包 装 工 程 第43卷 第2期
56 PACKAGING ENGINEERING 2022年1月
收稿日期：2021-09-13
作者简介：韩宇翃（1972—），女，长春人，硕士，北京工业大学副教授，主要研究方向为工业设计工程。 智能铲运机造型设计及眼动追踪实验
韩宇翃，张子正
（北京工业大学，北京 100124）
摘要：目的 通过眼动实验对造型设计过程中区域的重要性和优先级进行确认，为矿山开采设备造型设计过程提供更充分的数据支撑和理论依据。方法 追踪被试眼动轨迹和生理数据，得出视觉热点图和视觉轨迹图，分析用户对现有产品特征的视觉关注点的排布情况，运用实验分析结果对整体造型各个区域进行优先级划分，以此指导设计要素之间的主次和顺序，指导设计方案中模块化区域的划分，缩短试错阶段，提高效率，提出优化方案。结果 最终得出用户更加关注驾驶舱、轮胎区域，其次是铲斗和车体区域。结论 将眼动实验结果运用到铲运机的造型设计中，弥补了当前主要依赖设计师经验进行铲运机造型设计的不足，验证了在开采设备造型设计过程中，应用眼动实验方法来辅助区域划分和优先级制定的可
女生肾虚行性，从而进一步提升设计方案的科学性和合理性。
关键词：工业设计；铲运机造型设计；眼动追踪；模块化；矿山开采设备
中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2022)02-0056-08 DOI ：10.ki.1001-3563.2022.02.008
Modeling Design and Eye Tracking Test of Intelligent Scraper
HAN Yu-hong , ZHANG Zi-zheng
(Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)
ABSTRACT: In order to provide more sufficient data support and theoretical basis in the modelling design process of the mining equipment, eye-tracking experiment is ud in this paper to confirm the zonal significance and priority. Visual heat maps and visual trajectory maps are obtained by analyzing the eye movement trajectory and physiological data. By ana-lyzing the ur's visual attention points related to the zones with product features, the priorities and quence of design features could be distinguished, so as to shorten the trial period and promote the efficiency, optimizing the project. In this experiment, it is realized that the driving zone, tyre zone, and then the
bucket zone and vehicle body zone catch the major attention. This discovery could be utilized in intelligent scraper shape design, complementing the current way of designing relying on designers' experience, validating the availability to u eye movement experiment in mining equipment design process to distinguish the priority of different zones. The scientificity and rationality of design is also promoted. KEY WORDS: industrial design; modelling design for intelligent scraper; eye tracking; modularity; mining equipment
地下铲运机是一种用于井下矿石装载运输的专用工程车辆，是实现地下矿山规模化开采的重要装备[1]。可以完成半自动化生产作业循环，包括自动化行驶、卸矿和远程遥控铲装。其中包括辅助操作功能，操作者可以选择自动装矿或远程遥控装矿的方式，从而提升生产效率和安全系数[2]。智能铲运机的设计和研发更具前瞻性，相对发达国家，中国尚处于自主研发阶段。眼动行为反应用户与观察对象在交互时的重要认知过程，是视觉艺术研究中反映兴趣变化程度的重要因素[3-4]。眼动追踪技术主要应用于心理学、医疗程序和交互系统中，先进的眼动追踪技术提供了更广泛认识、深入理解人体和精神功能的机会。目前在眼动追踪在机械设备造型设计的应用研究中，多用于评价现有的设计方案，主要在工程车辆和机械设计中有所
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第43卷第2期 韩宇翃等：智能铲运机造型设计及眼动追踪实验 57
开展。然而，国内智能铲运机处于自主研发阶段，眼动追踪数据用于指导智能铲运机设计的案例和研究较少。通常机械设备的外观设计中以设计师个人（或团队）的主观判断及设计经验作为设计依据的方法有局限性，因此引入眼动追踪技术辅助设计方案的探讨有较高的研究价值。
1 眼动实验
国内的眼动研究多用于设计方案的评价，林丽等通过眼球的运动来探寻用户的心理活动，依据科学的眼动行为数据提升设计与需求的匹配度[5]。韩飞等基于视觉选择性注意理论和形状知觉理论得到的产品形态视觉认知模型，以此用于设计方案的研究[6]。胡伟峰等利用眼动实验与主观评价相结合的方法评估采油机械压裂车的外观设计，提出产品造型主特征应表现在最受关注的区域，以及配色应具有层次感[7]；房启晓提出建立递进的工程机械类产品设计程序，并利用模块化划分与眼动仪实验等手段，对工程机械类产品的设计方法进行创新性探索[8]；戚彬等将眼动跟踪技术运用于形态仿生的研究，得到眼动路径、注视频率、注视时间和注视点数量等数据，以定量实验方法分析得出生物原型的典型形态特征排序[9]。国外有关眼动实验的研究中，Lisa等提出了双眼共激活在评估眼动注视时间的影响与交互理论的探讨[10]。Bogomolova等提出利用眼动追踪技术，来测试单位价格标签设计因素是如何影响消费者在产品决策过程中的眼球运动的[11]。眼动追踪技术的输出数据包括数字，以及眼睛注视的持续时间和坐标，经检验所提出的方法能够量化和预测仅通过监控眼睛行为而获得的审美偏好[12]。
因此，本文探讨眼动实验数据辅助智能铲运机设计的研究具有创新性和探索性。眼动实验数据运用在具体的造型设计方案中，其眼动注视的区域划分与智能铲运机方案中模块化设计方法具有一致性，可用于规划和指导模块的划分，提升产品品质，使设计方案更加具有科学性、逻辑性、功能性和实用性。
1.1 实验方法
根据上述眼动追踪实验与形态设计优化的方法讨论，结合智能铲运机研发现状的研究，确定眼动追踪数据辅助指导铲运机造型设计的方法，具体如下：选取实验对象，收集和处理实验材料，收集现有案例中铲运机的图片，对照片尺寸、颜色、背景进行处理，排除其他干扰因素；对实验对象依据功能特征要素进行分区，铲运机为功能性机械设备，根据不同的功能要素划分不同的功能区域并进行编号；样本图片眼动追踪实验测试，设计双盲实验，减少人为因素对实验结果的影响；眼动数据与造型设计要素关系分析，对实验结果采取单因素方差分析，获取与设计要素显著相关的眼动指标；设计方法的运用，依据眼动指标显著变化参数与铲运机不同功能要素建立联系，以及功能要素的优先级大小，据此排序并建立模型来辅助和优化设计方案。
1.2 实验准备
在已有产品设计与方法的基础上，来对设计方案进行辅助性佐证，并提供数据支撑和理论依据。通过
眼动实验采集用户在关注不同的铲运机时的眼动数据，研究用户在铲运机外观不同时的注视情况，在现有的设计方法基础上得到更具科学依据和理论支撑的设计方案。实验在专业的眼动实验室进行，设备采用Tobii X300屏幕式眼动仪，使用Ergolab 3.0人机环境同步平台对数据进行采集和整理。实验前期准备工作主要分为3个部分：实验材料的预处理，对现有2款铲运机进行多角度的拍照取样，构建实验材料素材库；招募被测试者34名，其中男女比例为1∶1，年龄的区间为22~30岁，被测试者为企业在职员工，其具有多年的工作经验或有较高的文化素质，双眼矫正视力均为正常，且不存在色盲、色弱、斜视、睡眠不足及精神紧张等其他问题；预实验及设备调试，提前进行预实验并完成设备调试。
1.3 实验操作流程
实验共计2天完成，每天随机抽取17人进行实验，首先采集被测试者的瞳孔数据、静息心率和皮电数据作为基准数据，随后对现有2款铲运机形态特征进行观测，采集实验过程中的瞳孔数据、静息心率和皮电数据输出实验结果。每位被测试者的实验过程大约需要20 min，包括实验前注意事项讲解、实验设备调试校准，大约3 min，被测试者观看实验材料时间约17 min。具体实验步骤如下：实验准备阶段对被测试者讲解实验要求和注意事项；被测试者坐在指定位置，佩戴实验设备；询问被测试者的年龄、身高、体重等基本信息情况；随后进行眼动仪的校准，并采集3 min的静息基准数据；实验开始，被测试者观看实验材料至实验结束。
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为保证实验数据的精准性，需要控制实验区域人员的流动，避免出现噪音、光线变化等环境因素，以免影响实验结果。实验开始后，被测试人员注视眼动仪屏幕上的图片，对现有2款铲运机的造型，以及在工作环境中的情况进行观察。每张照片播放照片为5 s，时间过长容易造成疲劳，时间太短难以采集准确的数据。
1.4 实验结果及分析
通过Ergolab 3.0平台对实验数据进行导出，筛选、剔除了3个样本数据，是因为这3个样本数据中的被测试者追踪比例低于90%，或者异常数据超出平均值300%。然后提取剩余31个样本的眼动数据的热区图、方格兴趣区、被测试者不同区域首次注视持续时间等数据进行分析，见图1—3。
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58 包装工程 2022年1月
图1 视觉热点
Fig.1 The visual hotspot map
图2 视觉热点区域划分物理降温的正确方法
Fig.2 The visual hotspot regionalism
图3 被测试者不同区域首次注视持续时间
Fig.3 The duration of first fixation in different regions of subjects
据视觉热点对现有铲运机特征划分区域，分析上
述视觉热点得出，视觉热点主要集中在车轮、驾驶室、
铲斗、车身尾部、车身侧面这些特征。将整车按特征
化分为5个部分，分别为轮胎区域、铲斗区域、车体
尾部区域、车身侧面区域，形态特征分区可以更好地
对每个部分的视觉数据进行对比。
筛选得到的眼动数据，通过眼动指标的整理及研
究，最终选取均值性质和方差值性质的眼动指标作为
备选眼动指标，运用SPSS软件对眼动数据进行方差
特异性检验，选择最大注视时间和首次注视时间这2
项眼动指标进行研究，见表1。
表1 眼动数据首次注视持续时间
Tab.1 The duration of the first fixation of eye movement data
眼动区域最大注视时间（平均值）首次注视时间（方差）
新昌县区域（1）0.27 0.12荷花别名
区域（2）0.21 0.10
事业单位题库区域（3）0.23 0.12
区域（4）0.22 0.09
区域（5）0.20 0.13
在浏览任务中，被测试者对某一区域最大注视时
间的长短，反映了其观察时对该区域的重视程度，说
明该样本区域内的设计形态对用户的吸引程度越大[13]。
通过搜集被测试者对不同区域的首次注视时间数据，分
析得出用户对铲运机不同区域的外观特征关注程度，
通过分析被测试者首次注视时间及被测试者的视觉
热点图，可以发现被测试者关注铲运机特征的兴趣点
依次为驾驶舱部分、轮胎部分、铲斗部分、车体尾部、
车体侧面，后续根据实验结果指导进行模块化方案设计。
1.5 眼动实验辅助设计方案提升探讨
在设计领域中，借助眼动实验中的首次注视时间
数据及热点图来寻找设计机会点的实践较多。其中一
般认为首次注视时间较短的区域是用户首先观察的
区域，其主要影响因素是设计特征。观察对象特征元
素明显时往往能先抓住用户的视觉中心，对这些形态
特征进行提取、评价筛选，对后续设计具有改良或借
鉴意义，可以帮助设计师更加确切地进行设计方案的
优化推进。通过分析实验中得出的视觉热点图，可以
发现用户关注铲运机形态时的兴趣点。与首次注视时
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间不同的是，热点图反应的是该区域的持续关注时间，持续时间越久，说明该区域的特征元素越受到
用户的关注，引起关注的原因主要是设计特征元素的美与丑。设计特征元素的美与丑都会使用户较长时间地关注某一局部特征，但总的来说，用户关注某一区域时间越长，说明该特征越容易引起注意，这些局部特征即应当重点进行设计和改良。通过分析区域关注度较高的原因，可以指导后续设计中采用不同的方法，如保留强化特征或删减修改特征。这一方法同样适用于交互设计中的界面设计领域。
1）在网页设计中，通过捕捉眼动注视热点和注视轨迹，对界面区域进行分析，在设计布局时将不同层级的信息合理排布，满足用户更有效的获取信息的需求。眼动追踪技术运用到网站设计，以新版12306购票网站为例，通过眼动追踪实验获取用户眼动视觉热点图和眼动轨迹。车票查询页注视轨迹见图4[14]。对界面进行定量分析通过分析发现网页存在信息排版和操作效率的问题，在排版、配色和信息呈现进行改良设计，车票查询页面的改良设计见图5[14]。
2）在广告设计和包装设计中通过分析眼动数据可以得出，用户是否对产品产生兴趣及产生兴趣点在哪里，从而进行产品的改进和优化。在云南白药包装设计中，通过分析视觉热点图，发现原有包装中信息重要程度与视觉关注度不匹配。以此为指导将外包装颜色、图案、文字排版和打开方式等因素进行改进设计。云南白药胶囊外包装热点见图6[15]，云南白药胶囊改进外包装正面见图7[15]。
3）在文化产品设计中，通过观察者对某一个文化形态的不同要素的关注程度进行排布，为文化元素符号提取提供方向。在侗族文化产品包装设计案例中，对比侗族传统建筑特征，通过观察者对不同要
素关注的关注程度从强到弱依次为楼身、飞檐、塔顶和底部，为文化元素符号提取提供方向。以侗族鼓楼元素的主要特征，将鼓楼的楼身、飞檐和宝顶等具有典型形态特征的视觉元素映射于包装瓶体的设计中。实验刺激样本热区及轨迹见图8[16]，“侗水瓶”设计效
果见图9[16]
。
国外的一项基于单价的布局如何影响消费者决策的研究中，同样运用眼动实验的方法采集消费者在观察产品包装和价签时的视觉热点。设立对照实验将相同产品分为没有价格、正常大小的价签和增大的价签3组，分别采集被测试者的视觉热点和主观评价。运用统计学方法分析得出价格字符增大有助于消费者购物时正确决策，特别是对低价格感兴趣的人群而言结论更为明显[11]。产品包装与价签的视觉热点见图10[11]，价签增大对消费者关注度的影响见图11[11]。
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羊肠图4 车票查询页注视轨迹
Fig.4 Gaze track map of ticket inquiry page
图5 车票查询页面的改良设计
Fig.5 Improved design of ticket query page
图6 云南白药胶囊外包装热点
Fig.6 Hotspots overlay maps of Yunnan Baiyao
图7 云南白药胶囊改进外包装正面
Fig.7 Improved front outer packaging of Yunnan Baiyao
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图8 实验刺激样本热区及轨迹
Fig.8 Heat map and track map of the test stimulation sample
图9 “侗水瓶”设计效果
Fig.9 Design effect of “Dong Water Bottle”
图10 产品包装与价签的视觉热点 Fig.10 Visual heat map of product packaging and price tag
图11 价签增大对消费者关注度的影响
Fig.11 Influence of price tag increa on consumer attention
4）在VR 、AR 交互领域，眼动数据直接影响视觉画面的构成，有侧重性地对眼球关注度高的区域来着重表现画质和细节，从而合理地完成计算机的资源调配，使虚拟影像更加接近现实。例如，眼动追踪的高铁候车屏幕信息交互研究，通过捕捉眼动注视热点和注视轨迹，对界面区域、字体呈现出的颜色进行分析，最后得出对比强烈的颜色更容易被注视，以及在屏幕中间区域更容易被注视，以此为依据，设计布局时将不同层级的信息进行合理排布，从而满足用户更有效地获取信息的需求。
对铲运机等大型设备而言，设备往往具有较多的特征，并且依据功能进行了区域化、模块化的设计。然而对单一特征的改进往往对整体的设计提升收效甚微。因此针对大型设备而言，眼动实验主要通过大的兴趣区域进行划分，对设计创意意向和眼动数据进行匹配，具体方法如下：分析概念设计阶段设计意向，将设计点的创意意向提取排列，对比眼动实验得出对象不同区域被观察时重视程度排列，然后判断两者的差异。如对比结果一致，说明设计意向符合用户观察规律，可以继续开展设计活动。如果两者对比差距较大，说明设计意向与用户观察重视程度不相符，此时可判断产生差异的原因，可以通过重复实验或文件调查等方法排除实验误差，然后设计师同行设计评价，对设计方案进行调整，从而达到辅助设计提升的目的，眼动实验辅助设计流程见图12。
图12 眼动实验辅助设计流程
Fig.12 Flow of eye movement test aided design
本次探讨旨在探究眼动数据与大型机械设备的外观形态设计的评价关系，通过分析被测试者对设备外观特征的眼动数据，指导优化设备特征形态设计方案。本文的研究分析和设计方案优化路径对同类机械产品形态设计具有参考价值。
2 设计方案深入
2.1 模块化设计
模块化设计的运用可以有效解决智能铲运机机
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