验证码(CAPTCHA)是人机交互系统中常用的用于区分人类用户还是恶意自动攻击的防卫机制,图形验证码是其中重要的一种验证方案。尽管越来越多的研究开始聚焦于发展新型的图形验证码方案,并且图形验证码的运用也变得日益普遍,图形验证码的可用性却至今没有被系统地研究过。本研究首先就当前主流的图形验证码方案进行了梳理并总结了不同种类的图形验证码方案所共有的一些可用性因素,包括了图片的布局方式、候选图片数量、图片大小、图片内容的旋转角度和图片的颜色风格,然后采用了一个四维的可用性衡量方法(眼动、有效性、效率和满意度)并设计和实施了相应的用户测试实验来评估这些因素对图形验证码可用性的影响。实验所获取的眼动数据揭露了用户破解图形验证码的行为习惯和认知过程:用户的注意力均匀分布于所有验证码图片上,与图片的布局方式和具体位置无关;图片越多,用户注视每张图片的时间则越少,耐心程度也会有所降低,出错的概率也随之增大;大多数的被试(大于70%)会采用一行接一行的方式来查看验证码图片,只有不到30%的被试采取随机的查看方式。研究结果还为设计更加用户友好的图形验证码提供了非常实用的设计指南:正方形和水平长方形布局是可用性较好的图片布局方式;单个验证码包含的图片数量尽量不要超过16张,9张图片是一个比较理想的选择;每张图片的尺寸尽量不小于55像素×55像素且图片内容的旋转角度则应该控制在±45o之内;对于分别由彩色图片和黑白图片组成的验证码,用户在效率和有效性方面的表现非常接近,但是主观上用户更加偏好于由彩色图片组成的验证码。根据总结的图形验证码设计指南,本研究还提出了一种既好用又安全的新型图形验证码方案A-CAPTCHA。A-CAPTCHA是基于图片内容角度识别的验证码方案,它能同时在PC端和移动设备上具有较好的可用性。A-CAPTCHA提供了不同于当前流行的文字和图形验证码机制的认证选择,可能在当今移动计算时代具有广泛的应用前景。