基于眼動分析的文化設計基因提取與應用研究

汶晨光，茍秉宸，吳林健，馬煒琳

WEN Chenguang,GOU Bingchen,WU Linjian,MAWeilin

西北工業大學 陜西省工業設計工程實驗室，西安 710072

Shaanxi Engineering Laboratory for Industrial Design,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China

1 引言

在當今消費需求多元化、市場競爭激烈的時代，富有民族文化特色的文化創意產品越來越受到人們的喜愛。然而，設計出富有文化特色的產品通常需要較長的周期，這與快節奏的消費市場產生了明顯的矛盾。如何快速把握文化的核心內涵，并成功應用于產品設計中，對于縮短文化創意產品的設計周期，使產品成功推向市場至關重要。

文化基因決定了文化的系統傳承與變化，是文化生長發育、繼承發展的核心所在[1-2]。將文化基因提取出來并加以設計表現，形成這種特定文化的設計基因，以便將其應用于產品設計，對于文化創意產品設計而言是一個快速而準確的途徑。

目前關于文化設計基因的提取通常是采用人工提取方法，由專業的設計師研究相關的文化，結合設計知識經驗和文化本身的特點，分析提取文化設計基因[3-4]。這種方法具有較強的主觀性，設計師會根據自身的理解來提取文化的設計基因，因而不同的設計師對同一種文化提取的設計基因可能存在較大的差異，這樣在初始階段就給文化創意產品的設計埋下了隱患。同時目前文化設計基因的提取方法較為單一，并不能完整地體現文化的特征與內涵。

針對以上問題，如何運用眼動分析方法，控制設計師對文化設計基因提取的主觀影響，保持文化設計基因提取的客觀性，并在此基礎上從多角度提取文化設計基因，從而使設計出的產品被更多人接受，是本文重點研究的內容。

2 文化的設計基因理論

2.1 文化的設計基因

2.1.1 文化基因

關于文化基因的理論研究，施舟人[1]首次提出文化基因庫概念，倡導建立文化基因庫。文化基因是決定文化系統傳承與變化的基本因子、基本要素，是文化生長發育、繼承發展的核心所在[2]。文化基因與生物基因不同，生物基因屬于生物遺傳，而文化基因屬于非生物遺傳，是要靠特定的文化場域中的人、社會以及各種文化現象，比如文化場域中的器物、建筑、活動、習俗等的傳遞來傳承[5-6]。因此，文化基因是文化元素的濃縮，是各種文化特征的內在關聯，是文化傳承發展所依賴的根本所在。

2.1.2 文化的設計基因

臧勇[7]論述設計與文化基因的關系，把設計可以看作是文化與造物的聯結部，從而起到疏通文化基因的橋梁作用。文化的設計基因是指從文化基因中提煉出的具有文化核心特征的、可以作用于設計表達的基本特征元素與基本表現方式。它與文化基因的區別在于，文化基因是針對于特定文化的文化觀念、文化特征以及表現方式等物質與非物質文化特征的綜合提煉，它是以研究文化本身的特征與傳承特性為目的；而文化的設計基因是從設計的角度對文化基因進行基本特征元素的提取和表現方式的歸納，它是以提取文化內涵特征而應用于設計活動為目的。

2.1.3 文化的設計基因提取

關于文化的設計基因提取，茍秉宸等[3]針對半坡彩陶文化，進行了基于遺傳理論的半坡彩陶文化基因提取研究。朱上上等[4]從工業設計出發，提出了基于設計符號學的文物元素再造研究方法。但以上所提研究方法所針對的文化樣本本身文化特征較少，對于文化特征元素較多的研究對象，并未說明如何對文化特征加以篩選。因此，在復雜的文化設計基因提取中容易使設計師主觀性放大，從而影響提取工作的客觀性。

2.1.4 文化設計基因提取原則

“文化設計基因”具有著與“生物基因”相似的基本特征，它是文化“遺傳”的基本單位，代代傳承著本文化的特征信息，而且區別于其他文化的文化因子。它對某種文化特征的形成具有決定性的作用，反過來，它也是識別這種文化特征的決定因子[8]。

確定一個文化的設計基因，大致可遵循圖1所示的原則：（1）在內在成因上具有自身獨特性（即內在唯一性原則）；（2）在外在表現上具有自身獨特性（即外在唯一性原則）；（3）所表現出的文化信息是文化特征的濃縮，有存儲巨大的文化信息的潛力（即遺傳信息濃縮原則）；（4）在文化的傳承過程中，結構相對穩定（即結構穩定原則）；（5）通過控制文化的基本特性來體現文化特征（指導文化特征表現原則）。

圖1 確定文化設計基因的原則

2.2 眼動分析在文化設計基因提取中的應用

眼動跟蹤技術是研究視覺認知的重要方法。眼動追蹤是指度量凝視點或測量眼球運動的過程，它通過眼動追蹤監視器記錄每只眼睛的運動軌跡及在可視點上的活躍區域[9]。

如圖2本文采用眼動分析實驗，分析被測試者在觀察不同文化特征時的視覺興趣點分布、興趣區域特征，從而獲取被測試者所重點關注的區域及區域內樣本特征，獲取感性認知結果。然后再結合設計師對文化的認識，分析興趣區域的文化特征樣本，進行設計基因的提取。本方法可以降低現有設計基因提取方法中高度依賴設計師個人認知的主觀性，既保證了提取出的文化設計基因富有文化本身的內涵特色，又可以提高廣大人群對文化設計基因的認可度。

3 研究過程

3.1 文化解構確定文化典型特征樣本

圖2 文化設計基因提取總體研究框架

探索文化“繁衍”所依賴的因素，分析并提取文化設計基因，要清楚認知文化基因包含哪些遺傳信息，并對文化進行解構[10]。首先要對文化基因進行分類，在眾多文化基因分類方法中，以物質文化基因與非物質文化基因這種分類最為常用[11-13]。

物質文化基因是以實體物質的形式存在，通過物質材料呈現、傳播與傳承，如建筑文化、飲食文化、服飾文化等。非物質文化基因又被稱為“活態文化”，以精神狀態的形式存在并通過口頭講述和親身行為等方式來表現和傳承，如語言文化、信仰文化、風俗文化等。

彬縣大佛寺石窟位于陜西省彬縣，其地理位置介于甘肅敦煌石窟與洛陽龍門石窟之間，是古絲綢之路的必經之地。窟內主像為西方三圣：中間為阿彌陀佛（高約20 m），左、右兩側分別為觀世音和大勢至菩薩（高約15 m），均依窟壁雕鑿，石胎泥塑，外敷彩繪，具有很高的歷史和藝術價值[14]。

如圖3針對彬縣大佛寺石窟文化的要素和文化特點進行分類研究，彬縣大佛寺石窟內的西方三圣佛像、佛龕、其他佛像以及窟外的明鏡臺等是大佛寺內體現大佛寺文化的典型載體。通過篩選，確定出圖4中5個彬縣大佛寺石窟文化的典型特征樣本，作為下一步眼動分析實驗的分析對象，分別是明鏡臺、阿彌陀佛像、觀世音像、大勢至菩薩像、信徒膜拜圖。

圖3 彬縣大佛寺石窟文化屬性分類

圖4 彬縣大佛寺石窟文化典型特征樣本

3.2 基于文化典型特征樣本的眼動分析實驗

3.2.1 實驗設備

采用美國應用科學實驗室（Applied Science Laboratory，ASL）開發生產的頭盔式眼動儀作為實驗儀器進行實驗，如圖5所示。該眼動跟蹤系統跟蹤頻率為60 Hz，采用光學記錄法中瞳孔中央和角膜反射原理來追蹤眼球運動。

圖5 眼動分析實驗儀器

3.2.2 實驗目的

實驗主要目的是測試分析文化特征樣本中被測試者重點關注的最能體現文化特征的區域和特征元素，為后續文化設計基因提取提供參考。

3.2.3 實驗的影響因素分析

通過眼動分析實驗分析一定數量的被測試者對文化特征樣本的認知過程，將被測試者的感性認知過程通過眼動數據量化。綜合分析被測試者觀察樣本不同區域元素的注視時間、注視軌跡、回視次數、興趣區域、眼跳活動等參數，分類統計分析眼動數據，可以獲得人們對文化特征樣本普遍的重點關注區域和元素。

將基于實驗心理學的眼動分析實驗用于文化設計基因提取分析，其實驗結果受到多方面因素的影響。其中，實驗樣本的尺寸大小、色彩分布、樣本演示順序、播放時長等，以及被測試對象的數量、性別、年齡、文化層次、對測試文化的熟悉程度等均會對實驗結果產生影響。表1中對眼動分析實驗的相關影響因素進行了分析，并針對各個因素進行了參數設置，以減小各因素的影響。

3.2.4 實驗對象

實驗被測試對象為20人，其中男女生各10人，年齡在21～52歲，均為工業設計專業人員，其中10名本科生，6名碩士研究生，2名博士研究生，2名教師。被測者裸眼視力均達到1.0，且無色盲和色弱。這些測試者都有過文化特征元素提取和文化創意產品設計的工作經歷，但所有被試者均第一次見到實驗測試樣本圖片。

3.2.5 眼動實驗指標

基于實驗心理學的眼動分析目前主要應用在閱讀心理學、人機工效學、航空心理學及疲勞度研究、界面可用性評價等研究領域[15-19]。本文案例所選取的文化典型特征樣本主要以圖形圖片的形式呈現，且其內容信息具有多元復雜的特點，本文針對以上特點對基于文化典型特征圖片樣本的眼動實驗指標含義進行了說明，如表2所示。

3.2.6 實驗進程

實驗開始之前，由實驗人員向被測試者說明實驗流程，并說明注意事項等問題，增加實驗的針對性和準確性。具體的實驗流程如圖6所示。

每位被測試者完成整個測試大概需要21 min，其中眼動分析實驗約10 min（設備調試和視線校準等準備工作約8 min，樣本瀏覽時間約3 min），實驗前事項講解和實驗后問卷反饋約10 min。

眼動分析實驗中，被測試者佩戴ASL Eye-Track 6.0頭盔式單眼眼動儀，進行多點定標測試和校準測試以實現精確追蹤眼球運動，并由配套的E-prime實驗演示程序控制文化特征樣本圖片播放。要求被測試者在自然狀態下瀏覽5張彬縣大佛寺石窟文化特征樣本圖片，了解辨識圖片中的文化特征信息，實驗中分析被測試者重點關注的能體現文化特征的區域和特征元素，同時分析被測試者通過哪些特征來辨識認知此文化樣本的。為避免一些相關因素對實驗的影響，本文對各因素的參數進行了設置，詳見表1。3.2.7 實驗數據分析

表1 文化設計基因提取眼動分析實驗影響因素分析

實驗數據分析使用ASL Results Plus（Eye-trac 6）專業眼動分析軟件進行，主要通過被測試者的視覺軌跡（Gaze Trail）、熱圖（Heat Map）、興趣區域（Area of Interest）三個層面分析被測試者重點關注的文化樣本特征元素。下文以樣本2阿彌陀佛像為例進行分析。

表2 基于文化典型特征圖片樣本的眼動實驗指標

圖6 文化設計基因提取眼動分析實驗流程圖

（1）視覺軌跡

視覺軌跡反映了被測試者觀察目標樣本時視覺瀏覽順序和在每個注視點的注視時間。圖7為樣本2的視覺軌跡圖，圖中被測試者最先注視大佛面部，然后先后觀察了佛像后左側、右側佛龕上的紋飾，被測試者的眼跳活動主要在佛像區域內部和紋飾區域內部，在佛像與紋飾之間有少量眼跳。因此，被測試者主要關注了佛像面部和后方佛龕上的紋飾。

圖7 樣本2的視覺軌跡分析

（2）熱圖

熱圖（Heat Map）將被測試者的注視情況通過顏色顯示出來，通過不同顏色來顯示樣本被關注的熱度，紅色表示關注時間最長，黃色次之，綠色表示關注時間較短，樣本原色表示未被關注過。熱圖直觀反映了被測試者對樣本不同區域的關注程度。

為研究樣本色彩對實驗的影響，實驗設置了灰度樣本作為對照組，綜合分析被測試者對樣本的關注情況。圖8（a）為原樣本2的熱圖分析，大佛面部和左側佛龕紋飾受到被測試者的重點關注，此外右側佛龕的紋飾也受到一定的關注。對照圖8（b）可以發現，被測試者關注經過灰度處理的樣本2時，較原樣本注視點分布更加均勻，且更多的注視點分布在佛龕紋飾上。總體來看，關注點仍然主要集中在佛像面部和背后的佛龕紋飾上。對重點關注區域進行畫面截取，可以看出被測試者普遍對圖9中的3個區域重點關注。

圖8 樣本2的熱圖分析

圖9 熱圖重點分析區域

（3）興趣區域

興趣區域（AOI）是將樣本劃分成不同區域，研究被測試者在不同區域內的視覺規律，可以對比分析各個興趣區域內的視覺瀏覽情況。如圖10，將樣本2分為紋飾（AOI1）、佛像頭部（AOI2）、佛像上身（AOI3）3個興趣區域，以定量對比研究被測試者對兩個區域的關注度。

圖10 樣本2的興趣區域分析

興趣區域的注視點數量反映了同一樣本中不同區域的重要性，越重要的區域就會有更多的注視頻次；同一樣本中注視AOI區域的時間比例也是反映區域（即不同文化特征）的重要指標，視線駐留時間越長，顯示區域就越重要，該區域對應的文化樣本特征就越能體現其重要性。對20個被測試者的眼動數據的分析詳見表3、表4。

表3 原樣本2各興趣區域的眼動數據

表4 經過灰度處理的樣本2各興趣區域的眼動數據

根據各個興趣區域內的注視時間所占百分比，原樣本2中佛龕紋飾（占比53.7%）相對于佛像頭部（占比37.9%）受關注程度更多；相比之下，經過灰度處理的樣本2中佛龕紋飾（占比58.37%）相對于佛像頭部（占比31.05%）吸引了更多的注意力，說明被測試者普遍對佛龕紋飾的文化特征更有興趣。經過對照實驗分析，可以看出色彩能吸引被測試者投入更多的關注。

根據實驗數據，被測試者普遍對樣本2的重點關注點在佛龕紋飾和佛像頭部，因此佛龕紋飾和佛像頭部的特征最能體現阿彌陀佛像的文化特征。此外，兩組實驗結果均呈現出佛龕紋飾相對于佛像頭部受關注程度更多，因此在提取文化設計基因時應該著重考慮。

通過以上從視覺軌跡、熱圖、興趣區域三個層面的分析，確定出樣本2中文化設計基因的重點提取對象，分別是佛龕紋飾和佛像頭部。通過歸納，確定出如圖11的重點提取的特征圖樣。

圖11 樣本2重點提取的特征圖樣

3.3 文化設計基因的提取

3.3.1 圖案設計基因提取

圖案作為文化基因的典型代表，蘊含著豐富的美感和深厚的文化內涵，也是將文化特征進行設計表達的重要載體。彬縣大佛寺石窟上的圖案紋飾種類豐富，包含了蓮紋、卷草紋、寶相紋、忍冬紋等多種佛教代表性紋飾[19]，其中樣本2阿彌陀佛像的紋飾主要有卷草紋和忍冬紋。從特征樣本上采集圖案，提煉紋飾的一般核心特征，這是顯性圖案文化設計基因的生成過程。在符合佛教紋飾的基本表現形式的前提下，運用設計方法手段，對圖案的一般核心特征進行演繹、重組，豐富圖案紋飾的表現式樣，從而演繹出更多的圖案紋樣，這是隱性圖案文化設計基因的生成過程（如表5）。通過演繹重組，新生成的紋樣不僅是對原來圖案的繼承、改進，同時也豐富了圖案基因庫，便于進一步的設計應用。

3.3.2 形態設計基因提取

彬縣大佛寺石窟內佛像、佛龕等造型多樣，佛像造型主要以坐佛和立佛為主，樣本2為典型的坐佛形象。由于被測試者重點關注樣本2佛像頭部，因此將佛像頭部形態作為主要提取原始樣本。如圖12將佛像頭部外輪廓和面部特征進行提取，并從設計的角度對提取的形態線條進行藝術化，使之更加流暢，增強表現力，將其作為大佛的形態設計基因。形態設計基因的提取在保留大佛的主要面部特征的同時，突出了大佛的形態特征，對在設計運用中突出大佛主體特征有著重要意義。

表5 圖案設計基因提取

圖12 形態設計基因提取

3.3.3 色彩設計基因提取

色彩是產品的重要設計元素之一，它可以直觀地傳達信息、表達情感、蘊神寓意[3]。彬縣大佛寺石窟中佛像身著豐富的彩繪，提取其色彩基因是整個文化設計基因提取研究中的一個重要環節。樣本2中佛像表面彩繪裝飾華麗，為了有針對性地提取色彩，表6～表8中將樣本2分為大佛頭部、大佛佛身、佛龕紋飾三部分，進行色彩設計基因提取。針對不同的特征分類提取色彩，便于分類研究大佛彩繪紋飾色彩特征，同時有助于研究彬縣大佛寺石窟在運用色彩展現佛家文化上的表現手法。本文采用陳天云等[20]的處理方法，綜合考慮顏色面積、Lab均值和適當的閾值，實現彬縣大佛寺石窟樣本中色彩設計基因的提取。

如表6～表8，經過對比分析，樣本2的三部分的色彩有著較明顯的區別。大佛頭部色彩總體較為鮮艷，金色的佛面搭配以湖藍色的頭發和紅色的嘴唇，用以突出表現大佛鮮亮的面部特征；大佛佛身的色彩稍暗，以墨綠色為主，配以深藍色、紅色、金黃色、淺灰色的條紋進行點綴；佛龕紋飾的色彩主要采用較暗的棕色、灰色、墨綠色，與作為前景的色彩鮮亮的大佛產生對比，突顯出大佛神圣、華麗的視覺效果。3.3.4 材質設計基因提取

表6 大佛頭部色彩設計基因提取

表7 大佛佛身色彩設計基因提取

表8 佛龕紋飾色彩設計基因提取

產品材質包括物質材料表面的肌理和質感，是表達產品設計情感的重要載體。彬縣大佛寺石窟內的塑像佛龕等主要是就地取材、依窟壁雕鑿、石胎泥塑、外敷彩繪而成，其材質主要是巖石，塑像表面主要是泥土和以石膏為粘合劑的顏料[14]。巖石的厚重表現出造像的宏偉、大佛的大氣穩重，泥塑表面使造像的細節展現得更細膩，主要以石膏為粘合劑的顏料精細地描繪出造像的紋飾，突顯出層次感。針對彬縣大佛寺石窟的材質運用特點，分別提取巖壁、浮雕石刻、泥塑彩繪等典型材質，整理如表9。

3.3.5 文化設計基因的設計應用

綜合考慮文化設計基因特點，以及適合與產品設計相結合的方式，挑選出符合設計需求的文化設計基因，進行文化創意設計。圖13為大佛寺石窟卷草紋和阿彌陀佛形態及色彩元素在壁掛式香盒設計中的應用。

表9 石窟材質設計基因提取

圖13 大佛寺石窟壁掛式香盒設計

該產品造型整體采用圓形，以體現佛家的包容；顏色選用佛龕的灰黑色為主色，香盒上佛像輪廓顏色采用大佛面部提取的金黃色；佛龕上提取的卷草紋圖案相接環繞在佛像周圍，與石窟中的場景相對應；圓形香盤在佛像身后，好似佛像發出的陣陣佛光；點燃香盤，青煙從佛像身后裊裊升起，營造出朦朧夢幻、虛實相生、富于流動的景象，體現了一種淡雅包容的品味。

4 結論

本文將彬縣大佛寺石窟文化與生物學領域的基因概念相結合，提出了運用眼動分析方法將人們對文化的感性認識量化分析，確定出研究提取文化設計基因的重點的方法，從圖案、形態、色彩、材質四方面分別有針對性地提取文化設計基因，通過演繹、重組改善其設計表達，并應用于產品文化創意設計，提高了產品的文化韻味，促進了文化的創新與交流傳播。本研究提出了針對文化設計基因的提取的創新方法，對其他文化遺產的文化特征提取和創新應用具有一定的借鑒意義。但是文章對于如何將提取出的文化設計基因有針對性、便捷地應用于產品設計的環節研究尚不深入，希望今后能進一步完善整個文化創意產品設計鏈條，為民族文化的傳承與發揚增添新活力。

參考文獻：

[1]施舟人.中國文化基因庫[M].北京：北京大學出版社，2002：9-28.

[2]王偉偉，胡宇坤，金心，等.傳統文化設計元素提取模型研究與應用[J].包裝工程，2014（6）：73-76.

[3]茍秉宸，于輝，李振方，等.半坡彩陶文化基因提取與設計應用研究[J].西北工業大學學報：社會科學版，2011（4）：66-69.

[4]朱上上，羅仕鑒.產品設計中基于設計符號學的文物元素再造[J].浙江大學學報：工學版，2013（11）：2065-2072.

[5]王偉偉，寇瑞，楊曉燕.漢代服飾文化因子提取與應用研究[J].機械設計與制造工程，2015（1）：79-83.

[6]孫杰遠.少數民族學生國家認同的文化基因與教育場域[J].教育研究，2013（12）：91-96.

[7]臧勇.設計的文化基因與變異[D].江蘇蘇州：蘇州大學，2008.

[8]劉沛林.中國傳統聚落景觀基因圖譜的構建與應用研究[D].北京：北京大學，2011.

[9]劉青，薛澄岐，Hoehn F.基于眼動跟蹤技術的界面可用性評估[J].東南大學學報：自然科學版，2010（2）：331-334.

[10]宋麗華，董濤，李萬社.非物質文化遺產分類的問題解析與體系重構[J].國家圖書館學刊，2014（3）：86-92.

[11]孫明，周君璐.江南古鎮歷史建筑的保護與古鎮開發模式的研究[J].安徽農業科學，2013（31）：12363-12366.

[12]畢明巖.鄉村文化基因傳承的規劃路徑——以江南地區為例[C]//中國城市規劃學會.多元與包容——2012中國城市規劃年會論文集（11.小城鎮與村莊規劃），2012：10.

[13]張松.文化生態的區域性保護策略探討——以徽州文化生態保護實驗區為例[J].同濟大學學報：社會科學版，2009（3）：27-35.

[14]樊娟，賀林.彬縣大佛寺石窟彩繪保護研究[J].敦煌研究，1996（1）：140-153.

[15]Khalighy S，Green G，Scheepers C，et al.Quantifying the qualities of aesthetics in product design using eyetracking technology[J].International Journal of Industrial Ergonomics，2015，49：31-43.

[16]Tseng Y C，Howes A.The adaptation of visual search to utility，ecology and design[J].Int J Human-Computer Studies，2015，80：45-55.

[17]Eyraud R，Zibetti E，Baccino T.Allocation of visual attention while driving with simulated augmented reality[J].Transportation Research Part F，2015，32：46-55.

[18]唐幫備，郭鋼，王凱，等.聯合眼動和腦電的汽車工業設計用戶體驗評選[J].計算機集成制造系統，2015（6）：1449-1459.

[19]蔡文雯.論佛教裝飾紋樣對現代設計的影響[D].武漢：湖北工業大學，2013.

[20]陳天云，余江，趙東風，等.一種圖像特征色提取方法及軟件實現[J].云南大學學報：自然科學版，2007（S1）：80-84.

[21]邵培仁，林群.中華文化基因抽取與特征建模探索[J].徐州師范大學學報：哲學社會科學版，2012（2）：107-111.

[22]龐野營.日用小家電色彩偏好的眼動評價研究[J].包裝工程，2015（4）：97-100.