感性量化评价技术在工业产品设计中的认知研究与应用——以智能电源产品设计的眼动实验为例

刘　淼，聂桂平，马　翀，章　彰

(华东理工大学 艺术设计与传媒学院，上海 200237)

感性量化评价技术在工业产品设计中的认知研究与应用
——以智能电源产品设计的眼动实验为例

刘淼，聂桂平，马翀，章彰

(华东理工大学 艺术设计与传媒学院，上海 200237)

运用眼动追踪技术对智能电源产品的造型形态、功能组件在交互界面中的体量规模，以及在空间设置中的视觉效果进行眼动实验．通过采集被试者在观察该类电源产品原型机与改良型样机的眼动数据，比较被试者在观察两款产品时眼动数据上的差异，分析存在差异的原因，验证眼动实验对产品形态设计评估的有效性．实现眼动追踪技术与感性量化评价手段之间的结合，在判断产品视觉要素对影响用户认知效果上进行了探索性尝试．

工业设计；感性量化；眼动实验；认知评估；智能电源

人类社会发展至今，人造物的产生已由低级的生理需要发展到满足使用者安全保障、情感诉求的功能需要，乃至更高级的社会道德、环保持续要求．无论何种需求都必须首先明确人的认知规律[1]，而对于产品设计而言，如何快速捕捉和量化用户对产品的感性评价是企业和设计师面临的最为迫切的问题．近年来，随着人类认知神经科学的发展，眼动技术在心理学研究领域中越来越受到重视，并涌现了大量科研成果[2]，有些成果甚至已经进入了医学临床试验阶段，为实现人类对产品的感性判断与认知量化问题提供了有效手段．但眼动技术并没有被充分运用于工业设计领域，市场上缺乏产品感性量化评价的成功案例，其研究成果多集中于平面广告、动漫游戏等的设计评价[3]．基于以上研究现状，本文以智能电源产品为实验载体，以明确人的认知规律为研究目标，在判断产品视觉要素对用户认知效果的影响上进行探索性尝试．

1　研究方法

量化在广义上是指使目标或任务具体、明确，达到可以清晰度量的程度，根据实际情况以数量、数字体现一维长度、二维范围、三维体积、四维时间等．在感性工学中量化的核心任务是明确关系，对工业设计而言就是将人的感性材料与设计元素之间建立关系，并予以数字呈现．本文力求运用眼动追踪技术获取信息、建立关系，诠释人的认知反应，归纳自身的认知反应传递反馈给外界的一般规律．

通过明确模糊的感性信息，使设计师和企业能够快速直观地判别与确认新产品与以往同质产品在形态表现上的优劣．通过与原型产品进行对比评估，明确新产品是否在人性化(造型感、色觉感)方面有所提升，是否更符合人的审美法则，从而进一步指导产品设计，使产品设计不仅可以满足“物”的功能需求，而且能更好地满足“人”的心理需求．

1.1研究被试者

被试者为华东理工大学工业设计专业(工科类)、产品设计专业(文科类)的本科生和硕士研究生，艺术审美水平较高，感性认知能力较强[4]．被试人数为20人，男性10人，女性10人，平均年龄为21岁，裸眼视力或矫正视力均在1.0以上，无色弱、色觉认知障碍．

1.2研究工具

眼球轨迹追踪仪、智能电源(原型产品、改良型产品)、电子计算机、计时器、绘图用具．作为实验观察对象的智能电源产品是一款基于电能储存与分流技术的民用商品，其改良型产品尚处于研发阶段．为保证本文数据采集的公平合理性，实验对象在被试者观察时，选取以三点透视(相同视角)为基本表现形式的产品静帧图片．眼动数据由专业的眼动分析软件采集与输出，统计数据分析由EXCEL与SPSS完成．

1.3研究过程

本文运用感性量化技术，对现有工业原型产品与改良型产品进行眼动数据的量化采集．通过眼动实测的整体定量分析与AOI(areas of interest)区域数据的局部对比分析[5]，获取用户对工业产品外观造型的一般认知规律，并在此基础上，结合传统的图像复原分类法进行辅助验证．

2　研究内容及分析

2.1眼动实测数据定量分析

通过排除不受大脑意识控制的反射性眼球运动，针对主动性眼动系统进行视觉数据记录，结果如表1和2所示．

表1　原型产品的眼动实测数据统计Table 1　Eye tracking test data of the prototype

表2　改良型产品的眼动实测数据统计Table 2　Eye tracking test data of the improved product

(续　表)

对比表1和2可知：

(1) 无论是注视次数还是跳视次数，被试者在改良型产品上的停留点数较原型产品都有明显的增多，且增幅分别为3.6%和5.0%．这里的停留点数都是以100 ms以上的采样标准进行统计的[6]．根据眼动心理学理论，视线在被观察目标上的一系列停留点之间进行飞速跳动，其中只有在停留点上的视觉信息才会产生有效的影像认知信号，也才具备进一步加工的可能[7]．因此可以得出，改良型产品在整体的造型元素选取和搭配上比原型产品有一定程度进步的定量推断.

(2) 被试者在观察过程中，改良型产品在注视频率与跳视频率较原型产品都有明显增长．人类通过频繁地对刺激信息进行选择与寻找，虽无法获得清晰的影像但可以获得相对的空间信息[8]．即眼球注视方位发生变化的运动强弱，可以为产品造型特征的丰富程度及设计元素间对比明显与否提供量化参考．但评价设计作品的优劣，与“造型特征的丰富”或者“元素间对比显著”并不是正比关系，需要结合具体情况进行分析.

(3) 被试者对改良型产品和原型产品的跳视幅度与跳视速率差别并不明显．这主要因为两款产品在产品类别上同为电源类产品，根据其使用环境的限制并没有在体量上进行大幅度的调整．

2.2AOI区域数据对比分析

根据产品基本功能要求对改良型产品与原型产品进行AOI区域划分作业，分别为轮廓特征、主控标识、电源开关、指示灯、插孔组5大区域，针对每个区域的AOI注视次数及AOI滞留时间比例(区域内注视时间与刺激总时间的比值)进行统计，结果如表3和4所示．

表3　原型产品的AOI注视次数与AOI滞留时间比例数据统计Table 3　AOI fixation times and AOI delay times ratio data of the prototype

表4　改良型产品的AOI注视次数与AOI滞留时间比例数据统计Table 4　AOI fixation times and AOI delay times ratio data of the improved product

由表3和4可知：

(1) 被试者对原型产品及改良型产品5大区域的AOI注视次数规律一致，由高到低依次为插孔组、轮廓特征、主控标识、电源开关、指示灯．由此可以归纳出被试者观察电源类产品的一般规律：首先是电源产品的供电功能组件(插孔组)，其次为在视觉上体量感相对较大的外观风格(轮廓特征)，再次是具有操控指示功能的引导组件(主控标识)，最后为相互联动性最大，但体量感却最小的两个产品组件(电源开关、指示灯)．因此可以确定消费者在选购电源类产品时，其优先等级规律为：功能第一，主要关注产品性能是否优异、解决问题的指向性是否明确；第二是外观，其中体量大的外观优先，较小的次之；第三是操控的人机系统，包括引导标识、工作运行输入、输出显示等.虽然产品设计师认为人机关系是其从事工作任务的重心，但在消费者的眼中人机的重要程度还远不及产品的功能属性．

(2)从原型产品与改良型产品5大AOI区域的注视次数对比中，可以发现改良型产品较原型产品的增幅分别为插孔组(14.52%)、轮廓特征(-8.72%)、主控标识(-5.76%)、电源开关(56.00%)、指示灯(72.73%)．除轮廓特征与主控标识两项的注视次数低于原型产品，其余3项都高于原型产品．增幅最大的是指示灯与电源开关．这与改良产品的设计初衷相吻合.在改良型产品的设计阶段，采用传统的问卷调研方法，调研统计结果显示原型产品的工作指示灯与现有市场上的既有产品，在色相选择、光面尺寸、显示方式上存在同质倾向，且由于电源芯片的定位问题，电源开关在位置的设置和体量上也存在不合理的逻辑问题．因此针对这两大问题，改良型产品做了相应的改进．此外，原型产品因设计了主控工作显示与产品整体工作显示两种指示灯，两种指示灯的显示极易误导用户以及产生使用上的错误操作，为此在改良型产品的设计上期望可以尽可能拉大两种指示灯的差别．通过感性的眼动量化技术，可以明显看到负责产品整体工作显示的指示灯区域的注视次数增幅为72.73%，而负责主控工作显示的指示灯的注视次数降幅为5.76%，将功能相似的两个部分进行了很好的区分，解决了用户在视觉识别上的交互问题．

(3) 被试者对原型产品的5大区域的AOI滞留时间比例由高到低依次为插孔组、轮廓特征、主控标识、指示灯、电源开关．而改良型产品的5大区域的AOI滞留时间比例由高到低依次为插孔组、轮廓特征、主控标识、电源开关、指示灯．根据眼动心理学理论，被试者在某个AOI区域注视时间越长说明该区域内有越多的细节特征需要被试者的视觉中枢去进行加工认知．而这个认知过程又与一种在心理学上被称为“联觉”的现象有关，其主要指人类各种感觉之间产生相互作用的心理现象，即对一种感官的刺激作用触发另一种感觉的现象．从产品造型的方面而言，被试者注视某个AOI区域，由于联觉的产生，单个造型特征被潜意识地发散成多个创新元素，导致被试者需要花费更多的精力去斟酌，进而引出与该AOI相关联的用户体验[9]．

(4) 较原型产品，被试者对改良型产品的AOI滞留时间增幅分别为插孔组(-11.29%)、轮廓特征(-16.84%)、主控标识(-6.59%)、电源开关(237.21%)、指示灯(72.31%)．其中插孔组、轮廓特征、主控标识的滞留时间有不同程度的下降，电源开关与指示灯的滞留时间却有大幅的增加，且改良型产品电源开关区域的滞留时间比原型产品增长了近2.5倍的比例．其原因主要有两点：第一，原型产品电源开关区域的AOI滞留时间比例基数较小，只有2.15%．原型产品的开关部分在材料运用与外观色彩上没有创新，采用通用标准件，因此被试者对该区域只是一扫而过．第二，改良型产品的电源开关区域在材料和外观上进行了定向设计，且在开关的结构上进行了调整，由大众化的顶面填坑设置迁移到右侧面的悬挂设置．正是由于这一调整，使被试者在该区域的视线滞留时间上成倍增加[10]．

2.3图像复原分类辅证

对20名被试者所绘制的原型设计、改良型设计两份纸制图像进行整理，可以分别归纳出6个相对集中的绘制区域/特征，分别为：轮廓特征、主控标识、电源开关、指示灯、插孔组、主体色相．根据测试者的完成程度进行定量统计，其中完成部分标记为“1”；未完成部分标记为“0”，结果如表5和6所示.

表5　被试者对原型产品集中绘制区域Table 5　The drawing area of prototype that subjects focused on

(续　表)

表6　被试者对改良型产品集中绘制区域Table 6　The drawing area of improved product that subjects focused on

对比表5和6，可以得出被试者对原型产品、改良型产品的印象强弱有以下特点：

(1) 被试者集中绘制出的6项原型产品外观特征由多到少依次为主体色相、插孔组、轮廓特征、指示灯、电源开关、主控标识；被试者集中绘制出的6项改良型产品外观特征由多到少依次为主体色相、插孔组、主控标识、轮廓特征、电源开关、指示灯．其中原型产品的主体色相、插孔组、轮廓特征3项基本都有绘出，完成率在90%以上；改良型产品的主体色相、插孔组、主控标识3项完成率甚至全部达到了100%．另一方面，关于指示灯和电源开关2项的绘出人数却表现出较低的比例，完成率为25%～55%．通过对被试者的回访调查，发现其主要原因在于进行图像绘制时，被试者过分在意图像的整体表现效果，在产品透视、明暗关系、线条流畅方面耗费了大量的精力，且由于被试者的绘图能力水平参差不齐,导致出现了对某些局部特征的遗漏．

(2) 关于主控标识，20名被试者全部绘出改良型产品，而原型产品只有7人绘出．这主要因为改良型原型产品的主控标识添加了色彩的对比(黑/绿)，在色相、明度上都有所差别，而原型产品没有特别地进行外形设计．可以推测强烈的色彩对比可以加深被试者对该部分的印象．

(3) 指示灯部分却刚好相反，20名被试者中有一半人绘出原型产品，而改良型产品只有5人绘出．其原因主要是原型产品的指示灯与现有产品同质，被试者在绘制图像时凭经验推测绘出了原型产品指示灯的图像，而改良型产品的指示灯与现有产品有所差别，并且出现在视野中的远侧端，视觉体量感不明显，因此绘制出的被试者较少．

3　结　语

本文利用眼球运动追踪技术对改良前的电源产品(原型产品)与改良后的电源产品(改良型产品)进行数据采集与分析，通过对注视、跳视的次数和频率，以及跳视时的速率和幅度进行统计分析，验证了眼动实验对产品设计评估的有效性．此外，针对区域记录的AOI数据进行分析，归纳出被试者观察电源类产品的一般规律．统计出的数据结果与之前产品设计目的、拟解决目标问题相吻合；在AOI滞留时间比例方面的统计，也进一步体现了被试者对改良型产品不同区域的创新设计的关注热点．利用AOI数据进行分析，完全可以检测设计师对设计元素的加强或弱化是否合适，或者是否达到了预期要求．最后通过被试者绘制的图像文件与眼动数据资料的差异性确认，表明被试者由于自身的主观经验或参照物的视觉对比，会出现对记忆缺失部分进行部件借用或替换的现象，这在一定程度上会干扰统计结果.因此在设计评估的作业过程中，建议采取眼动实验为主，主观意象绘制或问卷访谈为辅的评价方法.

[1] 高闯．眼动实验原理：眼动的神经机制、研究方法与技术[M]．武汉：华中师范大学出版社，2012．

[2] 白学军，闫国利．眼动研究在中国[M]．天津：天津教育出版社，2008．

[3] 徐娟．国内设计心理学领域中的眼动研究综述[J]．北京联合大学学报，2013，26(5)：72-75．

[4] 蒋波，章菁华．1980—2009年国内眼动研究的文献计量分析[J]．心理科学，2011，34(1)：235-239．

[5] 程时伟，孙凌云．眼动数据可视化综述[J]．计算机辅助设计与图形学学报，2014，27(3)：698-707．

[6] 闫国利．眼动分析法在心理学研究中的应用[M]．天津：天津教育出版社，2004．

[7] 邓铸．眼动心理学的理论、技术及应用研究[J]．南京师大学报：社会科学版，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] 陈再良．图像感兴趣区域提取方法研究[D]．长沙：中南大学信息科学与工程学院，2012．

[10] 陈高杰．基于眼动分析的柜类家具外观设计评估研究[D]．南京：南京林业大学家具与工业设计学院，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

上海市浦江人才计划资助项目(14PJC024)

刘淼(1984—)，男，浙江舟山人，讲师，博士，研究方向为工业设计、计算机辅助设计、感性工学等．E-mail：183787975@qq.com

TB 472

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