基于眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的高壓電機(jī)意象仿生設(shè)計(jì)

高小針,張阿維

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著技術(shù)同質(zhì)化日益加劇,以物質(zhì)功能為主導(dǎo)的設(shè)計(jì)逐漸偏離市場需求．高壓電機(jī)是技術(shù)約束較高的動(dòng)力設(shè)備,受自身結(jié)構(gòu)的影響,高壓電機(jī)產(chǎn)品造型單一,品牌識別度較低．面對日益激烈的品牌競爭,高壓電機(jī)產(chǎn)品需進(jìn)行造型創(chuàng)新以適應(yīng)市場發(fā)展．將意象仿生設(shè)計(jì)方法融入高壓電機(jī)造型設(shè)計(jì)中,可有效傳達(dá)高壓電機(jī)產(chǎn)品內(nèi)涵信息,提升品牌形象,增強(qiáng)文化適應(yīng)性[1]．

關(guān)于“意象”,文獻(xiàn)[2]介紹了意象的概念,從功能和審美2方面解讀了產(chǎn)品意象;文獻(xiàn)[3]分析了生物意象、產(chǎn)品意象及仿生意象的關(guān)聯(lián)．意象仿生造型在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)領(lǐng)域的探討較為豐富,其中文獻(xiàn)[4]歸納出了陳設(shè)陶藝中的3類意象仿生手法; 文獻(xiàn)[5]通過建立意象尺度空間,約束產(chǎn)品形態(tài)仿生結(jié)果; 文獻(xiàn)[6]闡述了文化仿生屬于意象仿生范疇,提出文化仿生應(yīng)用于汽車造型設(shè)計(jì)的方法; 文獻(xiàn)[7]利用模仿生物的意象尺度, 衡量仿生結(jié)果與生物原型的相似距離; 文獻(xiàn)[8]探索了意象仿生設(shè)計(jì)在家用紡織品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用．

綜上,現(xiàn)有意象仿生研究多以生物原型意象為主展開探索,而針對目標(biāo)產(chǎn)品的分析較少．本文利用眼動(dòng)實(shí)驗(yàn),辨識高壓電機(jī)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)興趣區(qū)域,給出基于眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的意象仿生設(shè)計(jì)程序．有針對性的將生物意象特征應(yīng)用到高壓電機(jī)產(chǎn)品個(gè)性造型部位,提高生物意象信息傳達(dá)效率．幫助設(shè)計(jì)師進(jìn)一步量化約束仿生設(shè)計(jì)過程,更好的權(quán)衡意象表現(xiàn)與技術(shù)約束之間的關(guān)系．

1 仿生設(shè)計(jì)程序

用戶視覺感知是解碼產(chǎn)品符號信息的主要途徑．針對用戶視知覺的研究能夠更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作．眼動(dòng)追蹤技術(shù)是實(shí)現(xiàn)視知覺感知信息數(shù)值化的重要方法[9]．通過眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)對被試者的瞳孔與視線軌跡進(jìn)行測量,利用定性和定量方法綜合分析,能夠探索人類潛在的心理活動(dòng)和想法．利用眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)探索用戶觀察產(chǎn)品樣本圖片時(shí)的注視特點(diǎn),根據(jù)獲取的眼動(dòng)熱點(diǎn)圖和眼動(dòng)數(shù)據(jù)(注視持續(xù)時(shí)間、轉(zhuǎn)頻次數(shù)),分析和提取影響用戶視覺感知的產(chǎn)品個(gè)性造型特征,從而得到客觀理性的目標(biāo)產(chǎn)品特征認(rèn)知分析結(jié)果．

結(jié)合產(chǎn)品意象仿生和眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用研究相關(guān)文獻(xiàn)內(nèi)容[10-15],可將基于眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的意象仿生設(shè)計(jì)過程概括為以下幾部分:(1)確立設(shè)計(jì)目標(biāo)概念與準(zhǔn)則;(2)選取仿生原型生物;(3)生物形態(tài)意象解構(gòu);(4)基于眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)要素辨識;(5)生物形態(tài)特征與產(chǎn)品造型要素匹配;(6)匹配方案呈現(xiàn);(7)仿生結(jié)果有效性評價(jià)．具體步驟如圖1所示．

圖 1 基于眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的意象仿生設(shè)計(jì)程序Fig.1 Image bionic design flow based on eye-tracking experiment

2 高壓電機(jī)意象仿生設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)和準(zhǔn)則

設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)活動(dòng)的意義;設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的指導(dǎo)原則．高壓電機(jī)意象仿生設(shè)計(jì)目的包含2方面:一是隱喻電機(jī)內(nèi)涵信息;二是彰顯品牌形象．約束高壓電機(jī)意象仿生表現(xiàn)的原則包括模仿原型的選取、仿生意象的偏好確定以及仿生方案的評價(jià)因子．

2.2 意象特征與仿生對象選取

高壓電機(jī)是一款適用性較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備,能夠配合各種不同機(jī)械使用．高壓電機(jī)自身性能與產(chǎn)品文化決定其科技、安全、驅(qū)動(dòng)力等意象特征．此外,高壓電機(jī)機(jī)身龐大,使用環(huán)境廣泛,這要求電機(jī)造型在視覺上具有更強(qiáng)的穩(wěn)定感和親和性．

高壓電機(jī)模仿生物選取時(shí)應(yīng)滿足2個(gè)要求:一是模仿生物原型為人們所熟知;二是生物形態(tài)應(yīng)給人穩(wěn)定、安全、親和與力量感等意象．在查閱大量生物圖片及相關(guān)資料后,找到大象、河馬、犀牛、北極熊等形體粗壯的生物．經(jīng)分析,大象不僅滿足仿生原型選取條件,而且中國傳統(tǒng)文化里“象”與“祥”諧音,寓意吉祥,適應(yīng)地域文化需求,因此將大象作為高壓電機(jī)仿生對象．

2.3 大象意象特征分析

通過對大象的生活習(xí)性觀察、問卷調(diào)研與圖片資料對比,大象形態(tài)整體圓潤粗壯,物理形態(tài)結(jié)構(gòu)簡單,給人留下了溫順、親切、友好、安全、穩(wěn)重、力量的意象感受．大象屬于長鼻目,鼻子是典型識別特征,其余形態(tài)特征包括牙齒、耳朵、眼睛、大腿、足部以及整體軀干輪廓．由于高壓電機(jī)整體結(jié)構(gòu)與大象正側(cè)角度形態(tài)匹配較高,因此將大象正側(cè)常態(tài)行為作為模仿原型圖,如圖2所示．

2.4 基于眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的高壓電機(jī)認(rèn)知分析

如圖3是YKK-500型高壓電機(jī),整體造型設(shè)計(jì)要素部位較多．借助眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩陀^的辨識高壓電機(jī)造型設(shè)計(jì)要素．具體實(shí)驗(yàn)過程如下:

圖 2 大象常態(tài)行為動(dòng)勢 圖 3 YKK500高壓電機(jī)形態(tài)Fig.2 The normal behavior of the elephant Fig.3 The form of YKK500 high-voltage motor

(1) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?辨識高壓電機(jī)造型設(shè)計(jì)要素,量化分析各造型設(shè)計(jì)要素認(rèn)知排序．

(2) 實(shí)驗(yàn)對象 實(shí)驗(yàn)對象是16名,男女各8名,平均年齡在23～35歲．其中14名是工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)研究生,2名為工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)教師．被試對象裸眼視力均達(dá)到1.0,且無色盲與色弱,這些實(shí)驗(yàn)對象均有形態(tài)仿生經(jīng)歷且從未見過本實(shí)驗(yàn)所提供的測試樣本．

(3) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及樣本 屏幕式眼動(dòng)儀型號為Tobii X2-30,采樣率為60 Hz；數(shù)據(jù)分析軟件工具為ErgoLAB1.7.02．實(shí)驗(yàn)樣本為6張相似角度的高壓電機(jī)圖片,分別選自國內(nèi)外具有代表性的6個(gè)不同企業(yè),包括ABB(表示為a)、WEG(表示為b)、西門子(表示為c)、安徽皖南(表示為d)、佳木斯(表示為e)、湘電(表示為f)．為減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差,6張樣本材料采用統(tǒng)一展示尺寸和分辨率,且各圖像中電機(jī)位置與大小比例保持一致．

(4) 實(shí)驗(yàn)流程 實(shí)驗(yàn)開始前需向被試者講解實(shí)驗(yàn)過程及注意事項(xiàng),以確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與針對性．同時(shí)須保證6張圖片的呈現(xiàn)時(shí)間相同且合理,均設(shè)為8 s,設(shè)置時(shí)間太長會(huì)引起視覺疲勞,而時(shí)間太短則不易對樣本進(jìn)行全面觀察．每位被試者測試完后需接受訪談和問卷調(diào)查,以確保樣本視知覺信息的準(zhǔn)確性[16]．圖4為實(shí)驗(yàn)流程圖．

圖 4 眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.4 The flow chart of eye-tracking experiment

(5) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 如圖5,導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)樣本眼動(dòng)熱點(diǎn)圖,通過熱點(diǎn)圖分析得到被試者視覺偏好區(qū)域集中在端蓋、風(fēng)罩、吊耳、接線盒及底角5個(gè)造型設(shè)計(jì)部位(要素)．將這些造型設(shè)計(jì)部位劃分為興趣區(qū)域:AOI1表示端蓋;AOI2表示風(fēng)罩;AOI3表示吊耳;AOI4表示接線盒;AOI5表示底角.各樣本劃分興趣區(qū)域后如圖6所示．

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)圖 5 眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)熱點(diǎn)圖Fig.5 The hot map of eye-tracking experiment

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)圖 6 高壓電機(jī)樣本興趣區(qū)域劃分Fig.6 The interest area of high-voltage motor samples

輸出各興趣區(qū)域眼動(dòng)數(shù)據(jù)(首次注視時(shí)間、注視次數(shù)),整理數(shù)據(jù)得到表1．分析數(shù)據(jù),判斷各造型要素認(rèn)知排序．眼動(dòng)數(shù)據(jù)指標(biāo)中首次注視時(shí)間越短,表示被試者對該造型要素越感興趣;注視次數(shù)越多,表示該造型要素越重要．

表 1 高壓電機(jī)造型要素眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)

由表1可知,高壓電機(jī)各造型設(shè)計(jì)要素認(rèn)知重要性從強(qiáng)至弱依次為接線盒、風(fēng)罩、吊耳、端蓋和底角．

2.5 大象意象特征與高壓電機(jī)造型特征匹配融合

根據(jù)格式塔心理學(xué)理論,人在認(rèn)知事物時(shí)是一個(gè)由整體到局部的過程．因此高壓電機(jī)整體輪廓是影響用戶認(rèn)知的重要造型要素．結(jié)合大象形態(tài)解構(gòu)和高壓電機(jī)造型特征認(rèn)知分析結(jié)果,得到表2．

在特征匹配環(huán)節(jié),有針對性的將生物意象特征應(yīng)用于產(chǎn)品造型個(gè)性特征區(qū)域,從視覺認(rèn)知上保證意象特征的有效呈現(xiàn)．對于無法匹配生物特征且相對重要的產(chǎn)品造型要素,如端蓋和風(fēng)罩,需借助文化意象進(jìn)行造型．電機(jī)企業(yè)地處古城西安,人文底蘊(yùn)深厚，因此在端蓋處融入回紋元素,凸顯地域文化特色．此外,回紋有吉祥的寓意,與大象物理名“象”字相呼應(yīng)．企業(yè)標(biāo)識為“SIMO”,其中的“M”寓意合作共贏,風(fēng)罩設(shè)計(jì)采用此造型能夠增強(qiáng)品牌識別性．

表 2 大象形態(tài)與高壓電機(jī)造型特征匹配

2.6 仿生方案有效性評估

根據(jù)表2中生物意象特征與產(chǎn)品造型特征的匹配結(jié)果,抽象簡化后形成3個(gè)(分別用A,B,C表示)初步方案(電機(jī)正側(cè)造型具有代表性),如圖7所示．

圖 7 高壓電機(jī)仿生方案Fig.7 The bionic design plan of high-voltage motor

方案評價(jià)階段,利用層次分析法得到表3中的評價(jià)項(xiàng)目,方案滿意度評價(jià)采用直接打分法．評價(jià)人員共20名,其中8名專家、6名設(shè)計(jì)人員、2名企業(yè)工程員及4名電機(jī)采購員．直接打分法根據(jù)統(tǒng)計(jì)得分最高者即為最佳方案[17]．

根據(jù)方案評價(jià)表3得到的方案A,B,C得分分別為40.63，49.94，43.74，方案評價(jià)統(tǒng)計(jì)得分最高為B方案,則最優(yōu)方案為B方案,計(jì)算機(jī)可視化呈現(xiàn)如圖8所示．

表 3 仿生方案評價(jià)

圖 8 高壓電機(jī)仿大象效果圖Fig.4 The imitation elephant photos of high-voltage motor

3 結(jié)束語

意象仿生設(shè)計(jì)是當(dāng)下產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要思路、途徑與方法．基于眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的意象仿生設(shè)計(jì)方法解決了設(shè)計(jì)師依靠主觀經(jīng)驗(yàn)決策生物意象特征匹配產(chǎn)品造型特征的問題,高效呈現(xiàn)生物意象特征信息,為意象仿生過程提供科學(xué)依據(jù),促進(jìn)設(shè)計(jì)師與消費(fèi)者達(dá)成意象認(rèn)知共識．文中以高壓電機(jī)意象仿生設(shè)計(jì)過程驗(yàn)證了基于眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的意象仿生方法的可行性與適用性,為相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)．

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 陸冀寧,徐伯初,支錦亦,等.高速列車頭型的意象仿生設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2017,34(9):106-110.

LU J N,XU B C,ZHI J Y,et al.Image bionic design of high speed train head modeling[J].Journal of Mechine Design,2017,34(9):106-110.

[2] 楊艷石,王甜甜,趙仕奇,等.意象造型在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用研究[J].包裝工程,2011(20):42-45.

YANG Y S,WANG T T,ZHAO S Q,et al.Application research on image modeling in product design[J].Packaging Engineering,2011,32(20):42-45.

[3] 徐伯初,陸冀寧.仿生設(shè)計(jì)概論[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2016:57-63.

XU B C,LU J N.Generality of bio-inspired design[M].Chengdu:Southwest Jiaotong University Press,2016:57-63.

[4] 黃慧.陳設(shè)陶藝中的意象仿生設(shè)計(jì)[J].文藝爭鳴,2011(10):150-151.

HUANG H.Image bionic design of furnishing ceramics in art[J].Dictionaries of Literature and Art,2011(10):150-151.

[5] 杜鶴民.基于產(chǎn)品語義的形態(tài)仿生設(shè)計(jì)方法研究[J].包裝工程,2015,36(10):60-63.

DU H M.The form bionic design based on the product semantics[J].Packaging Engineering,2015,36(10):60-63.

[6] 方方,關(guān)惠元,邵斐,等.文化仿生在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2014,31(11):114-117.

FANG F,GUAN H Y,SHAO F,et al.Application of culture bionics in automobile modeling design[J].Journal of Mechine Design,2014,31(11):114-117.

[7] 付利芳,車建明,周志勇.用戶對仿生產(chǎn)品的感性認(rèn)知尺度研究[J].包裝工程,2015,36(24):96-99.

FU L F,CHE J M,ZHOU Z Y.Users′ perceptual cognitive scale to bionic products[J].Packaging Engineering,2015,36(24):96-99.

[8] 羅世頻.探析意象仿生設(shè)計(jì)在現(xiàn)代家紡中的運(yùn)用[J].上海藝術(shù)評論,2012(4):86-87.

LUO S P.Use of imagery bionic design in modern household fabrics[M].Shanghai Art Review.2012(4):86-87.

[9] 高闖.眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)原理[M].武漢:華中師范大學(xué)出版社,2012:3-10.

GAO C.Eye movement experimental principle[M].Wuhan:Central China Normal University Press,2012:3-10.

[10] 邱楠.論漢字字體設(shè)計(jì)的意象表現(xiàn)[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào),2014,28(5):636-139;645.

QIU N.On the imagery performance of Chinese character font design[J].Journal of Xi'an Polytechnic University,2014,28(5):636-639;645.

[11] 蘇建寧,王瑞紅,趙慧娟,等.基于感性意象的產(chǎn)品造型優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2015,22(1):35-41.

SU J N,WANG R H,ZHAO H J,et al.Product shape optimization design based on perceptual imagery[J].Journal of Engineering Design,2015,22(1):35-41.

[12] 黃凌玉.手機(jī)造型意象認(rèn)知模型的構(gòu)建研究[J].包裝工程,2010,31(2):30.

HUANG L Y.Research on the construction of image cognition model of mobile phone form[J].Packaging Engineering,2010,31(2):30.

[13] 王莉,劉靜偉.基于產(chǎn)品符號學(xué)的服裝設(shè)計(jì)技術(shù)[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào),2011,25(2):188-192.

WANG L,LIU J W.The dress design technique based on product semiotics[J].Journal of Xi′an Polytechnic University,2011,25(2):188-192.

[14] 蘇健寧,王鵬,張書濤,等.產(chǎn)品意象造型設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2013,30(1):97-100.

SU J N,WANG P,ZHANG S T,et al.Review of key technologies of product image styling design[J].Journal of Machine Design,2013,30(1):97-100.

[15] 胡偉峰,張坤,張忠亞.基于眼動(dòng)追蹤技術(shù)的壓裂車外觀設(shè)計(jì)評估研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2015,32(6):109-112.

HU W F,ZHANG K,ZHANG Z Y.Evaluation on modeling design of fracturing truck based on eye-tracking,technology[J].Journal of Mechanical Design,2015(6):109-112.

[16] 李珍,茍秉宸,初建杰,等.一種基于眼動(dòng)追蹤的產(chǎn)品用戶需求獲取方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2015,51(9):233-237.

LI Z,GOU B C,CHU J J,et al.Way of getting user requirements based on eye tracking technology[J].Computer Engineering and Applications,2015,51(9):233-237.

[17] 馬宏宇.游艇外觀造型的仿生設(shè)計(jì)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2013.

MA H Y.Bionic design of yacht appearance modeling[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2013.