基于眼动实验的高压电机意象仿生设计

高小针,张阿维

(西安工程大学 机电工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

随着技术同质化日益加剧,以物质功能为主导的设计逐渐偏离市场需求．高压电机是技术约束较高的动力设备,受自身结构的影响,高压电机产品造型单一,品牌识别度较低．面对日益激烈的品牌竞争,高压电机产品需进行造型创新以适应市场发展．将意象仿生设计方法融入高压电机造型设计中,可有效传达高压电机产品内涵信息,提升品牌形象,增强文化适应性[1]．

关于“意象”,文献[2]介绍了意象的概念,从功能和审美2方面解读了产品意象;文献[3]分析了生物意象、产品意象及仿生意象的关联．意象仿生造型在产品创新设计领域的探讨较为丰富,其中文献[4]归纳出了陈设陶艺中的3类意象仿生手法; 文献[5]通过建立意象尺度空间,约束产品形态仿生结果; 文献[6]阐述了文化仿生属于意象仿生范畴,提出文化仿生应用于汽车造型设计的方法; 文献[7]利用模仿生物的意象尺度, 衡量仿生结果与生物原型的相似距离; 文献[8]探索了意象仿生设计在家用纺织品设计中的应用．

综上,现有意象仿生研究多以生物原型意象为主展开探索,而针对目标产品的分析较少．本文利用眼动实验,辨识高压电机产品造型设计兴趣区域,给出基于眼动实验的意象仿生设计程序．有针对性的将生物意象特征应用到高压电机产品个性造型部位,提高生物意象信息传达效率．帮助设计师进一步量化约束仿生设计过程,更好的权衡意象表现与技术约束之间的关系．

1 仿生设计程序

用户视觉感知是解码产品符号信息的主要途径．针对用户视知觉的研究能够更好地指导设计工作．眼动追踪技术是实现视知觉感知信息数值化的重要方法[9]．通过眼动实验对被试者的瞳孔与视线轨迹进行测量,利用定性和定量方法综合分析,能够探索人类潜在的心理活动和想法．利用眼动实验探索用户观察产品样本图片时的注视特点,根据获取的眼动热点图和眼动数据(注视持续时间、转频次数),分析和提取影响用户视觉感知的产品个性造型特征,从而得到客观理性的目标产品特征认知分析结果．

结合产品意象仿生和眼动实验应用研究相关文献内容[10-15],可将基于眼动实验的意象仿生设计过程概括为以下几部分:(1)确立设计目标概念与准则;(2)选取仿生原型生物;(3)生物形态意象解构;(4)基于眼动实验的产品造型设计要素辨识;(5)生物形态特征与产品造型要素匹配;(6)匹配方案呈现;(7)仿生结果有效性评价．具体步骤如图1所示．

图 1 基于眼动实验的意象仿生设计程序Fig.1 Image bionic design flow based on eye-tracking experiment

2 高压电机意象仿生设计实例

2.1 设计目标和准则

设计目的是设计活动的意义;设计准则是实现设计目的指导原则．高压电机意象仿生设计目的包含2方面:一是隐喻电机内涵信息;二是彰显品牌形象．约束高压电机意象仿生表现的原则包括模仿原型的选取、仿生意象的偏好确定以及仿生方案的评价因子．

2.2 意象特征与仿生对象选取

高压电机是一款适用性较强的驱动设备,能够配合各种不同机械使用．高压电机自身性能与产品文化决定其科技、安全、驱动力等意象特征．此外,高压电机机身庞大,使用环境广泛,这要求电机造型在视觉上具有更强的稳定感和亲和性．

高压电机模仿生物选取时应满足2个要求:一是模仿生物原型为人们所熟知;二是生物形态应给人稳定、安全、亲和与力量感等意象．在查阅大量生物图片及相关资料后,找到大象、河马、犀牛、北极熊等形体粗壮的生物．经分析,大象不仅满足仿生原型选取条件,而且中国传统文化里“象”与“祥”谐音,寓意吉祥,适应地域文化需求,因此将大象作为高压电机仿生对象．

2.3 大象意象特征分析

通过对大象的生活习性观察、问卷调研与图片资料对比,大象形态整体圆润粗壮,物理形态结构简单,给人留下了温顺、亲切、友好、安全、稳重、力量的意象感受．大象属于长鼻目,鼻子是典型识别特征,其余形态特征包括牙齿、耳朵、眼睛、大腿、足部以及整体躯干轮廓．由于高压电机整体结构与大象正侧角度形态匹配较高,因此将大象正侧常态行为作为模仿原型图,如图2所示．

2.4 基于眼动实验的高压电机认知分析

如图3是YKK-500型高压电机,整体造型设计要素部位较多．借助眼动实验能够客观的辨识高压电机造型设计要素．具体实验过程如下:

图 2 大象常态行为动势 图 3 YKK500高压电机形态Fig.2 The normal behavior of the elephant Fig.3 The form of YKK500 high-voltage motor

(1) 实验目的 辨识高压电机造型设计要素,量化分析各造型设计要素认知排序．

(2) 实验对象 实验对象是16名,男女各8名,平均年龄在23～35岁．其中14名是工业设计专业研究生,2名为工业设计专业教师．被试对象裸眼视力均达到1.0,且无色盲与色弱,这些实验对象均有形态仿生经历且从未见过本实验所提供的测试样本．

(3) 实验设备及样本 屏幕式眼动仪型号为Tobii X2-30,采样率为60 Hz；数据分析软件工具为ErgoLAB1.7.02．实验样本为6张相似角度的高压电机图片,分别选自国内外具有代表性的6个不同企业,包括ABB(表示为a)、WEG(表示为b)、西门子(表示为c)、安徽皖南(表示为d)、佳木斯(表示为e)、湘电(表示为f)．为减少实验数据误差,6张样本材料采用统一展示尺寸和分辨率,且各图像中电机位置与大小比例保持一致．

(4) 实验流程 实验开始前需向被试者讲解实验过程及注意事项,以确保实验的准确性与针对性．同时须保证6张图片的呈现时间相同且合理,均设为8 s,设置时间太长会引起视觉疲劳,而时间太短则不易对样本进行全面观察．每位被试者测试完后需接受访谈和问卷调查,以确保样本视知觉信息的准确性[16]．图4为实验流程图．

图 4 眼动实验流程图Fig.4 The flow chart of eye-tracking experiment

(5) 实验数据分析 如图5,导出实验样本眼动热点图,通过热点图分析得到被试者视觉偏好区域集中在端盖、风罩、吊耳、接线盒及底角5个造型设计部位(要素)．将这些造型设计部位划分为兴趣区域:AOI1表示端盖;AOI2表示风罩;AOI3表示吊耳;AOI4表示接线盒;AOI5表示底角.各样本划分兴趣区域后如图6所示．

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)图 5 眼动实验热点图Fig.5 The hot map of eye-tracking experiment

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)图 6 高压电机样本兴趣区域划分Fig.6 The interest area of high-voltage motor samples

输出各兴趣区域眼动数据(首次注视时间、注视次数),整理数据得到表1．分析数据,判断各造型要素认知排序．眼动数据指标中首次注视时间越短,表示被试者对该造型要素越感兴趣;注视次数越多,表示该造型要素越重要．

表 1 高压电机造型要素眼动实验数据参数

由表1可知,高压电机各造型设计要素认知重要性从强至弱依次为接线盒、风罩、吊耳、端盖和底角．

2.5 大象意象特征与高压电机造型特征匹配融合

根据格式塔心理学理论,人在认知事物时是一个由整体到局部的过程．因此高压电机整体轮廓是影响用户认知的重要造型要素．结合大象形态解构和高压电机造型特征认知分析结果,得到表2．

在特征匹配环节,有针对性的将生物意象特征应用于产品造型个性特征区域,从视觉认知上保证意象特征的有效呈现．对于无法匹配生物特征且相对重要的产品造型要素,如端盖和风罩,需借助文化意象进行造型．电机企业地处古城西安,人文底蕴深厚，因此在端盖处融入回纹元素,凸显地域文化特色．此外,回纹有吉祥的寓意,与大象物理名“象”字相呼应．企业标识为“SIMO”,其中的“M”寓意合作共赢,风罩设计采用此造型能够增强品牌识别性．

表 2 大象形态与高压电机造型特征匹配

2.6 仿生方案有效性评估

根据表2中生物意象特征与产品造型特征的匹配结果,抽象简化后形成3个(分别用A,B,C表示)初步方案(电机正侧造型具有代表性),如图7所示．

图 7 高压电机仿生方案Fig.7 The bionic design plan of high-voltage motor

方案评价阶段,利用层次分析法得到表3中的评价项目,方案满意度评价采用直接打分法．评价人员共20名,其中8名专家、6名设计人员、2名企业工程员及4名电机采购员．直接打分法根据统计得分最高者即为最佳方案[17]．

根据方案评价表3得到的方案A,B,C得分分别为40.63，49.94，43.74，方案评价统计得分最高为B方案,则最优方案为B方案,计算机可视化呈现如图8所示．

表 3 仿生方案评价

图 8 高压电机仿大象效果图Fig.4 The imitation elephant photos of high-voltage motor

3 结束语

意象仿生设计是当下产品创新设计的重要思路、途径与方法．基于眼动实验的意象仿生设计方法解决了设计师依靠主观经验决策生物意象特征匹配产品造型特征的问题,高效呈现生物意象特征信息,为意象仿生过程提供科学依据,促进设计师与消费者达成意象认知共识．文中以高压电机意象仿生设计过程验证了基于眼动实验的意象仿生方法的可行性与适用性,为相关产品设计提供指导．

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