眼动实验在交互界面设计中的研究进展与趋势

韩雪 靳文奎

关键词：界面设计；眼动实验；可视化分析；Citespace；VOSviewer；CNKI；Web of science

一、研究方法與文献统计

（一）数据来源

国内研究文献以CNKI（中国知网）数据库中的期刊文献为数据统计分析的来源，其中CNKI 对期刊文献仅限于3 种类型的收录：中国核心期刊要目总览（北京大学核心）、中国人文社会科学核心期刊（CSSCI）和中国科学引文数据库（CSCD）。时间范围为2000 年1 月1 日至2022 年11 月20 日。首先，对“眼动追踪”“界面设计”相关的文献通过篇主题、篇名、篇关键、关键词等多种组合的检索方式对比筛选。最后，确定文献的高级检索以“眼动”作为主题词“界面”作为篇关键词精确匹配进行文献检索。检索相关文献共185 篇，手动剔除与界面设计无关的文献，确认176 篇文献作为数据来源。

Web of Science 核心集数据库是国外研究文献精选，本次精选SCI数据库。检索条件为“TS=Eye movement”and“TI=interface”，时间选取2000 年1 月1 日至2022 年11 月20 日，书籍、会议和撤回的文献都被清除，共检索文献529 篇。其中最早发表时间为2003 年，相比国内较晚。使用Citespace6.1 软件对数据进行筛选处理，最终有效文献有287 篇。

（二）研究方法

借鉴已有文献中的文献计量学方法和内容分析法对国内外有关眼动实验应用在交互界面设计中的研究现状、热点以及趋势进行可视化分析。总体主要包含4 部分内容：首先是数据筛选，设定检索关键词汇，确定搜索文献数据库范围。其次绘制知识图谱，借助CiteSpace 和VOSviewer 软件，对国内外研究文献的发文量、地域分布、学科领域和热点关键词进行梳理，实现文献的信息可视化。最后通过内容分析归纳，说明该领域的研究潜质与未来方向。

二、国内外研究的时空分布情况

（一）年度发文量分析

文献发文量的多少不仅仅是持续性和关注度的体现，还能从时间维度上分析眼动实验在交互界面设计中的发展速度和特征。国内外眼动实验在交互界面设计的文献发文量分布见图1。整体来看，国内外文献数量均呈逐年上升趋势，总体来讲发展态势相差不大，可以合并进行分析。根据发文量的增长特征可见，眼动实验应用在交互界面设计的研究发文量经历了“缓慢起步－平稳发展－蓬勃发展”这3 个阶段。2000 年到2009 年处于起步期，发文量不多，该阶段每年的发文数量平均值均为个数。2009 年到2018 年处于发展期，国内外文献数量均在稳定增加。2018 年后至今处在蓬勃发展时期，文献发表数量激增。其中2020 年，国内外的发文量均在25 篇以上。综上所述，将眼动实验应用在交互界面设计中的研究逐渐成为学者关注的热点领域，其受关注程度呈年度增长的态势。

（二）地域分布

选择VOSviewer 节点类型“country”对外文文献的国家进行分析，获得眼动实验在交互界面设计文献的地理区域分布图，如图2 所示。圆点的大小体现文献数目，节点之间的线条表示各个国家之间合作的紧密度。节点与连接线颜色表明，研究的时间越早越靠近暖色。

从发文数量来讲，中国发文量排名第1，说明国内对该领域的研究相对重视，总共撰写论文34 篇。从研究时间来讲，研究最早的为日本，亚洲的中国和韩国发展较快，国内是将眼动应用于界面设计领域的研究热点国家。通过节点的连线发现，亚洲之间与欧洲之间有一定的合作。

（三）学科领域

在CNKI 与Wed of Science 中导出所在的学科领域分布如表1所示，表明国内外研究的相似之处是均集中在计算机与工程领域。国内与心理学、教育学、汽车设计等领域存在学科交叉，涉猎的领域更加广泛；国外更多的是眼动实验应用在计算机科学、机械工程和辅助患有特殊疾病的生物医学等领域的界面设计中，进行深入纵向研究，相较于国内对交互界面设计进行的思考更加现实。因此，国内在随后研究中，对于交互设计界面的研究可以在进行多领域横向研究的同时，在临床医学、计算机科学等重点领域进行深入纵向研究。

三、国内外研究热点分析

利用VOSviewer 对关键词进行统计，将英文关键词进行剔除，国外文献意思相近的关键词合并，随后获得关键词频率大于3 的共现图谱（如图3）。对国内外的关键词共现图谱进行对照分析，发现国内外眼动实验应用在交互界面设计中研究热点主题既有联系又有区别。

（一）国内外研究的相似点

1. 均将眼动实验作为眼动数据采集工具和判断界面元素、布局、色彩等可用性测试的客观方法，有助于交互界面的设计与优化。共同的关键词有“界面设计”“眼动数据”“effect”“可用性测试”等。

2. 均重视交互界面设计与计算机前沿技术结合，近年来这种趋势更加显著。随着VR 和元宇宙的热度不断提升，虚拟现实中的交互界面也逐渐成了研究的热点，共同的关键词有“增强现实”“虚拟现实”“algorithm”“human computer”等。

（二）国内外研究的差异点

1. 国内界面交互设计与工业设计联系更加紧密，眼动实验的目标是为优化界面设计，测试界面和原型的可用性。关键词包含界面设计中具体设计图标、布局和色彩的研究，例如“扁平化图标”“导航”“色彩”等。国内更加偏向对眼动结合数学模型的方法进行分析，例如熵权法。研究对象从二维界面逐渐扩展到三维空间物体上，例如机械臂。以及研究特殊的人群眼动特征，例如asd 儿童。

2. 国外在界面设计研究中更加注重多种设备的结合使用，例如脑电仪和皮电仪， 关键词有“brain computer”“eegsignal”“brain machine”等。国外更加注重界面眼动与计算机算法进行搭建，并且更加关注有特殊疾病的病人，例如残障人士和患有眼部疾病的群体，相关的关键词有“patient”“BusinessIdentifier Code”等。

（三）关键词聚类分析

将关键词导入到CiteSpace6.1 中，通过对文献关键词的计量分析，获得国内外两张可视化图谱，详见图4。从时间维度来讲，国内和日本对界面眼动实验研究较早，且在2013 年左右研究文献数量不断攀升，国内与国外的研究进展时间相对吻合。从研究的内容来讲，存在一定的差距，国外更加注重与脑电测试技术、计算机技术结合，并且加深了对特殊的医学疾病的研究，研究内容更加深入与实际；而国内研究更加注重眼动实验在界面与界面评估、虚拟现实、心理学和教育等领域结合。

四、国内外研究前沿与路径演进

结合前文文献特征统计和热点分析，深入阅读相关的国内外文献。把国内外眼动实验应用在交互界面设计的研究归纳为3 个阶段：基础探索阶段、方法构建阶段和多元快速发展阶段。后文依次对其国内外的研究阶段进行解读论述。

（一）国内研究进展归纳

1. 基础探索阶段2000 年——2007 年，该阶段是眼动实验在交互界面设计的起步时期，突出的关键词有“认知风格”“颜色”“视觉认知”“位置”“性别差异”“情景意识”“信息显示”等。这些关键词表明，从界面设计角度来讲，界面设计更加关注界面中的具体要素，对于界面的视觉风格、色彩、布局更加重视。从用户角度来讲，关注界面认知风格和信息显示对用户的影响以及用户本身的性别差异。

作为起步，首先把眼动实验与界面进行了直接的结合，利用眼动实验的逻辑进行数据采集，利用人的认知工效，对界面进行研究。如刘颖等[1] 在2000 年将眼动追踪方法应用到菜单界面设计的认知工效学中。此阶段界面设计中的关键要素也开始逐渐分化，眼动研究对象也更加的细化，关注到界面的布局差异对用户的影响。譬如冯成志等[2]2004 年利用眼动来探究界面中边框和视觉标签对效果的影响，之后利用眼动研究交互对象排列方式不同的效果影响。

2. 方法构建阶段2007 年——2018 年，该阶段也是眼动实验应用在交互界面设计的发展逐渐稳定的阶段。突显的关键词主要有“手机”“认知负荷”“用户界面”“人因工程”等。此阶段不仅仅拘束于人与计算机界面之间的关系，更加深入探索界面的内容与布局对用户的影响，更加关注用户本身的感受。例如张磊等[3]2011 年通过眼动追踪对界面中的文字和编码位置对用户阅读和理解进行了研究。将认知负荷通过眼动和脑电对飞机座舱界面进行评估，将眼动认知负荷应用到知识地图，说明界面设计逐渐向以用户为中心的思想靠拢，考虑人因工程与认知负荷等要素。国内学者首先对“三分屏”网络课程界面通过眼动追踪进行了研究，与此同时，司机的机动车驾驶界面、仿真界面、车载信息系统界面、智能产品的界面越来越多。互联网的发展，使得智能手机逐步渗透到人们的视野中，界面研究范围也陆续增多。因此，移动端和电脑端甚至是智能产品界面也逐渐成了研究的重点。

这一阶段，眼动实验应用到界面的可用性测试上，关注界面的操作效率，操作的舒适性和易用性上，如程时伟等[4] 在2009 年将眼动应用到移动界面的可用性评估上，这也是国内第一次在移动端使用眼动。刘莹将智能手机UI 设计中的舒适性和易用性引入设计中，对于界面可用性评估也随之深化，评估的准则也逐渐系统化。同时，研究学者开始关注特殊的人群，并且将眼动实验与更加前沿的技术进行结合，如王剑等[5] 在2017 年通过眼动与增强现实技术进行了融合设计。

3. 多元快速发展阶段2018 年——至今，关键词突变词有“交互设计”“用户体验”“工业设计”“人机界面”“眼动追踪”等。从界面设计来讲，在人机交互界面设计中更加关注用户体验，注重用户的视觉分配和视觉注意点，例如，针对数字化监控界面的搜索注意分配通过眼动试验进行了改良设计。开始关注改变和优化界面的层级设计，国内学者先后对汽车人机界面层级、智能冰箱的人机界面布局以及核酸检测仪器的人机交互界面等进行了眼动追踪实验，对界面进行了层级优化。从用户角度来讲，界面设计将人群进行了细分，逐渐注意到特殊的群体，如刘畅等[6] 通过眼动对老年人购物网站首页界面感知进行可用性测试，陈雯珺等[7] 在2022 年通过数字技术在欧美国家孤独症儿童的早期筛选应用了眼动实验。综上所述，此阶段针对交互界面来讲，更加关注界面的层级优化，提升用户的体验；针对研究人群来讲，对老年人的视觉感知、ASD 儿童、性别差异人群和孤独症儿童等少数群体进行关注，这恰是包容性设计的表现。从界面设计发展趋势来看，随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实界面不断出现，眼动与虚拟现实衔接，直至当前虚拟现实界面还未有统一的设计标准。虚拟现实界面的评估往往借鉴现有的二维界面的评估方法，例如用熵权法计算分析眼动实验的数据。

（二）国外研究进展归纳

1. 基础探索阶段2003 年——2007 年，此时的关键词突变有“language”“face detection”“hunmen computer interface”等。这一时期利用眼睛移动转化为控制界面的工具，如ADJOUADI M 等[8]在2004 年研究通过眼睛凝视跟踪系统将眼睛坐标转换为鼠标指针，此设计专门为严重的运动障碍人士而设计。对于运动障碍或重度残疾人士，将眼球运动和眼睛凝视转化为界面的鼠标进行操控，具有一定的现实意义。借鉴相关行业对界面设计进行了初期探索，如测量眼球运动将电影摄影技术为界面设计提供建设性意见。通过眼动追踪与其他设备结合应用到面部表情中，使其拥有情感，将界面设计推向情感化，如CHOI S M 等[9] 在2005 年通過面部识别和眼睛凝视跟踪合成3D 面部动画，使其拥有情感。

2. 方法构建阶段2007 年——2018 年，该阶段也是界面眼动实验发展逐渐稳定的阶段。此时的关键词突变有“eye movementanalysis”“gaze tracking”“paralyzed patient”“behavior”等。眼动实验应用于移动端智能手机的界面设计可用性测试，界面的评估手段依然采用传统的可用性测试方法和眼动数据分析结合进行评估，如LEE E C 等[10] 在2013 年将眼动追踪融合到设计智能手机界面中。此时与国内情况相同，智能手机侵入人类的视野，用户界面范围增加。因此，移动端和电脑端甚至是智能产品界面也逐渐成为研究的重点。用户可以利用眼动数据控制界面操作，节省人力也便于无障碍地操作。如MISHRA S 等[11] 在2017 年通过眼球运动控制无线的人机界面移动。眼动实验应用在更多界面中，说明了界面设计的多元化发展。

3. 多元快速发展阶段2018 年——至今，该阶段是快速发展阶段，此时期的突显关键词有“engagement”“electrooculogram”“system”“computer interface”“eye tracking”等。交互界面中的设计元素不断细化，从界面的认知风格到可用性测试逐渐关注用户的认知负荷。如CHEN L 等[12] 在2018 年研究对用户认知风格与查看特定类型界面对象时眼球运动之间相互作用的见解；ZHANGJ L 等[13] 在2020 年对核电系统OM 界面认知负荷进行了评估；YANK T 等[14] 在2021 年对压路机操作员的界面认知负荷进行了评估。交互界面设计范围更加广泛，眼动与界面设计之中的元素关系更加密切，界面设计更加关注用户的深度需求，结合人的视觉、触觉、听觉等多模态研究。综上所述，从界面的设计角度来讲，从宏观的视觉元素逐渐细化至微观的视觉元素。从用户的角度来讲，结合用户的心理与生理特点深化以用户为中心的设计，从界面的操作易用性到界面带来的认知负荷皆是站在用户的视角。

（三）国内未来研究方向分析

1. 从交互界面设计的范围来讲：界面设计的眼动实验研究的范围更加的广泛，从最初的“计算机界面——移动智能手机界面——智能机器人界面”，界面眼动实验不仅仅局限于二维的界面设计，界面由2D 逐渐向3D 延伸。

2. 从交互界面设计中的视觉元素来讲：从界面的演化可以发现界面中的设计元素从数量和风格上都有着显著的变化。从最初的拟物化设计到如今的深度扁平化设计，从最初的将眼动应用到界面的视觉追踪到界面的颜色、布局、图标、搜索模式、层级设计等，未来的交互界面更加细化。

结语

通过对2000——2022 年CNKI 和Web of Science 数据库中的眼动实验在交互界面设计中的研究文献进行CiteSpace 和VOSviewer 数据可视化分析，研究了该领域的研究近况和未来趋势。研究发现，国外研究的热度整体与国内同步呈现上升趋势。国外研究横向范围较国内小，但对于临床医学等相关的实践项目来讲更加纵向深入。国内外研究均涉及与计算机技术结合的相关的研究，其中国外针对某一方向的研究例如临床的重度残疾人士和计算机脑机接口等方面更加深入，国内则涉猎更加广泛。在后续研究中，国内可以从临床医学等高价值的方向纵向深度发展。

研究热点既有联系又有区别。针对界面设计研究的相似性来讲，国内外眼动实验可以作为数据采集工具和可用性测试。界面设计的眼动实验不仅局限于现实世界，随着人工智能、AR 和VR 的持续发展，虚拟现实中也存在着虚拟的3D 界面，未来的界面眼動会将虚拟与现实结合，研究虚拟现实世界的界面眼动实验。针对界面设计研究的差异性来讲，国内界面设计眼动实验的目标是为优化界面设计和测试可用性，甚至研究界面设计中具体设计元素、布局和色彩等。而国外在界面设计研究采用多种检测设备结合使用的方法，聚焦特殊人群与特殊疾病。综上所述，国内可以借鉴国外的研究领域及发展现状，未来针对现实的问题，探究对临床医学中的特殊疾病人群的有利的深入研究，同时加强与先进计算机技术的衔接。