腦電技術(shù)在文化創(chuàng)意產(chǎn)品情感化設(shè)計中的應(yīng)用

鄧 麗，陳 波，龐茜月，文 榮，謝冰玉

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腦電技術(shù)在文化創(chuàng)意產(chǎn)品情感化設(shè)計中的應(yīng)用

鄧 麗，陳 波，龐茜月，文 榮，謝冰玉

(西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院，四川 成都 610500)

為了獲取消費者對于文化元素的偏好，借助PAD情感量表將文化元素圖片按照愉悅度值和情感狀態(tài)分組，再通過腦電儀記錄不同愉悅度的文化元素圖片誘發(fā)的腦電波。以實驗得出喜歡的文化元素為基礎(chǔ)，設(shè)計出了一套蜀文化調(diào)味瓶。腦電實驗結(jié)果表明：在喜歡的圖片刺激下，左額極波平均功率顯著低于右額極；在不喜歡的圖片刺激下，右額極波平均功率顯著低于左額極；在喜歡的圖片刺激下的中央?yún)^(qū)域的波平均功率顯著高于不喜歡的圖片刺激。研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)額葉波不對稱性理論，波頻域特征可用于研究用戶情感特征。該方法能夠幫助設(shè)計師進行文化創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計，使其滿足消費者的感性需求。

腦電技術(shù)；PAD；文化創(chuàng)意；情感化；產(chǎn)品設(shè)計

文化可以提升產(chǎn)品的附加價值，文化創(chuàng)意產(chǎn)品在弘揚傳統(tǒng)文化方面起著重要作用，但是并不是每一件文化創(chuàng)意產(chǎn)品都能打動消費者。古文化需要與現(xiàn)代審美相結(jié)合，才能符合大眾審美習慣，滿足消費者的情感需求。目前傳統(tǒng)文化在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用研究集中于文化基因提取[1]、設(shè)計元素提取[2]和文物元素再造[3]等方面，忽略了消費者的情感偏好。

情感化設(shè)計的研究范疇包括情感的測量、分析、建模，情感因素與設(shè)計參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換等[4]。而情感測量的手段主要有心理和生理測量兩種。心理測量包括語意差異法(semantic differential method, SD法)、口語報告法、PAD(pleasure arousal dominance)情感測量法、SAM(self assessment manikin)自我評估模型等；生理測量主要測量情感誘發(fā)的血壓、眼動、心跳、腦電、面部表情等生理參數(shù)。生理測量精度高，容易捕捉情感的變化，但是主要用于測量基本情感；心理測量適合測量多種情感類型，但是被試較難準確表達出瞬間的情感狀態(tài)，準確度受被試個體差異的影響較大。

當用戶在觀察產(chǎn)品的過程中，外界的視覺刺激將誘發(fā)腦電發(fā)生變化。分析腦電信號，可以精確、客觀地測量用戶的感知、偏好與情緒，準確地獲取用戶的心理需求。目前腦電技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域，例如商業(yè)廣告設(shè)計[5]、座椅設(shè)計[6]、界面設(shè)計[7]、舒適性評價[8]等。在情感測量方面，李法紅等[9]研究了蘋果樹葉子和花朵對人體腦電波的影響，發(fā)現(xiàn)不同的視覺刺激將誘導(dǎo)不同的情緒。莊曉旭[10]選擇了從外觀與可用性兩方面差異均較大的兩個購物網(wǎng)站作為研究對象，以腦電指標和眼動指標為自變量，通過偏最小二乘回歸方法構(gòu)建了情感測量模型。唐幫備等[11]針對汽車工業(yè)設(shè)計方案評選的問題，提出了通過腦電數(shù)據(jù)來客觀評價用戶體驗。

可見，在文化創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，還缺少結(jié)合心理和生理的情感測量研究。本文以蜀文化創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計為研究對象，試圖運用PAD情感量表和腦電技術(shù)為測量手段對此進行量化研究，幫助設(shè)計師開發(fā)滿足用戶情感需求的產(chǎn)品。

1 研究流程與評價模型

1.1 研究流程

基于腦電技術(shù)的文化創(chuàng)意產(chǎn)品情感化設(shè)計研究流程如圖1所示。以蜀文化創(chuàng)意產(chǎn)品開發(fā)為例，首先，從蜀文化中篩選有代表性的元素作為圖片樣本。其次，將蜀文化元素圖片呈現(xiàn)給被試，被試根據(jù)PAD情感量表打分，主試根據(jù)計算得出的愉悅度值和情感狀態(tài)將圖片進行分組。然后，利用腦電儀記錄被試在注視這些不同愉悅度圖片時的腦電信號，探索腦電波頻域特征與用戶情感的關(guān)系。進而，綜合PAD量表得分和額葉波的平均功率，判斷被試對于圖片樣本的偏好。最后，以用戶喜好的文化元素整合為設(shè)計元素，應(yīng)用于恰當?shù)漠a(chǎn)品載體，進而完成文化創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計。

圖1 研究流程圖

1.2 評價模型

記測試圖片樣本集合為={1,2,3,···,s}，為圖片數(shù)量；被試集合為={1,2,3,···,t}，為被試人數(shù)。

在PAD情感測試中，被試依據(jù)PAD情感量表分別對圖片樣本進行評分，評分集合可記為

圖片樣本的PAD得分為

在腦電實驗中，記錄被試在觀察圖片樣本時大腦皮層7個電極處的腦電信號，并記為

圖片的所有被試的腦電數(shù)據(jù)疊加后為

由式(2)~(4)可得到文化元素圖片的PAD情感測量值，由式(6)可得到文化元素圖片的腦電數(shù)據(jù)值，據(jù)此評價消費者的情感偏好。

2 聯(lián)合PAD和腦電技術(shù)的情感測量實驗

2.1 PAD情感測量

2.1.1 PAD情感量表

PAD情感量表可從愉悅度、激活度和優(yōu)勢度3個維度較為精確的評價情感狀態(tài)，而且量表具有較好的結(jié)構(gòu)效度。因此，在描述用戶對于不同蜀文化元素的情感時，采用了PAD情感量表進行測量[12]。為愉悅度(pleasure-displeasure)，表示個體情感狀態(tài)的正負特性；為激活度(arousal-nonarousal)，表示個體的神經(jīng)生理激活水平；為優(yōu)勢度(dominance- submissiveness)，表示個體對情景和他人的控制狀態(tài)[13]。根據(jù)以上3個維度可以將情感狀態(tài)劃分為8類：①+++(高興的)；②–––(無聊的)；③++–(依賴的)；④––+(蔑視的)；⑤+–+(放松的)；⑥–+–(焦慮的)；⑦+––(溫順的)；⑧–++(敵意的)。

PAD情感量表由12組表示不同情感狀態(tài)的形容詞詞對組成。V1：憤怒的-感興趣的；V2：清醒的-困倦的；V3：受控的-主控的；V4：友好的-輕蔑的；V5：平靜的-興奮的；V6：支配的-順從的；V7：痛苦的-高興的；V8：感興趣的-放松的；V9：謙卑的-高傲的；V10：興奮的-激怒的；V11：拘謹?shù)?驚訝的；V12：有影響力的-被影響的。其中，每4組形容詞詞對構(gòu)成了一個維度。每組詞對在其所屬維度上表達了相反的情感，在其他兩個維度上的情感值基本一樣。在量化這些情感時，采用9點語義差異量表。例如，V1：憤怒的-感興趣的，評分在–4到4之間。被試根據(jù)情感強烈程度來打分，從左到右，分數(shù)越靠左代表越“憤怒的”，分數(shù)越靠右代表越“感興趣的”。愉悅度、激活度和優(yōu)勢度的分值與以上12對形容詞的得分關(guān)系見式(7)~(9)。每個維度的分數(shù)是其下屬的4組形容詞詞對得分的平均值。PAD分值越高，分別代表愉悅度、激活度和優(yōu)勢度越高。

=(V1–V4+V7–V10)/4 (7)

=(–V2+V5–V8+V11)/4 (8)

=(V3–V6+V9–V12)/4 (9)

2.1.2 情感測試

從蜀文化中挑選出5個代表性的元素作為圖片樣本，并對每張圖片編號(圖2)。PAD情感量表如圖3所示。共有20名(男女生各10位)工業(yè)設(shè)計系學(xué)生參與了情感測試。對于這5張圖片，每位被試者需要對圖3量表中的12項內(nèi)容分別進行打分，分值范圍為[–4，4]。

根據(jù)形容詞詞對對應(yīng)的維度，由式(7)~(9)得到每個維度的情感值，并結(jié)合3個維度值的正負情況進行情感分類(表1)。

圖2 蜀文化元素圖片樣本

圖3 PAD情感量表

表1 PAD情感量表數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中的愉悅度值以及情感狀態(tài)類別，將5張圖片樣本分成了喜歡、一般和不喜歡3組(表2)。3組不同情感狀態(tài)的圖片樣本將作為后續(xù)腦電實驗的視覺刺激材料，誘導(dǎo)被試產(chǎn)生不同的情感體驗。

表2 圖片樣本分組

2.2 腦電實驗

2.2.1 腦電技術(shù)應(yīng)用原理

腦電活動根據(jù)頻率不同分為波(<3 Hz)、波(4~8 Hz)、波(8~13 Hz)、波(13~30 Hz)和波(30~45 Hz)。每個頻帶對應(yīng)不同的認知特性。研究表明[14]可以利用額葉波的不對稱性(frontal alpha asymmetry，F(xiàn)AA)比較不同的產(chǎn)品設(shè)計，左前額葉的活動常作為愉悅或者喜歡的指標?！按竽X半球效價假說”[15]認為左額葉區(qū)域主要處理積極的情緒，右額葉區(qū)域主要處理消極的情緒。在腦電圖中表現(xiàn)為：在積極情緒狀態(tài)下左額葉功率降低，左半球活躍度增加；在消極情緒狀態(tài)下右額葉功率降低，右半球活躍度增加。功率大小與大腦活躍度成反比，左額葉功率下降，說明被試處于更加愉悅的狀態(tài)。額葉波可作為反映產(chǎn)品體驗與用戶情感之間關(guān)系的指標[10]。因此，本文將利用額葉波功率分析用戶對于不同蜀文化元素的偏好。

2.2.2 腦電實驗過程

(1) 被試。邀請工業(yè)設(shè)計系20名學(xué)生作為被試。要求實驗前休息良好，無服藥和飲酒等情況。實驗結(jié)束后贈予小禮品作為報酬。

(2) 實驗環(huán)境及設(shè)備。實驗在人機實驗室進行，室內(nèi)溫度適宜，無噪聲干擾。實驗采用德國Brain Products腦電設(shè)備，包括腦電放大器、電極帽、導(dǎo)電膏等硬件和刺激呈現(xiàn)軟件E-Prime、數(shù)據(jù)采集軟件Brain Vison Recorder、分析處理軟件Brain Vision Analyzer 2.1。

(3) 腦電記錄。大腦皮層主要劃分為額葉、頂葉、枕葉和顳葉。各個腦區(qū)內(nèi)含大量的神經(jīng)元，承擔著不同的任務(wù)。額葉主要與思維、情緒、規(guī)劃、需求相關(guān)，因此本次實驗選擇額葉作為考察對象。記錄FP1(左額極)、FP2(右額極)、F3(左額)、F4(右額)、FZ(額中線)、CZ(中央中線)、PZ(頂中線)等通道的腦電數(shù)據(jù)，電極布置如圖4所示。

圖4 電極位置分布

(4) 實驗程序。5張圖片樣本經(jīng)Photoshop軟件處理，統(tǒng)一尺寸大小，背景為白色，文化元素以黑色線條表示，排除色彩等不相關(guān)因素的影響。如圖5所示，實驗過程由E-prime軟件呈現(xiàn)，實驗指導(dǎo)語告知被試對出現(xiàn)的蜀文化元素圖片進行整體感知，然后電腦屏幕中央將呈現(xiàn)引導(dǎo)被試注意的十字叉500 ms，接著呈現(xiàn)蜀文化元素圖片5 000 ms，當其消失后，呈現(xiàn)2 000 ms的白屏，以消除被試視覺殘留。如此反復(fù)，直到5張圖片呈現(xiàn)完畢，停止記錄腦電數(shù)據(jù)。

圖5 實驗流程圖

(5) 實驗步驟。首先，進行準備工作。在正式實驗前，告知被試實驗?zāi)康摹嶒灹鞒碳皩嶒炦^程中的注意事項，消除被試的緊張情緒。其次，將電極帽以從前往后的方式佩戴在被試的頭上并安放電極。電極安放位置如圖4所示。并注入適量的導(dǎo)電膏以保證所有導(dǎo)聯(lián)的阻抗降低到要求數(shù)值以下。被試調(diào)整好舒適的坐姿，眼睛距離電腦屏幕約50 cm，且實驗過程中不能移動身體部位。然后，正式開始實驗。采用記錄軟件Brain Vison Recorder記錄被試在實驗過程中的腦電波。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗結(jié)果

采用分析軟件Brain Vision Analyzer 2.1對采集到的腦電數(shù)據(jù)進行腦電功率譜分析。分別提取圖片刺激呈現(xiàn)時的5 000 ms所誘發(fā)的腦電信號。經(jīng)過數(shù)字濾波、分段等處理后對腦電數(shù)據(jù)進行定量統(tǒng)計分析。最后得到FP1、FP2、F3、F4、FZ、CZ、PZ電極的波(8~13 Hz)的平均功率。圖6~8是不同喜歡度下的圖片刺激的波平均功率。在喜歡的圖片刺激下，F(xiàn)P1(左額極)、F3(左額)波平均功率低于FP2(右額極)、F4(右額)波平均功率；在不喜歡的圖片刺激下，F(xiàn)P2(右額極)波平均功率低于FP1(左額極)波平均功率，F(xiàn)3(左額)和F4(右額)波平均功率沒有顯著性差異；在一般圖片刺激下，F(xiàn)P1(左額極)、F3(左額)波平均功率和FP2(右額極)、F4(右額)波平均功率沒有顯著性差異。中央?yún)^(qū)域(FZ、CZ、PZ)，在喜歡的圖片刺激下的波平均功率顯著高于不喜歡的圖片刺激下的波平均功率。

圖6 FP1、FP2電極α波平均功率

圖7 F3、F4電極α波平均功率

圖8 FZ、CZ、PZ電極α波平均功率

3.2 討 論

綜上，在喜歡的圖片樣本刺激下，引起左額極和左額的波平均功率下降，說明該組圖片誘導(dǎo)被試產(chǎn)生了愉悅的情緒；相之，在不喜歡的圖片樣本刺激下，引起右額極的波平均功率下降，說明該組圖片誘導(dǎo)被試產(chǎn)生了不愉悅的情緒。實驗結(jié)論與“大腦半球效價假說”一致。此外，表3分析了每張圖片樣本刺激下的左額極和右額極的波功率。發(fā)現(xiàn)該規(guī)律對于單張圖片樣本同樣適用。因此，左、右額極的波功率不對稱性可以用于判斷被試的情感狀態(tài)，幫助設(shè)計師通過用戶情緒獲取用戶偏好信息。

表3 5張圖片刺激下左、右額極α波功率比

4 蜀文化創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計

PAD情感量表和腦電實驗得出一致的結(jié)論，被試更傾向于圖片3和5。因此，將以川劇臉譜和三國文化為基礎(chǔ)元素，進行蜀文化創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計，設(shè)計出一套調(diào)味瓶，設(shè)計效果如圖9所示。采用內(nèi)外殼配合的形式展示川劇變臉，瓶身的臉譜造型分別對應(yīng)4個三國人物劉備、關(guān)羽、張飛和曹操。如圖10所示，粉末狀的出料口設(shè)計成“成都”的樣式，液體狀的出口設(shè)計成防止回流的斜口。外殼分為左右兩部分，打開可以形成變臉效果，內(nèi)部瓶身的上下蓋通過卡接的方式連接在一起。模型如圖11所示，配合包裝禮盒可以作為旅游紀念品贈予他人。

圖9 調(diào)味瓶設(shè)計效果圖

圖10 細節(jié)圖

圖11 3D打印模型

5 結(jié)束語

針對文化創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計中的消費者情感偏好問題，提出了一種基于腦電技術(shù)的客觀評價方法。通過該方法可以避免設(shè)計師在評選文化元素時的主觀性，能相對客觀的選擇出用戶喜好的元素。腦電實驗結(jié)果表明，額葉波能夠反映出產(chǎn)品體驗與用戶情感之間的關(guān)系，額葉波功率不對稱性可以用于判斷被試面對不同文化元素時的愉悅度。本文探索了不同形態(tài)的文化元素刺激下的腦電頻域特征與愉悅度的關(guān)系，僅分析了腦電頻域特征，沒有涉及腦電時域特征、波幅、成分研究，且沒有考慮色彩因子、文化內(nèi)涵因子的影響，下一步的研究將從這方面內(nèi)容進行深入挖掘。

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Application of EEG Technology in Emotional Design of Cultural and Creative Products

DENG Li, CHEN Bo, PANG Qianyue, WEN Rong, XIE Bingyu

(School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500, China)

In order to obtain consumers’ preferences for cultural elements, PAD emotional scale was used to group the cultural elements according to the pleasure value and emotional state, and then the brain waves induced by cultural elements with different pleasure were recorded by EEG. Based on the pleased cultural elements selected by experiment, a set of Shu culture castor was designed. The results of EEG experiment showed that under the stimulation of the pleased pictures, the average power of left frontalwave was significantly lower than that of the right frontal. Under the stimulation of the unpleased pictures, the average power of the right frontalwave was significantly lower than that of the left frontal. Under the stimulation of the pleased pictures, the average power ofwave in the central region was significantly higher than that under the stimulation of the unpleased pictures. The study found that according to the theory of frontal alpha asymmetry, the frequency-domain characteristics ofwave can be used to study the emotional characteristics of users. This method can help designers to design cultural and creative products so as to meet the perceptual needs of consumers.

EEG technology; pleasure arousal dominance; culture and creative; emotion; product design

TB 472

10.11996/JG.j.2095-302X.2018020327

A

2095-302X(2018)02-0327-06

2017-07-17；

2017-08-12

南充市社科研究“十三五”規(guī)劃項目(NC2017C050)；四川省社會科學(xué)重點研究基地——四川旅游發(fā)展研究中心立項課題(LYC16-20)；2016年地方高校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201610615012)

鄧 麗(1986-)，女，四川簡陽人，講師，博士。主要研究方向為產(chǎn)品設(shè)計和傳統(tǒng)文化創(chuàng)意設(shè)計。E-mail：dengli@swpu.edu.cn