基于事件相关电位的产品意象-语义匹配评估

陈 默 王海燕 薛澄岐 邵 将

(东南大学机械工程学院，南京 211189)

基于事件相关电位的产品意象-语义匹配评估

陈 默 王海燕 薛澄岐 邵 将

(东南大学机械工程学院，南京 211189)

摘 要:为了揭示视觉形象的感性认知规律，采用低唤醒度的事件相关电位(event-related potentials，ERP)研究用户对产品意象认知的评价反馈.实验设计了以跑车形态作为启动刺激，并设置了由强至弱的4个匹配等级语义形容词作为检测刺激，分别为相关词、近义模糊词、远相关模糊词和无关词.实验结果表明:无关词和模糊词能够诱发出稳定的N400成分，并且具有相同的头皮分布;近义模糊词在不同唤醒度的评估条件下具有不同的评估结果.研究表明，从视觉认知的神经加工机制出发，ERP能够客观、有效地获取用户对产品意象认知的内隐反馈，这为匹配度进行级别量化、建立产品意象的精确映射评估模型提供了量化指标.

关键词:产品意象;语义匹配;事件相关电位;跑车;N400

在感性消费时代，成功的设计往往是设计师理念与用户意象高度匹配下的产物［1］.但由于感知意象过程的复杂性以及产品形态本身所蕴含意象的丰富性，设计师要在产品投放市场之前得到目标群体对产品形态的感受反馈非常困难.因此，若在产品设计过程中，凭借某种手段帮助设计师准确获得用户的意象反馈，不但能够提高产品开发的成功率，而且能够提升用户的使用体验.

目前，设计界针对产品形态的感知意象获取主要通过心理和生理2种实验手段，前者利用调查问卷及里克特量表获取被试对产品的意象认知，并通过感性工学构建基于使用者感性意象的产品设计法则［2-3］;后者主要是借助传感器等测量仪器，获得心跳、面部表情、眼球运动等生理指标的变化［4-5］，从而了解用户对产品形态的意象反馈.大量文献证明，利用以上方法进行研究不仅具有较高的操作性，而且获得了显著的研究成果.但这些方法仍然存在以下弊端:心理学采用的意象问卷法唤醒度较高，而且容易受到外界因素的干扰，被试回答的真实性有待商榷.此外，随着产品设计的多样化，如复古车既包含复古的元素，又具有当代时尚的标签，语义差异法的双向形容词量表并不符合对产品意象的评估［6］.同时，由于工业产品不同于电影、音乐等高唤醒度的刺激材料，被试的情绪波动较小，导致相应的生理信号缺失.因此，在当今日益变化的设计环境下很难再用传统手段准确地获取产品意象.

近年来，最新的研究方法是以贴近人类认知本源属性的视角对心理活动背后的神经加工机制进行探索.如语言学家运用事件相关电位(event-related potentials，ERP)与脑功能成像技术(fMRI，PET，MEG)研究人类语言认知加工过程的内在规律，极大地促进了语言学的发展，并提出内源性成分N400(400 ms负波).N400是与语境歧义处理相关的高级认知电位［7］，该成分能够敏感地检测词在语义上的关系.目前，国内外针对N400主要是通过控制不同的条件，对备受争议的N400加工机制以及神经发生源［8-9］进行研究.此外，随着N400研究范式的成熟，其他领域的学者也同样发现了N400并进行应用.如在行为学中，N400存在于不一致或者难以理解的行为中［10］;在设计学领域，N400存在于风格搭配迥异的桌椅组合中［11］;在管理学领域，不符合逻辑的决策行为也会产生N400［12］.以上研究进展证实了 N400成分的稳定性与敏感性.

本文在相关学科研究工作的基础上，通过ERP技术记录大脑对刺激信息的反应，以了解认知过程中大脑的相关神经电生理改变.该改变是自发的且不受被试主观意志所控制，因此与以往针对产品意象的自我报告等方法相比有本质上的突破.并借助N400的波幅、潜伏期与行为学数据，考察多个语义词下，传统的外显评估技术难以涉及的用户内隐认知过程与意象匹配关系，为设计师获取用户的意象反馈提供客观的生理测量手段.

1 产品意象认知实验研究与假设

1.1 实验方法

目前由于消费需求的多样化，产品形态与语义表征之间往往存在着一对多的映射关系.跑车作为代表性的现代工业产品之一更是不例外，虽然丰富的形态设计满足了用户的感性选择却增加了设计师获取用户意象的难度，同时跑车能够引起被试较大的脑区活跃度，产生较大的脑电信号［13］.基于此，本研究以跑车为案例进行研究.

根据对语义形容词和目标产品产生的意象在感知层面上匹配程度的评估，依据匹配度的高低将其分为语义相关词、语义模糊词(近义模糊词、远相关模糊词)以及无关词(见表1).并通过预实验的问卷调查筛选出符合用户感知的4种水平语义形容词“酷炫”、“自由”、“典雅”与“质朴”，作为实验中的语义检测材料.

表1 语义词不同匹配等级及相关性描述

1.2 研究假设

产品意象一方面具有将刺激物抽象化的特性，另一方面需要根据自己的背景知识进行认知判断，因此本研究相对于以往N400面向图片命名、分类的研究，具有一定的延伸性.实验作如下假设:①在获取产品意象的汉语语境中，语义无关词与相关词相比将会产生更大的N400波幅;②语义无关词、相关词、模糊词三者的神经发生源是不同的.

2 实验

2.1 被试

招募24名具有设计学背景的研究生作为被试，他们非常熟悉各种工业产品的意象语义，年龄22～28，男女比例1∶1.母语均为汉语，视力正常或校正后视力正常，无精神疾病，为自愿参加，实验后有一定报酬作为奖励.

2.2 实验材料

本研究采取“启动-目标”的实验范式，启动材料是网络上收集的30种不同形态的前侧45°跑车图片，为排除不相关因素的影响，所有图片均经过Photoshop去色以及统一尺寸处理，放置在屏幕中央的区域内(4.0 cm ×11.5 cm)，背景色均为白色，呈现在17英寸(43 cm)的显示屏中，测试距离为70 cm.由心理学软件E-prime实现程序的编写及行为数据的采集，该软件包含E-Studio，E-Run等6项功能.

2.3 实验程序

每次测试首先在屏幕中央呈现引导被试注意的十字叉(500 ms)，然后随机呈现跑车图片2 000 ms，当其消失后，呈现1 000 ms的白屏，以消除被试视觉残留，随后呈现检测词，若该词符合对刺激图片的描述被试按“A”键，不符合按“L”键.做出反应后自动进行下一个序列呈现，一组实验完成后，被试可获得短暂的休息，然后进入下一组实验.4组实验共需花费被试约20 min，呈现流程如图1所示.

图1 实验流程图

2.4 EEG记录和数据分析

本实验使用Neuro Scan脑电记录系统完成数据采集及数据分析，64导电极帽(Agcl)记录靶字诱发的脑电，电极的阻抗维持在5 kΩ以下.滤波器设定为从0.5～100 Hz，采样率为1 kHz，以双耳乳突为参考，完成连续记录.完成连续EEG记录后离线处理数据，对记录的数据进行分段，选择靶字呈现前200 ms和呈现后800 ms作为分析时程，总时程为1 000 ms.自动校正眼电伪迹，并排除超出±80 μV的伪迹.

由总波形图可知，在200～600 ms时波幅以及前额和顶部脑区激活度最大，最终选取了该时间窗口的19个电极点:F7，F5，F3，F1，FZ，F2，F4，F6，F8，C5，C3，C1，CZ，C2，C4，C6，P5，PZ，P6，并运用SPSS进行重复测量方差分析.其中，电极点F代表额(frontal)，C代表中央(central)，P代表顶(parietal).

3 实验结果

3.1 行为数据

表2显示了4种语义词与跑车不同搭配下的反应时与正确率的实验结果.由表可知，跑车与“酷炫”、“质朴”2个意象词的搭配正确率都非常高，而且离散度较小(标准差SD=0.35)，表明被试一致认可这2个语义词能够从正负词性对跑车进行描述.“自由”一词也具有较高的正确率(M=80.5%，M为正确率的平均值)，但是内部差异较明显(SD=0.74)，表明被试尽管认可“自由”这个形容词能对跑车意象进行表征，但不是很确定.“典雅”的正确率最低，离散度最高(M=42.2%，SD=0.90)，表明大部分被试认为该词不适合表征跑车意象.

表2 不同条件下行为数据描述性统计(样本为24个)

另外，由反应时数据可看出，“酷炫”(M=818.408，SD=94.97)与“质朴”(M=868.069，SD=73.89)这2个极为匹配与极不匹配的词组反应时间明显为最短，“自由”(M=1 306.738，SD=161.43)的 反 应 时 稍 短 于 “典 雅 ”(M=1 518.589，SD=191.85)，而“典雅”相较于“酷炫”则花费将近2倍的时间，说明该词消耗了被试大量的认知资源，带来一定的困扰.重复测量方差分析显示，反应时组间主效应显著 (F=8.372，p=0.000 ＜ 0.001)，交互效应不显著(p=0.683 ＞0.05).

3.2 脑电数据

表3显示了 N400在“跑-酷”、“跑-自”、“跑-典”和“跑-质”4种条件下的平均波幅，分别为0.417，1.428，1.898，2.463 μV，其中 C1 在潜伏期367 ms 附近分别达到峰值-2.461，-1.343，0.387，1.783 μV.FZ 在潜伏期 385 ms 附近分别达到峰值-0.916，-0.184，0.522，1.908 μV，如图2所示.

图2 4种条件下的N400波幅(200～600 ms)

表3 N400在4种条件下来自19个电极的平均波幅 μV

由重复测量方差分析得出:条件的主效应(F=6.493，p=0.000 ＜0.001)及条件与前后位置的交互效应均显著(F=2.181，p=0.009 ＜0.05)，表明不同的词组搭配导致了不同的脑区活动.图3显示了4种条件下的N400波幅.对“跑-质”与“跑-酷”2组再次进行ANONA分析可知，主效应(F=3.835，p=0.008 ＜0.05)、交互效应(F=3.835，p=0.017＜0.05)都显著，说明在前额和中央区域，前者比后者有更大的波幅;同样对“跑-典”与“跑-酷”进行分析，前者的N400波幅依然大于后者，主效应(F=2.746，p=0.037 ＜0.05)与交互效应(F=3.722，p=0.010 ＜0.05)皆显著;但是，对“跑-自”与“跑-酷”2组实验数据进行对比发现，电极的交互效应(F=2.329，p=0.067 ＞0.05)不显著，这一结果差异在讨论中将进行详细分析.

3.3 脑地形图分析

根据3种脑地形图分布，可知由“典雅”与“质朴”2个语义词启动的头皮负电位差异最大.随着时间的推移，“典雅”该组实验的激活区由额叶(见图3(a))逐渐移向中顶部(见图3(b))，并在中央顶部(见图3(c))达到最大的激活度;由“质朴”诱发的脑激活区主要出现在前部额叶(见图4)，并没有增大脑区的趋势，但是波幅明显要比“典雅”所诱发的波幅大.从脑电数据的分析以及脑地形图的描绘中可知，“跑-质”与“跑-典”相对于“跑-酷”都产生了较大的N400波幅.下面利用差异波分析“跑-质”与“跑-典”两者的神经发生源，进一步检验这2个条件下的N400是否分布于不同的脑区.

图3 “跑-典”条件下不同时间段脑地形图

图4 “跑-质”条件下不同时间段脑地形图

ANONA分析表明，类别与左右位置(前额中央、中央、后部中央)分布不具有明显的交互效应(F=31.884，p=0.208，p＞0.05)，表明由“典雅”与“质朴”2个语义词所诱发的N400效应在前面脑区具有一致的地形分布，主要集中在中央区域，如图4所示.说明被试对语义无关词与模糊词的加工，有相同的神经元群参与了认知加工过程.

4 讨论

本文运用低唤醒度的工业产品图片作为启动刺激，由意象形容词作为检测的条件下，观察被试在由产品形成的内隐语境情况下是否能够激起相关的N400效应.实验结果表明，在低匹配度条件下的模糊词与不相关词均能产生N400成分.通过该实验不仅证明了N400成分反映的是与语言加工处理相关的认知机制，而且捕捉到了与产品感性相关的脑电认知规律.因此，N400效应不仅可以作为语言学家纯粹的语言认知研究，在设计领域中也可以作为设计师收集用户意象反馈的获取手段.

4.1 产品意象的语义词匹配评估

时间设置参照文献［11-12］，在练习实验中将启动刺激呈现时间设置为1 500 ms，但被试在实验后反映时间压力较大.考虑本研究对象形态的复杂性，正式实验中将呈现以及消除视觉残留2项时间均相应增加500 ms.

基于被试的行为数据发现，当语义词为非常匹配与非常不匹配时，用户的评估处理较为高效，而当语义词处于不明确状态时，用户较难做出决策判断，反应时间显著延长，正确率降低.这一点与Lin等［11］针对产品(以图形呈现)的靶刺激的ERPs研究具有不一致性，经分析可知当产品意象以不同形式进行外显表征时(语义词、概念草图、产品)，会激起被试不同的认知加工机制，Stenberg等［14］同样证实了不同的表征方式具有不同的优先效应.

4.2 N400

当语义词处于不相关及模糊状态时，“典雅”和“质朴”均产生了N400，证实了产品所营造的意象同样能够使被试形成内隐的语境并产生语义期待，与前人研究结果一致［7］.

预实验与行为实验的结果均反映“自由”一词用来表征跑车的意象具有一定的认知模糊性，但通过脑电数据的分析发现，该词具有与“酷炫”一致的认知结果，产生这种差异的原因可能是被试在一定程度上仍然受到大众媒体对跑车的宣传影响，根据Fazio等［15］的研究可知，熟悉度对态度行为有显著影响.其中态度可接近理论表明，个体对某事物的态度越是强烈，那么他从记忆中提取该事物的相关信息就越简单.因此当匹配词在媒体上出现频率较高时，被试花费较少的时间和精力就可以更好地对其进行理解，从而有利于检测词语的提取和激活;当语义词出现频率较低时，被试熟悉度降低，需要从记忆中提取与检测刺激相关的信息，才能进行更深入、充分的加工.本研究从潜伏期及波幅变化再次证明传统的SD法及行为数据仅仅依靠被试的决策结果，而忽略内隐认知过程中所产生的态度倾向及熟悉度，具有一定的研究局限性.

5 结语

N400为产品的感性认知提供了客观的脑电生理依据.当意象形容词处于不相关及模糊状态时，均能产生明显的N400效应，并且具有一致的神经发生源，在设计领域中可作为获取用户意象反馈的生理脑电指标之一.低唤醒度的ERP与高唤醒度的问卷调查、行为学实验在获取产品意象认知反馈过程中具有不一致的评估结果.N400波幅大小与匹配度级别具有相关性，匹配级别越低，N400波幅越大.接下来需要对匹配度进行量化研究，建立精确的产品意象-语义映射评估模型.未来可选用不同知识背景的被试以及形态意象不鲜明的普通工业产品进行ERP研究，以提高研究结论的信效度和普适性.

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Match judgments of semantic word-product image based on event-related potential

Chen Mo Wang Haiyan Xue Chengqi Shao Jiang
(School of Mechanical Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China)

Abstract:In order to explore the perception regulation of visual images，a method using low arousal event-related potentials(ERP)is proposed for assessing the product images cognition of users.The experiment takes the sports car as the prime stimulus and four matching levels of semantic words from a high level to a low level as the target stimulus including the related words，nearly-related vague words，far-related vague words and unrelated words.Experimental results show that the unrelated words and the vague words can elicit a reliable N400 component and have the same scalp distributions.However，the nearly-related vague words in different arousal conditions have different evaluation results.It is shown that，from the neural activity of visual cognition，the ERP can obtain the implicit feedback of product images objectively and effectively.Furthermore，the ERP can provide a quantitative index to quantify the level of matching and establish the mapping model of the product images.

Key words:product image;semantic match;event-related potentials(ERP);sports car;N400

中图分类号:TP391.7

A

1001-0505(2014)01-0058-05

doi:10.3969/j.issn.1001-0505.2014.01.011

收稿日期:2013-07-03.

陈默(1986—)，女，博士生;王海燕(联系人)，女，博士，副教授，why-box@163.com.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(71271053)、教育部人文社会科学研究规划基金资助项目(12YJAZH134).

陈默，王海燕，薛澄岐，等.基于事件相关电位的产品意象-语义匹配评估［J］.东南大学学报:自然科学版，2014，44(1):58-62.［doi:10.3969/j.issn.1001-0505.2014.01.011］