0 引　言

因船舶电子海图的出现，船舶信息化系统技术得以提升，电子海图导航系统功能更加多样化，导航交互界面越来越丰富。电子海图的应用，明显提高舰船导航系统的自动化、智能化水平。而舰船导航系统运行时，需要用户快速分析大量信息，并在最短时间内判断信息的变化，从而快速控制舰船运行状态，为此导航系统交互界面的设计十分重要。

目前针对导航系统交互界面的设计问题，已有学者对此进行了大量研究，杨默涵等^[1]以视觉显著性为指标，优化交互界面设计效果；马超民等^[2]以用户体验感为人机交互界面设计核心，对智能装备的人机交互界面进行全面优化；汪大伟^[3]分析了色彩构成对人机交互界面的影响，为交互界面布局设计提供了有价值参考资料。

可知，人机交互界面设计需要以用户体验、视觉效果为核心。为此，本文提出基于视觉感知技术的舰船导航系统交互界面设计方法，该方法主要以舰船导航系统用户的视觉感知效果为交互界面设计核心，设计视觉传达指数最大化的视觉传达指数。

1 基于视觉感知技术的舰船导航系统交互界面设计方法 1.1 交互界面视觉感知强度分级模型

结合视觉感知特性，构建基于视觉感知特性的交互界面视觉感知强度分级模型，对舰船导航系统交互界面感知强度范围实施分级。分析人眼视觉感知特征可知，视觉感知强度的变化特征与锥状细胞分布存在相同性，从内往外逐级变小^[4-6]。用户通过眼睛阅览舰船导航系统交互界面时，界面差异位置的视线和视图中心存在一个夹角，结合此夹角信息构建感知强度级别存在差异的感知场范围^[7-8]。图1为视觉感知场的运算方法示意图。

结合用户应用舰船导航系统交互界面时的状态与研究目标，把视觉感知场细分成5个级别，和中心点距离越短，则感知强度越显著。将视觉中心设成圆心绘制4个同心圆，凝视角的角度为13°，将其分为5个级别。级别1的角度为1°，级别2的角度为5°，级别3的角度为9°，级别4的角度为13°，剩下角度的区域属于级别5。

设舰船导航系统矩形交互界面的短边边长与长边边长依次是a和b，用户眼睛和舰船导航系统矩形交互界面的距离设成 $ z $ ，视觉感知强度的分布形状属于圆形，则

$ {r^2} = {x^2}/\text{π} $

(1)

式中，x为交互界面基本单元的边长^[9]。

围绕基本单元信息，在整个交互界面将基本单元再次划分成边长相同的方形，定义为单元格。结合舰船导航系统交互界面每个单元格在视觉感知场中的位置信息，设置各个单元格的视觉感知强度级别，如图2所示。

1.2 视觉感知因素重要性分析方法 1.2.1 视觉感知因素重要性矩阵

交互界面视觉感知因素集合与视觉效果指标集合分别是O，H，针对各个视觉效果指标h而言，把视觉感知因素集合结合自身对视觉效果指标需求的大小进行排列，对交互界面视觉效果要求较多的因素，其序号越大，则重要性越显著。设置视觉感知因素o在视觉效果指标h下排列后的序号是这p(h,o)，视觉效果指标h下序号p描述的视觉感知因素是o(h,o)，那么舰船导航系统交互界面中，视觉感知因素重要性矩阵为：

$ g\left( {h,o,p} \right) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {1,}&{p\left( {h,o} \right){\text{ = }}1} \\ {g\left( {h,o,p - 1} \right) + 1,}&{o\left( {h,o} \right) \succ \left( {h,o - 1} \right)} \\ {g\left( {h,o,p - 1} \right),}&{o\left( {h,o} \right) \prec \succ o\left( {h,o - 1} \right)} \end{array}} \right. $

(2)

式中，符号 $\succ $ 、 $ \prec \succ $ 分别描述左边的视觉感知因素比右边视觉感知因素重要、两边的视觉感知因素都重要。使用映射因子g把视觉感知因素集合O在视觉效果指标集H下的重要性映射至正整数区间内，此H不存在数域约束。使用映射因子g能够获取视觉感知因素重要性矩阵 $ B = {\left[ {{b_{ji}}} \right]_{J \times I}} $ ，J，I分别是视觉感知因素种类数、视觉效果指标数。b_ji是视觉感知因素在视觉效果指标h_i下的相对重要值，则

$ {b_{ji}} = g\left( {{h_i},{o_j},p\left( {{h_i},{o_j}} \right)} \right)。$

(3)

1.2.2 视觉感知因素重要性运算

将视觉感知因素重要性矩阵B的行向量因素实施求和操作，视觉感知因素集合O中其他因素在视觉效果指标集H下的相对重要性为：

$ {b'_j} = \sum\limits_{i = 1}^I {{b_{ji}}}。$

(4)

将其实施归一化操作：

$ {b''_j} = \frac{{{{b'}_j} - {{b'}_{j\min }}}}{{{{b'}_{j\max }} - {{b'}_{j\min }}}}。$

(5)

式中： $ {b'_{j\max }} $ 和 $ {b'_{j\min }} $ 依次描述 $ {b'_j} $ 的最大值与最小值。

归一化操作后，视觉感知因素集合O中剩下全部因素在视觉效果指标集H下的相对重要性是 $ {b''_j} $ ，其值是0，代表视觉感知因素重要性是0，此结果并不合理，对 $ {b''_j} $ 进行映射如下：

$ P\left( {{{b''}_j}} \right) = {b''_j}\left( {1 - Y} \right) + Y，$

(6)

式中， $ 0 < Y < 1 $ ，视觉感知因素o_j的合理重要性评估值是 $ P\left( {{{b''}_j}} \right) $ 。

Y越大，视觉感知因素间的重要性差异小，反之又会存在不合理的问题，为此将其设成0.1，把重要性最大值和最小值的距离设成10倍。

1.3 视觉传达指数最大化的交互界面设计模型 1.3.1 模型设计

在设计舰船导航系统交互界面之前，需要进行如下定义：

1）视觉感知强度指数

某个视觉感知因素布局在舰船导航系统交互界面的过程中，结合此因素的重要性布局后，将其所在位置的感知强度级别w_j、单元格数量p_ji相乘后便可获取此视觉感知因素的感知强度指数S_j。

2）视觉传达指数L

设计舰船导航系统交互界面时全部视觉感知因素都布局后，每个视觉感知因素的感知强度指数之和。当L较大，表示重要性显著的视觉感知因素布局的位置即为交互界面视觉感知强度级别显著的位置。

视觉传达指数最大化的交互界面设计模型为：

$ \rho = \max L\left( {\sum\limits_{j = 1}^m {\sum\limits_{i = 1}^m {{{b''}_j} \times {w_j} \times {p_{ji}}} } } \right)。$

(7)

式中：w_j和p_ji分别为舰船导航系统交互界面中第j个视觉感知区域的感知强度级别、视觉感知区域的单元格数量；m为交互界面全部单元格的总数量；ρ为基于视觉传达指数最大化的交互界面设计方案，此方案需要实现视觉传达指数L最大化。

1.3.2 基于鱼群算法的交互界面优化设计策略

建舰船导航系统交互界面的设计模型和约束条件之后，使用鱼群算法求解交互界面优化设计策略ρ，此策略可保证交互界面视觉感知因素按照重要性大小，布局在对应级别的视觉感知区域，可理解为视觉感知因素布局最优方案。视觉感知因素布局备选解设成人工鱼的食物，则视觉感知因素o_j按照重要性布局时，备选解的集合设成 $ {\zeta _j} = \left( {{\zeta _{j1}},{\zeta _{j2}},\cdots,{\zeta _{jm}}} \right) $ 。 $ {\zeta _{jh}} \in {\zeta _{jm}} $ 描述视觉感知因素布局备选解第h维的分量。设置人工鱼ζ_j的食物浓度是G(ζ_j)，此浓度值即为视觉传达指数最大的ρ，把舰船导航系统交互界面设计问题抽象为多个人工鱼同时检索最大食物浓度的过程，人工鱼步长设成rs，检索范围设成uj，设置鱼群觅食时的拥堵因子为σ，σ数值较大，则拥挤度较大，人工鱼群的数量设成MG。使用人工鱼群算法求解舰船导航系统交互界面中视觉感知因素布局方案ρ时，定义如下：

1）人工鱼距离

用来检索ρ的人工鱼向量ζ_j与ζ_i之间的距离使用海明距离描述：

$ E\left( {{\zeta _j},{\zeta _i}} \right) = \sum\limits_{\sigma = 0}^{MG} {\left| {{\zeta _{jh}}} \right|{{ - }}} \sum\limits_{\sigma = 0}^{MG} {\left| {{\zeta _{ih}}} \right|}。$

(8)

2）邻居鱼群

设置用来检索ρ的人工鱼ζ_jm的邻居鱼群是 $ {\zeta '_{jm}} $ ，则人工鱼ζ_j的邻居鱼是 $ {\zeta '_j} $ 。

3）鱼群中心

若人工鱼ζ_j的邻居为 $ {\zeta '_{j1}},{\zeta '_{j2}},\cdots,{\zeta '_{jm}} $ ，那么邻居鱼群矩阵是 $ {\left( {{{\zeta '}_{j1}},{{\zeta '}_{j2}},\cdots,{{\zeta '}_{jm}}} \right)^{\rm{T}}} $ ，则用来检索ρ的人工鱼的鱼群中心是：

$ d\left( {{\zeta _j}} \right) = \mathop {most}\limits_{j = 1} {\left( {{{\zeta '}_{j1}},{{\zeta '}_{j2}},\cdots,{{\zeta '}_{jm}}} \right)^{\rm{T}}} 。$

(9)

人工鱼在检索视觉感知因素布局最优方案时，游行行为主要分为觅食、聚群、追尾。

觅食：鱼无规律游行时，会朝向食物浓度高方向前进，若人工鱼ζ_j的食物浓度大于人工鱼ζ_j的食物浓度，那么ζ_j会游向ζ_j。反之人工鱼会在自己的检索范围中寻找游行方向，若没有食物浓度吸引自己，便会随机游行。

聚群：人工鱼游行时，会朝向邻居鱼群的中心游行。人工鱼会先运算自己食物检索范围中邻居鱼群的食物浓度、邻居鱼群的中心。如果邻居中心位置食物浓度较大，则视觉传达指数较大，此时如果拥挤度较小，便会往邻居中心方向游行。

追尾：鱼在自己的检索范围中会朝向其他具有食物浓度最大的鱼游行，此行为是追尾行为。

基于鱼群算法的交互界面优化步骤为：

步骤1　鱼群初始化。设置初始化迭代次数为0，随机建立MG个用来检索视觉感知因素布局最优方案的人工鱼，建立初始鱼群。

步骤2　公告板赋初值。对比初始鱼群每个人工鱼个体目前状态的食物浓度，将食物浓度最大值的食物位置或拥有食物浓度最大值的人工鱼位置标记在公告板上。

步骤3　行为设置。如果人工鱼的食物浓度较小，此鱼便会采取追尾行为，如果人工鱼的食物浓度较大，此鱼便会采取聚群行为。如果聚群与追尾行为失败，便会选择觅食行为。

步骤4　结束条件分析。如果达到最大次数，便输出人工鱼检索的食物，此食物就是视觉传达指数L为最大值的交互界面设计策略。

2 实验结果与分析

在Matlab2019测试舰船导航系统交互界面的设计效果，实验参数如表1所示。

该导航系统交互界面的视觉感知区域示意图如图3所示。该导航系统交互界面视觉感知区域布局合理，视觉感知区域直接显示导航重要信息，且航速信息加粗变色显示，主次信息分布位置合理。

对比本文方法应用前后，该导航系统交互界面视觉感知区域的视觉传达指数如图4所示。可知，没有使用本文方法，视觉感知区域视觉传达指数小，且伴随视觉感知区域感知强度级别的变大，视觉传达指数逐渐变小。使用本文方法后，视觉感知区域视觉传达指数大于0.9，虽然也存在视觉传达指数随感知强度级别变大而变小的问题，但变化幅度不大，由此可见，本文方法设计效果可满足应用需求。

人工鱼数量对舰船导航系统交互界面设计方案寻优效果的影响，将迭代次数最大值为75，不同人工鱼数量下，本文系统交互界面后的视觉传达指数如图5所示。可知，人工鱼数量为50个，本文方法设计的舰船导航系统交互界面视觉传达指数最大，说明人工鱼数量增多，可让人工鱼在视觉感知因素布局备选解空间中的分布密度变大，此时视觉感知因素布局最优解的提取更精准。所以，在实际应用中可适当以增多人工鱼数量的模式优化本文方法的应用效果。同时可知，迭代次数的增多，并不利于视觉感知因素布局最优解的提取，反而导致交互界面设计后，视觉传达指数变小；而迭代次数为15次时，本文方法所设计的舰船导航交互界面视觉传达指数最高。

3 结　语

本文针对舰船导航系统交互界面设计问题进行研究，并提出基于视觉感知技术的舰船导航系统交互界面设计方法，该方法在实验中被证实具有较好的应用效果，主要体现为：

1）舰船导航系统交互界面布局合理，航速信息加粗变色显示，主次信息分布位置合理。

2）可提高舰船导航系统交互界面的视觉传达指数，优化交互界面的视觉效果。