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基于Yerkes-Dodson法则的视知觉容量研究

陈鑫

2019-10-28

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本文基于Yerkes-Dodson法则以单任务实验模式研究图像形状与图像色彩对视知觉容量的影响,将视知觉容量图像形状、图像色彩与形状色彩三种类别,并通过设定时间压力的三种水平来对被试进行实验,以此探究Yerkes-Dodson法则下图像色彩与图像形状在不同时间压力下对视知觉容量的影响机制。

 

结果表明时间压力对图像色彩、图像形状及两者组合体的视知觉容量都有明显影响。且时间压力较大时图像色彩的视知觉容量比图像形状的视知觉容量大,人机界面中用户需要快速识时色彩比形状更具准确性优势。

 

 

 

基于Yerkes-Dodson法则的视知觉容量研究

陈鑫

中兴通讯中研UED

 

摘要:

人机界面中,用户的视觉通道接收到信息后,能立即储存的容量有限,而容量上限与多种因素相关。当决策允许的时间短暂时,造成的时间压力会严重影响用户的视知觉容量。时间压力一定时,用户在人机界面交互系统下与其视知觉容量相关性最大的两个因素分别为图像形状与图像色彩。本文基于Yerkes-Dodson法则以单任务实验模式研究图像形状与图像色彩对视知觉容量的影响,结果表明在时间压力一定时,用户对色彩形状组合图像的视知觉绩效最差,而对图像色彩的认知容量与认知速度均优于图像形状。

关键词:视知觉容量;时间压力;图像形状;图像色彩

 

复杂的人机界面交互系统中,排除自身生理机能的因素,用户在心理压力与时间压力都很大的情况下由于信息过载准确、快速地作出反应十分困难。摄入信息持续增多时用户视觉认知容量必达上限,此时很可能会由于信息过载问题恶化而产生作业绩效降低,甚至会因为作业难度的进一步提高导致操作失误[1]。另一方面,当决策允许的时间短暂时,造成的时间压力会严重影响用户的视知觉容量[2]。因此,基于Yerkes-Dodson法则如何通过图像色彩与图像形状的合理搭配来提高用户的视知觉容量、改善作业绩效,减少作业难度、降低误操作率已经为界面设计中亟需解决的问题。

Yerkes-Dodson法则又称为叶杜二氏法则,最早由心理学家叶克斯与杜德逊经过研究归纳而来,以此来解释心理压力、工作难度与作业绩效三者之间的关系。他们认为因为动机而产生的心理压力,对作业表现具有促动功能,而其促动功能之大小,将因工作难度与压力高低而异[3]。国内有学者发现,形状编码与颜色编码在不同时间压力下对用户产生的不同刺激[4],亦有学者以解析不同编码元素在相异时间压力下的辨认绩效呈现水平指出形状与色彩的辨认不受压力大小的影响。

本文在现有研究的基础上,将视知觉容量图像形状、图像色彩与形状色彩三种类别,并通过设定时间压力的三种水平来对被试进行实验,以此探究Yerkes-Dodson法则下图像色彩与图像形状在不同时间压力下对视知觉容量的影响机制。

 

一. 视知觉容量与时间压力

1.1 视知觉容量

人机界面中,视知觉容量指用户视觉通道接收到信息之后通过分类、整合能储存到大脑中信息数量的上限。视知觉包含视觉接收和视觉认知两部分,用户在其眼球器官察觉到视觉刺激后,会将信息传导至大脑接收和辨识最终储存起来。视知觉中视觉注意力对容量有着决定性的影响。视觉注意力包含三个层面。第一,视觉刺激出现后,能否被注意到并被接收;第二,接收到视觉刺激后能否持续注意;第三,多个视觉刺激出现时如何妥善分配及应用有限的注意力[5]

早期有心理学领域学者通过研究视知觉容量与信息编码之间相关机制发现,人类视知觉能绝对辨认的色彩数量为9个,较为简单的图像形状则为5-6个[2]。亦有文献通过研究视觉短时记忆容量与信息加载及目标数量之间的关系得出用户在短时状态下,视觉认知容量中的色彩数量平均为4.4个,不规则几何图形则为2.0个[6]。在人机界面交互系统的研究历程中,已有学者通过建立图式[7]、决策模式[8]、分析信息量的差异所需视知觉处理时间[9]等方法在一定程度上缓解了由于时间压力和工作难度所导致的信息过载问题。

1.2 时间压力

时间压力是影响用户视知觉容量大小的重要因素。在人机界面交互系统中,时间压力表现为用户完成既定任务的紧迫感。作为信息接收、辨识及加工的首要阶段,视知觉的时间压力主要来自视觉刺激的运动状态以及视觉扫描、信息接收的速度。而视觉扫描速度与眼睛凝视视觉刺激成正相关。在静态场景中, 视觉凝视时间越短,视觉扫描速度越快, 时间压力越大;而视觉凝视时间越长,视觉扫描速度越慢,时间压力越小。依据视觉认知水平与时间压力大小的关系,如表1所示,本文将视觉扫描速度分为快、中、慢三个水平,相应的时间压力则为大、中、小。

表1:时间压力的水平及其描述

 

视觉扫描速度

时间压力

视觉认知水平

视觉认知过程时间十分紧迫,信息接收、加工与处理各阶段经常出现冲突。

视觉认知过程时间较为紧迫,信息接收、加工与处理各阶段偶尔出现冲突。

视觉认知过程时间较为充裕,信息接收、加工与处理各阶段很少出现冲突。

 

此时视觉扫描速度反映作业难度,时间压力反映压力而视觉认知水平则反映作业绩效。Robert等在《认知心理学》中指出,人眼平均一次凝视时长为250—300ms[10],Card、Moran等通过建立信息加工模型,提出了平均反应时长的计算公式。据此得出人的视知觉信息处理系统平均每个循环耗时75—370ms。崔剑霞等通过研究短时记忆容量得出,能引起用户辨别的视觉刺激会诱导出200-300ms的大脑负电位[11]。李晶等通过实验指出凝视时间为200ms时时间压力大,视觉认知过程时间紧迫;凝视时间为600ms时时间压力适中,视觉认知过程时间稍微紧迫;凝视时间为1000ms时时间压力较小,视觉认知过程时间充裕[4]

综上,本文依照时间压力大、中、小三个水平,将实验视觉刺激的呈现时间分别设置为200ms、600ms和1000ms。

 

二. 图像色彩与图像形状的导出

人机界面交互中,用户经过视觉通道接收视觉刺激,然后视觉刺激转化为信息进行认知处理,之后进入中央系统做出决策给出具体生理反应。由于视知觉容量有上限,人眼每次接收视觉刺激的数量亦会受限,因而视觉认知每次能处理的信息也是有限的。图像色彩与图像形状作为人机界面中最常见的视觉元素,其数量、组合及排列方式都可对视知觉容量大小产生直接的影响。

实验中所采用的五组十个图像形状通过日常生活中常见的540个图标抽象而来,图像色彩亦由此540个图标的颜色中统计频率得出,最终选择组成图标的最基础元素图形十个。

 

 

图1:实验原材料的540个图标

十种图像形状分别为:

 

图2:提取的十种图像形状

 

颜色的选取则以常见的孟塞尔色相环为依据, 取同一明度和纯度下的色相环等分颜色, 再将其中的黄、绿、紫做增大区分度的微调,加上白色,得到如下十种颜色。

 

图3:提取的十种图像色彩

 

由图像形状+图像色彩组合而成的图像为:

 

图4:提取的形状+色彩图像

 

三. 视知觉容量实验

实验采用单任务实验模式,要求被试熟悉实验流程后,记忆实验初始项,进而在探测项出现后以最快的速度分辨探测项是否在初始项中全部出现。

     3.1 实验内容

实验采用2×3×4×3的被试方式,因素一为被试在做实验时心理压力的有无,同一被试不得同时在有心理压力组和无心理压力组参与实验;因素二为初始项的三个呈现时间水平,按照时间压力的高、中、低三个呈现水平依次为200ms,600ms和1000ms;因素3为初始项的呈现数量水平,按照视知觉容量的小、中、大、特大依次为3个、5个、7个、9个;因素四为初始项的呈现特征,分类为阶段一图像形状、阶段二图像色彩和阶段三图像形状+图像色彩。在编程时,保证同一初始项的呈现组内呈现特征色彩和形状不会重复出现,且在整个呈现水平中有一半的探测项特征不在初始项集之中。按照有无心理压力、初始项的呈现时间水平、呈现数量水平以及呈现特征,要求每位被试参加3×4×3共36轮实验,每轮实验测试三次,依据初始项的呈现数量水平的3个、5个、7个、9个,同一初始项下的探测项数量均为2个。初始项的呈现特征、时间和数量随即显示,被试的时间压力在每组实验内均不相同,要求被试在规定时间内判断出探测项显示内容是否均在初始项中出现,若是,则按“Y”,否则按“N”。以此要求被试注意力要相对集中。每位被试在各阶段完成后均有2min休息时间,每位被试完成全部实验预计15min。

本次实验程序的编写采用行为心理学中常用的开发软件E-prime,实验工具为屏幕分辨率1366×768、处理器Intel i3 M380、显卡ATI HD 5400的东芝笔记本电脑,实验进行时无论是初始项还是探测项始终显示在电脑中央,且根据被试坐高以调整支架高低的方式保证探测项在水平方向上保持与被试双眼齐平。

     3.2 实验程序

实验被试分为两大组,共60人次,20男20女,年龄为18-40岁,视力正常且无色弱和色盲症状,无设计相关人员参与,分为有压力组(15男15女)和无压力组。有压力组在实验过程中会有进度条显示当前状态与剩余时间,无压力组则无任何显示。正式实验开始前先行使其熟悉实验流程、实验要素和注意事项,并预播放程序一次使其在进入状态之后开始实验。

如图5所示,正式进入实验阶段,被试熟悉实验材料、模式、流程之后开始实验。

表2:实验程序

 

图5 实验程式

 

 

四. 实验数据分析

4.1 视知觉绩效与视知觉容量分析

对实验被试的数据进行统计处理,得出有心理压力和无心理压力两组三个时间水平下,图像色彩、图像形状与色彩形状三种类型的视知觉容量正确率。各阶段下视知觉正确率如下图所示。其中,上侧为无心理压力结果统计,下侧为有心理压力结果统计。

 

图6 无心理压力的色彩研究结果统计

图7 有心理压力的色彩研究结果统计

图8 无心理压力的形状研究结果统计

 

图9 有心理压力的形状研究结果统计

图10 无心理压力的色彩+形状研究结果统计

图11 无心理压力的色彩+形状研究结果统计

 

同一阶段下对比实验中心理压力因素有无的数据,结果显示,相对于无心理压力小组,有心理压力小组在视觉刺激三个数量水平的正确率上均有差异。其中,图像色彩、图像形状与色彩图像组合图形的三个阶段下,当视觉刺激的数量水平小于五个时,有心理压力小组比无心理压力小组的的正确率要高。当视觉刺激的数量水平高于七个时,有心理压力小组的正确率则低于无心理压力小组。通过数据对比表明,心理压力对视知觉绩效会产生影响,能否产生积极的影响则视时间压力的大小而定。

同一心理压力状态、同一视觉刺激呈现时间下对比实验中各阶段视觉刺激呈现种类的数据,结果显示,图像色彩在视觉刺激数量超过7个时,正确率下滑速度明显上升,图像形状在视觉刺激数量超过5个时,正确率下滑速度明显上升,而色彩形状组合图像在视觉刺激超过3个时正确率的下降幅度便十分明显。数据表明,同一条件下,在视知觉刺激数量水平较低时,图像色彩的视知觉绩效最大,色彩形状组合图像的视知觉绩效最小。

同一心理压力状态、同一实验阶段下对比实验中三个视觉刺激呈现时间水平的数据,结果显示,当视觉刺激呈现时间从600ms降低至200ms时,准确率有比较显著的下降,对视知觉绩效的影响更加明显。数据表明,当时间压力增大时,视知觉容量的降幅增大。

同一心理压力状态下,综合各实验阶段中的视觉刺激呈现时间来看,色彩形状组合图像在在三个水平的呈现时间即1000ms、600ms和200ms时,差异最大,此时,视知觉绩效较图像色彩与图像形状的认知有显著降低。数据表明,人机界面中元素不宜过多,否则会引起用户视知觉绩效降低,导致误操作概率提升。

5. 结论

根据视知觉容量实验,可以得到以下结论:

1. 视觉扫描速度即时间压力对图像色彩、图像形状及两者组合体的视知觉容量都有明显影响。当视觉扫描时间从600ms降低为200ms时,对图像色彩的视知觉容量与认知速度的影响更为显著;当视觉扫描时间从1000ms降低为600ms时,对图像形状的视知觉容量与认知速度的影响更为显著;视觉扫描时间从1000ms降低到600ms以及从600ms降低到200ms时,对色彩与形状组合图像的视知觉容量和认知速度的影响均十分显著,当视觉扫描时间从600ms降低到200ms时影响更加显著。

2. 相对于无心理压力组,有心理压力组在视觉刺激的数量水平在低于五个时,正确率均有提高,表明适度的心理压力能提高视知觉容量(作业绩效);当视觉刺激的数量水平超过7个时,正确率显著下降,表明此时由于作业难度增加至临近信息过载边界,心理压力会导致视知觉容量的降低。

3. 实验过程中当图像色彩刺激的数量水平达到9个、图像形状刺激的数量水平7个、色彩与形状组合图像刺激的数量水平达到5个时,被试视觉认知正确率骤减,出现了视知觉容量出现信息过载情况。当视觉扫描速度在1000ms以内时,时间越短视知觉容量越小,认知速度越慢,认知错误率越高。

4. 在时间压力一定时,用户对色彩形状组合图像的视知觉绩效最差,而对图像色彩的认知容量与认知速度均优于图像形状。且时间压力较大时图像色彩的视知觉容量比图像形状的视知觉容量大,人机界面中用户需要快速识时色彩比形状更具准确性优势。

 

 

参考文献

 

[1]Chang T W,Kinshuk, Chen N S, et al. The effects of presentation method and information density on visual search ability and working memory load [J]. Computers & Education,2012,58(2):721-731

[2]郭伏, 钱省三人因工程学[M].北京: 机械工业出版社,2006

[3]http://wiki.mbalib.com/wiki/Yerkes-Dodson%E6%B3%95%E5%88%99

[4]李晶, 薛澄岐, 王海燕,等. 均衡时间压力的人机界面信息编码[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2013, 25(7):1022-1028. DOI:10.3969/j.issn.1003-9775.2013.07.012.

[5]http://baike.baidu.com/link?url=ocfJ68us4DBuhEhaDtPsEpQI2iEkCJT_H1bCi1m4FZToU_MS2RedO42Sdx9j8tK8jMFQ8t08Ljy_w8lkqSvQVK

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[7]Chalmers P A. The role of cognitive theory in human-computer interface[J]. Computers in Human Behavior, 2003, 19(5):593-607.

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[9]张慧姝, 庄达民, 马丁,等. 飞行员视觉信息流强度模拟及适人性分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2011, 37(5):519-523.

[10]Robert L S, Kimberly M M,Otto H M. 认知心理学[M]. 何华,译.6版.南京: 江苏教育出版社,2010

[11]Boff K, Kaufman L, Thomas J. Handbook of perception and human performance [J]. Sensory Processes and Perception,” A WileyInterscience Publication, 1986, (10).

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