眼動實驗在交互界面設計中的研究進展與趨勢

韓雪 靳文奎

關鍵詞：界面設計；眼動實驗；可視化分析；Citespace；VOSviewer；CNKI；Web of science

一、研究方法與文獻統計

（一）數據來源

國內研究文獻以CNKI（中國知網）數據庫中的期刊文獻為數據統計分析的來源，其中CNKI 對期刊文獻僅限于3 種類型的收錄：中國核心期刊要目總覽（北京大學核心）、中國人文社會科學核心期刊（CSSCI）和中國科學引文數據庫（CSCD）。時間范圍為2000 年1 月1 日至2022 年11 月20 日。首先，對“眼動追蹤”“界面設計”相關的文獻通過篇主題、篇名、篇關鍵、關鍵詞等多種組合的檢索方式對比篩選。最后，確定文獻的高級檢索以“眼動”作為主題詞“界面”作為篇關鍵詞精確匹配進行文獻檢索。檢索相關文獻共185 篇，手動剔除與界面設計無關的文獻，確認176 篇文獻作為數據來源。

Web of Science 核心集數據庫是國外研究文獻精選，本次精選SCI數據庫。檢索條件為“TS=Eye movement”and“TI=interface”，時間選取2000 年1 月1 日至2022 年11 月20 日，書籍、會議和撤回的文獻都被清除，共檢索文獻529 篇。其中最早發表時間為2003 年，相比國內較晚。使用Citespace6.1 軟件對數據進行篩選處理，最終有效文獻有287 篇。

（二）研究方法

借鑒已有文獻中的文獻計量學方法和內容分析法對國內外有關眼動實驗應用在交互界面設計中的研究現狀、熱點以及趨勢進行可視化分析。總體主要包含4 部分內容：首先是數據篩選，設定檢索關鍵詞匯，確定搜索文獻數據庫范圍。其次繪制知識圖譜，借助CiteSpace 和VOSviewer 軟件，對國內外研究文獻的發文量、地域分布、學科領域和熱點關鍵詞進行梳理，實現文獻的信息可視化。最后通過內容分析歸納，說明該領域的研究潛質與未來方向。

二、國內外研究的時空分布情況

（一）年度發文量分析

文獻發文量的多少不僅僅是持續性和關注度的體現，還能從時間維度上分析眼動實驗在交互界面設計中的發展速度和特征。國內外眼動實驗在交互界面設計的文獻發文量分布見圖1。整體來看，國內外文獻數量均呈逐年上升趨勢，總體來講發展態勢相差不大，可以合并進行分析。根據發文量的增長特征可見，眼動實驗應用在交互界面設計的研究發文量經歷了“緩慢起步－平穩發展－蓬勃發展”這3 個階段。2000 年到2009 年處于起步期，發文量不多，該階段每年的發文數量平均值均為個數。2009 年到2018 年處于發展期，國內外文獻數量均在穩定增加。2018 年后至今處在蓬勃發展時期，文獻發表數量激增。其中2020 年，國內外的發文量均在25 篇以上。綜上所述，將眼動實驗應用在交互界面設計中的研究逐漸成為學者關注的熱點領域，其受關注程度呈年度增長的態勢。

（二）地域分布

選擇VOSviewer 節點類型“country”對外文文獻的國家進行分析，獲得眼動實驗在交互界面設計文獻的地理區域分布圖，如圖2 所示。圓點的大小體現文獻數目，節點之間的線條表示各個國家之間合作的緊密度。節點與連接線顏色表明，研究的時間越早越靠近暖色。

從發文數量來講，中國發文量排名第1，說明國內對該領域的研究相對重視，總共撰寫論文34 篇。從研究時間來講，研究最早的為日本，亞洲的中國和韓國發展較快，國內是將眼動應用于界面設計領域的研究熱點國家。通過節點的連線發現，亞洲之間與歐洲之間有一定的合作。

（三）學科領域

在CNKI 與Wed of Science 中導出所在的學科領域分布如表1所示，表明國內外研究的相似之處是均集中在計算機與工程領域。國內與心理學、教育學、汽車設計等領域存在學科交叉，涉獵的領域更加廣泛；國外更多的是眼動實驗應用在計算機科學、機械工程和輔助患有特殊疾病的生物醫學等領域的界面設計中，進行深入縱向研究，相較于國內對交互界面設計進行的思考更加現實。因此，國內在隨后研究中，對于交互設計界面的研究可以在進行多領域橫向研究的同時，在臨床醫學、計算機科學等重點領域進行深入縱向研究。

三、國內外研究熱點分析

利用VOSviewer 對關鍵詞進行統計，將英文關鍵詞進行剔除，國外文獻意思相近的關鍵詞合并，隨后獲得關鍵詞頻率大于3 的共現圖譜（如圖3）。對國內外的關鍵詞共現圖譜進行對照分析，發現國內外眼動實驗應用在交互界面設計中研究熱點主題既有聯系又有區別。

（一）國內外研究的相似點

1. 均將眼動實驗作為眼動數據采集工具和判斷界面元素、布局、色彩等可用性測試的客觀方法，有助于交互界面的設計與優化。共同的關鍵詞有“界面設計”“眼動數據”“effect”“可用性測試”等。

2. 均重視交互界面設計與計算機前沿技術結合，近年來這種趨勢更加顯著。隨著VR 和元宇宙的熱度不斷提升，虛擬現實中的交互界面也逐漸成了研究的熱點，共同的關鍵詞有“增強現實”“虛擬現實”“algorithm”“human computer”等。

（二）國內外研究的差異點

1. 國內界面交互設計與工業設計聯系更加緊密，眼動實驗的目標是為優化界面設計，測試界面和原型的可用性。關鍵詞包含界面設計中具體設計圖標、布局和色彩的研究，例如“扁平化圖標”“導航”“色彩”等。國內更加偏向對眼動結合數學模型的方法進行分析，例如熵權法。研究對象從二維界面逐漸擴展到三維空間物體上，例如機械臂。以及研究特殊的人群眼動特征，例如asd 兒童。

2. 國外在界面設計研究中更加注重多種設備的結合使用，例如腦電儀和皮電儀， 關鍵詞有“brain computer”“eegsignal”“brain machine”等。國外更加注重界面眼動與計算機算法進行搭建，并且更加關注有特殊疾病的病人，例如殘障人士和患有眼部疾病的群體，相關的關鍵詞有“patient”“BusinessIdentifier Code”等。

（三）關鍵詞聚類分析

將關鍵詞導入到CiteSpace6.1 中，通過對文獻關鍵詞的計量分析，獲得國內外兩張可視化圖譜，詳見圖4。從時間維度來講，國內和日本對界面眼動實驗研究較早，且在2013 年左右研究文獻數量不斷攀升，國內與國外的研究進展時間相對吻合。從研究的內容來講，存在一定的差距，國外更加注重與腦電測試技術、計算機技術結合，并且加深了對特殊的醫學疾病的研究，研究內容更加深入與實際；而國內研究更加注重眼動實驗在界面與界面評估、虛擬現實、心理學和教育等領域結合。

四、國內外研究前沿與路徑演進

結合前文文獻特征統計和熱點分析，深入閱讀相關的國內外文獻。把國內外眼動實驗應用在交互界面設計的研究歸納為3 個階段：基礎探索階段、方法構建階段和多元快速發展階段。后文依次對其國內外的研究階段進行解讀論述。

（一）國內研究進展歸納

1. 基礎探索階段2000 年——2007 年，該階段是眼動實驗在交互界面設計的起步時期，突出的關鍵詞有“認知風格”“顏色”“視覺認知”“位置”“性別差異”“情景意識”“信息顯示”等。這些關鍵詞表明，從界面設計角度來講，界面設計更加關注界面中的具體要素，對于界面的視覺風格、色彩、布局更加重視。從用戶角度來講，關注界面認知風格和信息顯示對用戶的影響以及用戶本身的性別差異。

作為起步，首先把眼動實驗與界面進行了直接的結合，利用眼動實驗的邏輯進行數據采集，利用人的認知工效，對界面進行研究。如劉穎等[1] 在2000 年將眼動追蹤方法應用到菜單界面設計的認知工效學中。此階段界面設計中的關鍵要素也開始逐漸分化，眼動研究對象也更加的細化，關注到界面的布局差異對用戶的影響。譬如馮成志等[2]2004 年利用眼動來探究界面中邊框和視覺標簽對效果的影響，之后利用眼動研究交互對象排列方式不同的效果影響。

2. 方法構建階段2007 年——2018 年，該階段也是眼動實驗應用在交互界面設計的發展逐漸穩定的階段。突顯的關鍵詞主要有“手機”“認知負荷”“用戶界面”“人因工程”等。此階段不僅僅拘束于人與計算機界面之間的關系，更加深入探索界面的內容與布局對用戶的影響，更加關注用戶本身的感受。例如張磊等[3]2011 年通過眼動追蹤對界面中的文字和編碼位置對用戶閱讀和理解進行了研究。將認知負荷通過眼動和腦電對飛機座艙界面進行評估，將眼動認知負荷應用到知識地圖，說明界面設計逐漸向以用戶為中心的思想靠攏，考慮人因工程與認知負荷等要素。國內學者首先對“三分屏”網絡課程界面通過眼動追蹤進行了研究，與此同時，司機的機動車駕駛界面、仿真界面、車載信息系統界面、智能產品的界面越來越多。互聯網的發展，使得智能手機逐步滲透到人們的視野中，界面研究范圍也陸續增多。因此，移動端和電腦端甚至是智能產品界面也逐漸成了研究的重點。

這一階段，眼動實驗應用到界面的可用性測試上，關注界面的操作效率，操作的舒適性和易用性上，如程時偉等[4] 在2009 年將眼動應用到移動界面的可用性評估上，這也是國內第一次在移動端使用眼動。劉瑩將智能手機UI 設計中的舒適性和易用性引入設計中，對于界面可用性評估也隨之深化，評估的準則也逐漸系統化。同時，研究學者開始關注特殊的人群，并且將眼動實驗與更加前沿的技術進行結合，如王劍等[5] 在2017 年通過眼動與增強現實技術進行了融合設計。

3. 多元快速發展階段2018 年——至今，關鍵詞突變詞有“交互設計”“用戶體驗”“工業設計”“人機界面”“眼動追蹤”等。從界面設計來講，在人機交互界面設計中更加關注用戶體驗，注重用戶的視覺分配和視覺注意點，例如，針對數字化監控界面的搜索注意分配通過眼動試驗進行了改良設計。開始關注改變和優化界面的層級設計，國內學者先后對汽車人機界面層級、智能冰箱的人機界面布局以及核酸檢測儀器的人機交互界面等進行了眼動追蹤實驗，對界面進行了層級優化。從用戶角度來講，界面設計將人群進行了細分，逐漸注意到特殊的群體，如劉暢等[6] 通過眼動對老年人購物網站首頁界面感知進行可用性測試，陳雯珺等[7] 在2022 年通過數字技術在歐美國家孤獨癥兒童的早期篩選應用了眼動實驗。綜上所述，此階段針對交互界面來講，更加關注界面的層級優化，提升用戶的體驗；針對研究人群來講，對老年人的視覺感知、ASD 兒童、性別差異人群和孤獨癥兒童等少數群體進行關注，這恰是包容性設計的表現。從界面設計發展趨勢來看，隨著虛擬現實技術的發展，虛擬現實界面不斷出現，眼動與虛擬現實銜接，直至當前虛擬現實界面還未有統一的設計標準。虛擬現實界面的評估往往借鑒現有的二維界面的評估方法，例如用熵權法計算分析眼動實驗的數據。

（二）國外研究進展歸納

1. 基礎探索階段2003 年——2007 年，此時的關鍵詞突變有“language”“face detection”“hunmen computer interface”等。這一時期利用眼睛移動轉化為控制界面的工具，如ADJOUADI M 等[8]在2004 年研究通過眼睛凝視跟蹤系統將眼睛坐標轉換為鼠標指針，此設計專門為嚴重的運動障礙人士而設計。對于運動障礙或重度殘疾人士，將眼球運動和眼睛凝視轉化為界面的鼠標進行操控，具有一定的現實意義。借鑒相關行業對界面設計進行了初期探索，如測量眼球運動將電影攝影技術為界面設計提供建設性意見。通過眼動追蹤與其他設備結合應用到面部表情中，使其擁有情感，將界面設計推向情感化，如CHOI S M 等[9] 在2005 年通過面部識別和眼睛凝視跟蹤合成3D 面部動畫，使其擁有情感。

2. 方法構建階段2007 年——2018 年，該階段也是界面眼動實驗發展逐漸穩定的階段。此時的關鍵詞突變有“eye movementanalysis”“gaze tracking”“paralyzed patient”“behavior”等。眼動實驗應用于移動端智能手機的界面設計可用性測試，界面的評估手段依然采用傳統的可用性測試方法和眼動數據分析結合進行評估，如LEE E C 等[10] 在2013 年將眼動追蹤融合到設計智能手機界面中。此時與國內情況相同，智能手機侵入人類的視野，用戶界面范圍增加。因此，移動端和電腦端甚至是智能產品界面也逐漸成為研究的重點。用戶可以利用眼動數據控制界面操作，節省人力也便于無障礙地操作。如MISHRA S 等[11] 在2017 年通過眼球運動控制無線的人機界面移動。眼動實驗應用在更多界面中，說明了界面設計的多元化發展。

3. 多元快速發展階段2018 年——至今，該階段是快速發展階段，此時期的突顯關鍵詞有“engagement”“electrooculogram”“system”“computer interface”“eye tracking”等。交互界面中的設計元素不斷細化，從界面的認知風格到可用性測試逐漸關注用戶的認知負荷。如CHEN L 等[12] 在2018 年研究對用戶認知風格與查看特定類型界面對象時眼球運動之間相互作用的見解；ZHANGJ L 等[13] 在2020 年對核電系統OM 界面認知負荷進行了評估；YANK T 等[14] 在2021 年對壓路機操作員的界面認知負荷進行了評估。交互界面設計范圍更加廣泛，眼動與界面設計之中的元素關系更加密切，界面設計更加關注用戶的深度需求，結合人的視覺、觸覺、聽覺等多模態研究。綜上所述，從界面的設計角度來講，從宏觀的視覺元素逐漸細化至微觀的視覺元素。從用戶的角度來講，結合用戶的心理與生理特點深化以用戶為中心的設計，從界面的操作易用性到界面帶來的認知負荷皆是站在用戶的視角。

（三）國內未來研究方向分析

1. 從交互界面設計的范圍來講：界面設計的眼動實驗研究的范圍更加的廣泛，從最初的“計算機界面——移動智能手機界面——智能機器人界面”，界面眼動實驗不僅僅局限于二維的界面設計，界面由2D 逐漸向3D 延伸。

2. 從交互界面設計中的視覺元素來講：從界面的演化可以發現界面中的設計元素從數量和風格上都有著顯著的變化。從最初的擬物化設計到如今的深度扁平化設計，從最初的將眼動應用到界面的視覺追蹤到界面的顏色、布局、圖標、搜索模式、層級設計等，未來的交互界面更加細化。

結語

通過對2000——2022 年CNKI 和Web of Science 數據庫中的眼動實驗在交互界面設計中的研究文獻進行CiteSpace 和VOSviewer 數據可視化分析，研究了該領域的研究近況和未來趨勢。研究發現，國外研究的熱度整體與國內同步呈現上升趨勢。國外研究橫向范圍較國內小，但對于臨床醫學等相關的實踐項目來講更加縱向深入。國內外研究均涉及與計算機技術結合的相關的研究，其中國外針對某一方向的研究例如臨床的重度殘疾人士和計算機腦機接口等方面更加深入，國內則涉獵更加廣泛。在后續研究中，國內可以從臨床醫學等高價值的方向縱向深度發展。

研究熱點既有聯系又有區別。針對界面設計研究的相似性來講，國內外眼動實驗可以作為數據采集工具和可用性測試。界面設計的眼動實驗不僅局限于現實世界，隨著人工智能、AR 和VR 的持續發展，虛擬現實中也存在著虛擬的3D 界面，未來的界面眼動會將虛擬與現實結合，研究虛擬現實世界的界面眼動實驗。針對界面設計研究的差異性來講，國內界面設計眼動實驗的目標是為優化界面設計和測試可用性，甚至研究界面設計中具體設計元素、布局和色彩等。而國外在界面設計研究采用多種檢測設備結合使用的方法，聚焦特殊人群與特殊疾病。綜上所述，國內可以借鑒國外的研究領域及發展現狀，未來針對現實的問題，探究對臨床醫學中的特殊疾病人群的有利的深入研究，同時加強與先進計算機技術的銜接。