如机械设备显示界面的设置、工业产品检测等。

    按照搜索要素（目标、背景、区域）与搜索者之间的相对位置在搜索过程中是否发生变化，可以将视觉搜索分为静态视觉搜索和动态视觉搜索[3]。静态视觉搜索是指搜索要素在搜索过程中相对于搜索者不会发生变化，始终保持稳定。截至目前，动态视觉搜索还没有明确的定义，有一种说法比较为大家所接受：只要有1种搜索要素在视觉搜索过程中发生变化，即可称为动态视觉搜索[4]。因为任何一种搜索要素的变化都会对搜索绩效产生影响，所以本文仅就显示（即目标与背景）以某一特定的方向和速度平行移动，搜索者位置不变这种情形设计动态视觉搜索任务，在其余搜索要素保持不变时，探究显示移动速度对动态搜索绩效的影响。

    通常，以识别目标的百分比与所用时间的比值来表征搜索绩效。因此，精度与速度的协调始终是搜索绩效定量研究的重点[5]。人们对动态视觉搜索的研究始于20世纪50年代[6]。Williams 和 Borow [7]研究了在搜索目标与搜索背景以相同的方向和速度水移动过程中的动态搜索绩效，得出：当显示移动速度低于8°/s时，动态搜索绩效与静态搜索绩效没有“显著差异”，均可按静态搜索来处理。但他们对“显著差异”的判断是根据16°/s和32°/s移动速度时的比较分析，并非具有统计意义的“显著差异”。Drury和Forsman[8]也进行过类似实验，但搜索目标与搜索背景并非“循环播放”，而是“单方向移动”（即下一张图片在上一张图片完全移出屏幕后，才会进入屏幕）。白学军等[9]在研究引导式文本阅读中呈现速度对阅读绩效的影响时，仅得出慢速更有利于阅读的结论，对不同呈现速度对阅读绩效的影响并未深入研究。刘烁兰[10] 研究了弹幕滚动速度对认知效率的影响，得出慢速显示弹幕的认知效率比中速和快速显示弹幕的要高。王燕青等[11]研究了X光机传输带速度对机场安检人员漏检率的影响，发现传输带速度不同时，安检人员漏检率差异显著。

    综上所述，国内外学者就显示移动速度对动态搜索绩效影响的研究较少。基于此，本文就显示移动速度对动态搜索绩效的影响进行实验研究，以期得到显示移动速度对动态搜索绩效的影响规律，丰富动态视觉搜索理论，为显示移动速度的设置提供一定的参考依据，以在满足要求的条件下，将误检率降到最低。

  • 1 动态视觉搜索实验设计

    由于“田甲由申”的区分度不高，结合相关实验设计原则，本次研究以“田甲由申”中的任一字符为搜索目标，其余三个字符（随机分布）为干扰项。根据Borow 和Williams 的实验任务，以显示移动（角）速度为自变量，选取8个水平：0，2，4，6，8，12，16，32°/s，因变量为搜索绩效，通过反应时间、误检率及失败率进行量化比较。每个被试在8 d内分别完成8组不同显示移动速度下的实验任务，即每天完成1种显示移动速度下的实验任务，每组实验任务由30次单目标动态视觉搜索任务组成，以保证实验数据的可靠性。第1天至第8天的实验任务对应的显示移动速度分别为0，2，4，6，8，12，16，32°/s。

  • 1.1 被　试

    本实验招募空军工程大学男性本科生25名，年龄在18～25岁，平均年龄为22.4岁。所有被试在军事性体格检查时均未发现色盲、色弱现象，其裸眼视力或矫正视力在5.0以上，右利手，无认知障碍，具有一定的电脑使用经验。

  • 1.2 实验素材

    本实验任务为在充满干扰字符的背景中寻找特定目标（指定字符）。特定目标字符为“田甲由申”中的任意一个，当目标字符确定后，其余三个字符就成了干扰字符。搜索区域的大小为440像素×220像素，每个字符大小为36像素×36像素，位于40像素×40像素的白色背景中心，干扰字符间隔排列。所有字符的字体、颜色等属性完全一致。目标字符为“田”的动态视觉搜索界面如图1所示。

    图1 目标字符为“田”的动态视觉搜索界面示意图

    图1 目标字符为“田”的动态视觉搜索界面示意图

    Fig. 1 Schematic diagram of the dynamic visual search interface with the target character “田”

  • 1.3　实验设备与平台

    本实验设备包括装有E-Prime软件的个人计算机一台（屏幕为20英寸（长、宽分别为44.2，24.91 cm），刷新率为60 Hz，分辨率为1 600×900），调整被试的位置和显示器的角度及高度，使得被试的视线与屏幕中央大致齐平，被试的双眼距屏幕中心约700 mm。E-Prime软件可以自动记录并保存实验数据，实验平台主要通过该软件的Movie Display模块搭建而成。

  • 1.4　实验流程

    所有被试应在测试开始前充分休息，保证心理和生理状态良好。在开始第1组实验前，由主试向被试讲解实验流程并示范软件操作，而后被试在主试的指导下进行数次适应性练习，熟悉实验操作流程，以确保实验能顺利完成。

    目标字符在每一次搜索任务开始前都会显示在屏幕中央区域，被试在成功分辨并牢记目标字符后，即可敲击任意键退出该界面，开始视觉搜索任务。被试如果发现目标字符，应立即用键盘输入目标字符所在的行数，然后进入下一个目标的搜索任务。当系统进入新一轮实验时，屏幕中央显示新的特定目标字符。若被试感到疲劳，则可稍作休息，待精神状态恢复后，再按任意键开始新的搜索任务。以此类推，直至完成该组的30次实验任务。

    在实验过程中，每次搜索任务的时间设置为60 s，被试应当诚实守信，尽己所能完成实验，而不应随意猜测答案，应付了事。若60 s之内被试始终没有给出选择，则视为搜索失败，系统自动进入下一轮的搜索任务。

    在实验过程中，被试在寻找目标字符时出现选择错误的情况有3种：一是被试发现了目标，但因操作导致选择错误；二是未遵守实验规则，在没有发现目标时依靠猜测给出答案；三是把干扰字符当成目标字符。由于选择错误的真正原因难以确定，所以错误的选择结果不计入“平均反应时间”的统计分析。而60 s内未找到目标（即搜索失败，可能是因为疲倦等）的结果计入“平均反应时间”的统计。

    最后，汇总不同显示移动速度下的反应时间、误检率和失败率，并对相关数据进行单因素方差分析及t检验，得到动态搜索绩效随显示移动速度的变化规律。

  • 2 搜索绩效实验结果及分析

    按照设计的实验任务，每名被试完成了240次搜索任务，共采集了6 000个数据。不同显示移动速度下的平均反应时间、搜索次数、误检次数和搜索失败次数如表1所示。

    表1 不同显示移动速度下的实验结果

    Table 1 The experimental results at different display movement speeds

    显示移动

    速度/(°/s)

    平均反应

    时间/s

    搜索

    次数

    误检

    次数

    搜索失

    败次数

    05.73675020
    26.14575030
    46.79575060
    67.78375070
    88.865750100
    1211.72375091
    1614.953750163
    3221.632750287

    通过表1和图2可以看出：平均反应时间随着显示移动速度的增大而变长，说明搜索绩效随显示移动速度的增大而降低，这与郭小筠[3]和Erickson[12]的研究结论一致，与生活经验相符合；误检率随着显示移动速度的增大而逐渐升高，在显示移动速度不低于12°/s时出现了搜索失败的情况，随着显示移动速度继续增大，搜索失败率也呈现逐步增大的趋势。

    图2 不同显示移动速度下的误检率及失败率

    图2 不同显示移动速度下的误检率及失败率

    Fig. 2 The error rate and search failure rate at different display movement speeds

    对平均反应时间、搜索失败率和搜索误检率进行单因素方差分析，结果如表2所示。结果表明：平均反应时间的显示移动速度主效应F7,168=7.83,P<0.01显著；搜索失败率的显示移动速度主效应F7,168=5.57,P<0.01显著；搜索误检率的显示移动速度主效应(F7,168=16.05,P<0.01)显著。这意味着显示移动速度对动态搜索绩效的影响显著。

    表2 单因素方差分析结果

    Table 2 Results of one-way anova

    因素FP
    平均反应时间7.830.000
    失败率5.570.004
    误检率16.050.000

    为进一步探求动态搜索绩效与静态搜索绩效存在显著差异的显示移动速度节点，对不同显示移动速度下的平均反应时间进行配对t检验，结果（P值）如表3所示。根据配对t检验结果，研究了不同显示移动速度下动态搜索绩效与静态搜索绩效差异性的变化规律，并找出搜索绩效差异不显著的速度区间。

    表3 不同显示移动速度配对t检验结果（P值）

    Table 3 The t-test results with different display movement speeds （P value）

    显示移动速度/(°/s)0°/s2°/s4°/s6°/s8°/s12°/s16°/s32°/s
    0—0.2270.1860.0480.0290.0030.0000.000
    20.227—0.2180.0570.0390.0010.0000.000
    40.1860.218—0.2350.0370.0010.0000.000
    60.0480.0570.235—0.1390.0030.0000.000
    80.0290.0390.0370.139—0.0030.0010.000
    120.0030.0010.0010.0030.003—0.0030.000
    160.0000.0000.0000.0000.0010.003—0.000
    320.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000—

    由表3可知：当显示移动速度为2和4°/s时，P>0.05，此时动态搜索绩效与静态搜索绩效之间没有显著差异。这是因为在较低的显示移动速度下，完成搜索任务的“时间压力”与静态搜索相比差异不大，且视觉灵敏度、视野大小、眼动模式等影响搜索绩效的因素也大体相同。当显示移动速度不低于6°/s时， P<0.05，说明动态搜索绩效与静态搜索绩效之间的差异显著。这意味着介于4～6°/s之间的某个显示移动速度，就是搜索绩效存在显著差异的速度节点。

    此外，由表3还可以看出：随着显示移动速度的增大，P值不断减小，这说明动态搜索绩效与静态搜索绩效之间的差异越来越显著。同时，当显示移动速度为0和2°/s、0和4°/s、2和4°/s、2和6°/s、4和6°/s、6和8°/s时P>0.05，说明这些速度区间之间的搜索绩效差异不显著。但当显示移动速度超过8°/s时，即使显示移动速度相近，如8和12°/s、12和16°/s，P<0.05，说明这些速度区间之间的搜索绩效差异显著。

    进一步分析数据，可作如下推理：当显示移动速度不超过8°/s时，显示移动速度区间宽度Δω与显示移动速度之间的差异性存在着相关关系。一般地，搜索绩效之间的差异随着Δω的增大而变得越来越显著。当显示移动速度超过8°/s时，不同显示移动速度之间的搜索绩效始终存在显著差异，但其差异性与显示移动速度区间宽度Δω的相关性并不明显。

  • 3 结 论

    实验结果表明：显示移动速度对搜索绩效的影响显著。总体上，平均反应时间和误检率随着显示移动速度的增大呈上升趋势，即在满足要求的前提下，显示移动速度越小，动态搜索绩效越高，误检率越低。根据t检验结果可知，搜索绩效存在显著差异的速度节点介于4～6°/s之间，因此，当显示移动速度不超过4°/s时，均可将它等同于静态搜索。此外，通过分析得到的显示移动速度对搜索绩效的影响规律，丰富了动态视觉搜索理论，为机械设备动态显示界面显示移动速度的设置提供一定的参考依据。下一阶段，将考虑使用眼动仪来探究动态搜索时的眼动规律，同时结合脑电仪，研究不同显示移动速度下的认知负荷。

  • 参考文献

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  • 基本信息

    DOI:10.3785/j.issn.1006-754X.2019.02.008

    中图分类号: TP 393

    文献标识码: A

    引用信息

    胡波,刘晓卫,王崴等.显示移动速度对动态搜索绩效的影响研究[J].工程设计学报,2019,26(02):177-181.

    HU Bo,LIU Xiao-wei,WANG Wei,et al.Research on the effect of display movement speed on dynamic search performance[J].ELECTRIC DRIVE,2019,26(02):177-181.

    基金信息

    国家自然科学基金资助项目(51675530)

    稿件历史

    纸刊出版 : 2019-04-28
    收稿日期 : 2018-10-19

    • 胡波

    机 构：空军工程大学 防空反导学院， 陕西 西安 710051

    Affiliation：College of Air-Defense and Anti-Missile, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China

    邮 箱：3130104599@zju.edu.cn

    作者简介：胡波(1995—)，男，陕西西安人，硕士生，从事人机工程研究，E-mail:3130104599@zju.edu.cn

    刘晓卫

    机 构：空军工程大学 防空反导学院， 陕西 西安 710051

    Affiliation：College of Air-Defense and Anti-Missile, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China

    王崴

    机 构：空军工程大学 防空反导学院， 陕西 西安 710051

    Affiliation：College of Air-Defense and Anti-Missile, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China

    角 色：通讯作者

    Role：Corresponding author

    邮 箱：1hww11@tom.com

    作者简介：王崴（1974—），男，陕西长武人，教授，博士，从事人机工程研究，E-mail:1hww11@tom.com，https://orcid.org/0000-0002-9994-0451

    瞿珏

    机 构：

    1. 空军工程大学 防空反导学院， 陕西 西安 710051

    2. 西北工业大学 航空学院， 陕西 西安 710072

    Affiliation：

    1. College of Air-Defense and Anti-Missile, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China

    2. School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China

    蔡睿

    机 构：空军工程大学 防空反导学院， 陕西 西安 710051

    Affiliation：College of Air-Defense and Anti-Missile, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China

    1006-754X-2019-26-2-177/alternativeImage/be967f6f-8f5e-4e7a-b7cd-f5cf3bcc03ce-F001.jpg

    显示移动

    速度/(°/s)

    平均反应

    时间/s

    搜索

    次数

    误检

    次数

    搜索失

    败次数

    05.73675020
    26.14575030
    46.79575060
    67.78375070
    88.865750100
    1211.72375091
    1614.953750163
    3221.632750287
    1006-754X-2019-26-2-177/alternativeImage/be967f6f-8f5e-4e7a-b7cd-f5cf3bcc03ce-F002.jpg
    因素FP
    平均反应时间7.830.000
    失败率5.570.004
    误检率16.050.000
    显示移动速度/(°/s)0°/s2°/s4°/s6°/s8°/s12°/s16°/s32°/s
    0—0.2270.1860.0480.0290.0030.0000.000
    20.227—0.2180.0570.0390.0010.0000.000
    40.1860.218—0.2350.0370.0010.0000.000
    60.0480.0570.235—0.1390.0030.0000.000
    80.0290.0390.0370.139—0.0030.0010.000
    120.0030.0010.0010.0030.003—0.0030.000
    160.0000.0000.0000.0000.0010.003—0.000
    320.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000—
    1006-754X-2019-26-2-177/alternativeImage/be967f6f-8f5e-4e7a-b7cd-f5cf3bcc03ce-F003.jpg

    图1 目标字符为“田”的动态视觉搜索界面示意图

    Fig. 1 Schematic diagram of the dynamic visual search interface with the target character “田”

    表1 不同显示移动速度下的实验结果

    Table 1 The experimental results at different display movement speeds

    图2 不同显示移动速度下的误检率及失败率

    Fig. 2 The error rate and search failure rate at different display movement speeds

    表2 单因素方差分析结果

    Table 2 Results of one-way anova

    表3 不同显示移动速度配对t检验结果（P值）

    Table 3 The t-test results with different display movement speeds （P value）

    image /

    无注解

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