基于眼动技术的侗族鼓楼文化中造型DNA的识别研究与创新应用

吴辛迪，林 丽，高芸坤，王美超，赵 锐



基于眼动技术的侗族鼓楼文化中造型DNA的识别研究与创新应用

吴辛迪，林 丽，高芸坤，王美超，赵 锐

(贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550025)

通过将文化与生物学中基因概念相结合，以眼动技术作为文化中造型DNA识别程度的研究手段。以侗族文化中鼓楼造型为例，运用眼动技术将文化特征进行量化处理和分析，确定出作为识别特定文化依据的造型DNA要素，再针对眼动实验结果，综合分析了眼动指标的数据，结合侗族鼓楼造型语义特点，提取了侗族文化鼓楼造型DNA，并将其由大到小进行了综合排序。在造型DNA识别程度排序表中选取识别程度从大到小的要素，通过重组来改善侗族鼓楼文化中造型DNA的表达，并应用于耳饰产品创意设计中，为侗族文化的传承发展和创新应用提供参考。

侗族鼓楼文化；造型DNA识别；眼动分析；产品设计；文化DNA

侗族是中国历史悠久的少数民族之一，具有丰富多彩、独具匠心的文化资源。其中侗族鼓楼不仅是侗族的标志，更是被建筑学家们誉为独一无二的一种发明创造。侗族传统建筑的建造工艺和居住方式蕴含了深刻而独特的文化内涵，是侗族传统文化的重要构成要素，具有极高的历史、文化和学术价值[1]。随着社会的迅速发展，侗族文化受到外来文化的冲击正在逐渐被人忽视和遗忘。侗族鼓楼建筑也只能在少数的侗民族聚集地区才能窥得一二，侗族的民族文化随着时间的推移逐渐没落。如今在国家大力开展非遗文化保护的趋势下，对侗族文化的保护和传承已经迫在眉睫。

文化DNA是侗族文化生长发育和继承发展的核心要素[2]，其概念来源于生物遗传基因，是属于文化传播和复制的单位。DNA是生物体的遗传密码，通过碱基配对实现代际繁衍，文化DNA与生物遗传基因类似，其决定了文化系统传承与变化的基本因子、基本要素，是人类文化系统的遗传密码[3]。文化DNA中的造型DNA，是准确识别其外形基本状貌和形态构造的依据[4]；是更加科学、有效地保护、管理和传承民族文化的新途径。

目前，针对民族文化传承的研究通常采用的是，问卷调查、用户调研、专家访谈、走访调研和文献研究等传统的研究方法。这些方法一般都会受到个体因素和社会因素的影响，造成研究过程中的不稳定性和研究结果的不客观性。

解决以上研究方式的弊端，运用眼动追踪技术来研究民族文化是一种合适的新手段。眼动技术是通过人类生理研究来反映人的心理活动的一种当下定量化和可视化的研究手段。眼动追踪技术已应用于广告学[5]、页面布局、心理学领域[6-7]，并取得了一定的成效。在民族文化保护与传承方面，闫龙华等[8]为了研究苗族纹样的美感，基于心理和生理设计了眼动实验。汶晨光等[9]以彬县大佛寺石窟为案例，提出了基于眼动分析的文化设计基因提取方法。王艺舟等[10]应用眼动实验对不同地区畲族服饰进行特征识别。可是眼动技术结合文化基因研究的内容还是鲜有，本文期望通过眼动技术在文化DNA的研究应用中，有效避免传承文化只是依靠人类的主观意念和经验的局限性，从而找到一种量化、数字化和可视化的技术支持，提取出侗族鼓楼文化中造型DNA的识别程度，并选取最高识别的造型元素的DNA，通过演绎、重组改善，应用于产品创新设计中。

1 研究方法

为精确了解用户在注视侗族鼓楼整体造型和局部造型时的眼动特征及心理状态，结构化鼓楼造型外部形态后，利用眼动追踪技术对鼓楼造型DNA进行识别程度的实验。收集、整理和归纳相关眼动数据指标进行侗族鼓楼文化造型DNA的识别程度排序。从而为更好地将侗族文化特征运用于产品创新设计提供有效依据和素材。

1.1 实验设备

硬件型号，“EyeSo，Ec60”便携眼动仪，采样率为30~75 Hz，精确率为0.5~1.0度。

1.2 样本

(1) 实验样本来源。相关书籍、网络查找、实地调研、平面化处理和专家访谈。

(2) 实验样本制作原则(图1)。①图片的背景简单化；②单色调处理。

图1 实验样本编号、图片和名称

1.3 被试者选取

被试者根据对侗族鼓楼文化了解程度分为两组：A组为对侗族鼓楼文化零了解的人群：总人数为36人，年龄为18~60岁，男女各半。B组为能有效辨认出侗族鼓楼的人：人数为24人，年龄18~60岁，男女各半。每个被测试者的裸眼视力或校正视力均在1.0以上。

1.4 实验目的

两组被试者分别进行A组和B组实验。A组实验，验证了对零了解的被试者的普遍可用性；可提取出最具识别程度的侗族文化造型DNA。B组实验，适用于通过特殊处理后的鼓楼造型的识别程度；可提取出最具识别度的侗族文化造型DNA要素。

1.5 实验步骤

(1) 选择实验环境。实验均在隔音、控光的人机工学实验室进行，便于被试者能够集中精力观察刺激材料。

(2) 实验校准。被试者按实验主持者要求正坐于屏幕前0.5 m处，调整眼动仪，自行调节舒适度后按照软件提示进行校准。

1.6 A组实验过程

(1) 实验前准备。主持者向A组被试者普及鼓楼造型。

(2) 实验内容。刺激材料共有6组，如图2所示。

图2 6组刺激材料

①侗族鼓楼整体造型识别。被试者利用6 000 ms时间观察第1组刺激材料并点击鼠标左键选取出刺激材料中正确的鼓楼小图。其已具备整体识别意识，能为以下的刺激材料提供有效的实验数据。

②侗族鼓楼局部造型识别。依据传统木构建筑的构造体系，刺激材料从第2~6组则根据鼓楼建筑造型的局部结构特点从下至上分为底部、楼身和顶部[11-13]。每组被试者刺激样本有6 000 ms的观察时间，并在此时间内单击鼠标左键选取属于侗族鼓楼的局部造型图。

1.7 B组实验过程

B组实验的刺激材料总共有7组。

(1) 第1~6组的实验内容与A组实验中1.6节的实验内容相同。

(2) 第7组实验内容：刺激材料中鼓楼造型经过人工平面化的处理后，被试者在规定时间(6 000 ms)中观察样本。此组刺激材料是为了比较被试者在鼓楼造型经过轮廓化处理与未经过处理的眼动数据，从而减少创新应用中再设计产生的鼓楼造型特征识别误差。刺激材料编号和编组如图3所示。

图3 第7组刺激材料

1.8 实验数据采集

两组的眼动追踪技术实验数据的提取与分析均由专用的“EyeSo.studio”软件完成。

2 实验结果与分析

2.1 侗族鼓楼辨识的正确率

通过整理被试者对于刺激材料判断的正确率有利于：①排除无效的实验数据，再根据有效的实验数据进行后续实验分析；②确定实验局部刺激材料对被试者辨识鼓楼造型特征的可行性。两组被试者的辨识正确率分别见表1、2。

表1 A组被试者的正确率

表2 B组被试者的正确率

从表1、2可以看出，两组被试者正确率从大到小的排序是一致的A>F>D>G>K>Q>I>O，表明编号A、F、D的刺激样本图片对被测试者最具有识别性。

2.2 刺激材料视觉热图

热点图将被试者的注视情况通过不同颜色显示出来。从图4、5的热图可以直观看出被试者的关注偏好程度，从高到低依次为红、橙、黄、绿、蓝、紫色[14]，样本原色表示未被关注过。

从图4、5的热图中可以看出鼓楼的楼身区域对两组被试者的刺激是最大的，也是最感兴趣的区域，其次是楼边，然后是楼底部和楼顶部分。B组第7组刺激材料热图显示，被试者对平面简化的楼体关注度高于立体简化的楼体。

图4 A组被试者热图

图5 B组被试者热图

2.3 鼓楼刺激材料总注视时长

被试者长时间注视区域是刺激其感兴趣的区域，并通过感兴趣区域进行记忆，即通过记忆中的相关元素来进行识别(表3、4)。

表3 A组被试者的鼓楼刺激材料注视时长表

表4 B组被试者的鼓楼刺激材料注视时长表

通过对表3、4注视时长的数据进行单因素方差分析发现：(0, 0.05)=6.941，<0.001，说明被试者对不同编号的注视时间差别显著，实验样本数据结果贴近实际。

从表3、4的两组被试者的注视时长表可以看出，编号I、A、D、O、Q的注视时长较长，注视时长占总时长之比最多。注视时间所占比率越高，对该兴趣区的关注程度就越高。即被试者选择I、A、D、O、Q的刺激材料样本识别的可行性越大。

2.4 鼓楼刺激材料注视次数

注视次数是指被试者在刺激样本区域内所有注视点的总个数，可作为判断元素是否能依靠识别的眼动指标。注视次数越多，注视的频率和兴趣也就越高，能被识别的程度就越高(表5、6)。

表5 A组被试者的鼓楼刺激材料注视次数表

表6 B组被试者的鼓楼刺激材料注视次数表

通过对表5、6中注视次数进行单因素方差分析发现：(0, 0.05)=5.327，<0.001，说明被试者对不同编号的注视次数差别显著，实验样本数据结果贴近实际。

通过表5、6可以看出，编号A、D、F、Q的注视次数较多，注视次数占总次数之比最多，注视次数的高低情况与注视时间基本一致，即Ａ、D、F、K、Q的识别度是最高的。

3 识别程度排序

通过综合A、B两组的眼动参考指标实验数据得出各编号样本的：平均正确率排名、总注视时长比排名、总注视次数比排名及侗族鼓楼造型热点图中最高偏好关注的颜色等4个层面的分析结果并列入表7。并依据4项参考指标排名情况得出总排名情况。结合图1的实验样本可知，被试者主要依靠鼓楼局部造型要素识别出鼓楼，从而归纳出识别程度排序表。

表7 编号样本参考指标数据分析排名

3.1 鼓楼结构识别程度排序

楼身重檐结构[12]>翘脚翘檐>宝顶(双重檐宝顶>单重檐宝顶)>平面形态结构[13]>底部>楼体造型装饰>楼冠>塔尖。

3.2 鼓楼造型DNA识别程度排序

造型DNA属于物理外形特征[15]，通过结构识别程度特征与造型的语义特征结合可以确定出以下的造型DNA[16]的识别程度排序。

楼身下大上小层层收缩[13]>高密度重檐>固定的翘檐角度>固定的翘脚角度和形态[10]>奇数重檐>偶数平面形态。

鼓楼造型DNA识别程度排序具有以下3方面意义：①使用识别程度越高的DNA进行侗族文化产品创新设计，其产品的文化特性越突出，也越能代表侗族文化；②在保留其文化特征的同时，可减少使用DNA进行组合设计时的次数和工作量；③可以作为优选侗族文化创新产品的标准依据，同时也可以优化文化DNA的组合方式，从而优化侗族文化相关的创新产品。

4 鼓楼造型DNA在产品设计中的创新应用

造型DNA在产品创新设计中有两种应用形式：一种为直接应用，也就是原汁原味的呈现；另一种为间接应用，针对不同的使用人群和使用环境，使用基因演绎和重组方式进行创新应用。基于文化造型DNA的应用形式就是间接应用，即运用文化DNA的特点进行作品创新。

4.1 鼓楼造型DNA图谱

为了便于创新应用设计的重组，将上文提出的鼓楼造型DNA识别程度的排序从大到小进行编号，并将DNA要素进行针对同一实物图(马胖鼓楼)的轮廓平面化处理成矢量形态图，使其造型DNA特征更加明朗，图6为鼓楼造型DNA实物图与其对应的矢量形态。

4.2 鼓楼造型DNA创新应用过程

本文创新产品参考鼓楼竖高特点选取的设计载体为耳饰，因为从设计学角度出发，造型DNA创新应用的设计主体应该与造型DNA要素特点相似与文化特征相呼应，这样才能更好地对文化创新产品进行诠释；又因组成产品的各个造型DNA并不是独立发挥作用的，而是相互联系、相互作用的，某个基因的加入或者移除都会影响整个产品的文化特征的表达。本节适用的设计手法是通过将4.1节中的编号1~6的侗族鼓楼造型DNA进行重组，组合方式如图7所示。

图6 鼓楼造型DNA与矢量形态图

图7 基因编号1~6组合方式图

从图7的基因组合方式中选取文中侗族鼓楼DNA识别程度从大到小的排列顺序，并进行基因逐步相加组合来验证，图8为此组合方式的推演过程。从图8中可知，基因1+2+3+4的组合就能清楚地表达出鼓楼造型的特点，基因5的加入并没有直观上的增强侗族鼓楼风格的表现，因此选择基因1+2+3+4的组合进行后续的创新应用。

图8 推演过程图

4.3 鼓楼造型DNA创新应用案例

文化产品创新设计中有关造型DNA的基本单元的运用原则是，无论其与其他形状组成何种样式，都能够保持基因的遗传性，人们都会将其辨识出来[16]。本节依照图8的组合方式再进行符号化和艺术化的产品创新设计，以民族元素磨砂金银耳环为例(图9)。

图9 实物和模特展示图

产品运用了重檐、楼体形状、翘檐和翘脚的侗族鼓楼造型DNA要素，并巧妙地增添了时尚动感的流线型元素，整体造型呈现的特色为提纯符号化后的高密度重檐和呈特定角度收缩的楼身[17]，其不仅具备了侗族鼓楼的造型特色，也较传统的民族耳饰更轻巧、活泼；色彩采用的侗、苗族首饰中善用的银材质色加以黄金点缀；耳环下方加上了坠饰流行元素的运用；佩戴在耳垂处，垂钓于脖颈间，具有民族特色的简洁化设计为创新产品增添了时尚感，也更符合年轻群体的审美偏好。

5 结 论

本文采用眼动实验分析的方法，研究了侗族鼓楼文化的造型DNA的识别程度，眼动指标综合分析得出，侗族鼓楼的楼身层级关系是最具有识别性的。侗族鼓楼造型DNA的识别度从大到小的排序是楼身层层收缩，楼身下大上小，高密度重檐，固定的翘檐角度，固定的翘脚形态，奇数重檐，偶数平面形态。并以民族元素磨砂金银耳环的实例验证了侗族鼓楼造型DNA识别程度的作用：鼓楼识别程度的排序不仅为侗族文化产品的创新设计提供了新的素材；也为优选侗族文创产品组合形式提供依据；同样也为视觉识别类的其他物质与非物质文化遗产保护、传承以及开发提供了可借鉴的研究手段。

此外，由于受限于实验条件，特别是硬件设备，精准度还有待提升。本研究中选取的被试者数量限制了宏观群体的代表性和说服力，在后期的研究中还需要增加被试者数量，收集更多的实验数据，以使研究结果更加全面提高借鉴和指导性。

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On the Identification and Innovative Application of Modeling DNA in Dong Drum Tower Culture Based on Eye Tracking Technology

WU Xindi, LIN Li, GAO Yunkun, WANG Meichao, ZHAO Rui

(School of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang Guizhou 550025, China)

By combining the concept of genes in the field of culture and biology, eye tracking technology is used as a research tool for the identification degree of modeling DNA in culture. Taking the Drum Tower modeling of the Dong culture as an example, eye tracking technology is used to quantify and analyze the cultural features, and the modeling DNA elements as the basis for identifying specific cultures are determined. Then comprehensively analyze the data of eye tracking indicators based on the results of eye tracking experiments. Combined with the semantic characteristics of the modeling of Dong Drum Tower, the modeling DNA of the Drum Tower of Dong culture is extracted and sorted from large to small. In the ranking table of modeling DNA identification degree, select the elements with the degree of recognition from large to small, improve the expression of modeling DNA in the Dong Drum Tower culture through reorganization, and apply it to the innovative design of earring products to provide references of the inheritance, development and innovative application for the Dong culture.

Dong Drum Tower culture; modeling DNA identification; eye tracking analysis; product design; culture DNA

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018040616

A

2095-302X(2018)04-0616-07

2018-04-11；

2018-06-10

国家自然基金项目(51465007)；贵州大学创新基金项目(研理工2017054)

吴辛迪(1991-)，女，湖南新晃人，硕士研究生。主要研究方向为产品创新设计。E-mail：375412831@qq.com

林 丽(1973-)，女，四川南充人，教授，博士，硕士生导师。主要研究方向为产品设计、感性工学及民间艺术。E-mail：linlisongbai@163.com