感性量化評價技術在工業產品設計中的認知研究與應用
——以智能電源產品設計的眼動實驗為例

劉　淼，聶桂平，馬　翀，章　彰

(華東理工大學 藝術設計與傳媒學院，上海 200237)

感性量化評價技術在工業產品設計中的認知研究與應用
——以智能電源產品設計的眼動實驗為例

劉淼，聶桂平，馬翀，章彰

(華東理工大學 藝術設計與傳媒學院，上海 200237)

運用眼動追蹤技術對智能電源產品的造型形態、功能組件在交互界面中的體量規模，以及在空間設置中的視覺效果進行眼動實驗．通過采集被試者在觀察該類電源產品原型機與改良型樣機的眼動數據，比較被試者在觀察兩款產品時眼動數據上的差異，分析存在差異的原因，驗證眼動實驗對產品形態設計評估的有效性．實現眼動追蹤技術與感性量化評價手段之間的結合，在判斷產品視覺要素對影響用戶認知效果上進行了探索性嘗試．

工業設計；感性量化；眼動實驗；認知評估；智能電源

人類社會發展至今，人造物的產生已由低級的生理需要發展到滿足使用者安全保障、情感訴求的功能需要，乃至更高級的社會道德、環保持續要求．無論何種需求都必須首先明確人的認知規律[1]，而對于產品設計而言，如何快速捕捉和量化用戶對產品的感性評價是企業和設計師面臨的最為迫切的問題．近年來，隨著人類認知神經科學的發展，眼動技術在心理學研究領域中越來越受到重視，并涌現了大量科研成果[2]，有些成果甚至已經進入了醫學臨床試驗階段，為實現人類對產品的感性判斷與認知量化問題提供了有效手段．但眼動技術并沒有被充分運用于工業設計領域，市場上缺乏產品感性量化評價的成功案例，其研究成果多集中于平面廣告、動漫游戲等的設計評價[3]．基于以上研究現狀，本文以智能電源產品為實驗載體，以明確人的認知規律為研究目標，在判斷產品視覺要素對用戶認知效果的影響上進行探索性嘗試．

1　研究方法

量化在廣義上是指使目標或任務具體、明確，達到可以清晰度量的程度，根據實際情況以數量、數字體現一維長度、二維范圍、三維體積、四維時間等．在感性工學中量化的核心任務是明確關系，對工業設計而言就是將人的感性材料與設計元素之間建立關系，并予以數字呈現．本文力求運用眼動追蹤技術獲取信息、建立關系，詮釋人的認知反應，歸納自身的認知反應傳遞反饋給外界的一般規律．

通過明確模糊的感性信息，使設計師和企業能夠快速直觀地判別與確認新產品與以往同質產品在形態表現上的優劣．通過與原型產品進行對比評估，明確新產品是否在人性化(造型感、色覺感)方面有所提升，是否更符合人的審美法則，從而進一步指導產品設計，使產品設計不僅可以滿足“物”的功能需求，而且能更好地滿足“人”的心理需求．

1.1研究被試者

被試者為華東理工大學工業設計專業(工科類)、產品設計專業(文科類)的本科生和碩士研究生，藝術審美水平較高，感性認知能力較強[4]．被試人數為20人，男性10人，女性10人，平均年齡為21歲，裸眼視力或矯正視力均在1.0以上，無色弱、色覺認知障礙．

1.2研究工具

眼球軌跡追蹤儀、智能電源(原型產品、改良型產品)、電子計算機、計時器、繪圖用具．作為實驗觀察對象的智能電源產品是一款基于電能儲存與分流技術的民用商品，其改良型產品尚處于研發階段．為保證本文數據采集的公平合理性，實驗對象在被試者觀察時，選取以三點透視(相同視角)為基本表現形式的產品靜幀圖片．眼動數據由專業的眼動分析軟件采集與輸出，統計數據分析由EXCEL與SPSS完成．

1.3研究過程

本文運用感性量化技術，對現有工業原型產品與改良型產品進行眼動數據的量化采集．通過眼動實測的整體定量分析與AOI(areas of interest)區域數據的局部對比分析[5]，獲取用戶對工業產品外觀造型的一般認知規律，并在此基礎上，結合傳統的圖像復原分類法進行輔助驗證．

2　研究內容及分析

2.1眼動實測數據定量分析

通過排除不受大腦意識控制的反射性眼球運動，針對主動性眼動系統進行視覺數據記錄，結果如表1和2所示．

表1　原型產品的眼動實測數據統計Table 1　Eye tracking test data of the prototype

表2　改良型產品的眼動實測數據統計Table 2　Eye tracking test data of the improved product

(續　表)

對比表1和2可知：

(1) 無論是注視次數還是跳視次數，被試者在改良型產品上的停留點數較原型產品都有明顯的增多，且增幅分別為3.6%和5.0%．這里的停留點數都是以100 ms以上的采樣標準進行統計的[6]．根據眼動心理學理論，視線在被觀察目標上的一系列停留點之間進行飛速跳動，其中只有在停留點上的視覺信息才會產生有效的影像認知信號，也才具備進一步加工的可能[7]．因此可以得出，改良型產品在整體的造型元素選取和搭配上比原型產品有一定程度進步的定量推斷.

(2) 被試者在觀察過程中，改良型產品在注視頻率與跳視頻率較原型產品都有明顯增長．人類通過頻繁地對刺激信息進行選擇與尋找，雖無法獲得清晰的影像但可以獲得相對的空間信息[8]．即眼球注視方位發生變化的運動強弱，可以為產品造型特征的豐富程度及設計元素間對比明顯與否提供量化參考．但評價設計作品的優劣，與“造型特征的豐富”或者“元素間對比顯著”并不是正比關系，需要結合具體情況進行分析.

(3) 被試者對改良型產品和原型產品的跳視幅度與跳視速率差別并不明顯．這主要因為兩款產品在產品類別上同為電源類產品，根據其使用環境的限制并沒有在體量上進行大幅度的調整．

2.2AOI區域數據對比分析

根據產品基本功能要求對改良型產品與原型產品進行AOI區域劃分作業，分別為輪廓特征、主控標識、電源開關、指示燈、插孔組5大區域，針對每個區域的AOI注視次數及AOI滯留時間比例(區域內注視時間與刺激總時間的比值)進行統計，結果如表3和4所示．

表3　原型產品的AOI注視次數與AOI滯留時間比例數據統計Table 3　AOI fixation times and AOI delay times ratio data of the prototype

表4　改良型產品的AOI注視次數與AOI滯留時間比例數據統計Table 4　AOI fixation times and AOI delay times ratio data of the improved product

由表3和4可知：

(1) 被試者對原型產品及改良型產品5大區域的AOI注視次數規律一致，由高到低依次為插孔組、輪廓特征、主控標識、電源開關、指示燈．由此可以歸納出被試者觀察電源類產品的一般規律：首先是電源產品的供電功能組件(插孔組)，其次為在視覺上體量感相對較大的外觀風格(輪廓特征)，再次是具有操控指示功能的引導組件(主控標識)，最后為相互聯動性最大，但體量感卻最小的兩個產品組件(電源開關、指示燈)．因此可以確定消費者在選購電源類產品時，其優先等級規律為：功能第一，主要關注產品性能是否優異、解決問題的指向性是否明確；第二是外觀，其中體量大的外觀優先，較小的次之；第三是操控的人機系統，包括引導標識、工作運行輸入、輸出顯示等.雖然產品設計師認為人機關系是其從事工作任務的重心，但在消費者的眼中人機的重要程度還遠不及產品的功能屬性．

(2)從原型產品與改良型產品5大AOI區域的注視次數對比中，可以發現改良型產品較原型產品的增幅分別為插孔組(14.52%)、輪廓特征(-8.72%)、主控標識(-5.76%)、電源開關(56.00%)、指示燈(72.73%)．除輪廓特征與主控標識兩項的注視次數低于原型產品，其余3項都高于原型產品．增幅最大的是指示燈與電源開關．這與改良產品的設計初衷相吻合.在改良型產品的設計階段，采用傳統的問卷調研方法，調研統計結果顯示原型產品的工作指示燈與現有市場上的既有產品，在色相選擇、光面尺寸、顯示方式上存在同質傾向，且由于電源芯片的定位問題，電源開關在位置的設置和體量上也存在不合理的邏輯問題．因此針對這兩大問題，改良型產品做了相應的改進．此外，原型產品因設計了主控工作顯示與產品整體工作顯示兩種指示燈，兩種指示燈的顯示極易誤導用戶以及產生使用上的錯誤操作，為此在改良型產品的設計上期望可以盡可能拉大兩種指示燈的差別．通過感性的眼動量化技術，可以明顯看到負責產品整體工作顯示的指示燈區域的注視次數增幅為72.73%，而負責主控工作顯示的指示燈的注視次數降幅為5.76%，將功能相似的兩個部分進行了很好的區分，解決了用戶在視覺識別上的交互問題．

(3) 被試者對原型產品的5大區域的AOI滯留時間比例由高到低依次為插孔組、輪廓特征、主控標識、指示燈、電源開關．而改良型產品的5大區域的AOI滯留時間比例由高到低依次為插孔組、輪廓特征、主控標識、電源開關、指示燈．根據眼動心理學理論，被試者在某個AOI區域注視時間越長說明該區域內有越多的細節特征需要被試者的視覺中樞去進行加工認知．而這個認知過程又與一種在心理學上被稱為“聯覺”的現象有關，其主要指人類各種感覺之間產生相互作用的心理現象，即對一種感官的刺激作用觸發另一種感覺的現象．從產品造型的方面而言，被試者注視某個AOI區域，由于聯覺的產生，單個造型特征被潛意識地發散成多個創新元素，導致被試者需要花費更多的精力去斟酌，進而引出與該AOI相關聯的用戶體驗[9]．

(4) 較原型產品，被試者對改良型產品的AOI滯留時間增幅分別為插孔組(-11.29%)、輪廓特征(-16.84%)、主控標識(-6.59%)、電源開關(237.21%)、指示燈(72.31%)．其中插孔組、輪廓特征、主控標識的滯留時間有不同程度的下降，電源開關與指示燈的滯留時間卻有大幅的增加，且改良型產品電源開關區域的滯留時間比原型產品增長了近2.5倍的比例．其原因主要有兩點：第一，原型產品電源開關區域的AOI滯留時間比例基數較小，只有2.15%．原型產品的開關部分在材料運用與外觀色彩上沒有創新，采用通用標準件，因此被試者對該區域只是一掃而過．第二，改良型產品的電源開關區域在材料和外觀上進行了定向設計，且在開關的結構上進行了調整，由大眾化的頂面填坑設置遷移到右側面的懸掛設置．正是由于這一調整，使被試者在該區域的視線滯留時間上成倍增加[10]．

2.3圖像復原分類輔證

對20名被試者所繪制的原型設計、改良型設計兩份紙制圖像進行整理，可以分別歸納出6個相對集中的繪制區域/特征，分別為：輪廓特征、主控標識、電源開關、指示燈、插孔組、主體色相．根據測試者的完成程度進行定量統計，其中完成部分標記為“1”；未完成部分標記為“0”，結果如表5和6所示.

表5　被試者對原型產品集中繪制區域Table 5　The drawing area of prototype that subjects focused on

(續　表)

表6　被試者對改良型產品集中繪制區域Table 6　The drawing area of improved product that subjects focused on

對比表5和6，可以得出被試者對原型產品、改良型產品的印象強弱有以下特點：

(1) 被試者集中繪制出的6項原型產品外觀特征由多到少依次為主體色相、插孔組、輪廓特征、指示燈、電源開關、主控標識；被試者集中繪制出的6項改良型產品外觀特征由多到少依次為主體色相、插孔組、主控標識、輪廓特征、電源開關、指示燈．其中原型產品的主體色相、插孔組、輪廓特征3項基本都有繪出，完成率在90%以上；改良型產品的主體色相、插孔組、主控標識3項完成率甚至全部達到了100%．另一方面，關于指示燈和電源開關2項的繪出人數卻表現出較低的比例，完成率為25%～55%．通過對被試者的回訪調查，發現其主要原因在于進行圖像繪制時，被試者過分在意圖像的整體表現效果，在產品透視、明暗關系、線條流暢方面耗費了大量的精力，且由于被試者的繪圖能力水平參差不齊,導致出現了對某些局部特征的遺漏．

(2) 關于主控標識，20名被試者全部繪出改良型產品，而原型產品只有7人繪出．這主要因為改良型原型產品的主控標識添加了色彩的對比(黑/綠)，在色相、明度上都有所差別，而原型產品沒有特別地進行外形設計．可以推測強烈的色彩對比可以加深被試者對該部分的印象．

(3) 指示燈部分卻剛好相反，20名被試者中有一半人繪出原型產品，而改良型產品只有5人繪出．其原因主要是原型產品的指示燈與現有產品同質，被試者在繪制圖像時憑經驗推測繪出了原型產品指示燈的圖像，而改良型產品的指示燈與現有產品有所差別，并且出現在視野中的遠側端，視覺體量感不明顯，因此繪制出的被試者較少．

3　結　語

本文利用眼球運動追蹤技術對改良前的電源產品(原型產品)與改良后的電源產品(改良型產品)進行數據采集與分析，通過對注視、跳視的次數和頻率，以及跳視時的速率和幅度進行統計分析，驗證了眼動實驗對產品設計評估的有效性．此外，針對區域記錄的AOI數據進行分析，歸納出被試者觀察電源類產品的一般規律．統計出的數據結果與之前產品設計目的、擬解決目標問題相吻合；在AOI滯留時間比例方面的統計，也進一步體現了被試者對改良型產品不同區域的創新設計的關注熱點．利用AOI數據進行分析，完全可以檢測設計師對設計元素的加強或弱化是否合適，或者是否達到了預期要求．最后通過被試者繪制的圖像文件與眼動數據資料的差異性確認，表明被試者由于自身的主觀經驗或參照物的視覺對比，會出現對記憶缺失部分進行部件借用或替換的現象，這在一定程度上會干擾統計結果.因此在設計評估的作業過程中，建議采取眼動實驗為主，主觀意象繪制或問卷訪談為輔的評價方法.

[1] 高闖．眼動實驗原理：眼動的神經機制、研究方法與技術[M]．武漢：華中師范大學出版社，2012．

[2] 白學軍，閆國利．眼動研究在中國[M]．天津：天津教育出版社，2008．

[3] 徐娟．國內設計心理學領域中的眼動研究綜述[J]．北京聯合大學學報，2013，26(5)：72-75．

[4] 蔣波，章菁華．1980—2009年國內眼動研究的文獻計量分析[J]．心理科學，2011，34(1)：235-239．

[5] 程時偉，孫凌云．眼動數據可視化綜述[J]．計算機輔助設計與圖形學學報，2014，27(3)：698-707．

[6] 閆國利．眼動分析法在心理學研究中的應用[M]．天津：天津教育出版社，2004．

[7] 鄧鑄．眼動心理學的理論、技術及應用研究[J]．南京師大學報：社會科學版，2005(1)：90-95．

[8] ANDRIENKO G，ANDRIENKO N，BURCH M，et al．Visual analytics methodology for eye movement studies [J]．IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，2012，18(12)：2889-2898．

[9] 陳再良．圖像感興趣區域提取方法研究[D]．長沙：中南大學信息科學與工程學院，2012．

[10] 陳高杰．基于眼動分析的柜類家具外觀設計評估研究[D]．南京：南京林業大學家具與工業設計學院，2010．

Cognition Research and Application of Kansei Quantitative Evaluation in Industrial Product Design:Case Study from Eye Tracking Test on Design of Intelligent Power Device

LIU Miao, NIE Gui-ping, MA Chong, ZHANG Zhang

(School of Art Design and Media, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

The eye tracking technology is used to estimate the visual effects of intelligent power products, including the shape design, space setting and functional components volume in the man-machine interactive interface. The experiment is designed to compare the users’ eye tracking between observing the prototype of intelligent power product and the improved model. By analyzing the data results of the experiments and evaluating the efficiency of product form design, the eye tracking technology is successfully integrated with Kansei evaluation measures, which demonstrates the validity and practicability of eye tracking test in evaluation of the visual influence on user cognition.

industrial design；Kansei evaluation；eye tracking test；cognition test；intelligent power device

1671-0444(2015)04-0536-06

2015-03-30

上海市浦江人才計劃資助項目(14PJC024)

劉淼(1984—)，男，浙江舟山人，講師，博士，研究方向為工業設計、計算機輔助設計、感性工學等．E-mail：183787975@qq.com

TB 472

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