基于眼动分析的文化设计基因提取与应用研究

汶晨光，苟秉宸，吴林健，马炜琳

WEN Chenguang,GOU Bingchen,WU Linjian,MAWeilin

西北工业大学 陕西省工业设计工程实验室，西安 710072

Shaanxi Engineering Laboratory for Industrial Design,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China

1 引言

在当今消费需求多元化、市场竞争激烈的时代，富有民族文化特色的文化创意产品越来越受到人们的喜爱。然而，设计出富有文化特色的产品通常需要较长的周期，这与快节奏的消费市场产生了明显的矛盾。如何快速把握文化的核心内涵，并成功应用于产品设计中，对于缩短文化创意产品的设计周期，使产品成功推向市场至关重要。

文化基因决定了文化的系统传承与变化，是文化生长发育、继承发展的核心所在[1-2]。将文化基因提取出来并加以设计表现，形成这种特定文化的设计基因，以便将其应用于产品设计，对于文化创意产品设计而言是一个快速而准确的途径。

目前关于文化设计基因的提取通常是采用人工提取方法，由专业的设计师研究相关的文化，结合设计知识经验和文化本身的特点，分析提取文化设计基因[3-4]。这种方法具有较强的主观性，设计师会根据自身的理解来提取文化的设计基因，因而不同的设计师对同一种文化提取的设计基因可能存在较大的差异，这样在初始阶段就给文化创意产品的设计埋下了隐患。同时目前文化设计基因的提取方法较为单一，并不能完整地体现文化的特征与内涵。

针对以上问题，如何运用眼动分析方法，控制设计师对文化设计基因提取的主观影响，保持文化设计基因提取的客观性，并在此基础上从多角度提取文化设计基因，从而使设计出的产品被更多人接受，是本文重点研究的内容。

2 文化的设计基因理论

2.1 文化的设计基因

2.1.1 文化基因

关于文化基因的理论研究，施舟人[1]首次提出文化基因库概念，倡导建立文化基因库。文化基因是决定文化系统传承与变化的基本因子、基本要素，是文化生长发育、继承发展的核心所在[2]。文化基因与生物基因不同，生物基因属于生物遗传，而文化基因属于非生物遗传，是要靠特定的文化场域中的人、社会以及各种文化现象，比如文化场域中的器物、建筑、活动、习俗等的传递来传承[5-6]。因此，文化基因是文化元素的浓缩，是各种文化特征的内在关联，是文化传承发展所依赖的根本所在。

2.1.2 文化的设计基因

臧勇[7]论述设计与文化基因的关系，把设计可以看作是文化与造物的联结部，从而起到疏通文化基因的桥梁作用。文化的设计基因是指从文化基因中提炼出的具有文化核心特征的、可以作用于设计表达的基本特征元素与基本表现方式。它与文化基因的区别在于，文化基因是针对于特定文化的文化观念、文化特征以及表现方式等物质与非物质文化特征的综合提炼，它是以研究文化本身的特征与传承特性为目的；而文化的设计基因是从设计的角度对文化基因进行基本特征元素的提取和表现方式的归纳，它是以提取文化内涵特征而应用于设计活动为目的。

2.1.3 文化的设计基因提取

关于文化的设计基因提取，苟秉宸等[3]针对半坡彩陶文化，进行了基于遗传理论的半坡彩陶文化基因提取研究。朱上上等[4]从工业设计出发，提出了基于设计符号学的文物元素再造研究方法。但以上所提研究方法所针对的文化样本本身文化特征较少，对于文化特征元素较多的研究对象，并未说明如何对文化特征加以筛选。因此，在复杂的文化设计基因提取中容易使设计师主观性放大，从而影响提取工作的客观性。

2.1.4 文化设计基因提取原则

“文化设计基因”具有着与“生物基因”相似的基本特征，它是文化“遗传”的基本单位，代代传承着本文化的特征信息，而且区别于其他文化的文化因子。它对某种文化特征的形成具有决定性的作用，反过来，它也是识别这种文化特征的决定因子[8]。

确定一个文化的设计基因，大致可遵循图1所示的原则：（1）在内在成因上具有自身独特性（即内在唯一性原则）；（2）在外在表现上具有自身独特性（即外在唯一性原则）；（3）所表现出的文化信息是文化特征的浓缩，有存储巨大的文化信息的潜力（即遗传信息浓缩原则）；（4）在文化的传承过程中，结构相对稳定（即结构稳定原则）；（5）通过控制文化的基本特性来体现文化特征（指导文化特征表现原则）。

图1 确定文化设计基因的原则

2.2 眼动分析在文化设计基因提取中的应用

眼动跟踪技术是研究视觉认知的重要方法。眼动追踪是指度量凝视点或测量眼球运动的过程，它通过眼动追踪监视器记录每只眼睛的运动轨迹及在可视点上的活跃区域[9]。

如图2本文采用眼动分析实验，分析被测试者在观察不同文化特征时的视觉兴趣点分布、兴趣区域特征，从而获取被测试者所重点关注的区域及区域内样本特征，获取感性认知结果。然后再结合设计师对文化的认识，分析兴趣区域的文化特征样本，进行设计基因的提取。本方法可以降低现有设计基因提取方法中高度依赖设计师个人认知的主观性，既保证了提取出的文化设计基因富有文化本身的内涵特色，又可以提高广大人群对文化设计基因的认可度。

3 研究过程

3.1 文化解构确定文化典型特征样本

图2 文化设计基因提取总体研究框架

探索文化“繁衍”所依赖的因素，分析并提取文化设计基因，要清楚认知文化基因包含哪些遗传信息，并对文化进行解构[10]。首先要对文化基因进行分类，在众多文化基因分类方法中，以物质文化基因与非物质文化基因这种分类最为常用[11-13]。

物质文化基因是以实体物质的形式存在，通过物质材料呈现、传播与传承，如建筑文化、饮食文化、服饰文化等。非物质文化基因又被称为“活态文化”，以精神状态的形式存在并通过口头讲述和亲身行为等方式来表现和传承，如语言文化、信仰文化、风俗文化等。

彬县大佛寺石窟位于陕西省彬县，其地理位置介于甘肃敦煌石窟与洛阳龙门石窟之间，是古丝绸之路的必经之地。窟内主像为西方三圣：中间为阿弥陀佛（高约20 m），左、右两侧分别为观世音和大势至菩萨（高约15 m），均依窟壁雕凿，石胎泥塑，外敷彩绘，具有很高的历史和艺术价值[14]。

如图3针对彬县大佛寺石窟文化的要素和文化特点进行分类研究，彬县大佛寺石窟内的西方三圣佛像、佛龛、其他佛像以及窟外的明镜台等是大佛寺内体现大佛寺文化的典型载体。通过筛选，确定出图4中5个彬县大佛寺石窟文化的典型特征样本，作为下一步眼动分析实验的分析对象，分别是明镜台、阿弥陀佛像、观世音像、大势至菩萨像、信徒膜拜图。

图3 彬县大佛寺石窟文化属性分类

图4 彬县大佛寺石窟文化典型特征样本

3.2 基于文化典型特征样本的眼动分析实验

3.2.1 实验设备

采用美国应用科学实验室（Applied Science Laboratory，ASL）开发生产的头盔式眼动仪作为实验仪器进行实验，如图5所示。该眼动跟踪系统跟踪频率为60 Hz，采用光学记录法中瞳孔中央和角膜反射原理来追踪眼球运动。

图5 眼动分析实验仪器

3.2.2 实验目的

实验主要目的是测试分析文化特征样本中被测试者重点关注的最能体现文化特征的区域和特征元素，为后续文化设计基因提取提供参考。

3.2.3 实验的影响因素分析

通过眼动分析实验分析一定数量的被测试者对文化特征样本的认知过程，将被测试者的感性认知过程通过眼动数据量化。综合分析被测试者观察样本不同区域元素的注视时间、注视轨迹、回视次数、兴趣区域、眼跳活动等参数，分类统计分析眼动数据，可以获得人们对文化特征样本普遍的重点关注区域和元素。

将基于实验心理学的眼动分析实验用于文化设计基因提取分析，其实验结果受到多方面因素的影响。其中，实验样本的尺寸大小、色彩分布、样本演示顺序、播放时长等，以及被测试对象的数量、性别、年龄、文化层次、对测试文化的熟悉程度等均会对实验结果产生影响。表1中对眼动分析实验的相关影响因素进行了分析，并针对各个因素进行了参数设置，以减小各因素的影响。

3.2.4 实验对象

实验被测试对象为20人，其中男女生各10人，年龄在21～52岁，均为工业设计专业人员，其中10名本科生，6名硕士研究生，2名博士研究生，2名教师。被测者裸眼视力均达到1.0，且无色盲和色弱。这些测试者都有过文化特征元素提取和文化创意产品设计的工作经历，但所有被试者均第一次见到实验测试样本图片。

3.2.5 眼动实验指标

基于实验心理学的眼动分析目前主要应用在阅读心理学、人机工效学、航空心理学及疲劳度研究、界面可用性评价等研究领域[15-19]。本文案例所选取的文化典型特征样本主要以图形图片的形式呈现，且其内容信息具有多元复杂的特点，本文针对以上特点对基于文化典型特征图片样本的眼动实验指标含义进行了说明，如表2所示。

3.2.6 实验进程

实验开始之前，由实验人员向被测试者说明实验流程，并说明注意事项等问题，增加实验的针对性和准确性。具体的实验流程如图6所示。

每位被测试者完成整个测试大概需要21 min，其中眼动分析实验约10 min（设备调试和视线校准等准备工作约8 min，样本浏览时间约3 min），实验前事项讲解和实验后问卷反馈约10 min。

眼动分析实验中，被测试者佩戴ASL Eye-Track 6.0头盔式单眼眼动仪，进行多点定标测试和校准测试以实现精确追踪眼球运动，并由配套的E-prime实验演示程序控制文化特征样本图片播放。要求被测试者在自然状态下浏览5张彬县大佛寺石窟文化特征样本图片，了解辨识图片中的文化特征信息，实验中分析被测试者重点关注的能体现文化特征的区域和特征元素，同时分析被测试者通过哪些特征来辨识认知此文化样本的。为避免一些相关因素对实验的影响，本文对各因素的参数进行了设置，详见表1。3.2.7 实验数据分析

表1 文化设计基因提取眼动分析实验影响因素分析

实验数据分析使用ASL Results Plus（Eye-trac 6）专业眼动分析软件进行，主要通过被测试者的视觉轨迹（Gaze Trail）、热图（Heat Map）、兴趣区域（Area of Interest）三个层面分析被测试者重点关注的文化样本特征元素。下文以样本2阿弥陀佛像为例进行分析。

表2 基于文化典型特征图片样本的眼动实验指标

图6 文化设计基因提取眼动分析实验流程图

（1）视觉轨迹

视觉轨迹反映了被测试者观察目标样本时视觉浏览顺序和在每个注视点的注视时间。图7为样本2的视觉轨迹图，图中被测试者最先注视大佛面部，然后先后观察了佛像后左侧、右侧佛龛上的纹饰，被测试者的眼跳活动主要在佛像区域内部和纹饰区域内部，在佛像与纹饰之间有少量眼跳。因此，被测试者主要关注了佛像面部和后方佛龛上的纹饰。

图7 样本2的视觉轨迹分析

（2）热图

热图（Heat Map）将被测试者的注视情况通过颜色显示出来，通过不同颜色来显示样本被关注的热度，红色表示关注时间最长，黄色次之，绿色表示关注时间较短，样本原色表示未被关注过。热图直观反映了被测试者对样本不同区域的关注程度。

为研究样本色彩对实验的影响，实验设置了灰度样本作为对照组，综合分析被测试者对样本的关注情况。图8（a）为原样本2的热图分析，大佛面部和左侧佛龛纹饰受到被测试者的重点关注，此外右侧佛龛的纹饰也受到一定的关注。对照图8（b）可以发现，被测试者关注经过灰度处理的样本2时，较原样本注视点分布更加均匀，且更多的注视点分布在佛龛纹饰上。总体来看，关注点仍然主要集中在佛像面部和背后的佛龛纹饰上。对重点关注区域进行画面截取，可以看出被测试者普遍对图9中的3个区域重点关注。

图8 样本2的热图分析

图9 热图重点分析区域

（3）兴趣区域

兴趣区域（AOI）是将样本划分成不同区域，研究被测试者在不同区域内的视觉规律，可以对比分析各个兴趣区域内的视觉浏览情况。如图10，将样本2分为纹饰（AOI1）、佛像头部（AOI2）、佛像上身（AOI3）3个兴趣区域，以定量对比研究被测试者对两个区域的关注度。

图10 样本2的兴趣区域分析

兴趣区域的注视点数量反映了同一样本中不同区域的重要性，越重要的区域就会有更多的注视频次；同一样本中注视AOI区域的时间比例也是反映区域（即不同文化特征）的重要指标，视线驻留时间越长，显示区域就越重要，该区域对应的文化样本特征就越能体现其重要性。对20个被测试者的眼动数据的分析详见表3、表4。

表3 原样本2各兴趣区域的眼动数据

表4 经过灰度处理的样本2各兴趣区域的眼动数据

根据各个兴趣区域内的注视时间所占百分比，原样本2中佛龛纹饰（占比53.7%）相对于佛像头部（占比37.9%）受关注程度更多；相比之下，经过灰度处理的样本2中佛龛纹饰（占比58.37%）相对于佛像头部（占比31.05%）吸引了更多的注意力，说明被测试者普遍对佛龛纹饰的文化特征更有兴趣。经过对照实验分析，可以看出色彩能吸引被测试者投入更多的关注。

根据实验数据，被测试者普遍对样本2的重点关注点在佛龛纹饰和佛像头部，因此佛龛纹饰和佛像头部的特征最能体现阿弥陀佛像的文化特征。此外，两组实验结果均呈现出佛龛纹饰相对于佛像头部受关注程度更多，因此在提取文化设计基因时应该着重考虑。

通过以上从视觉轨迹、热图、兴趣区域三个层面的分析，确定出样本2中文化设计基因的重点提取对象，分别是佛龛纹饰和佛像头部。通过归纳，确定出如图11的重点提取的特征图样。

图11 样本2重点提取的特征图样

3.3 文化设计基因的提取

3.3.1 图案设计基因提取

图案作为文化基因的典型代表，蕴含着丰富的美感和深厚的文化内涵，也是将文化特征进行设计表达的重要载体。彬县大佛寺石窟上的图案纹饰种类丰富，包含了莲纹、卷草纹、宝相纹、忍冬纹等多种佛教代表性纹饰[19]，其中样本2阿弥陀佛像的纹饰主要有卷草纹和忍冬纹。从特征样本上采集图案，提炼纹饰的一般核心特征，这是显性图案文化设计基因的生成过程。在符合佛教纹饰的基本表现形式的前提下，运用设计方法手段，对图案的一般核心特征进行演绎、重组，丰富图案纹饰的表现式样，从而演绎出更多的图案纹样，这是隐性图案文化设计基因的生成过程（如表5）。通过演绎重组，新生成的纹样不仅是对原来图案的继承、改进，同时也丰富了图案基因库，便于进一步的设计应用。

3.3.2 形态设计基因提取

彬县大佛寺石窟内佛像、佛龛等造型多样，佛像造型主要以坐佛和立佛为主，样本2为典型的坐佛形象。由于被测试者重点关注样本2佛像头部，因此将佛像头部形态作为主要提取原始样本。如图12将佛像头部外轮廓和面部特征进行提取，并从设计的角度对提取的形态线条进行艺术化，使之更加流畅，增强表现力，将其作为大佛的形态设计基因。形态设计基因的提取在保留大佛的主要面部特征的同时，突出了大佛的形态特征，对在设计运用中突出大佛主体特征有着重要意义。

表5 图案设计基因提取

图12 形态设计基因提取

3.3.3 色彩设计基因提取

色彩是产品的重要设计元素之一，它可以直观地传达信息、表达情感、蕴神寓意[3]。彬县大佛寺石窟中佛像身着丰富的彩绘，提取其色彩基因是整个文化设计基因提取研究中的一个重要环节。样本2中佛像表面彩绘装饰华丽，为了有针对性地提取色彩，表6～表8中将样本2分为大佛头部、大佛佛身、佛龛纹饰三部分，进行色彩设计基因提取。针对不同的特征分类提取色彩，便于分类研究大佛彩绘纹饰色彩特征，同时有助于研究彬县大佛寺石窟在运用色彩展现佛家文化上的表现手法。本文采用陈天云等[20]的处理方法，综合考虑颜色面积、Lab均值和适当的阈值，实现彬县大佛寺石窟样本中色彩设计基因的提取。

如表6～表8，经过对比分析，样本2的三部分的色彩有着较明显的区别。大佛头部色彩总体较为鲜艳，金色的佛面搭配以湖蓝色的头发和红色的嘴唇，用以突出表现大佛鲜亮的面部特征；大佛佛身的色彩稍暗，以墨绿色为主，配以深蓝色、红色、金黄色、浅灰色的条纹进行点缀；佛龛纹饰的色彩主要采用较暗的棕色、灰色、墨绿色，与作为前景的色彩鲜亮的大佛产生对比，突显出大佛神圣、华丽的视觉效果。3.3.4 材质设计基因提取

表6 大佛头部色彩设计基因提取

表7 大佛佛身色彩设计基因提取

表8 佛龛纹饰色彩设计基因提取

产品材质包括物质材料表面的肌理和质感，是表达产品设计情感的重要载体。彬县大佛寺石窟内的塑像佛龛等主要是就地取材、依窟壁雕凿、石胎泥塑、外敷彩绘而成，其材质主要是岩石，塑像表面主要是泥土和以石膏为粘合剂的颜料[14]。岩石的厚重表现出造像的宏伟、大佛的大气稳重，泥塑表面使造像的细节展现得更细腻，主要以石膏为粘合剂的颜料精细地描绘出造像的纹饰，突显出层次感。针对彬县大佛寺石窟的材质运用特点，分别提取岩壁、浮雕石刻、泥塑彩绘等典型材质，整理如表9。

3.3.5 文化设计基因的设计应用

综合考虑文化设计基因特点，以及适合与产品设计相结合的方式，挑选出符合设计需求的文化设计基因，进行文化创意设计。图13为大佛寺石窟卷草纹和阿弥陀佛形态及色彩元素在壁挂式香盒设计中的应用。

表9 石窟材质设计基因提取

图13 大佛寺石窟壁挂式香盒设计

该产品造型整体采用圆形，以体现佛家的包容；颜色选用佛龛的灰黑色为主色，香盒上佛像轮廓颜色采用大佛面部提取的金黄色；佛龛上提取的卷草纹图案相接环绕在佛像周围，与石窟中的场景相对应；圆形香盘在佛像身后，好似佛像发出的阵阵佛光；点燃香盘，青烟从佛像身后袅袅升起，营造出朦胧梦幻、虚实相生、富于流动的景象，体现了一种淡雅包容的品味。

4 结论

本文将彬县大佛寺石窟文化与生物学领域的基因概念相结合，提出了运用眼动分析方法将人们对文化的感性认识量化分析，确定出研究提取文化设计基因的重点的方法，从图案、形态、色彩、材质四方面分别有针对性地提取文化设计基因，通过演绎、重组改善其设计表达，并应用于产品文化创意设计，提高了产品的文化韵味，促进了文化的创新与交流传播。本研究提出了针对文化设计基因的提取的创新方法，对其他文化遗产的文化特征提取和创新应用具有一定的借鉴意义。但是文章对于如何将提取出的文化设计基因有针对性、便捷地应用于产品设计的环节研究尚不深入，希望今后能进一步完善整个文化创意产品设计链条，为民族文化的传承与发扬增添新活力。

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