登月航天服头盔显示界面色彩设计.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 2-13;修订日期:2 0 2 3-0 4-18Sep.2023JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年9 月No.9Vol.40第40 卷第9 期机设械计登月航天服头盔显示界面色彩设计周家慷,姚湘,姚文豪,许活鹏(湘潭大学机械工程学院,湖南湘潭411105)摘要:为研究月球探索任务中不同色相在登月航天服头盔显示界面中的显著性程度,设计了灰色和黑色两种背景下的色相视觉搜索试验,通过计算平均反应时间对目标色和干扰色的显著性程度进行评价。试验结果表明:背景色对搜索效率具有显著影响;月球的环境颜色包含灰色和黑色,需选择适用于这两种背景的颜色作为登月航天服头显示界面
2、的色彩;红色作为目标色时显著性最强,适合作为重要程度或紧急程度较高的信息的颜色;青色和蓝色作为干扰色时显著性最弱,适合作为重要程度或紧急程度较低的信息的颜色。上述结论可为登月航天服头盔显示界面的色彩设计提供理论基础。关键词:登月航天服;头盔显示界面;视觉搜索试验;显著性程度;色彩设计中图分类号:V11;TB472文献标识码:A文章编号:10 0 1-2 354(2 0 2 3)0 9-0 156-0 7Color design for helmet mounted display interface of lunar spacesuitZHOU Jiakang,YAO Xiang,YAO We
3、nhao,XU Huopeng(School of Mechanical Engineering,University of Xiangtan,Xiangtan 411105)Abstract:In order to study the significance of different hues in the helmet display interface of lunar space suits during moonexploration missions,the visual search experiments were conducted with two different b
4、ackground colors,gray and black,toevaluate the salience of target and distractor colors by calculating average reaction time.The results showed that background colorhad a significant impact on search efficiency.Given that the environment of the moon typically includes both gray and blacktones,it is
5、necessary to select colors that are suitable for both backgrounds as a part of the color design of the helmet displayinterface of lunar spacesuits.Red was found to have the strongest salience when used as a target color.It is therefore suitable forconveying information of high importance or urgency.
6、Cyan and blue were found to have the weakest salience when used asdistractor colors and are thus suitable for conveying information of lower importance or urgency.It provided a theoretical basis forthe color design of the helmet display interface of lunar space suits.Key words:lunar spacesuit;helmet
7、 mounted display system;visual search experiment;degree of significance;color design载人登月探测是航天强国的重要标志,也是载人航天工程发展的长远战略。美国已制订2 0 2 4年重返月球计划,俄罗斯计划于2 0 2 8 年发射重型火箭,我国也计划在2 0 30 年左右具备载人登月能力,世界航天领域掀起了新一轮载人登月探测热潮。在未来,月球表面探索任务的舱外活动受通信延迟和在轨时间延长的影响,地面指控系统对航天员的基金项目:国家社会科学基金艺术学一般项目(2 0 BG115)信息支持受到不同程度的制约,因此,需提高
8、航天员自主获取信息的能力。具有增强现实和抬头显示功能的头盔显示系统(HelmetMountedDisplaySystem,HMDS)将赋予在月球表面承担探索任务的舱外活动人员更多的信息和舱外航天服的监控自主权,为航天员提供访问数据和信息的途径 2 。舱外航天服头盔显示界面是人机交互的窗口,界面中信息的编码方式会1572023年9 月周家慷,等示界面色彩设计大饮影响航天员的认知绩效。目前,国内外关于舱外航天服头盔显示界面的研究多关注于技术实现,缺少对信息编码方式的研究在人机界面的信息中,色彩的视觉表现力最强,能引导用户的注意力 3。界面中的色彩编码能有效降低视觉信息混乱,提高认知绩效 4。在平视
9、显示器(Head Up Display,HUD)和头盔显示器(Helmet Mount-ed Display,HMD)领域,DereFeldt 等 5 和 Blundell 等 6 发现,相比单色编码,彩色编码能提升飞行员的视觉搜索效率;百灵 7 通过提取山脉、雪山等图片,进行了双色编码与环境色彩匹配问题的试验研究,得出HUD双色编码的认知绩效高于单色编码;熊端琴等 8 探讨了在白天和夜间条件下HUD界面中的4种颜色配置对飞行绩效(模拟飞行)的影响,认为绿色和品红色的组合效果最好;Xiao等 9 通过试验证明,在HUD的色彩编码中,异常信息采用红色优于黄色,而绿色不适合作为异常信息;王海燕等
10、10 选取了14种纯色背景,通过改变前景字符颜色的明度和纯度进行游标敏锐度比较试验,得出HMD界面在白天与夜间识别度最高的明度与纯度值;张磊等 提出,在飞行界面中,背景色与目标色的组合很大程度上影响被试者对目标的识别,且背景色与前景色的组合即颜色编码对认知绩效的影响会因脑力负荷和任务类型的不同而不同通过上述文献发现,背景色对HUD与HMD界面中的色彩设计有重要影响。在月球勘探任务中,头盔显示界面的背景是月壤和宇宙,与地球上的蓝天和海洋等背景的色彩有较大的区别。因此,登月航天服头盔显示界面的色彩设计不能照搬现有的色彩设计策略,需适配月球的背景色。文中设计了不同色相的视觉搜索试验,研究了在月球背景
11、下不同色相的视觉感知层级,为登月航天服头盔显示界面的色彩设计提供了理论支撑。1色彩的显著性色彩作为一种特征,如果它是一个目标物,就会引导人的注意力;如果它是一个干扰物,就会吸引人的注意力 12-15。在数字界面中,当多种色彩信息出现时,目标色的抗干扰性强(不被其他色彩所干扰),其显著性强;反之,其显著性弱 16 。以往文献大多是通过搜索方法中干扰色对目标色反应时间的影响判断色彩的显著性差异 17 。Theeuwes18指出,干扰项相对于目标项的显著性程度会影响视觉搜索效率,干扰项的显著性程度越高,对目标项的干扰作用越大,视觉搜索的反应时间越长。根据现有文献的研究方法可发现,在视觉搜索试验中,目
12、标色的面积通常较小,干扰色的面积通常较大。界面中元素的面积会对色彩的显著性造成影响 19。现有文献主要研究色彩两两搭配时的显著性关系,但在载人航天器人机界面的色彩编码中,通常会采用多种色彩,但一般不超过5种 2 0 。0)。在实际应用中,每种色彩都有可能成为目标色,也有可能成为干扰色。因此,在讨论显著性时,需将目标色和干扰色单独分析。综上,文中将头盔显示界面中的色彩分为目标色和干扰色两种情况,并尝试探讨:(1)不同色相作为目标色时的显著性程度,如何找出显著性最强(不被其他色彩所干扰)的目标色;(2)不同色相作为干扰色时的显著性程度,如何找出显著性最弱(不会干扰其他色彩)的干扰色,2色彩元素分析
13、与设计2.1头盔显示界面色彩分析与设计目前,登月航天服头盔显示器处于概念探索阶段,界面的色彩应用案例较少。为扩大色彩样本范围,文中搜集了航天飞机、载人飞船和飞机(波音、空客)中具有代表性的显示界面,如图1所示,并提取其前景色的色相作为登月航天服头盔显示界面的色彩样本图1代表性显示界面158机设械计第40 卷第9 期文中试验仅研究头盔显示界面中不同色相的视觉感知层次,色相样本提取流程如下:采用图像处理软件提取并汇总显示界面中字符、标识和图形的色彩;通过Image Color Summarizer程序,按照红、橙、黄、绿、青、蓝、紫及品红色的色相范围对汇总的前景色进行提取,并设置饱和度和明度均为1
14、0 0,最终得到8 个头盔显示界面色相样本,如表1所示表1头盔显示界面色相样本编码颜色名称颜色RGBLa6A红色2558053.280.167.2A2橙色255179078.2 16.681.1A3黄色255255097.1-21.694.5A4绿色02558997.4-19.275.9As青色025516689.1-70.028.7A6蓝色019525573.7-19.7-40.7三A1紫色204025551.991.0-74.8A:品红色255011054.483.314.3注::RG,B分别表示红色、绿色、蓝色通道的颜色数值;L表示照度;a表示从红色至绿色的范围;b表示从蓝色至黄色的范围
15、。2.2头盔显示界面背景色分析与设计登月航天服头盔显示器是透视显示器,影响航天员对头盔显示界面信息认知效率的因素不仅包括界面信息的颜色,还包括月球背景的颜色。图2 为具有代表性的月球背景图2代表性月球背景通过ImageColorSummarizer程序对月球背景图进行色彩提取与简化,得到灰色和黑色作为登月航天服头盔显示界面背景的色相样本,如表2 所示。表2头盔显示界面背景色相样本色相名称颜色RGBLa6灰色14814814861.300黑色2626269.3003试验设计与讨论3.1试验内容确定采用Andersen等 2 1 的视觉搜索方法,在灰色或黑色背景上,共包含2 0 个视角为9的圆形,
16、其中9个是白色,10 个是带有色彩的干扰色,1个是与干扰色不同的目标色。目标色的位置随机,干扰色和白色随机分布在其他位置试验分为灰色背景和黑色背景两组,每个背景下的试验内容如表3所示。在试验中,当选取1个色相作为目标色时,剩余7 个色相分别作为其干扰色,通过计算平均反应时间对比不同色相的显著性和干扰性。表3每个背景下的试验内容目标色编码干扰色编码试验总次数A1A2,A3,A4,As,A6,A7,AgA2A1,A3,A4,As,A6,A7,AgA3A1,A2,A4,As,A6,A7,AgA4A1,A2,A3,As,A6,A7,Ag112AsA,A2,A3,A4,A6,A7,AgA6A,A2,A3
17、,A4,As,A7,AgA7Aj,A2,A3,A4,A5,A6,AgA8A,A2,A3,A4,As,A6,A73.2试验环境与被试者选择实验室内照明条件正常(40 W日光灯)。被试者与屏幕中心的距离为550 6 0 0 mm。选取2 0 名被试者,其中,10 名男性,10 名女性,均为在校本科生或硕士生,年龄为2 2 2 6 岁,视力或矫正视力正常,无色盲或色弱。试验测试程序由专门用于心理测试的开发软件E-prime编写,并在CPU主频3.0 GHz的计算机上运行,图案呈现在396.2 4mm(15.6 i n c h)的显示器中央,屏幕分辨率为192 0 10 8 0,亮度为35cd/m3.
18、3试验程序制订试验前,被试者需登记个人相关信息,并熟悉试验流程和材料。整体试验流程如图3所示,被试者阅读完指导语,按下空格键后进行12 次练习试验,练习结束后按空格键开始正式试验。试验采用1592023年9 月周家慷,等示界面色彩设计大股组内设计,每名被试者需完成灰色背景和黑色背景两组试验,两组试验的顺序随机,组间有10 min的休息时间第1组试验指导语练习12 次正式试验8 4次休息10 min练习12 次正式试验8 4次试验结束第2 组试验图3整体试验流程单个图片的测试流程如图4所示。首先,显示注视页面10 0 0 ms,经过50 0 ms的缓冲界面后显示搜索页面,被试者需找到目标色并判断
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