服装视错图案对人体视觉和自主神经系统的影响

2021-01-05王佳宁刘成霞永井伸夫柚本玲

纺织学报 2020年5期

王佳宁，刘成霞，2，永井伸夫，柚本玲，周澳

(1. 浙江理工大学服装学院，浙江杭州 310018； 2. 浙江理工大学服装数字化技术浙江省工程实验室，浙江杭州 310018； 3. 文化学园大学机能研究室，东京新宿 179-0021)

视错设计指通过几何排列、成像规律等手段，制作有视觉欺骗作用的图像，达到魔术般的效果。近年来，视错设计被广泛应用到服装中，主要用于修饰体型[1]，或在橱窗设计中引人注意[2]。目前的研究多处于应用阶段，尚缺少用客观手段表征视错图案对人体视觉或自主神经系统产生的具体影响。

国内外的学者研究发现，自主神经系统活动是情绪反应的主要组成部分[3]。HESS等[4]发现当被试者看到愉快的图像时，瞳孔直径增大；看到不愉快的图像时，瞳孔直径减小。然而，NEUHUBER等[5]的研究则表明：当交感神经占据主导位置(即感到不舒适时)，瞳孔直径会增大；当副交感神经占据主导位置(即感到舒适时)，瞳孔直径会减小。BRADLEY等[6]发现，对于高觉醒的视觉刺激，无论该刺激令人愉快还是不愉快，都会导致瞳孔扩张和皮肤电导反应增加，而对于像Stroop任务的复杂认知范例来说，瞳孔会因不一致的刺激产生扩张[7]。可见，瞳孔和心率的指数能够在一定程度上反应人类的情绪变化，但结论尚存在分歧。另外，视错设计形成的刺激对人们的自主神经系统、瞳孔直径、主观感受等造成的影响，以及主客观影响间的关系，还没有得到具体的实验验证。

针对上述问题，本文首先制作有视错图案的半身裙；其次利用眼动仪和筋·心电计，在随机播放半身裙图像时，记录被试者瞳孔直径、注视点、心电图R-R间期、交感和副交感神经系统变化等客观参数；最后结合主观评价，综合研究视错图案对人体产生的影响，研究结果可为视错设计在纺织服装中的应用提供一定的理论参考，以期通过面料图案的设计提高服装陈列效果。

1 实验部分

1.1 前期准备

实验样衣为一款带视错图案的半身裙，该图案是日本文化学园大学柚本玲教授在第51回学内研究发表会上报告的最具代表性的一款。其特征为具有较细的黑白条纹，且其宽度比为1∶1；半身裙前中线为凸纹；整个裙摆的设计图案被16等分，将这款半身裙作为实验组Pic1；对照组是采用与实验组相同面料及版型制作而成的灰色纯色裙Pic2和格纹裙Pic3。此外，还利用红、黄、蓝3种颜色两两排列组合，填充Pic1制成3款彩色视错裙，分别为：以蓝为底、红为线的Pic4蓝红款，以黄为底、蓝为线的Pic5黄蓝款和以红为底、黄为线的Pic6红黄款(如图1所示)。因光照强度对瞳孔直径有直接影响，为避免误差，利用照度计调整背景颜色，使每幅图像的照度相同，均为137.4 lx。

图1 实验用半身裙Fig.1 Skirts used for experiment

为客观表征视错图案对人体视觉和自主神经系统的影响，利用日本NAC公司EMR-dStream型眼动仪，测量瞳孔直径等视觉数据，其检出方法为瞳孔角膜反射法，分解能为0.1 mm；采用日本KISSEI COMTEC公司的MQ-16型筋·心电计，测试心电图参数等自主神经系统数据，这款无线型便携式肌电仪，比传统测量仪器更小更轻便，且对参试人员造成的负担和压力也更小。

1.2 实验设计

被试者为20名裸眼及矫正视力在0.7以上(国际视力指数)且没有眼疾的学生，平均年龄为24.3岁。其中中国人和日本人各占一半，且两国被试者男女比例均为1∶1。要求被试者没有酗酒等不良习惯，且在睡眠充足、心情舒适的状态下参与实验。

实验分为2个部分：在正式实验前，被试者需在恒温恒湿室(温度25 ℃，相对湿度60%)静坐20 min适应环境。在被试者的锁骨(负极)、第4、5根肋骨之间(正极)以及腰部(地面)粘贴心电计指示标。随后进行第1部分测试，被试者在眼动仪开始工作前静止3 min，此时筋·心电计已经开始记录心电图数据，将这些数据作为基准值。眼动仪随机呈现6款半身裙图像，每幅图像停留1 min，用于比较不同错视图案对人产生的影响。

第1部分测试结束之后，请被试者填写主观评价问卷。这段时间同时用作休息时间，以缓解眼部疲劳。该问卷效仿POMS简明心境量表[8]，设计适用于本文的官能评价量表，用于评估被试者的心境状况，将人们对视错服装的主观评价具体化。该量表由6组对立的形容词组成，包括：焦虑-放松、厌恶-喜欢、眩晕-清醒、沮丧-愉快、疲乏-精神和无聊-有趣。其程度用从“-2”到“2”的5个等级量化(以无聊-有趣为例，“-2”表示非常无聊；“-1”表示有点无聊；“0”表示既不无聊也不有趣；“1”表示有点有趣；“2”表示非常有趣)，且负值表示交感神经兴奋，正值表示副交感神经兴奋。

第2部分测试方法与第1部分基本一致，不同点为将3条裙子同时放在1个界面：先将Pic1、Pic2、Pic3从左到右依次排列，随后打乱顺序，探索注视时间的影响因素是位置还是图案；再按照与前者相同的排列位置将Pic1换成Pic5，探索视错图案的色彩对被试者的关注度有无影响。

2 结果与分析

2.1 主观评价

为探究被试者对每幅图像的评价分布情况，计算了20名被试者对量表中各项目评价结果的均值以及总均值和标准差，如表1所示。经检验，样本数据标准差较小，表明离散程度较小。

表1 官能评价均值Tab.1 Average of sensory evaluation

由表1可知，视错裙Pic1“有趣”项得分最高。纯色裙Pic2的“放松”、“清醒”等正性量值最大的同时，其“无聊”的负性量值也是最大的，表明纯色裙能使人感到舒缓，但对人的吸引力较弱。就Pic1(黑白视错裙)、Pic2(灰色纯色裙)、Pic3(格纹裙)3款由黑、白、灰组成的图像而言，虽Pic1有5项负性量值评分在3款中最低(即更让人不适)，但另外1项正性量值的评分在3款中最高(即更有趣)。Pic5黄蓝款的“焦虑”、“眩晕”等负性量值最大，但在“有趣”的正性量值上有明显的转变，与黑白视错款的变化趋势相同。类似的，其他颜色的视错款也有相同的趋势，但纯色款和格纹款没有，可见这种“有趣”的效果极可能是视错设计所独有的。因此在服装设计及陈列上，可通过增加视错元素，提高消费者的关注度。

为了解主观评价是否受性别和国籍的影响，采用独立样本T检验的方法，分析中国人和日本人，以及性别对实验结果有无显著差异。在中国人和日本人的组别中，t统计量对应的概率p值为0.106>0.05，因此可认为中国人和日本人的主观评价无显著差异，即官能评价不受国籍的影响。在男性和女性的组别中，t统计量对应的概率p值为0.618>0.05，因此可认为男性与女性的主观评价无显著差异，即官能评价不受性别的影响。因此在后续研究中，不再专门对国籍和性别进行比较。

最后，通过表1中6组官能评价的总均值，量化主观舒适度的整体水平。各图像按照正性量值为舒适的原则，根据总均值(即主观舒适感)由大到小进行排序为：Pic2、Pic3、Pic4、Pic1、Pic6、Pic5，且标准误差较小，表明样本值稳定、无特殊变异。从数值前的正负号来看，均值为正的只有Pic2纯色裙和Pic3格纹裙，结合表1分量值可知，这2款的“清醒”、 “放松”、“喜欢”等正性量值得分较高，使得均值为正。4款视错裙均值得分为负，是由于其“焦虑”、“厌恶”、“眩晕”等负性量值得分较高，但是，人们在观看视错裙易产生紧张、焦虑的同时，也会产生有趣之感，而纯色裙和格纹裙则易使人产生普通、无聊之感；因此在视错服装的选择与应用时，可参考主观感受的结论，进行适配设计。

2.2 客观评价

2.2.1 眼动仪测试结果与分析

1)瞳孔直径(Pupil Diameter，PD)：瞳孔直径被广泛应用于心理学研究，用于评估情绪和认知过程[9]。图2示出了20名被试者的PD均值。由图可知，PD的大小排序依次为Pic2、Pic3、Pic4、Pic1、 Pic5、Pic6。对比可知，此排序与2.1节主观评价的排序基本一致，排在最前面的都是纯色裙Pic2，其次是格纹裙Pic3，再是各种视错裙。说明在观看使人焦虑、厌恶等情绪的视错裙时，被试者的瞳孔直径PD明显小于能使人放松、愉快的纯色裙和格纹裙，这一现象与HESS[5]的研究结果(当被试者看到愉快的图像时，瞳孔直径增大)具有良好的一致性。

图2 不同图案对人瞳孔直径的影响Fig.2 Effect of different patterns on pupil diameter

由PD排序可知4款视错裙令人不快程度由小到大的排序为Pic4、Pic1、Pic5、Pic6，这是由于Pic4蓝红视错款的视觉冲击力较小，令人产生的情绪波动较小；Pic1的黑白视错款和Pic5的黄蓝视错款的条纹与底色为对比色，具有较强的视觉冲击力，因此让人情绪激动，但黄蓝色冲击力更强，因此Pic5更让人不快；Pic6红黄视错款的条纹和底色属于暖色调，明度较高，更易使人感到不快，因此瞳孔直径最小。对比2.1节主观评价的排序可知不一致的为Pic5和Pic6。这是由于Pic6的RGB(Red, Green, Blue)值中R值较高，即暖色调明度较强，可能会造成瞳孔直径的误差。

2)注视点：AOI(Area of Interest)解析是眼动仪分析的常用方法，可统计被试者在自定义兴趣区域内的注视情况。考虑到眼动仪无法记录眨眼时的数据，且每位被试者的眨眼频率各有不同，因此本文通过注视时间百分率(区域注视时间/总注视时间×100%)和注视频率(区域注视频数/总注视频数×100%)来衡量各图像的差异。

在第1部分测试中，纯色款和格纹款的注视轨迹较集中，且位于中心位置，视错款的注视轨迹较分散。表明视错图案会使人产生兴趣，从而吸引观察者去注视更多的位置。表2示出了在第2部分的测试中，被试者分别对放置在左边、中间和右边的裙子产生的注视时间百分率及注视频率。其数据分为2组：Pic1、Pic2、Pic3为一组(简称PicⅠ组)；Pic2、Pic3、Pic5为一组(简称PicV组)。

表2 不同位置的注视时间百分率与注视频率Tab.2 Fixation time and count ratio of different positions

由表2可知，PicI组中间位置的平均注视时间百分率和注视频率均大于PicV组。由此可见，彩色视错款Pic5比黑白视错款Pic1更能分散被试者对中心部分的注意力。

此外，对比Pic1与Pic5在同一位置时所在图像的差异(每人有左中右3组位置对比，共60组)，有40组数据显示Pic5的注视时间百分率大于Pic1，平均差值为5.08%。可见，彩色视错款Pic5比黑白视错款Pic1更吸引人。随后，分别列出以不同位置(左、中、右)和不同图案(纯色、格纹、视错)为组的注视时间百分率，利用SPSS软件中的单因素方差分析，检验位置和图案对注视时间百分率产生的影响，结果如表3所示。

表3 不同位置和图案的单因素方差分析结果Tab.3 ANOVA of different positions and patterns

由表3可知，摆放位置和图案对注视时间影响的F统计量对应概率p值均近似为0，表明摆放位置和图案均对注视时间产生了显著影响。对比F值发现，摆放位置的F值比图案的F值更显著大于1，表明摆放位置比图案对注视时间的影响更显著。

在Turkey事后多重比较中，左中和右中位置的概率p值近似为0，即差异显著，但左右位置的概率p=1.000>0.05，即无显著差异；纯色、视错和格纹两两比较概率p值均近似为0，即三者互呈显著差异性。因此，同一图像放置在不同位置的差异大于同一位置放置不同图像的差异，且放置在左侧和右侧没有明显差异。可在陈列设计等实际应用时，先设计视错元素的位置，再设计图案。

3)热点图：通过热点图可直观地看出被试者注视的主要部分，颜色越红表明注视时间越长、频率越高。图3示出了纯色款Pic2在左、格纹款Pic3在中、黑白视错款Pic1和黄蓝视错款Pic5在右时的不同热点分布。图中数字为裙代码，其中“1”为Pic2，“2”为Pic3，“3”为Pic1，“4”为Pic5。

图3 视错裙热点图对比Fig.3 Contrast heat-map picture of illusion.(a)123-1; (b)123-2; (c)123-3; (d)124-1; (e)124-2; (f)124-4

由图3(c)、(f)可知，Pic5的红色部分(图中已用矩形标出)明显较Pic1多，Pic1的红色区域几乎没有。同时，由图3(b)、(e)可知，Pic5削减了所在图像中心部分的热点分布，再次验证了Pic5比Pic1更引人注目。因此在设计视错服装时，可通过增强色彩来吸引消费者。

2.2.2 筋·心电计结果与分析

心率变异性(heart rate variability，HRV)是反映自主神经系统(autonomic system，ANS)活性的重要指标。将测得的心电图通过Bimtus II软件，截取HRV有效区间，再利用傅里叶函数转换为R-R间期、高频带(high frequency，HF)和低频带(low frequency，LF)作为客观指标。其中，R-R间期表示一次心跳周期的时间，用来表征心跳速度，R-R间期越长，心跳速度越慢；LF反映交感神经和副交感神经的活性，HF反映了副交感神经的活性，因此交感神经活性可以用LF/HF的值来表示[10]。

表4示出了以静止3 min的数据作为基准值100%，观看不同图像时R-R间期、HF和LF/HF实验测量值的百分率均值及标准差。可见在自主神经系统ANS中，R-R间期的差异相对较小，且其百分率在6幅图像中均小于基准值，表明这6幅图像均能使被试者心跳加快；交感神经与副交感神经变化程度较大且成明显的互逆关系，HF百分率仅在Pic2和Pic3显示大于基准值，表明仅这2幅图像使人感觉平静，而LF/HF百分率仅在Pic2小于基准值，表明只有Pic2使人感觉平静。

表4 自主神经系统测量结果Tab.4 Result of autonomic nervous system

可见ANS各指标间存在一定差距，因此本文以Pic2纯色款为对照基准，其余5幅图像与Pic2的差值绝对值为感觉变化程度的大小，综合图4中3个指标的均值比较6幅图像间的差异，得到感觉变化程度由小到大的排序为Pic2、Pic3、Pic4、Pic1、Pic6、Pic5。由ANS逻辑关系[5]可知，格纹款和视错款均使人R-R间期缩短，心跳加快，交感神经活跃，副交感神经消极，其中视错款使人产生的变化程度均大于格纹款。通过对比可知该排序结果与2.1节主观评价排序完全一致，再次证实了上述各图像的描述特征。同时，心率实验的测试结果能够更直接、更准确地反映视错裙对人体机制造成的客观影响，既是对客观评价的验证，也是对主观评价的辅证。

2.3 主观评价与客观评价结合

综合2.1节主观评价与2.2节客观评价的结果，得到以纯色裙Pic2为对照基准的最终排列顺序为Pic2、Pic3、Pic4、Pic1、Pic6、Pic5，且令人产生情绪变化的程度从左到右依次递增，舒适度依次递减(为方便统计，用整数1～6依次对应舒适度的排列顺序，例如纯色款Pic2的舒适度排序为1)。同时，本文发现最终的排序与主观评价结果完全吻合，再一次证明客观指标是主观情绪的反映。随后，求出每幅图像主客观评价结果间的Pearson相关系数，选取显著性p值小于0.05的指标。表5示出了6幅图像主客观评价具有显著相关性的描述特征，包括主客观评价一一对应的指数及二者的相关系数。在客观评价中，R-R间期的增大与减小表示心跳的减慢与加快，HF值增大表示副交感神经兴奋，LF/HF值增大表示交感神经兴奋。

表5 6幅图像主客观评价结果Tab.5 Subjective and objective evaluations of six images

由表5可知，视错裙令人厌恶、眩晕的同时，也使人感到有趣，客观反应表现为瞳孔直径减小、R-R间期缩短、LF/HF值增大和HF值减小。例如 Pic4越使人厌恶，HF值就越小，即副交感神经活动越消极，二者相关系数为0.644。经研究发现，视错图案使交感神经占据主导位置，按照NEUHUBER的研究结果此时瞳孔直径应该扩张[6]，但本文的研究结果(瞳孔直径的变化)与HESS的发现[5]完全一致，即视错图像使人不愉快、瞳孔直径随之减小。可以解释为，自主神经系统需要在瞳孔接受刺激后传输给心脏，再由心脏传输给大脑自主神经活动，因此视觉系统的反应更快，从而瞳孔直径变化与自主神经系统活动有所差异。该结论为后续关于视错服装的研究提供一定参考价值。