基于计算美学的实体界面美度评估方法_李晓英.pdf

第 44 卷 第 14 期 包 装 工 程 2023 年 7 月 PACKAGING ENGINEERING 41 收稿日期：20230215 基金项目：教育部人文社会科学研究规划基金（18YJAZH048）作者简介：李晓英（1973），女，教授，硕士。主要研究方向为智能设计和人机交互。通信作者：程帅（1992），男，硕士生，主攻计算化设计。基于计算美学的实体界面美度评估方法 李晓英1，程帅1，周大涛2（1.湖北工业大学 工业设计学院，武汉 430068；2.武汉理工大学 艺术与设计学院，武汉 430070）摘要：目的目的 为解决实体界面美度评估中的风格、多维度指标及方法应用问题，结合计算美学的特性，提出一个新评估方法。方法方法 通过分析当前的界面美度评估与计算美学的研究现状和缺口，提出了运用感性工学、因子分析、平面坐标定位，美度公式等分析与计量手段来建构一种基于计算美学的实体界面美度评估方法。与已有研究相比，该方法综合考虑了界面风格认知和多维关联指标等在用户审美要素、评估指标、评估精度和应用效力上的现实问题，将计算美学的应用对象从现阶段的数字界面拓展到了实体界面。结果结果 以某品牌示波器的界面设计方案为例，对新的评估方法进行了实证分析，并通过眼动追踪实验验证了实证结果，结果表明，该评估方法能够准确、有效地反映用户的审美倾向。结论结论 形成的方法和结论对实体界面美学的设计与评估具有一定的指导作用，也为计算机辅助界面设计提供了重要参考。关键词：实体界面；美度评估；计算美学；因子分析；眼动追踪 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)14-0041-11 DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.14.004 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)ABSTRACT: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.KEY WORDS:physical interface;aesthetics evaluation;computational aesthetics;factor analysis;eye-tracking 人机界面是人与系统进行直接交互的媒介，按照交互媒介的自身属性，可以分为软件界面和硬件界面1。其中，软件界面是指用户通过数字图形与系统发生交互的数字界面（Digital User Interface，DUI），如系统【工业设计】42 包 装 工 程 2023 年 7 月 界面、APP、Web 等以数字图形为载体的虚拟控件界面；硬件界面是指用户通过物理触觉媒介进行信息交互的实体界面（Tangible User Interface，TUI），如仪器仪表的操作面板、家用电器的功能面板或者交通工具、特种装备的按钮界面等以可触实体为载体的物理显控界面。随着技术的发展，虽然软件数字界面因其多样化、多层次的视觉效果和信息层级，逐渐成为人机界面的主流媒介，但相较于软件数字界面提供的单向视觉反馈，硬件实体界面则兼具了触觉的双向交互特征（既可以传递信息，也可以获取信息），这有利于降低人的注意力负荷，从而增强人机协作、盲操或精细操作的可用性。基于这一优势，实体界面在相关的生产和生活中具有必然的不可替代性2，对其开展设计研究具有重要的实际意义。目前，在实体界面的研究中，美度评估作为提升实体界面感知可用性的必要方式，研究如何对其进行有效度量成为一个亟待解决的现实问题。具体而言，一方面实体界面的布局元素一般包括按键、旋钮、LED、屏幕等物理组件，这些组件是辅助用户进行信息交流的载体，其布局设计的合理性不仅会影响人机工学的绩效性能，也会直接影响用户的视觉感受和认知理解3；另外，虽然实体界面评估多数集中在注意力负荷、错误率、任务绩效和操作视域等认知绩效方面4，但是随着感性工学的发展，相关实验研究也证明了产品功能可用（理性）与人机界面美感（感性）之间的强关联性5，“美的设计同时也会是好用的”6这一涉及审美体验的设计论断也得到了诸多学者的关注。究其原因，美观的界面设计能够有效地降低感知复杂性，提高用户的使用愉悦度，并最终增强产品的可用性，由此，美感设计、美度评估作为推动感性设计的重要手段必然成为界面设计的研究要点7。然而，相较于独立地评估 APP、Web 等数字界面的美度质量，实体界面则经常会与产品的其他部件整合到一起，其很少被作为一种单独的设计要点而获得专门的美度度量。然而从用户的认知偏好、审美需求和体验上看，缺少或忽略对实体界面美度的评估不利于提升人机交互的可用性，也降低了产品的市场竞争力。针对上述问题，本研究提出了一种基于计算美学的实体界面布局美度评估方法。该方法综合考虑了实体界面美度评估在量化、客观、快速和准确等方面的现实问题，并以某品牌的示波器界面设计为例进行了实证研究，且通过眼动追踪实验验证了该方法的有效性。研究表明，在感性设计成为影响用户使用意愿的背景下，本研究所形成的方法和结论为实体界面美度评估提供了新思路，这对拓展和提升计算美学在实体界面美度评估中的应用方法和质量具有重要价值，也为同类实体界面的美度评估提供了风格特征、审美要素和评估指标等方面的研究参考。1 界面美度评估与计算美学概述 界面美度评估容易受到个体感性差异的影响，因而基于个体经验的主观评估方法在时间周期、成本投入和度量结果的可靠性上存在一定的应用局限。具体而言，美学（Aesthetic）在艺术哲学中被定义为“认知与感官体验模式的结合”8，是一种研究美、丑等审美范畴和人的审美意识、美感经验，以及如何进行美的创造、发展及探究其影响规律的科学。基于这一定义可知：一方面，界面美度评估就是度量界面元素布局的视觉特征是否符合，以及在多大程度上符合用户的感性意象；另一方面，不同用户对美度的感知会受年龄、性别、文化和知识、经验等个体差异的影响。由此可知，与人机工学中标准化和规范化的设计评估相比，界面美度评估则表现出明显的主观性和不确定性9，对此，为了度量界面设计是否达到了较好的美度，现有研究提出了很多方法。其中，多数研究采用问卷调查、用户访谈和观察、专家评估或生理监测等基于个体经验的评估方法，虽然该类方法通过对一定数量的代表用户进行抽样调查，能够获得相对有效的界面美度评估结果，但是在该类方法的整个评估周期中所需的人力成本、时间成本等会随着样本量（用户、评估对象）和评估次数的增加而上升，且这种依赖于主观经验的评估方法，很容易受到个体感性差异的影响，进而导致界面美度的度量结果出现偏差10。相较于基于个体主观经验的界面美度评估方法，另一项研究工作则试图通过发展计算模型来进行界面美度的客观评估11-12，即计算美学。作为科学与艺术的桥梁13，计算美学具有客观、量化、标准及能够被集成到界面开发环境而实现快速和自动评估的优势，因而，计算美学逐渐成为一门新兴的交叉学科，受到了界面美度评估研究的关注。该类研究的重点是通过美度公式或算法建立界面布局特征（元素布局参数）与用户视觉美感（界面评估指标）的映射关系，旨在客观和标准化地度量用户的主观审美感受。这其中，所采用或建构的美度公式多数由基于视觉认知原理的数学公式所组成，代表性研究是：Birkhoff 提出的美度计算公式“/MO C=”，其中，M（Measure）表示美度，O（Order）表示秩序度，C（Complexity）表示复杂度；还有 Ngo 等14针对人的视觉审美偏好建立了 13 个用于量化计算机界面布局美度的计算公式；以及周蕾等15在Ngo的基础上提出的12个界面美度指标的计算体系，以及开发的界面美度计算原型系统。除这些美度公式之外，随着人工智能技术的发展，基于深度学习的计算美学算法也开始受到关注16，其目的是使用计算机来模拟人的视觉审美思维，以辅助设计师进行界面美度评估，但该类方法的实施需要进行大量的样本学习才能获得有效的评估精度，因此，在现阶段该类方法的研究成果还不能用于指导实际设计。第 44 卷 第 14 期 李晓英，等：基于计算美学的实体界面美度评估方法 43 综合来看，基于美度公式的计算美学能够实现量化、客