CC BY
11
А. Н. Морозов,
НИЦ « Охрана» Росгвардии
С. В. Зарубин,
кандидат технических наук
С. А. Гришин,
НИЦ «Охрана» Росгвардии
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИХ ИНТЕРФЕЙСОВ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ
MATHEMATICAL ASPECTS OF PSYCHOPHYSIOLOGICAL FEATURES OF USER INTERFACES OF COMPUTER PROGRAMS
В статье получены аналитические выражения для расчета одного из возможных показателей качества пользовательских интерфейсов компьютерных программ, а именно показателя линеаризации, учитывающего психофизиологические особенности восприятия информации человеком. Расчет основан на использовании предложенной ранее авторами концептуальной модели пользовательского интерфейса, в состав которой входят описывающие его сущности (множества) и связи между ними.
The article provides analytical expressions for calculating one of the possible quality indicators of user interfaces of computer programs, namely, the linearization indicator. The quality indicator is used to assess the conformity of the interface with the psychophysiological features of human perception of information. The calculation is based on the use of a conceptual user interface model proposed earlier by the authors, which includes interface elements and the relationship between them.
Введение. Проектирование пользовательских интерфейсов (ПИН) — активно развивающаяся область знаний, объединяющая достижения многих наук и видов человеческой деятельности, таких как математика, информатика, психология, техническая эстетика, промышленный дизайн и многих других.
Международная ассоциация вычислительной техники (Association for Computing Machinery, ACM) рассматривает взаимодействие человека и компьютера как «дисци-
плину, занимающуюся проектированием, оценкой и осуществлением работы интерактивных вычислительных систем для использования человеком, а также изучением происходящих процессов» [1].
При этом, поскольку взаимодействие человека с компьютером предполагает учет психологических и физиологических особенностей человека, методология его проектирования представляет собой в значительной степени субъективный и трудно формализуемый процесс. Ему посвящено огромное количество исследований и публикаций, общий смысл которых можно выразить в двух взаимосвязанных характеристиках: сложность и разнообразие ПИН.
Сложность многих ПИН связана с тем, что для программистов функциональные возможности программы зачастую важнее удобства пользования. Поэтому потребности процесса программирования получают приоритет перед потребностями конечных пользователей.
Одним из следствий сложности разработки «дружественного» ПИН является проблема разнообразия. Преследуя цель повысить качество ПИН разные разработчики для решения одной и той же задачи (например, просмотра видеоконтента или моделирования дизайна интерьеров) предлагают пользователям разные способы действий. И хотя такие объединенные общими целями и функционалом программы предназначены для решения одинаковых в целом задач, зачастую однотипная информация отображается, а одни и те же операции выполняются в них по-разному (программы имеют различные иХ/и1 дизайны).
Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что проблема разработки методов объективной оценки качества ПИН компьютерных программ в аспекте психологических особенностей человеко-машинного взаимодействия является актуальной задачей.
Настоящая статья посвящена разработке одного из возможных показателей качества ПИН, а именно показателя линеаризации. Под показателем линеаризации будем понимать степень соответствия расположения элементов ПИН (ЭПИН) на мониторе психологическим и физиологическим особенностям восприятия информации человеком.
Психофизиологические особенности восприятия визуальной информации человеком.
В ходе психологических исследований [2] были установлены следующие особенности зрительного восприятия информации человеком:
- влияние культурной традиции и стереотипов, а именно последовательности написания и чтения текстовой информации. Во многих странах эта последовательность напоминает букву «2» — построчно, от левого верхнего угла вправо по горизонтали и далее вниз. Представитель этой культурной традиции интуитивно ищет начало информации в левом верхнем углу;
- глаза человека расположены в горизонтальной плоскости, угол обзора в ней больше, а мышцы сильнее (видимо, поэтому, в частности, распространение получили широкоформатные, а не «вертикальноформатные» мониторы и кинотеатры);
- полезную зрительную информацию условно можно подразделить на две части — содержательную и вспомогательную. Содержательная часть служит для удовлетворения информационных потребностей пользователя, а вспомогательная облегчает навигацию в в интерфейсе (зонирование с использованием разделителей, цветовых решений и т. д). Качественный ПИН должен содержать разумный баланс между содержательной и
вспомогательной информацией, а показатели качества быть чувствительны к пропорциями между ними;
- содержательная часть ПИН может в свою очередь подразделяться на отдельные, но взаимосвязанные между собой сущности. Качественный ПИН должен учитывать наличие и уровень этих взаимосвязей, а показатели качества быть чувствительны к ним.
Типовые конфигурации ЭПИН. Примеры типовых конфигураций ЭПИН приведены на рис. 1. Рассмотрим их более подробно. Все конфигурации состоят из четырех ЭПИН, имеющих одинаковый размер, но различное относительное расположение. Конфигурация, приведенная на рис. 1, а, принимается за эталонную, поскольку все ЭПИН расположены по горизонтали и между ними не имеется отступов («шума»), что соответствует психофизиологическим особенностям восприятия визуальной информации человеком. Конфигурация, приведенная на рис. 1, б, отличается от конфигурации 1, а наличием отступов, т.е. потенциального «шума». В конфигурациях, приведенных на рис. 1, в и 1, г, ЭПИН расположены по вертикали, в 1, г — с отступом. В конфигурации, приведенной на рис. 1, д, ЭПИН расположены со смещением как по горизонтали, так и по вертикали.
а)
б)
в)
г)
Д)
Рис. 1. Пример типовых конфигураций ЭПИН
Пунктиром обозначен обрамляющий прямоугольник, размеры которого Х°б и У°б вычисляются по следующим правилам (Правило 1):
- Х°б равен сумме размеров ЭПИН по оси Х с учетом отступов по оси Х при их наличии;
- Y°6 равен:
- размеру, равному максимальному размеру ЭПИН по оси Y при однорядной конфигурации (рис. 1, а и 1, б);
- сумме размеров ЭПИН по оси Y с учетом отступов по оси Y при их наличии в противном случае.
Для наглядности размеры сторон обрамляющего прямоугольника сделаны на рис. 1 несколько большими по сравнению с рассчитанными по вышеизложенному правилу. Понятие обрамляющего прямоугольника и правила вычисления его размеров будут использованы в аналитическом выражении для расчета значений показателя линеаризации.
Постановка задачи. Под показателем линеаризации понимается степень соответствия расположения ЭПИН на мониторе (конфигурация ЭПИН) психофизиологическим особенностям восприятия информации человеком.
В работе [4] предложен вариант концептуальной модели ПИН, ER-диаграмма которой («сущность — связь», «Entity—Relationship») представлена на рис. 2. В концептуальную модель входят:
G — множество решаемых задач;
W — важность задач;
Q — качество решения задач;
А — множество компьютерных программ (АРМ);
Ф — множество экранных форм ПИН;
С — множество элементов ПИН (ЭПИН);
О — множество операций над ЭПИН;
P — профиль задач.
Множества G, W, Q, A, Ф, C, O и P находятся между собой в определенных отношениях. Тип отношений между множествами указан в нотации реляционной алгебры, где « <—► » — отношение «один к одному», «<—»» — один ко многим, а «^-►» — многие к одному.
б G W
A O
!
Ф C
Рис. 2. ER-диаграмма модели пользовательского интерфейса
1)
Пусть имеется:
G = { gi : gt е G л i = 1, I}, где G — множество задач (целей, goals), выполняемых пользователем, I = | G |.
W = {Wi : wi е W л i = 1, I }, (2)
где W — важность (weight) задач; Wi — важность i-ой задачи.
А = { aj : aj е А л j = 1, J}, (3)
где А — множество компьютерных программ, предназначенных для решения множества задач G, J = | A | .
Qi = { 4ij : Чц е Qi}, 4)
где Qi — качество решения i -й задачи j -м АРМ.
<Pj = {(pf : (pf е <Pj л k = 1, Kj }, (5)
где <Pj — множество форм forms) ПИН j-го АРМ, Kj = | <Pj |; yf — k-я экранная форма j-го АРМ. Например, — это 3-я форма 2-го АРМ.
С/ = {cf1 : cf1 е Cj1 Л l = 1, Lf }, (6)
где Cj — множество элементов (cell) ПИН, расположенных на форме tyj в определен-If = | Cf |; cf
ном порядке, ь^ = | с? |; с^ — 1-й элемент ^й экранной формыу'-го АРМ. Например, с34
— это 4-й ЭПИН 3-й формы второго АРМ. ЭПИН с^ представим в виде кортежа его геометрических характеристик (профиля ЭПИН):
с? = < х?1 , у*1, Ах?1, Ау?1 >, (7)
где х, у?1 — координаты левого верхнего угла 1-го ЭПИН к-й формыу'-го АРМ относительно левого верхнего угла монитора в пикселях по осям х и у соответственно;
Ах?1, Ау?1 — размеры 1-го ЭПИН к-й формыу'-го АРМ в пикселях по осям Х и У соответственно.
Ог = {: е Иг Л I = 1,1 Д | }, (8)
где О1 — множество возможных действий оператора. В контексте настоящей статьи актуальным является такое действие, как нахождение ЭПИН из имеющегося множества.
Работа пользователя по решению 1-й задачи у'-м АРМ заключается в выполнении упорядоченной последовательности элементарных операций по нахождению, достижению и управлению ЭПИН, называемой профилем этой задачи:
Рц = {Рч : Р% е Рц Л п = 1, Мц }, (9)
где Р^ — профиль решения 1-й задачиу'-м АРМ, = | Р^ | — количество элементарных
решении 1-й задачи у'-м А]
(10)
операций (шагов) в профиле; р^ — профиль п-го шага при решении 1-й задачи у'-м АРМ;
Ри = < 31, <р}, сV >,
где Суг-й ЭПИН, используемый для решения д[ - й задачи _]-м АРМ на п-м шаге.
Кортеж р-у в терминах реляционной алгебры является результатом соединения проекций из доменов соответствующих элементам кортежа множеств О, А, Ф, С.
Расчет показателя линеаризации ПИН. В качестве показателя линеаризации ПИН будем понимать отношение суммарной площади ЭПИН, принимающих участие в решении 1-й задачиу'-м АРМ, к площади обрамляющего их прямоугольника (см. Правило 1)
сЭПИИ
яЛТ = (11)
где 5?™н и Б?6 — площади ЭПИН, используемых при решении 1-й задачи у'-м АРМ, и обрамляющего их прямоугольника соответственно, используемыми при решении 1-й задачи у'-м АРМ.
Как следует из (10), для нахождения необходимо получить аналитические зависимости для вычислений площади 1-го ЭПИН к-й формы у'-го АРМ на п-м шаге решения 1-й задачи, что в свою очередь связано с необходимостью навигации по БЯ-диа-грамме.
Для целей навигации потребуется находить элемент соответствующего множества по его индексу и наоборот — индекс заданного элемента множества. Для этого введем следующие функции [3]:
£ : (Е = Ш л ^ е {{/}, (у), [к], [I], (ш), [п] } ) - (12)
или в более короткой нотации
гг. { £ } - , =/до, (13)
и обратную
£-1: ф? <т = /?-1(Ф?), (14)
где функция возвращает значение элемента ф^ соответствующего множества из (12) с индексом, равным а функция /"^т-1 возвращает значение индекса элемента множества ф^. Тогда для к-й формы
п= №,*
5'ПИН = ^
п = 1 V / (15)
Лу = 1^1,
где Р£*- — подмножество множества Р^у, содержащее ЭПИН, принадлежащие к-й форме,
=
= у Г°б, (16)
где Х°б и У°б определяются в соответствии с Правилом 1.
Пример. Пусть все ЭПИН, приведенные на рис. 1, имеют одинаковые размеры и интервалы (при наличии) по оси X и оси У и равны 10 условным единицам (например — миллиметрам). Тогда:
- Вариант 1 -а). Sf™H = 400 у.е., S°6 = 400 у.е., q?™ = 1.
- Вариант 1-б). Sff™ = 400 у.е., Stf = 700 у.е., q?fH = 0,57.
- Вариант 1-в). Sff™ = 400 у.е., Stf = 1600 у.е., q?fH = 0,25.
- Вариант 1-г). Sff™ = 400 у.е., Stf = 2800 у.е., q?fH = 0,14.
- Вариант 1-д). Sff™ = 400 у.е., Stf = 800 у.е., q?fH = 0,5.
Выводы. 1. Как и следовало ожидать исходя из интуитивных представлений, варианту конфигурации ЭПИН, приведенному на рис. 1, а, соответствует наибольшее значение показателя линеаризации изо всех имеющихся. ЭПИН расположены компактно и упорядочены по горизонтали.
2. Конфигурации ЭПИН, представленные на рис. 1, б и 1, д, имеют несколько меньшие, но соизмеримые между собой значения показателей. Это связано с тем, что конфигурации имеют менее концентрированный, «размытый» локус внимания.
3. Наименьшие значения показателей линеаризации имеют варианты 1, в и 1, г вследствие расположения ЭПИН по вертикали. При этом алгоритм расчёта показателя линеаризации учитывает издержки на дополнительные затраты времени, вызванные необходимостью переконфигурирования психофизиологически обусловленного локуса внимания пользователя.
4. Понятно, что само по себе расположение ЭПИН по горизонтали не является абсолютным показателем качества ПИН, поскольку восприятие связано с физиологическими ограничениями на размеры локуса внимания, составом и структурой входящих в интерфейс ПИН сущностей, физическими ограничениями на формат и разрешающую способность монитора и т.д. В связи с этим в дальнейшем показатель линеаризации может быть дополнен процедурами учёта весовых коэффициентов координат монитора.
ЛИТЕРАТУРА
1. https://ru.qwe.wiki/wiki/Human%E2%80%93computer_interaction
2. Кэрролл Л., Стерлинг Ф., Брежнева Е. Все зависит от тебя. Матрица восприятия реальности. — М. : АСТ, 2013.
3. Морозов А. Н., Зарубин С. В., Гришин С. А. Математические аспекты расчета показателя качества пользовательского интерфейса компьютерных программ // Вестник Воронежского института ФСИН России. — 2019. — № 2. — С. 89—92.
REFERENCES
1. https://ru.qwe.wiki/wiki/Human-computer_interaction
2. Kerroll L., Sterling F., Brezhneva E. Vse zavisit ot tebya. Matritsa vospriyatiya real-nosti. — M. : AST, 2013.
3. Morozov A. N., Zarubin S. V., Grishin S. A. Matematicheskie aspektyi rascheta poka-zatelya kachestva polzovatelskogo interfeysa kompyuternyih programm // Vestnik Voronezh-skogo instituta FSIN Rossii. — 2019. — # 2. — S. 89—92.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Морозов Алексей Николаевич. Старший научный сотрудник. НИЦ «Охрана» Росгвардии. E-mail: alex_frost@mail.ru
Россия, 111024, г. Москва, ул. Пруд-Ключики, д. 2, стр. 8. Тел. 8 (499) 781-79-85.
Зарубин Сергей Владимирович. Старший преподаватель кафедры информационной безопасности. Кандидат технических наук.
Воронежский институт МВД России. E-mail: vorhmscl@comch.ru
Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-42.
Гришин Сергей Александрович. Старший научный сотрудник. НИЦ «Охрана» Росгвардии. E-mail: grishinsergey@mail.ru
Россия, 111024, г. Москва, ул. Пруд-Ключики, д. 2, стр. 8. Тел. 8 (499) 781-79-85.
Morozov Alexey Nikolaevich. Senior researcher.
SRC «OKHRANA» of the Federal Service of National Guard of Russia.
E-mail: alex_frost@mail.ru
Work address: Russia, 111024, Moscow, Prud-Klyuchiki Str., 2, bld. 8. Tel. 8 (499) 781-79-85.
Zarubin Sergey Vladimirovich. Senior lecturer of the chair of Information Security. Candidate of Technical Sciences.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: vorhmscl@comch.ru
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-42.
Grishin Sergey Aleksandrovich, Senior researcher.
SRC «OKHRANA» of the Federal Service of National Guard of Russia.
E-mail: grishinsergey@mail.ru
Work address: Russia, 111024, Prud-Klyuchiki Str., 2, bld. 8. Tel. (499) 781-79-85.
Ключевые слова: пользовательский интерфейс; критерии качества; оценка качества; ER-диаграмма; эргономика; психофизиологические особенности; техническая эстетика; показатели качества; UX/UI дизайн.
Key words: user interface; quality criteria; quality assessment; ER-diagram; ergonomics; psychophysiological features; technical aesthetics; quality indicators; UX/UI design.
УДК 004.514
