李曉英，程帥，周大濤

【工業(yè)設(shè)計(jì)】

基于計(jì)算美學(xué)的實(shí)體界面美度評(píng)估方法

李曉英1，程帥1，周大濤2

（1.湖北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，武漢 430068；2.武漢理工大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，武漢 430070）

為解決實(shí)體界面美度評(píng)估中的風(fēng)格、多維度指標(biāo)及方法應(yīng)用問(wèn)題，結(jié)合計(jì)算美學(xué)的特性，提出一個(gè)新評(píng)估方法。通過(guò)分析當(dāng)前的界面美度評(píng)估與計(jì)算美學(xué)的研究現(xiàn)狀和缺口，提出了運(yùn)用感性工學(xué)、因子分析、平面坐標(biāo)定位，美度公式等分析與計(jì)量手段來(lái)建構(gòu)一種基于計(jì)算美學(xué)的實(shí)體界面美度評(píng)估方法。與已有研究相比，該方法綜合考慮了界面風(fēng)格認(rèn)知和多維關(guān)聯(lián)指標(biāo)等在用戶審美要素、評(píng)估指標(biāo)、評(píng)估精度和應(yīng)用效力上的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，將計(jì)算美學(xué)的應(yīng)用對(duì)象從現(xiàn)階段的數(shù)字界面拓展到了實(shí)體界面。以某品牌示波器的界面設(shè)計(jì)方案為例，對(duì)新的評(píng)估方法進(jìn)行了實(shí)證分析，并通過(guò)眼動(dòng)追蹤實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了實(shí)證結(jié)果，結(jié)果表明，該評(píng)估方法能夠準(zhǔn)確、有效地反映用戶的審美傾向。形成的方法和結(jié)論對(duì)實(shí)體界面美學(xué)的設(shè)計(jì)與評(píng)估具有一定的指導(dǎo)作用，也為計(jì)算機(jī)輔助界面設(shè)計(jì)提供了重要參考。

實(shí)體界面；美度評(píng)估；計(jì)算美學(xué)；因子分析；眼動(dòng)追蹤

人機(jī)界面是人與系統(tǒng)進(jìn)行直接交互的媒介，按照交互媒介的自身屬性，可以分為軟件界面和硬件界面[1]。其中，軟件界面是指用戶通過(guò)數(shù)字圖形與系統(tǒng)發(fā)生交互的數(shù)字界面（Digital User Interface，DUI），如系統(tǒng)界面、APP、Web等以數(shù)字圖形為載體的虛擬控件界面；硬件界面是指用戶通過(guò)物理觸覺(jué)媒介進(jìn)行信息交互的實(shí)體界面（Tangible User Interface，TUI），如儀器儀表的操作面板、家用電器的功能面板或者交通工具、特種裝備的按鈕界面等以可觸實(shí)體為載體的物理顯控界面。隨著技術(shù)的發(fā)展，雖然軟件數(shù)字界面因其多樣化、多層次的視覺(jué)效果和信息層級(jí)，逐漸成為人機(jī)界面的主流媒介，但相較于軟件數(shù)字界面提供的單向視覺(jué)反饋，硬件實(shí)體界面則兼具了觸覺(jué)的雙向交互特征（既可以傳遞信息，也可以獲取信息），這有利于降低人的注意力負(fù)荷，從而增強(qiáng)人機(jī)協(xié)作、盲操或精細(xì)操作的可用性?；谶@一優(yōu)勢(shì)，實(shí)體界面在相關(guān)的生產(chǎn)和生活中具有必然的不可替代性[2]，對(duì)其開(kāi)展設(shè)計(jì)研究具有重要的實(shí)際意義。

目前，在實(shí)體界面的研究中，美度評(píng)估作為提升實(shí)體界面感知可用性的必要方式，研究如何對(duì)其進(jìn)行有效度量成為一個(gè)亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。具體而言，一方面實(shí)體界面的布局元素一般包括按鍵、旋鈕、LED、屏幕等物理組件，這些組件是輔助用戶進(jìn)行信息交流的載體，其布局設(shè)計(jì)的合理性不僅會(huì)影響人機(jī)工學(xué)的績(jī)效性能，也會(huì)直接影響用戶的視覺(jué)感受和認(rèn)知理解[3]；另外，雖然實(shí)體界面評(píng)估多數(shù)集中在注意力負(fù)荷、錯(cuò)誤率、任務(wù)績(jī)效和操作視域等認(rèn)知績(jī)效方面[4]，但是隨著感性工學(xué)的發(fā)展，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究也證明了產(chǎn)品功能可用（理性）與人機(jī)界面美感（感性）之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性[5]，“美的設(shè)計(jì)同時(shí)也會(huì)是好用的”[6]這一涉及審美體驗(yàn)的設(shè)計(jì)論斷也得到了諸多學(xué)者的關(guān)注。究其原因，美觀的界面設(shè)計(jì)能夠有效地降低感知復(fù)雜性，提高用戶的使用愉悅度，并最終增強(qiáng)產(chǎn)品的可用性，由此，美感設(shè)計(jì)、美度評(píng)估作為推動(dòng)感性設(shè)計(jì)的重要手段必然成為界面設(shè)計(jì)的研究要點(diǎn)[7]。然而，相較于獨(dú)立地評(píng)估APP、Web等數(shù)字界面的美度質(zhì)量，實(shí)體界面則經(jīng)常會(huì)與產(chǎn)品的其他部件整合到一起，其很少被作為一種單獨(dú)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)而獲得專(zhuān)門(mén)的美度度量。然而從用戶的認(rèn)知偏好、審美需求和體驗(yàn)上看，缺少或忽略對(duì)實(shí)體界面美度的評(píng)估不利于提升人機(jī)交互的可用性，也降低了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究提出了一種基于計(jì)算美學(xué)的實(shí)體界面布局美度評(píng)估方法。該方法綜合考慮了實(shí)體界面美度評(píng)估在量化、客觀、快速和準(zhǔn)確等方面的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，并以某品牌的示波器界面設(shè)計(jì)為例進(jìn)行了實(shí)證研究，且通過(guò)眼動(dòng)追蹤實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。研究表明，在感性設(shè)計(jì)成為影響用戶使用意愿的背景下，本研究所形成的方法和結(jié)論為實(shí)體界面美度評(píng)估提供了新思路，這對(duì)拓展和提升計(jì)算美學(xué)在實(shí)體界面美度評(píng)估中的應(yīng)用方法和質(zhì)量具有重要價(jià)值，也為同類(lèi)實(shí)體界面的美度評(píng)估提供了風(fēng)格特征、審美要素和評(píng)估指標(biāo)等方面的研究參考。

1 界面美度評(píng)估與計(jì)算美學(xué)概述

界面美度評(píng)估容易受到個(gè)體感性差異的影響，因而基于個(gè)體經(jīng)驗(yàn)的主觀評(píng)估方法在時(shí)間周期、成本投入和度量結(jié)果的可靠性上存在一定的應(yīng)用局限。具體而言，美學(xué)（Aesthetic）在藝術(shù)哲學(xué)中被定義為“認(rèn)知與感官體驗(yàn)?zāi)Ｊ降慕Y(jié)合”[8]，是一種研究美、丑等審美范疇和人的審美意識(shí)、美感經(jīng)驗(yàn)，以及如何進(jìn)行美的創(chuàng)造、發(fā)展及探究其影響規(guī)律的科學(xué)?；谶@一定義可知：一方面，界面美度評(píng)估就是度量界面元素布局的視覺(jué)特征是否符合，以及在多大程度上符合用戶的感性意象；另一方面，不同用戶對(duì)美度的感知會(huì)受年齡、性別、文化和知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)等個(gè)體差異的影響。由此可知，與人機(jī)工學(xué)中標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的設(shè)計(jì)評(píng)估相比，界面美度評(píng)估則表現(xiàn)出明顯的主觀性和不確定性[9]，對(duì)此，為了度量界面設(shè)計(jì)是否達(dá)到了較好的美度，現(xiàn)有研究提出了很多方法。其中，多數(shù)研究采用問(wèn)卷調(diào)查、用戶訪談和觀察、專(zhuān)家評(píng)估或生理監(jiān)測(cè)等基于個(gè)體經(jīng)驗(yàn)的評(píng)估方法，雖然該類(lèi)方法通過(guò)對(duì)一定數(shù)量的代表用戶進(jìn)行抽樣調(diào)查，能夠獲得相對(duì)有效的界面美度評(píng)估結(jié)果，但是在該類(lèi)方法的整個(gè)評(píng)估周期中所需的人力成本、時(shí)間成本等會(huì)隨著樣本量（用戶、評(píng)估對(duì)象）和評(píng)估次數(shù)的增加而上升，且這種依賴于主觀經(jīng)驗(yàn)的評(píng)估方法，很容易受到個(gè)體感性差異的影響，進(jìn)而導(dǎo)致界面美度的度量結(jié)果出現(xiàn)偏差[10]。

綜合來(lái)看，基于美度公式的計(jì)算美學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)量化、客觀和快速的美度評(píng)估，但為了進(jìn)一步提升對(duì)實(shí)體界面度量的準(zhǔn)確性，該類(lèi)評(píng)估方法還需解決風(fēng)格認(rèn)知影響、多維指標(biāo)關(guān)聯(lián)和方法適用性等實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。具體而言，在選定美度指標(biāo)時(shí)，基于計(jì)算美學(xué)的界面美度評(píng)估并沒(méi)有考慮界面風(fēng)格定位對(duì)用戶審美偏好的影響，因而在有些情況下，難以合理地解釋所選定的度量對(duì)象、評(píng)估指標(biāo)及獲得的美度結(jié)果。這主要是由于美具有不同的風(fēng)格類(lèi)型，且風(fēng)格美能夠影響用戶的審美思維方式和認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)[17]，因此，評(píng)估具體風(fēng)格下的界面美度，既是實(shí)體界面美度評(píng)估的實(shí)際應(yīng)用需求，也是保證評(píng)估結(jié)果可靠性的必要手段。另外，在當(dāng)前的界面美度評(píng)估過(guò)程中，由于缺少判斷和區(qū)分評(píng)估指標(biāo)的有效性，所以會(huì)存在無(wú)效或重疊評(píng)估的問(wèn)題，這主要是因?yàn)槭苡脩魧徝勒J(rèn)知的多樣性和獨(dú)創(chuàng)性的影響，根據(jù)個(gè)體經(jīng)驗(yàn)所建立的界面美度指標(biāo)體系往往會(huì)有較多的維度，且多數(shù)指標(biāo)間存在潛在的相關(guān)性，過(guò)多的指標(biāo)維度不僅增加了評(píng)估的復(fù)雜性，也會(huì)影響到評(píng)估精度。再者，基于計(jì)算美學(xué)的界面美度評(píng)估方法的研究與應(yīng)用對(duì)象主要是數(shù)字界面，對(duì)計(jì)算美學(xué)能否及怎樣適用于實(shí)體界面的美度評(píng)估還缺少相關(guān)的研究和應(yīng)用。

2 實(shí)體界面美度評(píng)估方法

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究綜合界面風(fēng)格認(rèn)知和多維關(guān)聯(lián)指標(biāo)的影響，提出了一種基于計(jì)算美學(xué)的實(shí)體界面美度評(píng)估方法。該方法的評(píng)估思路為，首先，采用感性工學(xué)來(lái)明確實(shí)體界面的風(fēng)格認(rèn)知與審美要素（按鍵的面積、位置、顏色等）的相關(guān)關(guān)系，以及采用因子分析對(duì)多維評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，旨在為后續(xù)的計(jì)算美學(xué)評(píng)估提供有效的度量對(duì)象；其次，使用二維平面坐標(biāo)系對(duì)實(shí)體界面元素的參數(shù)信息（按鍵的面積大小、相對(duì)位置等）進(jìn)行表征和編碼，旨在為相關(guān)的美度公式提供所需的計(jì)量數(shù)據(jù)；最后，結(jié)合相關(guān)評(píng)估指標(biāo)下的美度公式對(duì)實(shí)體界面的美度進(jìn)行計(jì)算，以獲得客觀、有效的度量結(jié)果。如圖1所示，該方法的具體實(shí)施步驟如下。

步驟1，界面風(fēng)格的美度指標(biāo)分析。首先，在獲得實(shí)體界面的典型樣本后，采用品牌文化定位、問(wèn)卷調(diào)查或訪談的方式對(duì)典型樣本的界面風(fēng)格和審美要素的具體內(nèi)容進(jìn)行梳理和分析（注意，要結(jié)合產(chǎn)品的整體情況來(lái)調(diào)研界面的風(fēng)格特征和審美要素），同時(shí)，使用李克特7級(jí)量表來(lái)量化界面風(fēng)格與審美要素之間的相關(guān)關(guān)系，并選擇關(guān)聯(lián)度排名靠前的審美要素作為度量對(duì)象；其次，結(jié)合專(zhuān)家建議和用戶反饋對(duì)相關(guān)界面風(fēng)格和審美要素下的美度評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行建構(gòu)；最后，使用因子分析對(duì)多維美度評(píng)估指標(biāo)體系的關(guān)鍵因子（關(guān)鍵評(píng)估指標(biāo)）進(jìn)行提取，并計(jì)算關(guān)鍵評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重大小，以及釋義其主要的計(jì)量?jī)?nèi)容。

步驟2，界面元素的二維信息編碼。相較于數(shù)字界面以多個(gè)圖標(biāo)層級(jí)進(jìn)行顯示的方式，實(shí)體界面的布局元素則是以各種具象的形態(tài)（按鍵、旋鈕、顯示窗等）全部呈現(xiàn)在固定的操作面板上。據(jù)此，為便于后續(xù)美度公式的計(jì)量分析，可以通過(guò)二維平面坐標(biāo)系對(duì)實(shí)體界面元素的參數(shù)信息進(jìn)行表征和編碼，如，使用元素的長(zhǎng)和寬的乘積來(lái)表征其面積大小，選擇元素的橫坐標(biāo)（軸）和縱坐標(biāo)大?。ㄝS）來(lái)編碼其位置參數(shù)等，旨在為相關(guān)美度公式的計(jì)量運(yùn)算提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 實(shí)體界面的美度評(píng)估方法

步驟3，界面美度的綜合計(jì)算評(píng)估。為了便于比較不同實(shí)體界面設(shè)計(jì)方案的美度水平，首先，針對(duì)步驟1中對(duì)關(guān)鍵評(píng)估指標(biāo)的計(jì)量釋義，在相關(guān)研究理論和方法的基礎(chǔ)上，選擇或建構(gòu)適用于關(guān)鍵評(píng)估指標(biāo)計(jì)量的美度公式；其次，依據(jù)美度公式的計(jì)量?jī)?nèi)容，分別輸入步驟1和步驟2中界面元素的參數(shù)信息和關(guān)鍵評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重大小，以獲得各個(gè)設(shè)計(jì)方案的綜合美度，并據(jù)此結(jié)果對(duì)界面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)選或優(yōu)化。

最后需要說(shuō)明的是，在上述方法的基礎(chǔ)上，當(dāng)產(chǎn)品品類(lèi)較多或?qū)ο嗨祁?lèi)型的實(shí)體界面美度進(jìn)行多次評(píng)估時(shí)，可將該方法分為兩個(gè)階段：第一階段是構(gòu)建出一個(gè)涵蓋品牌文化和產(chǎn)品定位的實(shí)體界面美度指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，旨在避免重復(fù)地分析“界面風(fēng)格、審美要素和美度指標(biāo)分析”；第二階段是構(gòu)建出一個(gè)針對(duì)美度評(píng)估指標(biāo)的算法公式庫(kù)，旨在快速地調(diào)用相關(guān)的美度公式或算法進(jìn)行指標(biāo)計(jì)量。

3 案例實(shí)證分析

以某品牌示波器的實(shí)體界面美度評(píng)估為例，本節(jié)報(bào)告了其在美度指標(biāo)分析、二維信息編碼和綜合計(jì)算評(píng)估3個(gè)操作步驟中的過(guò)程和結(jié)果。

3.1 實(shí)體界面風(fēng)格的美度指標(biāo)分析

依步驟1所述，為了充分考慮實(shí)體界面風(fēng)格認(rèn)知對(duì)審美要素和評(píng)估指標(biāo)的影響，結(jié)合感性工學(xué)的相關(guān)研究方法來(lái)定位和建構(gòu)了示波器操作界面的美學(xué)風(fēng)格、審美要素和評(píng)估指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，并通過(guò)因子分析提取關(guān)鍵的評(píng)估指標(biāo)。

3.1.1 感性風(fēng)格定位和審美要素分析

首先，以26個(gè)具有代表性的示波器實(shí)物圖片為調(diào)研對(duì)象（見(jiàn)圖2），在收集和分析了該類(lèi)產(chǎn)品的品牌文化、設(shè)計(jì)定位和用戶評(píng)論（227條售后評(píng)論）后，最終選擇了精密、高端、科技、工業(yè)、穩(wěn)重和簡(jiǎn)潔6類(lèi)界面設(shè)計(jì)風(fēng)格，以及面積、位置、字體、字號(hào)、色彩、形狀、紋理和質(zhì)感8種視覺(jué)審美要素；然后，采用簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣的方式獲取了一個(gè)140人的調(diào)研樣本，其中103人（回復(fù)率73.6%，男性87名，女性16名，平均年齡28.90歲，標(biāo)準(zhǔn)差為4.15，均有表示了解或使用過(guò)示波器）通過(guò)李克特7級(jí)量表評(píng)價(jià)了示波器操作界面的6種界面風(fēng)格與8種審美要素之間的相關(guān)程度，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

由圖3可知，Kendall協(xié)調(diào)系數(shù)在0.01水平上顯著，且數(shù)值均在大于0.5，表明所有參與人員對(duì)界面風(fēng)格與審美要素相關(guān)性的評(píng)價(jià)具有較好的一致性，調(diào)研數(shù)據(jù)可信；在6類(lèi)界面風(fēng)格中，精密風(fēng)格具有最大的權(quán)重為0.35，其次是工業(yè)風(fēng)格為0.20，這表明用戶對(duì)此類(lèi)示波器操作界面的風(fēng)格預(yù)期傾向于具有協(xié)調(diào)一致、比例均衡和布局規(guī)整等特點(diǎn)的界面設(shè)計(jì)，因此選擇“精密”和“工業(yè)”風(fēng)格作為該類(lèi)示波器的主題風(fēng)格進(jìn)行分析；另外，由表1中單元格的顏色變化（顏色越深，越相關(guān)）可知，精密、工業(yè)和科技等界面風(fēng)格均表現(xiàn)出了與面積、位置兩類(lèi)審美要素的強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，這說(shuō)明界面元素的面積和位置的布局特征，最能有效地描述和預(yù)測(cè)用戶對(duì)界面風(fēng)格的認(rèn)知特點(diǎn)，是精密、工業(yè)等界面風(fēng)格特征下最為關(guān)鍵的審美要素，因此選擇“面積和位置”兩種審美要素作為評(píng)估示波器界面美度的度量對(duì)象。

3.1.2 評(píng)估指標(biāo)建構(gòu)和關(guān)鍵因子提取

依據(jù)上述分析結(jié)果，組織2名產(chǎn)品設(shè)計(jì)師（均在工業(yè)設(shè)計(jì)行業(yè)從業(yè)3年）對(duì)用戶評(píng)論信息進(jìn)行了分析、判斷和補(bǔ)充，最終提出了對(duì)稱感、密集感、同一感、整齊感、節(jié)奏感、平衡感、呼應(yīng)感、優(yōu)先感、規(guī)律感、連續(xù)感、均衡感、緊湊感等12個(gè)感性詞匯作為該類(lèi)實(shí)體界面的美度評(píng)估指標(biāo)。為了進(jìn)一步判斷和區(qū)分12個(gè)評(píng)估指標(biāo)間的相關(guān)性、有效性和權(quán)重次序以提升評(píng)估精度，采用簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣的方式對(duì)133人（男性96名，女性37名，平均23.77歲，標(biāo)準(zhǔn)差為2.59）進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)研，調(diào)研對(duì)象使用李克特7級(jí)量表對(duì)12個(gè)美度評(píng)估指標(biāo)與示波器美度風(fēng)格之間的關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行了打分，隨后，使用SPSS因子分析計(jì)量了133條打分?jǐn)?shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 示波器操作面板的實(shí)物照片（部分）

圖3 示波器的界面風(fēng)格與審美要素的相關(guān)性

表1 12個(gè)美度評(píng)估指標(biāo)的因子分析結(jié)果

Tab.1 Results from the factor analysis of twelve aesthetics evaluation indicators

注：Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)度量值為0.792；Bartlett球形度檢驗(yàn)的顯著性水平∶0.000。

由表1可知，KMO檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量在0.7以上，且Bartlett球形檢驗(yàn)的顯著性水平小于0.05，這表明12個(gè)美度指標(biāo)之間存在顯著的相關(guān)性，因子分析的結(jié)果有效；同時(shí)，12個(gè)美度指標(biāo)的共同度均大于0.4，表示12個(gè)美度指標(biāo)均具有解釋意義；通過(guò)因子分析共提取出協(xié)調(diào)感、比例感、次序感和整體感4個(gè)美學(xué)關(guān)鍵因子（又稱：關(guān)鍵美度指標(biāo)），其累積方差貢獻(xiàn)率為81.813%，這表明4個(gè)關(guān)鍵因子包含了12個(gè)美度指標(biāo)的大部分信息，能夠用于解釋和度量示波器界面的美度；進(jìn)而以各個(gè)因子的方差貢獻(xiàn)率與總的累積方差貢獻(xiàn)率的比率作為權(quán)重，用以提升對(duì)示波器實(shí)體界面美度的綜合評(píng)估精度，協(xié)調(diào)感、比例感、次序感和整體感4個(gè)關(guān)鍵因子的權(quán)重依次大小，見(jiàn)式（1）。

結(jié)合相關(guān)研究[14-15]的定義，對(duì)上述4個(gè)美學(xué)關(guān)鍵因子的釋義如下。

1）協(xié)調(diào)感（Equilibrium Measure，EM）主要度量各個(gè)界面元素在界面框架（把所有界面元素包含在內(nèi)的最大矩形）上的視覺(jué)重心偏差度。參考物理學(xué)中的“力矩平衡”理論，可知界面元素的面積和離心距離是影響用戶視覺(jué)協(xié)調(diào)的關(guān)鍵因素，對(duì)稱、整齊、平衡和均衡的界面布局才能夠營(yíng)造出令人舒適的協(xié)調(diào)美感。

2）比例感（Proportion Measure，PM）主要度量界面元素的長(zhǎng)寬比值與審美經(jīng)驗(yàn)中的美度比值的相似度。對(duì)生活中的日常事物，人們總是習(xí)慣地尋求比例關(guān)系，比如，設(shè)計(jì)中的“黃金美學(xué)比例”（如1∶1，1∶2，1∶1.414，1∶1.732，1∶1.618），可以認(rèn)為符合比例美感的界面元素越多，或彼此之間的審美關(guān)聯(lián)度越強(qiáng)，則界面美度越高。

3）次序感（Sequence Measure，SM）主要度量界面元素的布局順序與視覺(jué)搜索規(guī)律的匹配程度。研究表明，界面元素的布局設(shè)計(jì)存在明顯的優(yōu)勢(shì)效應(yīng)[18]，譬如人眼存在從左往右、自上而下及從大到小的視覺(jué)檢索習(xí)慣，符合這種視覺(jué)規(guī)律的界面布局不僅能夠提升視覺(jué)認(rèn)知效率和準(zhǔn)確度，而且也能夠有效地提高用戶的審美感知質(zhì)量。

4）整體感（Unity Measure，UM）主要度量界面元素、界面布局（把所有界面元素包含在內(nèi)的最小矩形）與界面框架之間在面積占比上的一致程度。在同一個(gè)界面框架范圍內(nèi)，界面布局的面積一定時(shí)，界面元素的面積越大就越擁擠，整體感越低；界面元素的面積一定時(shí)，界面元素的排列越松散，界面布局所占的空間就越大，整體感越低；對(duì)此，相關(guān)研究表明[19]，界面元素與界面布局的面積比要近似等于界面布局與界面框架的面積比，才能使界面設(shè)計(jì)具有較好的整體感。

3.2 實(shí)體界面元素的二維信息編碼

圖4 4個(gè)示波器界面設(shè)計(jì)方案的表征和編碼方式

表2 4個(gè)設(shè)計(jì)方案中界面元素的二維編碼參數(shù)

Tab.2 Parameters utilized for two-dimensional coding of interface elements in four design solutions

3.3 實(shí)體界面美度的綜合計(jì)算評(píng)估

依步驟3所述，為客觀評(píng)估4個(gè)界面設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)圖4左列）的界面美度，結(jié)合Ngo等[14]的研究成果，形成了面向協(xié)調(diào)感、比例感、次序感和整體感4個(gè)關(guān)鍵因子（關(guān)鍵評(píng)估指標(biāo)）的計(jì)算美度公式，具體見(jiàn)表3。由于4個(gè)界面設(shè)計(jì)方案的布局特征較為一致，依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定4個(gè)關(guān)鍵因子得分的適度范圍為正向指標(biāo)，得分是介于[0, 1]的連續(xù)數(shù)值，得分越大越好。

依據(jù)表2—3，使用Matlab分別計(jì)算了4個(gè)界面設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)圖4左列）在協(xié)調(diào)感EM、比例感PM、次序感SM、整體感UM上的美度值，并結(jié)合式（1）中4個(gè)關(guān)鍵因子的權(quán)重大小計(jì)量了各個(gè)設(shè)計(jì)方案的綜合美度（加權(quán)后的界面美度），結(jié)果見(jiàn)表4。4個(gè)界面設(shè)計(jì)方案的綜合美度排序?yàn)榉桨?>方案4>方案2>方案1，其中：在4個(gè)設(shè)計(jì)方案中，方案3在次序感、整體感兩個(gè)評(píng)估指標(biāo)上表現(xiàn)最高，說(shuō)明其設(shè)計(jì)符合用戶視覺(jué)搜索優(yōu)勢(shì)，且具有緊湊的布局特征；其次，方案4的次序感也表現(xiàn)最高，但其整體感最低，說(shuō)明其界面元素的布局較為分散；而方案2在協(xié)調(diào)感表現(xiàn)最好，其視覺(jué)重心最為平衡；方案1在比例感上表現(xiàn)最高，其界面元素和布局比例感最為突出。

表3 4個(gè)美學(xué)關(guān)鍵因子的計(jì)算美度公式

Tab.3 Computational aesthetics equation based on the four key aesthetics factors

注：界面元素（object）被定義為設(shè)計(jì)表征方案中的單個(gè)矩形；界面布局（layout）被定義為設(shè)計(jì)表征方案中將所有界面元素包含在內(nèi)的最小外切矩形；界面框架（frame）被定義為設(shè)計(jì)表征方案中將所有界面元素包含在內(nèi)的最大外切矩形。

表4 4個(gè)設(shè)計(jì)方案的綜合美度

Tab.4 Overall aesthetics quality of the four design solutions

4 結(jié)果驗(yàn)證與討論

為了檢驗(yàn)上述研究結(jié)果的有效性，本研究采用眼動(dòng)追蹤實(shí)驗(yàn)重新評(píng)估了 4 個(gè)界面設(shè)計(jì)方案的美度排序，并通過(guò)對(duì)比和分析兩次評(píng)估結(jié)果的一致點(diǎn)和差異點(diǎn)，討論了研究方法的優(yōu)勢(shì)和不足。

4.1 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

2）選擇實(shí)驗(yàn)被試者。參考典型的專(zhuān)家主觀評(píng)估過(guò)程，招募了具有示波器使用或設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的11名專(zhuān)家被試者（設(shè)計(jì)師3名，從業(yè)人員8名，平均年齡28.36歲，SD值為4.65）。

3）設(shè)定實(shí)驗(yàn)任務(wù)。為了避免被試者因疑惑、好奇或無(wú)目的瀏覽而造成個(gè)別AOI內(nèi)的注視點(diǎn)過(guò)高（假性注視）或者趨于均值（無(wú)目的注視），將實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)定為“對(duì)4個(gè)界面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行美度優(yōu)選”，并采用了隨機(jī)播放的方式（間隔時(shí)間為15 s）將4組刺激材料進(jìn)行展示，以避免學(xué)習(xí)效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

4）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明和一次預(yù)實(shí)驗(yàn)之后，使用可穿戴眼動(dòng)儀（Tobii Pro Glasses 2）采集了11名被試者的眼動(dòng)數(shù)據(jù)。并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)參與實(shí)驗(yàn)的11名專(zhuān)家被試者進(jìn)行了面對(duì)面訪談，以及邀請(qǐng)其使用李克特7級(jí)量表對(duì)4個(gè)示波器設(shè)計(jì)方案的美度進(jìn)行綜合打分，用以為后續(xù)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)分析提供參考。

5）分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。使用ErgoLAB3.0對(duì)其中10名專(zhuān)家被試者（其中，1名被試者因頭部移動(dòng)幅度過(guò)大而導(dǎo)致數(shù)據(jù)匹配困難，對(duì)其相關(guān)數(shù)據(jù)予以了剔除）的眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，獲得了由被試者注視次數(shù)累積生成的眼動(dòng)熱點(diǎn)圖（見(jiàn)圖5）和各AOI內(nèi)的平均注視點(diǎn)數(shù)量（見(jiàn)表5）。

研究表明，眼動(dòng)熱點(diǎn)圖通過(guò)顏色梯度可以直觀地反映界面設(shè)計(jì)方案對(duì)被試者的吸引程度[20]，也就是被試者對(duì)界面設(shè)計(jì)方案的關(guān)注度，一般認(rèn)為紅、黃和綠的熱點(diǎn)顏色漸變按降序依次表示關(guān)注度由高到低。同時(shí)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的設(shè)定（對(duì)4個(gè)界面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行美度優(yōu)選）、實(shí)驗(yàn)后的訪談結(jié)果（多次注視某個(gè)興趣區(qū)，是否是因?yàn)橐苫蟆⒑闷婊虿焕斫猓┖拖嚓P(guān)文獻(xiàn)的應(yīng)用情況[20-23]，在此次實(shí)驗(yàn)中設(shè)定了被試者對(duì)界面設(shè)計(jì)方案的注視次數(shù)越多，界面設(shè)計(jì)的吸引力就越高，表示界面美度越高。如圖5所示，整體上可知方案3的紅色密度最高，其次是方案2和方案4的顏色密度，方案1的紅色密度最低，進(jìn)一步結(jié)合實(shí)驗(yàn)后的專(zhuān)家綜合打分結(jié)果（方案1是4.00分，方案2是5.00分，方案3是6.18分，方案4是4.91分），最終獲得的美度排序?yàn)?，方?>方案2>方法4>方法1。將這一結(jié)果與基于計(jì)算美學(xué)的客觀評(píng)估結(jié)果（方案3>方案4>方案2>方案1）進(jìn)行對(duì)比，可知兩次評(píng)估的排序結(jié)果都認(rèn)為方案3最優(yōu)和方案1最差，但兩次評(píng)估結(jié)果在方案2和方案4的排序上存在差異。為此，通過(guò)統(tǒng)計(jì)專(zhuān)家被試者在各個(gè)AOI興趣區(qū)內(nèi)的平均注視點(diǎn)數(shù)量（見(jiàn)表5），發(fā)現(xiàn)AOI 4內(nèi)的注視點(diǎn)數(shù)量（23.141）大于AOI 2內(nèi)的注視點(diǎn)數(shù)量（22.388），這表明專(zhuān)家被試者對(duì)方案4的關(guān)注度高于方案2，進(jìn)而表明方案4的界面美度要高于方案2，這一評(píng)估結(jié)果與基于計(jì)算美學(xué)的評(píng)估結(jié)果一致。

圖5 眼動(dòng)熱點(diǎn)圖

表5 各興趣區(qū)（AOI）內(nèi)的注視點(diǎn)數(shù)量

Tab.5 Count of gaze points within each area of interest (AOI)

注：?jiǎn)卧駜?nèi)的數(shù)據(jù)為10個(gè)被試者在各AOI內(nèi)注視點(diǎn)數(shù)量的均值

針對(duì)方案2和方案4在專(zhuān)家綜合評(píng)分和眼動(dòng)注視次數(shù)兩種不同計(jì)量方式下的結(jié)果差異，組織了2名專(zhuān)家復(fù)查與分析了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果，結(jié)果表明：上述差異可能是由眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)中專(zhuān)家樣本偏少、個(gè)體經(jīng)驗(yàn)不均衡或界面美感近似（相似、低敏感的評(píng)估內(nèi)容會(huì)引發(fā)主觀性的猶豫和模糊評(píng)估）等原因而導(dǎo)致的波動(dòng)誤差，這種波動(dòng)誤差普遍存在于基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的主觀評(píng)估中，其主要會(huì)對(duì)得分值較為接近（如方案2和方案4）的結(jié)果造成一定程度的影響。

4.2 研究討論

綜上所述，眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的評(píng)估結(jié)果驗(yàn)證了所述方法的有效性，表明相較于基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的主觀評(píng)估，使用美學(xué)計(jì)算則可避免波動(dòng)誤差對(duì)度量結(jié)果的影響，更能夠準(zhǔn)確、有效地反映出用戶的審美傾向。具體而言，本研究的評(píng)估方法是使用美度公式來(lái)評(píng)估實(shí)體界面，從理論研究上看，這些美度公式主要用于客觀地度量界面元素的參數(shù)信息與美度指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，比如：使用美度公式度量了界面元素中心的視覺(jué)偏差情況與協(xié)調(diào)感的關(guān)系、界面元素的長(zhǎng)寬比情況與比例感的關(guān)系、界面元素的視覺(jué)搜索優(yōu)勢(shì)情況與次序感的關(guān)系及界面元素的面積占比情況與整體感的關(guān)系。另外，從實(shí)踐應(yīng)用上看，這些相關(guān)關(guān)系常被作為設(shè)計(jì)指南用于指導(dǎo)界面的設(shè)計(jì)和布局，其代表了大眾的、普適的和共性的審美特征?？梢哉f(shuō)，據(jù)此建構(gòu)的美度公式不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)這種感性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)化度量，而且也去除了極端個(gè)體經(jīng)驗(yàn)對(duì)審美結(jié)果的影響。因此，與個(gè)人主觀經(jīng)驗(yàn)的美度評(píng)估相比，采用計(jì)算美學(xué)的界面美度評(píng)估方法能夠有效地降低專(zhuān)家樣本偏少、個(gè)體經(jīng)驗(yàn)不均衡或界面美感近似等對(duì)度量結(jié)果的影響。尤其是對(duì)相似、相近或差別不敏感的界面設(shè)計(jì)方案，該評(píng)估方法可以實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的量化評(píng)估，更能夠準(zhǔn)確地反映出用戶的實(shí)際審美傾向。

最后需要指出的是，在審美綜合評(píng)價(jià)中，美度指標(biāo)存在適度范圍的問(wèn)題，即美度指標(biāo)的得分?jǐn)?shù)值既不是越大越好，也不是越小越好，而是應(yīng)趨于1個(gè)或多個(gè)適度點(diǎn)，這與“美有千姿百態(tài)，且各有千秋”的實(shí)際情況相吻合[17]。因此，為了保證綜合美度評(píng)估的準(zhǔn)確性，在應(yīng)用上述方法對(duì)實(shí)體界面的美度進(jìn)行評(píng)估時(shí)，應(yīng)該結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)考慮美度指標(biāo)得分的適度范圍（正向指標(biāo)、反向指標(biāo)，或是適度指標(biāo)）。對(duì)布局特征近似的界面設(shè)計(jì)方案可以考慮依據(jù)正向或反向指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)估，而對(duì)布局特征反差較大的界面設(shè)計(jì)方案則應(yīng)該考慮使用適度指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)估，或者通過(guò)專(zhuān)家打分對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行修正。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究旨在為實(shí)體界面的美度評(píng)估提供一個(gè)可行、有效的量化方法，為此，從界面美度評(píng)估的風(fēng)格認(rèn)知影響和多維指標(biāo)關(guān)聯(lián)等實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題出發(fā)，提出了基于計(jì)算美學(xué)的實(shí)體界面美度評(píng)估方法。從方法和應(yīng)用的角度上看，提供了以下幾個(gè)方面的貢獻(xiàn)：針對(duì)實(shí)體界面的布局特點(diǎn)，提出了系統(tǒng)化的界面美度評(píng)估方法，將計(jì)算美學(xué)評(píng)估的應(yīng)用對(duì)象從現(xiàn)階段的數(shù)字界面延伸到了實(shí)體界面；在評(píng)估過(guò)程中綜合考慮了界面風(fēng)格對(duì)審美要素、審美指標(biāo)的影響，并采用因子分析來(lái)提取美度關(guān)鍵因子和度量其權(quán)重大小，有效地提升了實(shí)體界面美度評(píng)估的應(yīng)用效力；該評(píng)估方法使客觀、快速和標(biāo)準(zhǔn)化地開(kāi)展實(shí)體界面美學(xué)的設(shè)計(jì)與評(píng)估成為可能，對(duì)計(jì)算機(jī)輔助界面設(shè)計(jì)的研究應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

考慮到界面設(shè)計(jì)中布局元素和形式的多樣化，以及用戶審美偏好的豐富性和習(xí)得性，與之相關(guān)的計(jì)算美度公式和美度指標(biāo)的適用范圍仍需不斷地研究發(fā)展，未來(lái)有必要在更多研究實(shí)踐的基礎(chǔ)上進(jìn)一步地改進(jìn)該類(lèi)評(píng)估方法。具體而言，現(xiàn)階段的計(jì)算美學(xué)研究缺少適用于所有審美要素的計(jì)算公式體系或算法模型庫(kù)，因此僅對(duì)與示波器界面風(fēng)格具有強(qiáng)相關(guān)的面積和位置兩種審美要素進(jìn)行了美度評(píng)估。進(jìn)一步的研究將完善和擴(kuò)展實(shí)體界面美度評(píng)估的審美要素和指標(biāo)體系，包括建構(gòu)面向界面元素形狀特征或色彩特征的美度計(jì)算公式，以及整合多種審美要素下的評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行量化研究，從而更全面地反映用戶對(duì)界面美度的審美經(jīng)驗(yàn)?？紤]到“美有千姿百態(tài)，且各有千秋”的實(shí)際情況，對(duì)相關(guān)風(fēng)格特征下美度指標(biāo)的適度范圍進(jìn)行研究也應(yīng)成為未來(lái)工作的重點(diǎn)。

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Evaluation Method of Physical Interface Aesthetics Based on Computational Aesthetics

LI Xiao-ying1, CHENG Shuai1, ZHOU Da-tao2

(1.School of Industrial Design, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China; 2.School of Art and Design, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

The work aims to propose a novel evaluation method combined with the features of computational aesthetics to solve the problems of style, multidimensional indicators and method application in evaluation of physical interface aesthetics. By analyzing the current research status and gaps of interface aesthetics evaluation and computational aesthetics, an evaluation method of physical interface aesthetics based on computational aesthetics was put forward by Kansei engineering, factor analysis, planar coordinate positioning, aesthetic equation, etc. Differing from prior research, this method accounted for practical issues of perceptions of interface styles and multidimensional correlation indicators in user aesthetic elements, evaluation indicators, evaluation accuracy, and application validity and broadened the application of computational aesthetics from digital interfaces to physical interfaces. The interface design of a specific brand of oscilloscope was used as a case study for an empirical analysis of the novel evaluation method. The empirical results were validated by eye-tracking experiments, which demonstrated that the proposed method could accurately and effectively reflect users' aesthetic preferences. The formulated method and derived conclusions provide valuable guidance for the design and evaluation of physical interface aesthetics and serve as an instrumental reference for computer-aided interface design.

physical interface; aesthetics evaluation; computational aesthetics; factor analysis; eye-tracking

TB472

A

1001-3563(2023)14-0041-11

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.14.004

2023–02–15

教育部人文社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃基金（18YJAZH048）

李曉英（1973—），女，教授，碩士。主要研究方向?yàn)橹悄茉O(shè)計(jì)和人機(jī)交互。

程帥（1992—），男，碩士生，主攻計(jì)算化設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：陳作