基于眼動追蹤技術的海洋平臺居住空間關鍵形態(tài)設計要素提取?

石 林， 王志創(chuàng)， 嚴心怡， 王邵馨

(1.中國海洋大學工程學院機電工程系, 山東 青島 266100; 2.中國海洋大學語言與腦科學實驗室， 山東 青島 266100)

海洋平臺居住空間是海上作業(yè)人員起居、娛樂、會議的必備場所。隨著中國海洋開發(fā)事業(yè)從近海走向深遠海，居住空間的設計和建造日益得到重視。美觀大方的空間效果不僅代表著優(yōu)秀的舾裝設計水平，還直接影響著作業(yè)人員的工作狀態(tài)和身心健康。相對于陸上建筑，海洋平臺居住空間設計的特殊性主要表現(xiàn)在兩個方面：一是安全性要求高，不管是國際組織還是國內相關部門都對海洋平臺居住空間的安全性做出了相應要求，舾裝材料的選擇和設施規(guī)格都有嚴苛的規(guī)定；另一方面是出于經(jīng)濟性的考慮，在建造設計中追求標準化、模塊化的建造。2015年，中海油研究總院發(fā)布了《海上固定平臺生活樓總體規(guī)劃指南(暫行)》，該指南已經(jīng)在四大海域的多個油田進行了應用[1]。海洋平臺生活樓標準化設計的推進對人性化的要求更高，并使得以往居住空間的設計方案無法順應現(xiàn)有標準，更加人性化的、符合人員生理和心理需求的內裝設計方案的提出已成為海洋平臺生活樓建造的重要議題。然而，生活樓居住空間中的形態(tài)設計要素眾多，本文嘗試通過眼動分析并結合專家評估的方法析出關鍵設計要素，從而能夠更有針對性的對平臺居住空間形態(tài)設計要素實施人性化、標準化的設計。

1 居住空間形態(tài)設計要素解構

視覺是人類最重要的感覺，人所感受的80%以上的外界信息來自視覺[2]，因此，視覺信息對人的認知與心理具有至關重要的影響。人在通過視覺感知外界的形狀、顏色、空間位置等物理信息的同時，不同的視覺效果也會給人帶來不同的心理感受，產(chǎn)生如溫馨、舒適、明快等的意象認知。海洋平臺居住環(huán)境是在特定的空間中對環(huán)境設施進行的合理的設計與布置，其中，既包含床、桌子、椅子、柜子等環(huán)境設施的造型、材質、色彩等要素，又包含了各個設施設計、布局而產(chǎn)生的尺度感。

“尺度”指的是人與物之間的比例關系，尺度是相對于人而言的，不同物體的尺度直接影響著人對物體的使用及舒適程度[3]。一般來說，建筑或產(chǎn)品的設計應滿足人的生理和心理兩方面的尺度要求，不僅需要符合人體工程學的設計規(guī)范，同時，也要給人以視覺上的舒適體驗。在海洋平臺居住空間中，人的尺度把握主要包含了基礎設施和空間環(huán)境中的形體、色彩、質感、光影及空間感的視覺感知，因此，從這五個方面進行居住空間設計要素的解構，將有助于把握人對視覺空間感知的生理及心理效果。

1.1 形體

形體，可以理解為二維造型，或者三維造型，簡而言之，就是形狀和體積，它是視覺認識的基礎[4]。在視覺認知中，形體具有大小、形狀、體量的區(qū)別。

依據(jù)形體的大小來劃分，平臺居住空間中既包含門把手、柜門拉手、床頭燈、開關等較小的構件，也包含床頭板、柜門、桌面、門、床簾、窗簾、電視面板、標志牌等較大的構件。其中，較小的構件在視覺認知中具有強調、集中視線的作用。而占據(jù)較大視覺面積的構件，則不僅具有功能的作用，同時，也具有構建空間層次的作用。

從形狀特征來看，決定形狀特征的主要元素為物體的輪廓線，在平臺居住空間中，輪廓線可以分為兩類：一類是圍壁和天花的巖棉板邊線以及房間的地腳線、陰角線等直線，另一類是各類家具的輪廓線，包括側窗的輪廓，床的護欄和床梯的輪廓等。這些家具曲線的應用打破了由第一類的直線造成的嚴肅刻板的氛圍，讓單調緊張的空間變得更加活潑和富有情調。

從形體的體量來看，影響體量感的最重要的要素便是體積，居住空間中的體量感主要是通過具有三維立體效果的形態(tài)來表現(xiàn)的。但是，對于三維形態(tài)的劃分不是絕對的，如，椅子的骨架、靠背、扶手都可以被看作單獨的三維形態(tài)，但是在進行舾裝設計時，將具有行業(yè)標準或者統(tǒng)一規(guī)格的環(huán)境設施看作展現(xiàn)體量感的要素，例如，椅子、臺燈、消防器材、沙發(fā)、茶幾等。

1.2 色彩

色彩是極為重要的視覺要素之一，環(huán)境設施的色彩構成及心理效果是判斷視覺意象的重要條件。不同的色彩環(huán)境會給人帶來不同的生理感應和心理聯(lián)想，如重量感、體積感、冷暖感等較為直觀的色彩聯(lián)覺；也能產(chǎn)生如干凈的、清爽的、熱烈的等較為強烈的心理情感。居住空間主要色塊包括圍壁、天花等板材色彩，床簾、窗簾等布藝色彩，桌子、柜子和床等木紋色。在色彩選擇上除了空間內的布藝、家具之間的色彩要和諧統(tǒng)一之外，整體環(huán)境也不應過于跳躍，以保持安定、平和的氛圍。

1.3 質感

質感是在材質特性和處理工藝的共同作用下給人的一種視覺感受形式，由于海洋平臺的安全等級較高，在防火、減震、隔音、減重等方面有著特殊的要求，因此材質的選擇空間較小。一般的肌理效果主要集中于木材及金屬表面的工藝處理，如在居住空間中占據(jù)較大面積的木材的肌理表現(xiàn)中，采用各類仿木紋的裝飾貼面，或扶手、門窗把手、掛鉤等小型金屬件中結合不同的進步表面處理工藝進行質感的表達。

1.4 光影

光與影是一切視覺感知的前提，是塑造立體感的重要形式語言。光影的作用不僅是感知事物，同時也可以表達各異的情感與氛圍，起到豐富視覺體驗的作用。平臺居住空間的光照按來源可分為自然光和燈光兩個部分。由于平臺結構強度的限制，居住空間的窗戶多為高而窄的永閉型側窗或天窗，燈光就成為采光的主要來源，包括頂燈、床頭燈、臺燈，在視覺感知中光源是較為重要的影響要素。

1.5 空間

人對于空間的感知由實體與空間共同構成，兩者相輔相成，互為存在?？臻g可被定義為具體而真實的形態(tài)或結構，是由基面、垂直面與頂面三個要素組成，是體的存在場所[5]?？臻g的感知是通過形態(tài)的構成要素間的體量、色彩、面積、比例尺度、節(jié)奏韻律等多方面影響因素，強化對于空間的感知?？臻g可以包含物理空間與心理空間兩種，物理空間是實際的空間，而心理空間則是一種感覺的空間。例如，在小面積的空間中，使用大面積的高明度色彩可以增加空間的心理面積。根據(jù)《海上固定平臺生活樓總體規(guī)劃指南(暫行)》規(guī)定，居住用房依照功能將其劃分為休息空間、工作空間、洗漱空間。這些單獨空間經(jīng)過組合就形成了雙人間、四人間、六人間的居住空間(見圖1)，觀者可以通過空間構成要素的暗示、引導等，產(chǎn)生不同的心理效果。

圖1 定員60人生活樓四人間和六人間布局Fig.1 Quadruple and six-person living room layout for 60 people

將居住空間的舾裝環(huán)境解構成形體、色彩、質感、光影、空間感這五個基本要素，通過對比平臺設計規(guī)范和技術資料，就可以明確可設計目標。利用眼動分析法和專家評估法進一步提取對空間感知影響較大的形態(tài)設計要素，提取流程如圖2所示。同時，居住空間虛擬環(huán)境的搭建以及樣本的選取也應該遵循要素解構結果。

圖2 關鍵形態(tài)設計要素提取流程Fig.2 Extraction process of key shape design elements

2 眼動實驗與分析

2.1 場景知覺與眼動技術

居住空間作為一個真實場景(Real-world Scene)，其本身是一個包含著大量刺激信息的復合體。這些刺激信息不僅包括上述的點、線、面、體、空間等形態(tài)設計要素，也包含這些設計要素之間的構成法則以及感性意象。人通過感官得到的場景世界的信息，再經(jīng)過大

腦的加工，產(chǎn)生了對場景整體的認識。在這個過程中，人們并不是對每一個目標都予以注視，而是有選擇地注視他們感興趣的情景區(qū)域或者某些刺激物。也就是說，人的視覺認知是一個零散的過程，通過整合小區(qū)域感知來形成整體的視覺意象[6-8]。場景認知過程中的顯著特征就是眼球的運動。運用眼動追蹤技術，就可以獲取這些注視過程的位置、持續(xù)時間和運動信息，從而對人們的視覺和心理活動進行定量評估。

經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，眼動追蹤技術在認知心理學、市場營銷、人機交互等領域獲得了廣泛應用[9]。在工業(yè)設計領域，利用眼動追蹤技術進行形態(tài)設計要素的提取和評價已經(jīng)獲得普遍的認可。史浩天等[10]對裝載車等機電產(chǎn)品的外觀和內飾分別進行眼動實驗，通過獲取關注度較高的構件來指導和改進設計方案；王震亞，李海旺[11]采用眼動分析法，并以問卷調查法、訪談法作為輔助研究方法，進行汽車造型特征的提??；高小針[12]對高壓電機造型設計要素進行了提取，并結合仿生學進行高壓電機的意象設計；唐觀民等[13]利用眼動追蹤技術對羽絨服的設計風格特征進行提取，深入探究服裝品牌的設計基因；張丙辰[14]則通過眼動追蹤技術，提取了列車內裝環(huán)境的造型要素，并用于構建視覺意象與列車內裝環(huán)境之間的關聯(lián)模型。

2.2 實驗素材選取

以定員60人的海洋平臺為例，四人間和六人間的房間數(shù)占總房間數(shù)的比值達到73.4%，居住人數(shù)上占總定員人數(shù)的比值達到90%(見表1)。因此，將四人間和六人間作為實驗設計首選材料。

表1 定員60人海洋平臺房間分布Table 1 Room capacity for 60 people on offshore platform

依據(jù)定員60人的海洋平臺四人間和六人間的設計圖紙，經(jīng)過網(wǎng)絡搜索、實地調研的方式收集了居住空間圖片，利用3DMax和UE4軟件對四人間、六人間進行舾裝設計和虛擬空間的搭建，包括兩種設計風格四人間A、四人間B，將四人間A的某些形態(tài)設計要素更改后的四人間C以及六人間D，如圖3所示。借用虛擬現(xiàn)實技術還原居住空間舾裝設計進行眼動實驗具有如下優(yōu)勢：

圖3 不同風格及規(guī)格居住用房虛擬空間Fig.3 Virtual space of residential houses of different styles and different specifications

(1)現(xiàn)在市場已經(jīng)由生產(chǎn)導向轉變?yōu)橐韵M者為主導的行銷導向，產(chǎn)品更新迭代加快。憑借虛擬現(xiàn)實技術強大的渲染能力，可以在虛擬空內將產(chǎn)品真實地展現(xiàn)出來，用戶對居住空間進行的感官體驗全面自然，并且不受環(huán)境地點和經(jīng)濟成本的限制，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。

(2)以往的感性工學案例大多是對已經(jīng)成熟豐富的系列產(chǎn)品進行研究，利用虛擬現(xiàn)實技術可以在產(chǎn)品設計初期或者大型項目的籌備階段依靠技術資料豐富樣本空間，從而進行感性工學研究。

(3)借助虛擬引擎的編程系統(tǒng)，可以直接對形態(tài)設計要素進行更換，嚴格的控制實驗變量。

(4)構建的虛擬空間不僅可以進行視覺形態(tài)設計要素的解構和提取，也可以進行其他方面的人體工學研究。

利用空間中的某幾個視角來代表整個立體空間，視角的選擇對于實驗結果有很大的影響。因此在圖片的選取上，不僅要遵循人的尺度和活動規(guī)律，也要保證樣本圖片的全面性和簡潔性，盡量用較少的圖片去反映空間的整體面貌。當空間中元素較多時，優(yōu)先選擇符合人的生活習慣的視角。因為居住空間的逼仄狹窄，并不能在某一視角獲取空間的整體效果，在空間內固定四臺攝像機(視角1、視角2、視角3、視角4)來截取居住空間舾裝效果圖。根據(jù)GB-10000-88立姿人體尺寸(男)，取26～35歲男性眼高的50百分位數(shù)P50=1 572 mm作為攝像機的高度。攝像機的位置和方向依據(jù)要素全面和重點優(yōu)點的原則進行調整。

2.3 眼動實驗設計

假設：海洋平臺居住空間內，某些視覺形態(tài)設計要素是影響居住空間整體設計意象的關鍵要素，并且這些設計要素在不同的房間規(guī)格和不同設計風格內具有一定的一致性。

實驗設備：Eyelink 1000Plus眼動儀(采樣頻率1 000 Hz)，主試機，被試機(分辨率1 920×1 080、刷新率60 Hz)，SR Research頭托(距離顯示器770 mm)。

實驗人員：由于海洋平臺特殊的工作環(huán)境和工作性質，海上工作人員均為男性，選擇32名男性在校本科生和研究生作為被試，年齡分布在17～29歲。所有被試者裸眼或矯正視力正常，且先前均未參加過類似實驗。將A、B、C、D四個房間作為自變量。32名學生隨機分為4組(對應A、B、C、D四個房間)，每組8人，各組之間為組間實驗，各小組內進行組內實驗。在進行組內實驗時，為降低順序效應的影響，采用拉丁方排序。

實驗程序：

(1)被試通過居住空間的全景圖片對各自小組的房間進行瀏覽，熟悉房間基本環(huán)境，排除因為對某個元素產(chǎn)生困惑導致長時間注視停留。

(2)進入實驗室，介紹實驗項目和注意事項，消除實驗前的緊張感。調整座椅高度和前額支架。

(3)采用九點校準法對眼動儀進行校準，提示實驗即將開始。練習實驗：向被試者呈現(xiàn)實驗指導語，觀看在計算機上呈現(xiàn)的圖片。每張圖片呈現(xiàn)5 000 ms之后黑屏3 000 ms，進入DriftCorrection糾正隨著時間的推移可能累積的注視位置計算中的小漂移，播放下一張圖片。練習實驗結束，提示正式實驗開始，正式試驗流程與練習實驗相同。

(4)實驗結束。

2.4 結果分析

使用Data Viewer軟件，將實驗結果按照熱圖形式呈現(xiàn)(見圖4～7)。

從A組的熱圖來看，注視點基本按照形態(tài)要素進行分布，驗證了形態(tài)設計要素解構的合理性。其中床頭燈、床梯、門把手、電視、消防器材獲取了較大的關注(見圖4)。

圖4 A組熱圖Fig.4 Group A heat map

A、B兩組在設計風格上大不相同。由于部分物品

擺設位置的不同在關注點的分布上也稍有區(qū)別。除了床頭燈、護欄、電視等要素之外，視角中可見的衣物掛鉤也吸引了極大的關注(見圖5)。

圖5 B組熱圖Fig.5 Group B heat map

C組相對于A組將護欄改為鋼管型的護欄，并更換了椅子和床頭燈的造型以及床簾的顏色。此三組圖片在關注點上并沒有明顯的區(qū)別，點元素中床頭燈、柜門拉手獲得的關注最多，床鋪的護欄和床梯作為線元素也獲得較多的關注，說明這些設計要素更能夠引起被試者的興趣(見圖6)。

圖6 C組熱圖Fig.6 Group C heat map

D組作為六人間，視野面積更加開闊，注視點也變得相對分散。但是在興趣點上依舊是床頭燈、柜門拉手、護欄、床梯等形態(tài)設計要素，與四人間沒有顯著區(qū)別(見圖7)。

圖7 D組熱圖Fig.7 Group D heat map

所有樣本按照形態(tài)設計要素劃分興趣區(qū)，導出數(shù)據(jù)。眼動實驗包含第一注視點時間、注視時間、注視次數(shù)等多種指標。選擇注視時間作為評價指標，某一興

趣區(qū)的注視時間越長，則表明對這一區(qū)域越感興趣，即更能夠影響房間的整體意象。對于同一被試的同一設計要素注視時間取和，計算各要素注視時間占總時間比值并進行單因素方差分析，結果如表2所示。由上表可知，床頭燈、柜子拉手、護欄、床梯、窗簾、電視是對視覺意象影響較大的要素。

表2 單因素方差分析Table 2 ANOVA

續(xù)表2

床頭燈、門把手、柜子拉手、地腳線、陰角線、護欄、床梯、窗簾軌道、床簾軌道、門、床頭板、床簾、桌面、電視、椅子、沙發(fā)、滅火器、枕頭、頂燈在房間類型上并沒有顯著差異(P>0. 05)，即并沒有因為房間風格或規(guī)格的改變而產(chǎn)生興趣區(qū)的改變。衣物掛鉤、柜子、床單、窗簾、浴室門、臺燈、茶幾存在顯著差異(P<0. 05)，通過LSD事后比較以及熱圖可知是因為視角選擇不同使得某些要素更多的暴露在視野中造成的。相比之下，六人間的布局使得柜子、床占據(jù)了更大的視野面積，這也相應增加了受關注程度。

綜上所述，能夠引起被試較大的興趣，引發(fā)感性意象的要素可以大致分為三類：一是床頭燈、門把手、柜子拉手、護欄、床梯等點線元素，其本身特性就可以吸引目光，激發(fā)聯(lián)想。這類要素材質基本固定，可以進行造型相關的設計；二是床簾、窗簾、柜子、門等占據(jù)較大視野面積的元素，可以在表面裝飾和色彩上進行選擇；最后是滅火器、電視機等特殊設備也引起較大關注。

3 專家評估

專家評估法是在定性分析的基礎上，以打分的形式作出定量評價。在海洋平臺居住空間缺乏足夠的設計經(jīng)驗和設計樣本的情況下，專家評估法尤其適合。并且眼動分析只能夠分析用戶對房間內某一要素興趣程度，并不能直接判定某一構件對人的視覺關注起主要做用的是造型因素還是色彩因素，專家評估法將對眼動分析結果進行補充。評估表中將空間內多個色彩要素歸結為布藝色彩(窗簾、床簾、床單)、家具色彩(椅子、沙發(fā)、茶幾、柜子)、門色彩(房門、浴室門)進行評估。本次評估采用打分形式進行，每項最高分為7分，共邀請到高校專家兩名，企業(yè)專家三名，均有五年以上的從事工業(yè)設計或船舶舾裝設計經(jīng)驗。綜合專家評估打分普遍較高的要素(每項滿分35分)，主要集中于床頭板(35分)、沙發(fā)(34分)、床梯(33分)、柜子(33分、)床頭燈(32分)、護欄(31分)、椅子(31分)、家具色彩(30分)、布藝(28分)、門(27分)，詳見要素打分情況統(tǒng)計表(見圖8)，評分結果與眼動分析結果基本一致。除此之外，還可以看出企業(yè)專家對門、柜子、沙發(fā)、椅子、臺燈等實用型家具更為看重，而高校專家則更加在意布藝和家具的色彩因素對整體視覺環(huán)境的影響。

圖8 專家評估Fig.8 Expert evaluation

4 結語

本文利用虛擬現(xiàn)實技術對海洋平臺居住空間進行了搭建，擺脫了時間地點的限制，也為眼動分析提供了實驗樣本。采用組間實驗和組內實驗結合的方式對四組不同風格及規(guī)格的房間進行眼動實驗。經(jīng)過熱圖和數(shù)據(jù)分析并結合專家評估，驗證了形態(tài)設計要素劃分的合理性，得出床頭燈、門把手、護欄、床梯、窗簾、門、電視等要素是關注度較大的要素，并且在不同的房間內這些重點要素具有一定的一致性。

對居住空間形態(tài)設計要素的提取是量化居住空間感性設計的前提，為后續(xù)探究形態(tài)設計要素與感性意象之間的關系提供了基礎。此類設計方法對于汽車、輪船等外觀和內飾設計優(yōu)化以及火車站、機場等前期規(guī)劃同樣適用。隨著虛擬眼動分析技術的日益成熟以及整合更多眼動指標，這種設計要素提取的方法將會更加完善。