办公椅形态设计要素眼动追踪试验

梁惠萍，刘颖平，陈亚君

(桂林电子科技大学艺术与设计学院，广西 桂林 541000)

形态特征是传递家具设计语言的重要媒介，直接体现了家具产品中隐含的精神及文化内核。与此同时，在竞争激烈的家具市场中，形态特征也影响着用户对家具产品的第一印象，并引导用户做出购买决策。因此，如何准确捕捉用户对家具形态设计要素的认知意向偏好并进行家具形态创新设计，成为家具产品设计研究的重点内容。

近年来，研究学者运用感性工学的研究理论，通过建立用户感性意向偏好和办公家具形态要素之间的关系模型来衡量用户模糊而非量化的感知觉认知[1-3]，探索用户感性意象与家具形态设计要素的联系，以利于设计师创作出满足用户形态认知意向偏好的办公家具。如胡珊等[4]以感性意向词汇语义差异研究为切入点，发掘用户感性意向偏好与柜类形态要素的关联；杨元等[5]将办公椅产品作为研究对象，在感性工学理论的支撑下构建了办公椅形态要素与用户感性意向的关系模型，并提出了关联性数学模型。综上研究发现，目前研究虽然从发掘用户感性意向入手，针对家具产品形态进行了深入研究，但在形态设计要素提取和整体形态特征认知意向评价中，较少使用科学的实验方法获取数据，一定程度上影响研究结果的客观性。

而建立在人类视觉注意机制之上的眼动追踪技术是一种客观、有效的研究手段，是解决研究客观问题的可行方法[6]。根据眼心假说，眼球运动是认知过程的窗口，因为在注视过程中会访问和处理大量的视觉信息[7]。眼动数据所反映的是人类眼动行为及注意焦点的客观指标，每个指标都有特定的含义和适用范围，选择合适的指标来建立眼动数据与用户形态要素意向偏好之间的关系是本研究的重点之一。如林丽等[8]在视觉认知理论的支持下，建立眼动追踪指标与产品形态设计要素的联系，提出并通过实践验证相关优化设计方法的可实施性。马丽莎等[9]针对榨汁机产品进行眼动实验，利用被试瞳孔的变化规律分析挖掘用户的隐式意图，为产品形态创新提供动力。尚凯等[10]运用眼动追踪技术和模糊性评价方法，建立学习座椅形态的舒适性视觉感知程度评价标准，有利于学习座椅舒适度设计水平的提升。这些研究为笔者在办公家具形态设计要素研究上提供了可参考的研究思路。

笔者以感性工学理论为支撑，采用眼动追踪技术，进行办公家具形态设计要素提取和形态特征认知意向偏好研究。将眼动客观指标与主观问卷评分结合分析，经过两次实验明确了基于用户认知数据的办公椅形态设计要素组合方式，挖掘办公椅形态设计要素对用户感性意向偏好的影响。研究结果有利于解决当前相关研究主观评价有效性不强、客观数据缺乏综合定量评估的问题，为面向用户的办公家具形态设计要素研究提供客观有效的研究范式，帮助设计师更好获取用户对办公家具形态特征的认知意象偏好。

1 研究假设与实验流程

1.1 研究假设

本次研究着眼于办公类家具形态设计要素的研究，以办公椅产品作为具体研究对象。目前许多学者针对座椅类产品的形态、材质、舒适性和人机性等方面进行了探索。如陈哲等[11]运用TOPSIS-PSI法，分别从用户、设计师、生产者3个维度对办公椅设计方案各个方面进行评价，为健全办公椅产品评价体系做出了贡献；戴梓毅等[12]利用Grasshopper及其物理仿真插件Kangaroo开发了一种汽车乘客座椅形态设计辅助方法，为办公椅形态设计要素研究提供有力参考依据。

本研究对用户偏好的办公椅形态设计要素进行筛选，经过两次眼动实验对最能反映用户感性意向的办公椅形态组合做反复验证。并提出以下研究假设：第一，用户对不同办公椅形态设计要素的视觉意向偏好存在显著差异；第二，眼动指标可以反映不同办公椅形态组合对用户视觉偏好的影响；第三，经过实证研究可以获得更加符合用户意向偏好的办公椅形态设计要素组合方式。通过实验验证以上3个研究假设，明确用户对办公椅产品形态设计要素的意向偏好，提升办公椅设计的科学性和合理性，提出办公家具形态设计建议。

1.2 实验流程设计

研究重点在于从感性意向的视觉感知层面探讨办公家具的形态设计要素特征，因此选择利用眼动追踪技术，依次提取用户对办公椅形态区域和办公椅形态设计要素组合的视觉意向偏好，并加以分析。为达到以上研究目的，基于眼动追踪技术的办公椅形态设计要素研究实验内容主要分为办公椅形态区域意向眼动实验、办公椅形态区域关键几何形态提取、办公椅整体形态意向偏好眼动实验3部分进行，实验流程如图1所示。

图1 实验流程Fig. 1 Flow chart of experiment

图2 办公椅形态特征眼动实验样本Fig. 2 Morphological characteristics of office chair eye movement test samples

2 研究方法与数据分析

2.1 办公椅形态特征意向认知眼动实验

2.1.1 实验样本筛选及形态特征区域划分

实验样本主要来源网络，从电商平台和相关产品官网挑选50款不同的办公椅产品；从中去除带有额外装饰(因过多装饰可能会导致被试对办公椅形态偏好的误判，所以将此类样本予以排除)和相似造型的产品样本；之后再次筛选掉成像不清晰、形态部件显示不完整的办公椅样本图片；最后确定办公椅样本共20个。处理图片为黑白色调，使样本图片比例保持一致；为了更好地利用平面素材展示办公椅各部形态，将主体物角度调整至45°，如图2所示。办公椅重要的功能部件主要集中在靠背、扶手、坐垫、椅腿、座椅调节装置等部位。因此，本次实验按照办公椅的功能部件构成，将样本划分为靠背、扶手、坐垫、椅脚(包括腿轮)、座椅调节装置5个形态特征区域。

2.1.2 眼动实验过程

1)实验目的。运用眼动追踪装置捕捉被试观察实验图片时的眼动数据，利用划分兴趣区的方式在各区域内采集被试者信息解读时的表征数据[13]。分析被试视觉信息在不同形态区域内的呈现情况，从而获知哪些产品形态区域更受被试关注。

2)被试选择及仪器准备。被试者均为在校师生，共15人。包括男性9人，女性6人，年龄22～40岁。经询问，被试皆具有办公椅使用经验,且对办公椅产品特征有一定认知。被试视力裸眼或经矫正后能达到1.0以上且无散光等情况。被试在实验开始前经过培训，能够顺利完成眼动数据捕捉。使用Psytech X2-30型眼动仪配合眼动追踪软件进行实验，该设备主要由眼睛捕捉模块、记录模块、控制软件和数据分析软件组成，可以获得自然的眼动行为数据。

3)实验步骤。正式实验开始前，工作人员向被试介绍办公椅的基本情况和实验流程，分配实验任务。并无暗示办公椅形态的不同，然后开始实验。

实验开始，被试依次观察20个办公椅样本，每张样本设置10 s的观察时间。每张图片结束观察后灰屏停顿3 s以消除观看疲劳，然后自动切换下一张。

每位被试重复上述实验流程，至全部样本播放结束。实验过程中被试无明显的疲劳感，眼动实验数据即为有效。

2.1.3 眼动指标提取

将办公椅功能部件类型作为依据，为20个样本划分靠背、扶手、坐垫、椅脚(包括腿轮)、座椅调节装置5个兴趣区，用于分区域采集眼动数据。以样本十四为例，兴趣区划分如图3所示。

图3 样本十四兴趣区划分图Fig. 3 Diagram of interest region of sample 14

首次注视时间是指用户的注视点第一次停留在某一区域时的凝视时间，这是衡量目标对象优势部位的重要指标，且首视点顺序反映了被试观察目标对象的视觉注意模式[14]。因此，本次实验选择提取样本中每个兴趣区域的首次注视时间数据。将其作为推断被试注视办公椅各形态特征区域先后次序的标准，以此来确定被试在实验中对哪几个办公椅形态区域更加关注，从而对办公椅形态特征的用户意向认知偏好进行排序。

2.1.4 实验数据分析

通过整理眼动追踪设备导出的眼动数据，获取样本每个兴趣区的首次注视时间。根据各兴趣区(眼动数据从兴趣区中提取，兴趣区即AOI)的划分情况，计算相应办公椅形态区域首次注视时间总和，并按照数值将被试的注视次序从先到后进行权重排序，结果见表1。由各兴趣区首次注视时长分析可知，本次眼动实验中被试观察各办公椅形态区域的顺序为：靠背、扶手、坐垫、椅脚(包括腿轮)、座椅调节装置。其权重比例为：36.1%，25.3%，19.8%，11.1%，7.7%。首次注视时间的长短直接反映被试对感兴趣区域的注意程度，同时也代表了被试对不同形态区域的意向认知偏好。因此通过分析本次实验结果，挑选靠背、扶手、坐垫3个最能代表被试意向偏好的形态特征区域，作为后续实验的研究对象。

表1 办公椅形态特征意向认知眼动实验数据分析Table 1 Data analysis table of office chair shape intention eye movement experiments

2.2 办公椅形态特征关键设计要素提取

根据办公椅形态特征意向认知眼动实验结果分析可知，用户最关注的3个办公椅形态区域为靠背、扶手和坐垫。为进一步探究用户对办公椅形态要素组合特征的偏好，对办公椅样本的形态关键设计要素进行深入分析。邀请具有丰富设计经验的家具产品设计领域专家和教授5名，采用形态分析法对办公椅形态设计要素特征进行讨论，总结归纳出3个形态区域最具有代表性的关键形态设计要素特征并归类。建立办公椅形态设计要素编码表，将形态特征项分别编号A～C，不同形态要素则以数字1，2，3…表示(表2)。同时将9个形态设计要素从A1B1C1、A1B1C2到A3B3C3进行共27个形态编码，借助该编码可以简洁明了地表述每个区域所对应的形态特征和要素，如A2B1C3编码表示办公椅样本具有梯形靠背一字形扶手和椭圆形坐垫的形态要素特征。

表2 办公椅形态设计要素编码Table 2 Coding table of office chair form design elements

2.3 办公椅整体形态设计要素眼动实验

2.3.1 实验样本处理

根据提取的办公椅形态9个关键设计要素，从前期实验的样本中选取与形态特征类型相对应的典型样本特征按编码进行组合，整理出27个办公椅形态样本，并将样本图片处理为黑白色调，统一调整图片尺寸和角度，用于下一步办公椅整体形态特征意向认知分析。

2.3.2 产品整体形态初步意向偏好实验样本采集

为深入探究广大用户对办公椅整体形态特征的意向偏好，在第二次眼动实验前，运用李克特量表问卷进行办公椅整体形态认知意向眼动实验样本采集，通过定性分析更好地得到用户对产品形态特征的初步认知意向偏好，使后续眼动实验的数据更加可靠，针对性更强。把通过关键形态设计要素组合产生的27个办公椅样本制成李克特五分量表问卷，量表中办公椅样本打乱分为9组，如图4所示(每组中样本靠背、扶手、坐垫形态皆不相同)。被试在观察每组办公椅样本图片后，按照对样本整体形态的主观意向偏好进行打分，从而获知被试对样本的喜爱程度。将分值设置为1～5分：1分表示很不喜欢；2分表示不喜欢；3分表示无喜好倾向；4分表示喜欢；5分表示很喜欢。本次共发放128份问卷，收回有效问卷128份。

图4 产品形态设计要素组合初步样本Fig. 4 Preliminary samples of combination of product form design elements

为验证量表数据的可靠性，运用SPSS 23.0对回收问卷的数据做详细信度分析。办公椅形态评价量表的Cronbach’sα系数为0.935～0.939，平均值为0.939。说明办公椅形态偏好评价量表的内部一致性较好，数据具有可信度。

办公椅样本形态偏好评分均值见表3。样本形态偏好评分均值越高，表示被试对该办公椅样本认知意向偏好程度越强。参考样本评分均值，并结合办公椅形态特征得到9个最能体现用户认知意向偏好的办公椅组合形态见图5，作为样本用于办公椅整体形态特征意向眼动实验。采集评分数据得到的9个办公椅样本形态中均包含倒L形扶手，可以表明,在办公椅整体形态组合中倒L形扶手更符合用户的认知意向偏好。

表3 李克特量表问卷均分统计结果Table 3 Likert scale questionnaire equal score statistical analysis

图5 产品形态设计要素组合实验样本Fig. 5 Combined experimental samples of product form design elements

2.3.3 办公椅整体形态特征认知意向眼动实验

实验设备与前一次实验保持一致，被试者包括在校本科生和研究生共25人，年龄为18～30岁(被试均未参与前期办公椅形态区域意向眼动实验)，被试挑选条件与第1次实验相同。邀请被试浏览由问卷评分筛选得出的9个办公椅形态组合样本，利用眼动设备捕捉被试的眼动数据，进一步确定被试对不同形态设计要素组合的意向偏好。使用拉丁方设计的方法安排实验时每个样本所处屏幕的位置，以抵消平衡每个样本所处屏幕显示位置的不同对实验结果的影响。本次实验单个样本为一个兴趣区，共划分9个兴趣区。

实验步骤如下：准备工作结束后工作人员向被试分配实验任务并开始实验；实验过程中被试根据个人喜好自由观察屏幕上的9款办公椅；设置60 s观察时间，样本播放停止则实验结束。每位被试重复上述步骤，25位被试全部观察完毕则视为整个实验流程完成。

2.3.4 眼动指标提取及数据分析

1)眼动指标。眼动测量技术可采集多种数据：包括平均注视点数、瞳孔直径大小、总注视时间、眼跳次数、首次注视时间等，每种数据都有特定的含义和适用范围。此次实验首先运用SPSS 23.0对已提取的眼动数据做方差齐性检验，保留实验结果中数据显著性水平大于0.05的眼动指标选项，再对筛选出的眼动指标做单因素方差分析，眼动指标单因素方差分析见表4。

表4 产品整体形态意向偏好实验数据单因素方差分析Table 4 One-way analysis of variance (ANOVA) on experimental data of product overall morphological intention preference

经过分析的眼动指标中，首次注视时间的方差齐性分析显著性水平大于0.05,且单因素方差显著性水平小于0.05，表明被试在观察9个不同形态设计要素组合样本时，首次注视时间存在显著性差异。对比实验样本首次注视时间(表5)，可以明显发现被试较为关注的办公椅组合形态依次为：A3B2C3、A2B2C1、A2B2C3。

表5 产品整体形态认知意向实验首次注视时间排序Table 5 The first fixation time sequence in the preference experiment of product overall shape intention

2)热点图。热点图是眼动数据常见的表现形式，它能直观反映被试对各办公椅形态组合关注程度[15]。热区图可以显示AOI内注视位置以及注视时间，因此透过热点图分析，可观察受测者在进行意象感知活动时的重点AOI[16]。热点图红色区域表示浏览和注视最集中的区域，区域面积越大说明被试视线聚焦得越多。被试在某一兴趣区内耗时越长，对该办公椅形态区域意向偏好越强烈，反馈时间的增加，导致热点图颜色较深。通过对图6的颜色深浅和面积大小综合分析，可判断出被试对A3B2C3、A2B2C1、A1B2C3 3种办公椅形态设计要素组合更具有认知意向偏好。

图6 产品整体形态意向偏好实验热点图Fig. 6 Product overall shape intention preference experiment heat map

2.4 讨 论

通过以上研究可以看出,形态设计要素对用户的办公家具认知意向偏好具有显著影响，眼动数据为该结论提供了客观依据。本研究结果表明，办公椅整体形态认知意向偏好与靠背、扶手、坐垫3个重要特征形态的差异息息相关，因此，设计办公椅时应将3种形态作为重点关注内容。

1)用户对于不同办公椅形态特征的视觉偏好具有显著差异。根据对办公椅各形态区域平均首次注视时间的分析可知，办公椅靠背、扶手、坐垫3个形态特征最能在短时间内吸引用户视觉注意力，说明这3个造型特征在办公椅整体形态中最能体现用户的视觉认知偏好。

2)眼动指标可以反映办公椅形态设计要素组合差异对用户认知意向偏好的影响。在办公椅整体形态特征意向实验中，通过眼动测量提取各样本首次注视时间和注视热点图两种不同维度的眼动指标,都有效反映用户对各办公椅形态设计要素组合的认知意向偏好。

3)研究过程中采用定性定量结合的方法，明确了用户视觉意向偏好最为强烈的办公椅形态设计要素。其中梯形靠背、倒L形扶手和马蹄形坐垫是最受用户关注的形态设计要素，证明在办公椅整体形态中，这些形态特征对用户更具有吸引力。最后通过热点图和眼动数据的综合判断可知，办公椅形态设计要素组合中圆形靠背、倒L形扶手、马蹄形坐垫的组合形式最符合用户认知意向偏好。但此次研究仅从用户意向偏好角度提供一种研究办公椅形态的科学方法，并依据实验结果提出相应的办公椅形态设计建议，以上研究结论均不用于评判办公椅形态设计的优劣。

3 设计实践

依据上述实验数据分析结果，从用户视觉意向偏好角度出发，有针对性地将提取出的办公椅形态设计要素应用于办公椅产品造型设计实践当中。更有利于强化办公椅形态感性意象的表达，为后续设计出更加符合用户视觉认知偏好的办公椅产品提供思路。

基于前期实验结论作为设计指导，以办公椅形态组合形式创新设计实践为例进行验证(图7)。该办公椅设计整体形态运用最符合用户意向偏好的圆形靠背、倒L形扶手、马蹄形坐垫设计要素组合，并在造型中融入了自然界中水滴的风格元素，椅身线条自然且柔和。美观、简洁的办公椅造型使久坐于室内空间的用户，既能体验产品的舒适性，又可以感受自然界的气息，符合用户对办公椅产品形态的心理和情感体验偏好。

图7 办公椅设计效果Fig. 7 Office chair design rendering

4 结 论

以办公椅为研究对象，采用眼动追踪技术为主要研究方法，针对办公椅形态设计要素进行深入探索。首先划分形态要素兴趣区域，运用眼动数据分析得出用户最为关注的办公椅形态特征；然后对办公椅形态关键设计要素特征进行提取、分类和组合；接着利用李克特量表问卷评分与眼动实验相结合的探究方式，进一步挖掘用户对办公椅形态设计要素组合的认知意向偏好；最后根据实验数据准确把握用户观察办公椅形态特征时的视觉感知特点，提出办公椅形态设计建议。该研究得出的结论能够为办公家具形态设计提供参考，同时完整的研究流程也可以适用于其他家具产品的形态设计研究分析。