眼動追蹤技術(shù)的產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計(jì)研究范文

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摘要：目的為有效解決仿生對象造型特征存在的問題。方法基于仿生設(shè)計(jì)學(xué)和認(rèn)知心理學(xué)等相關(guān)理論，運(yùn)用眼動追蹤實(shí)驗(yàn)進(jìn)行產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計(jì)，提出一種通過測量眼動數(shù)據(jù)來確定仿生形態(tài)特征的方法。以小型道路清掃車的造型設(shè)計(jì)為例，選用上海市市花白玉蘭為形態(tài)仿生對象，運(yùn)用眼動跟蹤實(shí)驗(yàn)得出眼動生理數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)后，分析用戶對生物外形本征的關(guān)注點(diǎn)和興趣點(diǎn)，提取關(guān)鍵外形的設(shè)計(jì)因素，以此研究生物外型的典型特性。結(jié)論為產(chǎn)品形態(tài)的仿生設(shè)計(jì)提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì)；眼動追蹤實(shí)驗(yàn)；形態(tài)仿生；產(chǎn)品創(chuàng)新

隨著科技水平的不斷發(fā)展，同級別各類產(chǎn)品的差異并不顯著，產(chǎn)品的美學(xué)特征也日益成為人們對產(chǎn)品的新需求。人們的主觀審美意識充滿了模糊性和不確定性，設(shè)計(jì)師很難確切地把握用戶的意象認(rèn)知，如何使設(shè)計(jì)方案和用戶的主觀需求相一致，是設(shè)計(jì)界亟待解決的問題。形態(tài)仿生設(shè)計(jì)能喚起用戶對仿生對象的理解，拉近用戶與產(chǎn)品的聯(lián)系，有助于設(shè)計(jì)師和用戶之間形成統(tǒng)一的認(rèn)知共識。目前，形態(tài)仿生是設(shè)計(jì)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。杜鶴民等結(jié)合產(chǎn)品語義，進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)例的形態(tài)仿生[1]；徐紅磊等通過分析自我意識，對產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)的內(nèi)涵進(jìn)行解讀，探討具象形態(tài)仿生和抽象形態(tài)仿生對產(chǎn)品造型的影響[2]。此類設(shè)計(jì)方法主要憑借設(shè)計(jì)師個(gè)人的理解和判斷，對產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)行仿生，具有很強(qiáng)的主觀性。在人機(jī)交互領(lǐng)域，基于視覺的信息交互技術(shù)目前尚不成熟，但由于其具有直接性、雙向性的特性，所以受到了廣大學(xué)者的重視[3]。文中將形態(tài)仿生設(shè)計(jì)與視覺交互技術(shù)相結(jié)合，運(yùn)用眼動追蹤實(shí)驗(yàn)進(jìn)行生物外形本征的測量，通過分析客觀數(shù)據(jù)，提取形態(tài)的關(guān)鍵特征，并將結(jié)果用于設(shè)計(jì)實(shí)踐。

1形態(tài)仿生設(shè)計(jì)

形態(tài)仿生設(shè)計(jì)研究自然界物質(zhì)存在的外部形態(tài)及其象征寓意，通過藝術(shù)處理的手法提取自然物的外形特征，并將其應(yīng)用到設(shè)計(jì)中。形態(tài)仿生設(shè)計(jì)有具象仿生形態(tài)設(shè)計(jì)和抽象仿生形態(tài)設(shè)計(jì)之分，前者是對生物形態(tài)的直接再現(xiàn)，后者反映生物體的本質(zhì)特征，通過抽象演變，總結(jié)出生物的外形本征，再運(yùn)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。抽象仿生形態(tài)是對生物體外形視知覺的抽象，具有主題特征明顯、內(nèi)容突出的特點(diǎn)，其蘊(yùn)含了設(shè)計(jì)師的認(rèn)知意識，屬于認(rèn)知過程的高級階段。根據(jù)RudolfArnheim的視知覺理論，兩個(gè)事物之間的相似性并不取決于這兩個(gè)事物細(xì)小部分的等同，而是由一致性所決定[4]。生物體外形與形態(tài)造型之間的對比是兩者本質(zhì)特征的對比，同一形態(tài)的生物本征也能用不同的形式進(jìn)行呈現(xiàn)。產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計(jì)不是對自然界生物體的簡單模仿[5]，而是一種凝結(jié)了設(shè)計(jì)師構(gòu)思、創(chuàng)意和情感等因素的再創(chuàng)造活動。設(shè)計(jì)人員通過對自然界形態(tài)的分析、抽象、綜合、比較、重組等方法，提取其主要的結(jié)構(gòu)特征，并最終運(yùn)用到具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。

2眼動追蹤技術(shù)

視覺是人類從外界獲取信息的主要來源，人類有80%的信息來源于視覺[6]。通過測量眼動數(shù)據(jù)來觀測用戶認(rèn)知的關(guān)注點(diǎn)和興趣點(diǎn)，是研究人體視覺認(rèn)知的重要途徑。眼動追蹤技術(shù)是一種通過客觀記錄和分析被測者眼球運(yùn)動來探尋人體心理活動的有效手段之一[7]。其利用眼動追蹤系統(tǒng)監(jiān)測每只眼睛的活動情況，獲得被測者在觀看視覺信息中的客觀生理數(shù)據(jù)，例如眼球的視覺運(yùn)動軌跡、注視頻率、注視時(shí)間、注試點(diǎn)等，通過統(tǒng)計(jì)分析量化的數(shù)據(jù)來研究人對樣本的視覺認(rèn)知規(guī)律[8]。文中將形態(tài)仿生設(shè)計(jì)與視覺交互技術(shù)相結(jié)合，通過測量分析被測者在觀察生物形態(tài)時(shí)的眼動數(shù)據(jù)，提取形態(tài)的關(guān)鍵特征，獲取被測者的認(rèn)知結(jié)果。

3形態(tài)仿生特征眼動追蹤測試實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)儀器

筆者采用瑞典Tobii公司的TobiiX2便攜式眼動儀進(jìn)行眼動數(shù)據(jù)采集。

3.2被測對象

被試對象共10人，包括6名產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)的本科在校生，4名藝術(shù)設(shè)計(jì)系的專任教師。其中男生5人，女生5人，平均年齡22.84歲。實(shí)驗(yàn)對象均無色盲和色弱，裸眼視力或矯正視力均達(dá)1.0以上。被試者均有過仿生設(shè)計(jì)的經(jīng)歷，但從未見過本次實(shí)驗(yàn)中的產(chǎn)品和形態(tài)樣本圖片。

3.3形態(tài)造型樣本

運(yùn)用專家分析法，選出最能代表上海市形象的市花——白玉蘭作為產(chǎn)品形態(tài)仿生的原型。大量搜集白玉蘭圖片共30張，根據(jù)圖片清晰度和白玉蘭不同階段花期等篩選圖片。為了得到更精確有效的數(shù)據(jù)，分別選取始花期兩張（標(biāo)記為始花期a，始花期b）、盛花期兩張（標(biāo)記為盛花期c，盛花期d）、終花期兩張（標(biāo)記為終花期e，終花期f），一共6張白玉蘭不同花期形態(tài)的圖片。通過不同方式的排列組合將篩選后的圖片組合成樣本圖片。

3.4實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖欠治鰧?shí)驗(yàn)人員眼中最能代表白玉蘭意象的典型特征。通過此次實(shí)驗(yàn)，測量被測者的客觀眼動生理數(shù)據(jù)，定量分析以判定被測者對樣本圖片的典型生物造型的意象感知，對樣本圖片的不同部分進(jìn)行排序，明確該生物造型視覺評價(jià)的有效指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)采用19寸的Dell顯示屏，分辨率為1440*900，實(shí)驗(yàn)中樣本圖片的大小和分辨率均采用統(tǒng)一的數(shù)值，以避免界面問題帶來的干擾。

3.5實(shí)驗(yàn)過程

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程需要大約15分鐘，包括實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)講解、設(shè)備調(diào)試、視線校對4min,實(shí)驗(yàn)后被試者問卷填寫和訪談2分鐘，眼動追蹤實(shí)驗(yàn)9分鐘左右。實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）為減少實(shí)驗(yàn)誤差，增加測試的精準(zhǔn)性，實(shí)驗(yàn)前由實(shí)驗(yàn)人員向被試者說明實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)?zāi)康模唬?）調(diào)整被試座位，使其距離顯示器的直線距離范圍在0.35~0.6m，調(diào)整位置，直至眼動儀上眼球圖標(biāo)呈綠色，表明位置合適；（3）調(diào)試程序，校準(zhǔn)焦點(diǎn)；（4）被試者根據(jù)對生物形態(tài)的意向認(rèn)知觀察樣本圖片，尋找樣本中最符合被試者意向認(rèn)知的圖片。測試中采用拉丁方設(shè)計(jì)方法設(shè)置樣本圖片的出現(xiàn)次數(shù)和順序[10]，以消除樣本圖片順序?qū)υ囼?yàn)結(jié)果的影響。樣本圖片隨機(jī)出現(xiàn)，次數(shù)均為4次。實(shí)驗(yàn)設(shè)定每張樣本圖片的出現(xiàn)時(shí)間為6s，時(shí)間太長易造成被試的視覺疲勞，時(shí)間太短則難以判定形態(tài)的典型特征。為消除圖片之間的相互干擾，在圖片切換中設(shè)定有短暫的灰屏過渡。要求被試者瀏覽6張白玉蘭的樣本圖片，觀試不同時(shí)期白玉蘭的形態(tài)，聯(lián)想白玉蘭最典型的形態(tài)意象，結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)?zāi)暺渥钅荏w現(xiàn)白玉蘭意象認(rèn)知及形態(tài)特征的部位。

3.6實(shí)驗(yàn)分析

先將6張樣本圖片的熱點(diǎn)圖導(dǎo)出，見圖4，注意力熱點(diǎn)圖的顏色從綠、黃、紅逐步過渡[11]，表明樣本圖片受注視的次數(shù)由少到多逐漸改變。紅色越多，說明樣本圖片的受關(guān)注度越高，認(rèn)同感越高，吸引力越強(qiáng)。從樣本的熱點(diǎn)圖可初步分析受關(guān)注度高的是盛花期，其次是終花期，最后是始花期。熱點(diǎn)圖能形象地分析注視點(diǎn)的集中趨勢[12]，但僅以熱點(diǎn)圖難以判定。為此，需要導(dǎo)出興趣區(qū)域AOI的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。AOI注視點(diǎn)數(shù)量越多，說明該區(qū)域在同一樣本中受關(guān)注度更高，在樣本中越重要；在AOI區(qū)域注視時(shí)間的長短也是反映該區(qū)域引起被試關(guān)注的重要指標(biāo)，即視線停留時(shí)間越長，表明該區(qū)域越重要，該樣本圖片對應(yīng)的形態(tài)部分越能代表其特征；AOI首次注視時(shí)間越短，說明該AOI區(qū)域?qū)?yīng)的形態(tài)特征要素越符合被試者所想要尋找的目標(biāo)，越能體現(xiàn)被測對形態(tài)的意向認(rèn)知；視線在不同AOI區(qū)域轉(zhuǎn)換頻率越高，說明該區(qū)域的受關(guān)注度越高，白玉蘭形態(tài)特征眼動追蹤實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。在6張樣本圖的AOI中，c的首次注視時(shí)間最短，注視時(shí)長最長，注視點(diǎn)個(gè)數(shù)最多，轉(zhuǎn)換頻次最高。為了更直觀地反映數(shù)據(jù)的綜合分布情況，將雷達(dá)圖進(jìn)行對比，分析AOI各數(shù)據(jù)的變化情況，可較準(zhǔn)確地分析AOI的優(yōu)劣情況。眼動實(shí)驗(yàn)雷達(dá)見圖5，a-f分別于原點(diǎn)相連，連線對應(yīng)成6條坐標(biāo)軸，坐標(biāo)軸以時(shí)間/s或注視次數(shù)的數(shù)值標(biāo)記，紅色折線對應(yīng)首次注視時(shí)間，藍(lán)線對應(yīng)注視時(shí)長，綠線對應(yīng)注視個(gè)數(shù)，黃線對應(yīng)轉(zhuǎn)換頻次。

4設(shè)計(jì)實(shí)例

由眼動實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，白玉蘭盛花期c最符合人們對白玉蘭的意象認(rèn)知。依據(jù)眼動實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，展開小型道路清掃車的形態(tài)仿生設(shè)計(jì)。4.1主體特征設(shè)計(jì)根據(jù)盛花期部位c展開草圖構(gòu)思，識別并提取出盛花期c的主體特征線，運(yùn)用設(shè)計(jì)美學(xué)中形式美法則將提取出的主體特征線進(jìn)行抽象變形處理[13]。將處理后的主體特征線運(yùn)用到最能體現(xiàn)小型清掃車形態(tài)特征的正側(cè)面，得到設(shè)計(jì)草圖。4.2色彩設(shè)計(jì)小型道路清掃車配色方案以黑白為主，表現(xiàn)產(chǎn)品的層次感。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，得到小型道路清掃車的最終效果形態(tài)。

5結(jié)論

設(shè)計(jì)師依賴個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和理解，對產(chǎn)品進(jìn)行形態(tài)仿生，具有很強(qiáng)的主觀性，難以匹配用戶的意向認(rèn)知。本研究運(yùn)用眼動追蹤實(shí)驗(yàn)測量生物外形本征，以上海市市花白玉蘭的形態(tài)作為仿生設(shè)計(jì)對象，通過對首次注視時(shí)間、注視時(shí)長、注視頻率和瀏覽頻率等客觀數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，提取白玉蘭形態(tài)的關(guān)鍵特征，并將結(jié)果用于小型道路清掃車的造型創(chuàng)意設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)提供了可量化的方法，具有較好的適用性，可延展到其他仿生設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

作者：歐細(xì)凡1,2，周志勇1，劉博敏1，張新月1 單位：1.上海電機(jī)學(xué)院，2.同濟(jì)大學(xué)