張寧寧, 馮 晨, 紀(jì) 俐, 任 宏*

(1.沈陽航空航天大學(xué)設(shè)計藝術(shù)學(xué)院， 沈陽 110136； 2.沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 沈陽 110136)

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通領(lǐng)域展開應(yīng)用，智能網(wǎng)聯(lián)汽車成為發(fā)展趨勢[1]。汽車人車交互受到重視，液晶顯示屏具有對比度高、色彩鮮艷的優(yōu)勢，基于液晶顯示屏的數(shù)字化儀表界面成為汽車的顯示中心、人車交互的接口[2]。汽車數(shù)字化儀表界面對提升駕駛員安全性、提升駕駛員用戶體驗(yàn)、增強(qiáng)汽車品牌基因[3]等具有重要作用。中外學(xué)者紛紛展開汽車數(shù)字化儀表界面設(shè)計研究。

李維杰[4]結(jié)合實(shí)際駕駛場景，利用人機(jī)界面設(shè)計準(zhǔn)則指導(dǎo)數(shù)字儀表布局設(shè)計，并提出了一種汽車數(shù)字儀表盤界面交互設(shè)計的方法流程。孫貴磊等[5]為研究汽車儀表盤人機(jī)交互設(shè)計對駕駛者辨識效率及正確率的影響,開展模擬試驗(yàn)。最終從表盤位置、配色設(shè)計、誤讀率和認(rèn)讀速度等四個方面對汽車儀表盤的設(shè)計提出建議。趙丹華等[6]對汽車內(nèi)飾的設(shè)計價值、品牌、情感塑造等進(jìn)行了分析,明確了設(shè)計作為一種架構(gòu),可以起到構(gòu)建領(lǐng)域概念的知識框架作用,從而推進(jìn)汽車內(nèi)飾的創(chuàng)新設(shè)計。國外學(xué)者對卡車上的數(shù)字儀表盤進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)論是儀表設(shè)計會影響任務(wù)完成時間、在儀表上的注視持續(xù)時間和滿意度，可通過基本的優(yōu)化設(shè)計來促進(jìn)信息傳遞、提升用戶體驗(yàn)[7]。感性工學(xué)是研究用戶情感認(rèn)知的重要方法，廣泛地應(yīng)用于各設(shè)計領(lǐng)域。蔣長江[8]對汽車的全液晶儀表顯示界面進(jìn)行了相關(guān)評價體系研究，并且使用了主觀評價和客觀生理測量相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法；程永勝等[9]融合層次分析法與感性工學(xué)理論，搭建出工程車輛形象評價體系模型，在工程車的造型設(shè)計評判中進(jìn)行了應(yīng)用。

中外相關(guān)研究多數(shù)集中于界面信息的傳遞效率，對于人機(jī)界面情感認(rèn)知的研究相對較少，并且劃分的視覺設(shè)計要素還不全面。現(xiàn)基于感性工學(xué)理論，對汽車數(shù)字儀表視覺設(shè)計要素與用戶感性意象建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)的數(shù)字儀表視覺設(shè)計提供理論建議。

1 研究程序

感性工學(xué)相關(guān)研究的輔助設(shè)計可以通過數(shù)學(xué)建模進(jìn)行[10-11]。基于感性工學(xué)的汽車數(shù)字儀表視覺設(shè)計要素研究可以分為三個步驟。

(1)構(gòu)建造型要素空間。對各類汽車的數(shù)字儀表聚類進(jìn)行處理，對汽車數(shù)字儀表的設(shè)計要素進(jìn)行概括和分類，收集的樣本要盡可能包含全面的設(shè)計要素。

(2)構(gòu)建感性意向空間。感性意向空間是感性意象詞匯的集合，以獲取能準(zhǔn)確表述用戶對汽車數(shù)字儀表的主觀感受的詞匯為目標(biāo)，運(yùn)用KJ法對大量的感性詞匯進(jìn)行篩選，最后留下的感性意象詞匯是最具有代表意義的。

(3)運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法得到預(yù)測模型。把汽車數(shù)字儀表視覺設(shè)計要素與用戶感性意象特征之間的具體聯(lián)系，使用數(shù)量化理論Ⅰ進(jìn)行解釋。將感性評價尺度轉(zhuǎn)換為工學(xué)尺度，量化了感性訴求與汽車數(shù)字儀表的關(guān)系。研究流程如圖1所示。

圖1 汽車數(shù)字儀表視覺設(shè)計要素研究流程Fig.1 Research flow of visual design elements of automobile digital instrument

2 汽車數(shù)字儀表感性實(shí)驗(yàn)

2.1 汽車數(shù)字儀表樣本

通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)研的手段，廣泛收集世界范圍內(nèi)知名汽車公司的官方網(wǎng)站、大型汽車交易網(wǎng)站，汽車雜志上的數(shù)字儀表圖片，共整理出32個品牌、79款車型，包含2010—2020年期間市場上各大品牌的主流車型。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，去掉樣本圖上的水印、商標(biāo)、廣告等干擾因素，并將樣本圖的尺寸統(tǒng)一化處理，由于實(shí)驗(yàn)探究的是汽車數(shù)字儀表中視覺要素的影響，所以在保留視覺要素的同時，弱化樣本圖片中的文字元素和特殊圖形等可能干擾因素，重點(diǎn)保留形態(tài)、線條、色彩、儀表布局方向的設(shè)計要素。經(jīng)過專家訪談、問卷調(diào)查，以及對圖片進(jìn)行聚類分析，按照不同感性意象將數(shù)字儀表樣本分為10組。按照樣本應(yīng)包含本組最普遍一致的設(shè)計要素的原則，每一組挑選出1幅有代表性的汽車數(shù)字儀表圖片代表該組樣本，樣本的車型盡量選擇在市場占有率高、對未來數(shù)字儀表設(shè)計趨勢有引領(lǐng)作用的主流品牌。共計10幅圖片代表10組樣本如圖2所示。

圖2 汽車數(shù)字儀表樣本Fig.2 Sample of automobile digital instrument

2.2 儀表感性意象詞匯對

通過對消費(fèi)者訪談，對相關(guān)書籍、互聯(lián)網(wǎng)等媒介進(jìn)行調(diào)研，搜集了130個對汽車數(shù)字儀表感性意象描述的詞匯[12]。依據(jù)科學(xué)性、可操作性、統(tǒng)一性的原則，運(yùn)用KJ法對130個語義描述詞匯進(jìn)行屬性分類，選出10個感性詞匯，并將這些詞匯配以反義詞，作為代表性詞匯對，并對其進(jìn)行編號，構(gòu)成感性意象空間，如表1所示。

表1 汽車數(shù)字儀表感性意象詞匯對Table 1 Car digital instrument perceptual image vocabulary pair

2.3 感性語意實(shí)驗(yàn)

選取20名參與者進(jìn)行感性語意實(shí)驗(yàn)，年齡約為23.6歲，其中男性10人，參與者均具有1年以上駕駛經(jīng)驗(yàn)。汽車數(shù)字儀表感性語意實(shí)驗(yàn)，首先分別用10幅圖片和10個感性意象詞構(gòu)成汽車數(shù)字儀表的10組樣本和汽車數(shù)字儀表的感性意象空間。其次把由7個區(qū)間組成的二維語義差分量尺用于語義差分[13]量表的編制，區(qū)間的左右兩端放置為語義相反的一對感性詞匯，語義量尺的區(qū)間值具體表現(xiàn)為正負(fù)值的1、2、3和自然數(shù)0，這7個數(shù)值分別表現(xiàn)了被試對不同的樣本圖片的感覺認(rèn)知程度。如“單一的-豐富的”的選項(xiàng)，依次取 -3、-2、-1、0、1、2、3 的分值，分別代表非常單一、比較單一、不太單一、區(qū)別不出、不太豐富、比較豐富和非常豐富。基于語義差分法的基本原則，進(jìn)行感性實(shí)驗(yàn)的問卷調(diào)查。在調(diào)查問卷中，有10個汽車數(shù)字儀表樣本，這10個樣本圖片與10組感性意象詞匯構(gòu)成了感性意象主觀調(diào)查問卷，而每個語義量尺都有7個區(qū)間，因此最終得出的感性意向空間包含700個語義區(qū)間。

因?yàn)檎Z義評價結(jié)果必須體現(xiàn)絕大多數(shù)人對汽車數(shù)字儀表的感覺，所以應(yīng)先剔除特異的感覺，K個評價者對樣本圖片i與感性詞匯j之間的評分結(jié)果，展現(xiàn)了人們對不同樣本的不同情感側(cè)重，側(cè)重結(jié)果的均值和方差公式為

(1)

(2)

其中滿足

(3)

2.4 主成分分析

運(yùn)用主成分分析法[15]，提取出部分感性詞匯，這部分感性詞匯可以概括較多的感性信息。為檢驗(yàn)問卷的效度情況，使用SPSS軟件[16]進(jìn)行KMO (Kaiser-Meyer-Olkin)和Bartlett’s球狀檢驗(yàn)，KMO和Bartlett’s球狀檢驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.661，大于0.500的最低標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果顯示P值也小于0.001，證明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行因子分析。運(yùn)用最大方差旋轉(zhuǎn)法將10個樣本的感性評價的數(shù)據(jù)進(jìn)行直交轉(zhuǎn)軸處理，用主成分分析法提取出一小部分感性詞匯[17]，這一小部分感性詞匯可以代表大部分的感性信息。把數(shù)據(jù)運(yùn)用統(tǒng)計分析手段進(jìn)行分析處理，結(jié)果表明數(shù)據(jù)的前三個主成分特征值大于1，且前三個主成分可以概括數(shù)據(jù)的89.456%，因此保留前三個主成分，主成分分析的結(jié)果如表2所示。

表2 主成分分析結(jié)果Table 2 Principal component analysis results

由公因子方差比可以看出，每一個指標(biāo)變量數(shù)據(jù)的共性方差基本都超過0.7，驗(yàn)證表明了這三個公共因子可以很好地展現(xiàn)大多數(shù)原始各項(xiàng)指標(biāo)變量的信息。從SPSS統(tǒng)計分析結(jié)果中可以看出汽車數(shù)字儀表感性意象空間主要由三個主成分構(gòu)成，三個感性詞匯因子軸構(gòu)建了對汽車數(shù)字儀表影響較大的感性詞匯。對主成分載荷數(shù)值進(jìn)行分析，選取三個詞匯作為重點(diǎn)詞匯，分別是未來的、優(yōu)雅的、協(xié)調(diào)的。汽車數(shù)字儀表的突出感性意象可以由這些詞匯進(jìn)行概括。

3 儀表視覺設(shè)計要素數(shù)學(xué)模型

3.1 設(shè)計要素提煉

對設(shè)計數(shù)字儀表視覺設(shè)計要素進(jìn)行提煉，根據(jù)汽車數(shù)字儀表設(shè)計方法，分別從形態(tài)、顏色、表盤數(shù)量等方面分解汽車數(shù)字儀表造型。設(shè)計要素歸為5個類別：形態(tài)特征面、形態(tài)特征線、儀表數(shù)量、儀表主要色調(diào)、顏色填充方式，并歸納出各個類別的要素類目，如表3所示。

表3 設(shè)計要素類目表Table 3 List of design elements

3.2 數(shù)學(xué)模型建立

數(shù)量化理論屬于多變量分析，是將定量變量轉(zhuǎn)化成定性變量的研究。數(shù)量化理論Ⅰ研究的主要目的是尋找自變量對因變量的作用情況,通過搭建數(shù)學(xué)模型的方式，達(dá)到改變自變量就可以合理預(yù)測出因變量,并發(fā)現(xiàn)二者間存在的關(guān)聯(lián)性[18-19]。在數(shù)量化理論I[20]的理論方法上，代入設(shè)計要素類目表和10個儀表各自包含的設(shè)計要素種類的數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)預(yù)測模型，其中的項(xiàng)目為汽車數(shù)字儀表設(shè)計項(xiàng)目, 類目為汽車數(shù)字儀表設(shè)計類目。假設(shè)有n個樣本中, 第1個項(xiàng)目x1有r1個類目c11,c12, …,c1r2, 第2個項(xiàng)目x2有r2個類目c21,c22, …,c2r2, 第m個項(xiàng)目xm有rm個類目cm1,cm2, …,cmrm, 共計有

(4)

個類目，為第j個設(shè)計類目在第i個汽車數(shù)字儀表樣本中的反應(yīng)(感知意象語匯值),則

(5)

x={δi(j,k)}，i=1,2,…，n;j=1,2,…，r;k=1,2,…，rj

(6)

設(shè)計項(xiàng)目中的各類目對感知意象評價值 (yi)的影響，可以建立線性數(shù)學(xué)模型為

(7)

式(7)中：εi表示第i次抽樣的隨機(jī)誤差；ajk只受第j個設(shè)計項(xiàng)目的第k類常數(shù)影響。將SPSS軟件用于求解數(shù)學(xué)模型中，獲取類目得分、常數(shù)項(xiàng)、復(fù)相關(guān)系數(shù)、決斷系數(shù)及偏相關(guān)系數(shù)的數(shù)值。偏相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果如表4所示。

表4 偏相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果Table 4 Analysis results of partial correlation coefficient

從偏相關(guān)系數(shù)的分析研究結(jié)果中，可以得到一些具體的數(shù)值，來表明設(shè)計因素與人的感覺認(rèn)知之間的聯(lián)系。用戶對儀表的感性評判結(jié)果受儀表包含的設(shè)計要素影響，具體關(guān)系表現(xiàn)在偏相關(guān)系數(shù)的大小上，也就是系數(shù)越大影響越大。綜合分析可看出，對于感性意象而言，感性意象受儀表數(shù)量要素的影響不大。

“個性的-中庸的”詞匯對的預(yù)測模型為

y=-1.000-0.316X15-0.696X16-0.306X24+0.664X41+0.663X42+0.620X44-0.121X52

(8)

(9)

模型精度也可用復(fù)相關(guān)系數(shù)r2來表示，復(fù)相關(guān)系數(shù)r2即決斷系數(shù)r2。在汽車數(shù)字儀表意象造型設(shè)計中，偏相關(guān)系數(shù)也表示不同的設(shè)計項(xiàng)目對感性詞匯的貢獻(xiàn)情況，即值的大小影響貢獻(xiàn)大小。據(jù)此可以得到項(xiàng)目與項(xiàng)目、項(xiàng)目與因變量之間的相關(guān)系數(shù)以及相關(guān)矩陣R，在此基礎(chǔ)上可計算偏相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型以及相關(guān)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以得出：模型中的復(fù)相關(guān)系數(shù)與決定系數(shù)都非常接近于1，其值分別為0.994和0.988，表示因變量感性詞匯“個性的-中庸的”與自變量設(shè)計類目的線性回歸關(guān)系較為密切，樣本數(shù)據(jù)對所選用的回歸模型擬合較好，分析結(jié)果可信度較強(qiáng)。

設(shè)計類目與感性意象形容詞對“個性的-中庸的”關(guān)系分析結(jié)果如表5所示，儀表主要色調(diào)的得分范圍最高為1.917，對汽車數(shù)字儀表界面的個性化影響最大。顏色填充方式得分范圍最低，為0.121，對于汽車數(shù)字儀表界面的個性化影響最小。

表5 設(shè)計類目與感性意象形容詞對“個性的-中庸的”關(guān)系分析結(jié)果Table 5 Analysis results of the relationship between design category and a pair of perceptual image adjectives “individual-neutral”

3.3 綜合評價

綜合上述數(shù)據(jù)分析，結(jié)合感性工學(xué)理論知識，在儀表造型元素評估結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了汽車數(shù)字儀表感性意向空間和視覺設(shè)計元素與人的感知之間的預(yù)測模型，總結(jié)出了汽車數(shù)字儀表的設(shè)計影響因素。

(1)對汽車數(shù)字儀表樣本進(jìn)行設(shè)計元素的解構(gòu)，建立了汽車儀表盤界面設(shè)計元素的矩陣關(guān)系，由三個感性詞匯因子軸構(gòu)成了數(shù)字儀表的感性意向空間。通過主成分分析法得到了對汽車數(shù)字儀表影響較大的感性詞匯，并以個性的、協(xié)調(diào)的、優(yōu)雅的這種詞匯為代表。以想使得界面風(fēng)格更傾向于個性化為例，界面元素應(yīng)最好具有以下特征：以X16形態(tài)特征面為首要設(shè)計要素，同時滿足X24射線(金屬質(zhì)感)形態(tài)特征線，顏色填充方式為X52漸變填充。

(2)為增強(qiáng)儀表界面設(shè)計師的預(yù)見性，滿足使用者對數(shù)字儀表界面的情感需求，可根據(jù)上述數(shù)據(jù)結(jié)果，設(shè)計符合數(shù)量化理論模型的汽車數(shù)字儀表界面應(yīng)具有的特征元素。

(3)應(yīng)用感性工學(xué)理論，深化處理分析汽車數(shù)字儀表界面，通過數(shù)據(jù)分析深入的了解使用者的情感認(rèn)知情況，了解使用者對不同設(shè)計元素的情感認(rèn)知傾向，為汽車數(shù)字儀表視覺設(shè)計提供出新的設(shè)計理論依據(jù)。

4 結(jié)論

汽車數(shù)字儀表的視覺舒適性往往影響著駕駛員駕駛汽車時的安全性，而駕駛員對儀表的感知不容易直接測量，因此對汽車數(shù)字儀表界面要素與駕駛員感性認(rèn)識之間的關(guān)系，進(jìn)行分析評價研究也尤為重要。汽車數(shù)字儀表發(fā)展迅速，未來的汽車數(shù)字儀表設(shè)計也會注重人的感知因素，界面設(shè)計也將更符合人類的審美。在汽車數(shù)字儀表設(shè)計中，不同用戶對數(shù)字儀表風(fēng)格的需求不同。利用感性工學(xué)和數(shù)量化Ⅰ類理論結(jié)合的方法可以將各類感性意象貢獻(xiàn)度最大的形態(tài)因素和項(xiàng)目提取出來，指導(dǎo)新的汽車數(shù)字儀表設(shè)計，滿足不同的用戶對汽車數(shù)字儀表的要求。

在感性工學(xué)理論基礎(chǔ)上，對樣圖與人的感性意象使用語義差分法進(jìn)行評價。用主成分分析的方法將獲得到的評價結(jié)果處理，得到比原始變量更優(yōu)秀的綜合變量，也就是與儀表關(guān)聯(lián)更強(qiáng)的感性詞匯。最終獲得相應(yīng)用戶對不同設(shè)計風(fēng)格的儀表界面的對應(yīng)感知，分析出影響感性意向的具體視覺設(shè)計元素，歸納總結(jié)出汽車數(shù)字儀表設(shè)計方法。本文在汽車和用戶之間建立一個合理的情感交流渠道，將用戶的情感化需求附加到汽車數(shù)字儀表視覺設(shè)計的研發(fā)流程中，并得出符合市場需求的用戶評價系統(tǒng)。