眼动分析用于社区公园恢复性环境评价初探*

付而康，王艺澔，周佳玟，李 西

引言

自然环境对人群“情绪”和“认知”的正面恢复已被充分证实[1，2]。社区公园数量多、可达性高，为城市居民接触自然环境提供了有效途径，对人群健康具有积极作用。但现有社区公园的设计实践中往往缺乏对恢复性环境的深入思考，未能充分满足居民的生理和心理需求。相较实际的自然环境，人们在短时自然环境体验中获得的恢复效益更多和环境感知相关[3]。就环境感知而言，视觉是人们获取环境信息最主要的方式，其比重占到90%[4]。因此，从视觉感知角度进行社区公园的研究，可以更有效地认识其恢复性环境对人群健康的影响作用，有利于社区公园环境恢复性效益的优化提升。

恢复性评价是使用者对恢复性环境恢复效益的评价[5]，是科学合理地进行社区公园恢复性环境设计的前提。目前社区公园的恢复性环境评价研究多以主观评价或间接测量心率、血压、皮电等生理指标为主，其中主观评价存在描述不清、与实际感受不一致等缺陷，间接生理指标测量存在易受外界干扰、评价指标不直观等问题。而眼动追踪技术能够通过捕捉眼球的注视和扫视数据来获取视觉感知信息，是洞悉视觉感知的有效工具[6，7]，为基于视觉感知的恢复性环境评价研究提供了有利条件。既有研究已证实眼动活动能够反映环境的恢复性潜力[8]，但是关于眼动活动和环境恢复性效益之间映射关系的构建，以及可衡量环境恢复性效益的眼动特征指标的识别，尚未有深入研究。因此，本文以成都市社区公园为研究对象，采用眼动追踪技术开展基于视觉感知的社区公园恢复性环境评价试验，并建立基于眼动分析的社区公园恢复性环境评价模型，以期为社区公园恢复性环境设计提供科学依据。

1 恢复性环境评价与眼动分析

恢复性环境是指能使个体逐渐从消极情绪及心理疲劳中恢复过来的环境，具有远离、延展、迷人和相容4 个特征[9]。自然环境对人群的恢复性效益可以概括为两个方面[10]：一是情绪健康，主要表现为负面情绪的减轻和积极情绪的促进[11]；二是认知健康，主要表现为注意力的提高和记忆力的改善[12]。常用的恢复性环境评价方法是对人们恢复性体验的主观评价，其中由Hartig[13]等提出的知觉恢复量表得到了广泛的应用，该量表由恢复性环境的4 个基本特征展开，可以有效测量环境对个体的恢复作用。同时，由于环境对人群的恢复性效益具有生理方面的潜在表现，研究中常通过测量被试者经自然环境刺激前后心率、血压、皮电[14，15]等基础生理指标的变化对主观评价方法进行补充。此外，随着科学技术的不断发展，电生理、红外[16，17]等现代客观检测技术也逐渐被引入恢复性环境研究中，使得恢复性环境评价结果更加直观准确，在一定程度上弥补了以往评价方法的不足。

眼动分析是指通过眼动仪捕获并测量眼球运动的相关指标，进而系统分析个体在观察目标时的生理活动和心理活动的方法[18]，近年来已逐渐被引入到景观视觉感知研究中。通过对人在观察环境时无意识的眼动轨迹进行追踪和分析，可以获取个体景观视觉感知特征及规律，如Liu[19]等通过眼动追踪试验对森林景观的视听交互评价进行了研究；Joohwan[20]等通过分析眼动跟踪，研究了认知处理活动与农村景观视觉偏好的相关性。目前，前人研究已经证实了眼动分析可应用于恢复性环境研究中，一方面，眼动分析生成的轨迹图和热点图可帮助识别出环境中具有恢复性效益的环境要素，例如Nordh[21]等通过眼动分析发现被试者注视停留时间最长的要素，表明这些要素最有可能成为恢复效益的影响因子；另一方面，眼动特征指标可作为环境恢复性感知的客观反映，例如Franek[22]等研究表明观看自然图片与城市图片时，平均注视次数、总体注视时间、眼跳距离等眼动指标具有显著差异；Berto[23]等研究表明低魅力度的照片比高魅力度的照片有更多的注视次数，推测注视次数减少有利于恢复定向注意力。可以看出，眼动分析是衡量个体对环境视觉感知的有效方法，将眼动分析用于恢复性环境研究，可以实时、客观、深入的洞悉个体视觉感知行为，有利于进一步探究环境与人群健康的关系。

2 研究方法

2.1 样本选取

作为公园城市的首提地和示范区，成都市积极推动公园形态与城市空间的有机融合，致力于营造全域公园场景。截至2019 年底，成都市主城区主要公园共计80 个，其中社区公园共计15 个。本文以2017 年颁布的《城市绿地分类标准》为依据，选择面积2ha 以上、使用率较高、景观类型相对完整的8 个社区公园为样本（图1）展开研究。为排除气候、温度等视觉以外的感知影响，本研究采用在封闭的实验室内观看社区公园照片的形式进行试验。选择在天气状况良好的7 ～8 月份开展社区公园环境图像采集工作，最终获取能够全面、真实反映社区公园景观要素的照片共计60 张。

图1 样本公园分布图

图2 试验样本照片及编号

图3 Tobii Pro Glasses 2 可穿戴眼动仪

表1 眼动指标及意义

为筛选出具有恢复性的研究样本，本研究以网络问卷调查的方式，基于感知恢复性量表对60 张照片进行-5至5 共11 个评价等级的恢复性效益总体打分。最终，选取评分较高、景观要素具有差异性的40 张作为社区公园恢复性环境景观评价试验的样本照片（图2）。

2.2 被试选取

本研究共招募56 名在校大学生参与试验1），2），男女比例接近1 ∶1，被试者目前及过去都没有神经或精神疾病的诊断。为不影响眼动仪获取数据，所选被试者裸眼视力或矫正视力均在1.0 以上，视觉颜色正常，无色盲，眼睑下垂不明显，眨眼频率正常、眼睛大小正常。

2.3 数据获取

为保证光线、噪声等外部条件得到良好的控制，本研究试验在封闭的虚拟现实实验室进行。样本照片通过一台24 英寸液晶显示器（分辨率为1920×1080dpi）呈现，被试者两眼与显示器中心位置的距离为0.7m。采用Tobii Pro Glasses 2 可穿戴眼动仪（如图3，仪器采样率100Hz、头动范围30 ～50cm、操作距离60 ～100cm）对被试者观看景观照片时的眼动数据进行采集，相较桌面式眼动仪，头戴式眼动仪不易受光线的影响，数据捕捉更精准、采样率更高。通过Tobii Pro Glasses Controller 软件进行眼动数据记录，并通过Tobii Pro Lab 软件进行数据分析。为深入探讨各眼动指标与恢复性环境的关系，本文在参考相关研究[21-23]的基础上选取了总体注视时间（Total Fixation Duration，TFD）、注视频率（FixationFrequency，FF）、平均注视时长（Average Fixation Duration，AFD）、注视 时 间 比 重（Percentage of FixationDuration，PFD）、眼 跳 频 率（Saccade Frequency，SF）、 平 均 眼 跳 距离(AverageSaccadic Amplitude，ASA)、首次眼跳时间（FirstSaccadic Duration，FSD）、平均瞳孔直径（AveragePupil Dilation，APD） 共8 个 眼 动 指 标， 如 表1 所 示。

图4 单人次试验流程

表2 样本照片各眼动指标统计

本研究的人群感知恢复性效益评价数据采用知觉恢复量表（PRS）获取，试验过程中要求被试者观看每张样本照片后都需要填写一次量表。该量表由4 个部分组成，共16 项问题，包括远离性特征、延展性特征、迷人性特征、相容性特征4 个方面。量表的每项是在0 到10 分的范围内进行的，其中0=根本不符合该语句的描述，5=有一些同意该语句的描述，10=完全同意该语句的描述，得分越高表明样本照片反映的环境恢复性越好。

2.4 试验流程

试验在封闭的实验室环境下进行，具体流程如图4所示。（1）准备阶段：安排被试者到休息区休息5min，向被试者说明试验流程并填写一份基础信息表；（2）眼动校准阶段：安排被试者坐在固定位置并佩戴Tobii Pro Glasses 2 眼动仪；随后进行眼动校准，当偏离初始校准出现或断开后，重复校准程序；（3）眼动试验阶段：首先播放4 张干扰图片，使被试者进入放松状态（此过程被试者不知），同时眼动仪开始记录数据；然后逐次播放样本照片（为减少照片顺序的影响，每位被试者观看的照片顺序不同），播放之后被试者填写知觉恢复量表，中间有一次1min 的休息时间；（4）试验结束：解除设备，发放小礼物，有序离开。每位被试者试验总时长约为28min。

2.5 数据处理

本研究采用Tobii Pro Lab 软件采集到56 名被试者的眼动数据，其中有7 份眼动数据瞳孔捕捉率＜85%，视为无效数据，最终有效数据为49 份。将所采集眼动指标数据和感知恢复性效益数据导入Excel 和SPSS 22.0 进行统计分析，通过Pearson 相关分析揭示眼动指标数据和感知恢复性效益数据的相关关系，进而采用逐步回归分析进一步探究各眼动指标对环境恢复性效益的影响程度，并在此基础上构建基于眼动分析的恢复性环境评价模型。

3 结果与分析

3.1 感知恢复性效益分析

环境感知恢复性评价结果使用SPSS 22.0 进行统计分析。采用Cronbach's alpha 系数对知觉恢复性量表的信度进行检验，α 系数为0.861，总体信度大于0.7，说明数据可信度较高。运用Excel 算出每张样本照片的感知恢复性效益得分，其结果如图5 所示。可以看出，环境感知恢复性效益评价得分较高的是样本照片10（植被环绕的池塘，109.27 分）、样本照片27（植被环绕的木廊道，107.51 分）、样本照片20（视野开阔的草坪，104.21 分）；环境感知恢复性效益评价得分较低的是样本照片19（植被为背景的建筑物，48.05 分）、样本照片12（少量植被点缀的仿古廊架，47.63 分）、样本照片16（草坪为背景的廊架，47.41 分）。不难发现，感知恢复性评价较高的照片具有植被丰富、自然景观特征鲜明的特点，而感知恢复性评价较低的照片中植被占比较少、人工景观特征鲜明，表明自然要素丰富的景观往往比人工要素丰富的景观更具有恢复性效益，这与Grahn[24]、谭少华[25]等学者对城市绿地恢复性效益影响因素的研究结果相符。

3.2 眼动特征分析

通过Tobii Pro Lab 软件将每张样本照片的各项眼动指标导入Excel，取所有被试者眼动指标的平均值，其结果如表2 所示。可以看出，样本照片18（疏林草地）、样本照片21（设施丰富的活动空间）、样本照片25（植被环绕的休憩空间）的平均注视时长较长（AFT），表明这些照片中的环境特征更具吸引力。样本照片3（植被环绕的绿道）、样本照片5（植被环绕的休憩空间）、样本照片12（少量植被点缀的仿古廊架）的眼跳频率（SF）较高，表明这些照片中的环境特征吸引力较低。样本照片24（植被环绕的亭子）、样本照片12（少量植被点缀的仿古廊架）、样本照片9（色彩丰富的植被）的平均瞳孔直径（APD）较大，表明这些照片中的环境对人体的心智负担较大。由此可见，环境要素丰富、自然特征鲜明的景观更具吸引性，而人工要素较多、小品丰富的景观会对人体的心智造成一定负担。

表3 眼动评价与感知恢复性效益评价相关性分析

表4 逐步回归分析结果（n=40）

3.3 基于眼动分析的恢复性环境评价模型

3.3.1 相关性分析

将40 张样本照片的8 个眼动指标与感知恢复性效益得分进行相关性分析得出（表3），感知恢复性效益与平均瞳孔直径（APD）在0.01的水平（双侧）上呈显著负相关，与注视频率（FF）在0.05 水平（双侧）上呈显著负相关，与其余眼动指标不显著相关（p ＞0.05），说明眼动指标与主观评价所得到的感知恢复性效益具有一定相关性。

3.3.2 逐步回归分析

进一步对8 个眼动指标进行逐步回归分析，筛选影响感知恢复性效益的主导因素并建立多元回归模型，结果如表4 所示。模型逐步回归分析结果显示p=0.001＜0.05，说明所建立的回归模型具有统计学意义。系统经过自动剔除与组合，最终纳入平均注视时间（AFD）、平均瞳孔直径（APD）两项眼动指标于多元回归模型中，其中平均注视时间的回归系数值为-0.023（t=-2.650，p=0.012＜0.05），平均瞳孔直径的回归系数值为-81.607（t=-3.593，p=0.001＜0.01），R2值为0.325，意味着平均注视时间、瞳孔直径可以解释感知恢复性效益32.5%的变化原因。由此，建立社区公园恢复性环境眼动评价模型：

式中，Y眼表示基于眼动分析的恢复性环境评价值，XAFD表示标准化后的平均注视时长，XAPD表示标准化后的平均瞳孔直径。

从社区公园恢复性环境眼动评价模型中不难发现：1）平均注视时长与感知恢复性效益评价之间呈负相关。平均注视时长代表着环境要素的吸引性和被试者的感兴趣程度，吸引性越高的空间环境，可能会更耗费被试者的注意力，被试者需要花费更多的精力与脑力去处理这些信息，不利于被试者的感知恢复。2）平均瞳孔直径与感知恢复性效益评价之间呈负相关。平均瞳孔直径代表了被试者的心智负担程度，瞳孔直径越大心智负担也越大，被试者恢复性效益也就越差。这印证了Franek[22]、翁羽西[26]等人研究中平均注视时长、平均瞳孔直径等眼动特征指标与环境恢复性效益之间的存在的密切联系。

3.3.3 眼动评价模型与感知恢复性效益评价结果对比

为验证上述回归模型的准确性，将所有样本照片的眼动特征数据代入模型进行检验，可以得到样本照片恢复性效益的预测评价。将预测评价结果和主观感知评价结果归一化处理后进行对比，结果如图5 所示。可以发现，眼动评价模型预测评价结果和感知恢复性效益评价结果具有高度的相似性，说明预测评价可以准确表示被试者的主观感知评价，表明回归模型的预测效果比较好，证明了将眼动评价引入景观恢复性效益评价的可行性。

图5 社区公园感知恢复性效益评价平均得分

结论与展望

本研究以成都市8 个社区公园为研究对象，采用眼动追踪技术开展了基于视觉感知的社区公园恢复性环境评价试验。研究结果表明，环境要素丰富、自然特征鲜明的景观对人群更具有吸引力；反映要素吸引力的平均注视时间和反映被试者心智负担程度的平均瞳孔直径是影响环境恢复性效益的重要视觉指标，且与感知恢复性效益均成负相关关系。这意味着要素吸引性高的空间可能会耗费被试者的定向注意力，增加被试者的心智负担程度，在一定程度上限制了环境恢复性效益的有效发挥，即要素构成过于丰富、吸引力较强的景观不利于提升环境的恢复性效益。此外，本研究根据各项指标的重要程度构建了基于眼动分析的恢复性环境评价模型，并验证了模型的有效性，证明了通过眼动指标对公园环境恢复性效益进行评价是可行的，这为恢复性环境评价提供了一种客观有效的方式。

虽然在社区公园恢复性环境的营造过程中，基于眼动评价的恢复性环境评价模型能为设计者提供更加科学客观的依据，在一定程度上改善了主观恢复性环境评价的局限性。但考虑到受访者浏览照片的时间和精力有限，本研究在照片拍摄、选择、量表的制定上未能将更多类型的自然恢复性环境纳入，会存在一定的适用局限性；同时，环境与人群的交互是个多感官的过程，除了视觉感知外听觉、嗅觉等也可以进行相应研究。因此，期望在今后研究中，将更多类型的恢复性环境纳入到景观评价模型当中，并尝试融入听觉、嗅觉、触觉等人体环境感知变量，从而进一步增加户外环境恢复性评价模型的适应性和准确性。

图、表来源

文中所有图、表均由作者拍摄或绘制。

注释

1）Blasco E，Gonzalez-Olabarria J R 等人的研究证实了高校学生与非高校学生团体所做的环境评价结果高度一致。

2）本次试验经作者所在单位实验伦理委员会批准，被试者均自愿参与实验，文中肖像使用均已征得被试者同意。