眼動分析用于校園恢復性聲景觀初探
——以福建農林大學校園觀音湖為例

朱玉潔， 翁羽西， 黃鈺麟， 王敏華， 董建文

(福建農林大學園林學院， 福州 350002)

世界衛生組織(WHO)的統計數據表明壓力已經成為日益嚴重的全球性問題，北美地區因壓力所付出的代價每年超過2 000億美元[1]。中國的城市面臨著快速改變的城市環境和生活方式所帶來的眾多健康挑戰，工作學習壓力、及其他生活壓力，推動人們尋求解壓的方式[2]。近幾十年來的研究結果證明與自然環境接觸可以緩解壓力，改善情緒，促進身心健康[3]。校園景觀是校園活動場所的重要組成部分，對學生的身心健康具有積極影響，提升其恢復性效益除其視覺景觀外也離不開聲景觀的作用。

恢復性環境是指有助于人們更好地從心理疲勞以及和壓力相伴隨的消極情緒、生理反應中恢復過來的環境[4]。過去大多數的恢復性環境研究主要集中在視覺方面，然而，聽覺是僅次于視覺感知外界環境的感官，是感知景觀的重要途徑之一[5]。人們通過聽覺與空間的互動形成特定空間的聲景。國際標準化組織(ISO)在2014年將“soudscape”(聲景)定義為“在特定場景下，個體、群體或社區所感知、體驗或理解的聲環境”[6]。有研究發現，自然中的水流聲、鳥鳴聲等對人具有恢復性作用，可以有效緩解壓力，抑制焦慮、激動等負面情緒，有助于促進積極情緒[7]。傾聽流水聲是冥想等自然療法的有效工具[8]。與自然聲相比，交通、建筑等噪聲會給人消極的影響，如注意力下降，誘導煩惱等[9]。在聲景的恢復性評價上常采用相關的心理生理指標來反應恢復潛力[10-14]。

眼動指標可以量化人們視覺認知的心理活動，在界面設計、視覺刺激上運用廣泛[15-16]。而眼動用于恢復性環境評價是一個較新的研究方法。Berto等[17]開創性的將眼動追蹤技術用于恢復性與非恢復性環境注意力恢復差異的研究。研究結果表明，與自然場景相比，感知城市場景需要的注視次數更多，平均注視時間更短，眼球運動幅度更大，結果說明感知自然場景所需的認知努力更少。Valtchanov等[18]的研究與Berto等[17]類似，增加眨眼率作為衡量認知處理和注意力的新指標[18]。Franěk等[19]采用注視次數、平均注視時間和眼球運動幅度3個指標，結果表明自然場景所需的認知努力最少。Liu等[20]通過注視頻率、平均注視時間、眼跳幅度和平均瞳孔直徑來解釋認知負荷，結果表明鳥鳴聲、昆蟲鳴叫聲、流水聲、輕音樂聲和古廟鐘聲的出現使沉浸感增加，精神負擔減輕。同樣眼動分析生成的軌跡圖和熱點圖可以用來解釋最吸引人的景觀元素及恢復性成分，視覺關注的次序等[21-22]。

目前，恢復性聲景觀的研究主要集中于實驗室的研究，對實景的研究較少，此外，幾乎沒有研究使用眼動追蹤技術作為探索視覺和聽覺之間互動關系的方法。因此，本研究將主觀感知恢復問卷和眼動指標相結合，通過實景實驗，對不同聲景感知的校園景觀恢復性效益進行比較，探討不同聲景感知對主觀恢復及視覺認知的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗場地

已有研究證明，除綠色空間外，藍色空間也是一個重要的恢復性環境特征，增強了人類的健康和幸福[23-24]。故本研究從福建農林大學觀音湖畔擬挑選3處視覺要素基本一致且占比相似而聲景感知不同的場地(圖1)。3處場地的基本特點如表1所示。在前期調研確定A、B、C 3個場地的主要聲音類型，共有8個主要聲音類型，其中水流聲、鳥鳴聲、昆蟲聲、風聲、風吹樹葉聲屬于自然聲音，交通聲、談話聲和腳步聲屬于噪聲。

圖1 場地示意圖Fig.1 Site diagram

表1 場地基本特點Table 1 Basic features of the site

1.2 實驗對象

已有研究表明在校大學生作為實驗參與者具有廣泛性和科學性[25-26]，故本研究從福建農林大學招募在校大學生作為志愿者參與實驗，要求所有參與者健康狀況良好，沒有因緊張導致的疾病，裸眼視力或矯正視力1.0(含1.0)以上，無色盲，正常耳內聽力閾值低于25 dB，且第一次參加此類實驗。30個符合條件的參與者參與了實驗，其中男性13名，女性17名，年齡為(23.5±2.5)歲。從專業上看，風景園林專業有15人，林學專業6人，植物保護專業5人，動畫專業4人，所有數據均匿名記錄。

1.3 主觀感知恢復性評價

本研究采用Han[27]基于Kaplan和Ulrich的理論編制的短版修訂恢復量表(short-version revised restoration scale，SRRS),SRRS包括4個維度，即情感、生理、認知和行為，每個維度有2個變量，共8個項目[27]。Liu等[28]、Zhao等[11]和Memari等[29]將此問卷用于相關恢復性評價研究，具有較高的信度和效度。本研究采用李克特7級量表評分，1分=完全不同意～7分=完全同意，生理維度為喚醒得分，與恢復相反，故要方向積分，最后4個維度的總分為恢復的總得分。

1.4 眼動數據測量

根據前人研究，主要選取注視次數、平均注視時間和瞳孔直徑作為認知負荷和恢復的指標。注視次數是指興趣區被注視的總次數，平均注視時間是指興趣區內所有注視點的持續時間的平均值，瞳孔直徑是指在當前刺激情境下被試者的瞳孔直徑大小。采用Tobii Glasses2 對眼球運動數據進行測量，通過Tobii Pro Glasses Controller軟件對數據進行可視化呈現。

1.5 實驗流程

實驗時間在2019年3月1—21日，由于眼動儀的光傳感器容易受到近紅外光干擾，因此實驗選擇在多云的晴天進行。根據前人的研究證實3～5 min的自然接觸就可以得到可靠性很高的研究結論[30]，因此將每一處場景感知時間定為3 min。為了避免被試間個體差異所引起的誤差，實驗采用個體自我設計。3處實驗場地按照拉丁方陣(Latin square)排序，以消除序列效應(sequence difference)。具體實驗流程如圖2所示，實驗的總時長約30 min。

圖2 實驗流程圖Fig.2 Experimental flow chart

實驗分為兩個階段，第一階段為預實驗，在福建農林大學校內選擇10名風景園林專業的研究生佩戴隔音耳罩和眼動儀器進行預實驗，以評估三個場景在無聲條件下的恢復性效益。通過單因素方差分析發現3個場景在主觀感知恢復性評價(P=0.729)、注視次數(P=0.794)、平均注視時間(P=0.973)和平均瞳孔直徑(P=0.979)上都沒有統計學意義。結果表明3個場地的視覺景觀的恢復性效果沒有顯著差異，可以進行接下來的實驗。第二階段為正式實驗，30名參與者以隨機順序安排到3個樣地進行交叉實驗。

1.6 場地的聲景特征分析及分組依據

通過預實驗確定擬選取的3個場地適合作為實驗場地后，對3個場地的聲景特征進行分析，利用聲源感知問卷對8個主要聲音類型進行調查量化，采用李克特5級量表，具體問題是“您在當下環境中多大程度上聽到了以下幾種聲音？”(1=完全聽不見，2=一點點，3=適中，4=大量，5=完全占主導地位)。問卷調查對象包括不同性別、年齡和專業的人群，共收回有效問卷210份，聲景感知程度圖3所示。發放問卷的同時使用AWA5636型聲級計對聲壓級進行測量。參考Pablo等[31]提出的綠色聲景指數(GSI)的概念，將自然聲音感知程度與噪聲感知程度的比值作為場地A、B、C分組的依據。場地A綠色聲景指數為2.46，表示自然聲感知程度高于噪聲，且等效連續A聲壓級(LAeq)為35 dB，定義為安靜組；場地B綠色聲景指數為0.86，表示噪聲的感知程度高于自然聲音感知，定義為噪聲組；場地C綠色聲景指數為2.42，表示自然聲感知程度高于噪聲，且水流聲是主導聲音，定義為水流組。場地的聲景信息如表2所示。

圖3 聲景感知程度圖Fig.3 Soundscape perception level map

表2 場地聲景信息Table 2 Site soundscape information

1.7 數據分析

數據在SPSS24.0 中處理。使用的主要統計方法包括單因素方差分析和斯皮爾曼相關分析。

2 結果與分析

2.1 主觀感知恢復性評價

水流組綜合恢復性評價得分最高，噪聲組最低。根據單因素方差分析，主觀恢復性綜合得分在3個場景中存在顯著差異[F(2，87)=5.098，P<0.01]。經LSD事后檢驗分析發現，水流組的綜合恢復得分顯著高于噪聲組(P<0.01)，安靜組與噪聲組差異達到邊緣顯著(P=0.058)，而水流組和安靜組未發現顯著差異。在SRRS的4個維度評價中，3組聲景在情感和生理維度均未到達顯著差異，但是在認知維度上，水流組得分顯著高于噪聲組(P<0.01)，在行為維度上，水流組的得分顯著高于噪聲組(P<0.01)，安靜組得分顯著高于噪聲組(P<0.05)。描述性統計如表3所示。

表3 不同聲景組主觀感知恢復得分Table 3 Subjective perception recovery scores of different soundscape groups

2.2 眼動指標分析

為了探討3種聲景感知對視覺注意力及認知負荷的影響，通過眼動指標(平均注視時間、注視次數、平均瞳孔直徑)測量結果進行統計分析，如圖4所示。結果表明，與安靜組和噪聲組相比，水流組的注視次數最少，平均注視時間最長。經單因素方差分析檢驗發現，在3 min的時間內，水流組的注視次數顯著低于噪聲組(P<0.01)，安靜組與噪聲組差異達到邊緣顯著效應(P=0.055)，水流組和安靜組未見統計學差異。水流組的平均注視時間顯著高于噪聲組(P<0.05)，水流組和安靜組及安靜組和噪聲組均未見統計學差異。值得注意的是，平均瞳孔直徑在3組中沒有發現顯著差異(P=0.708)。描述性統計如表4所示。

2.3 眼動數據可視化

眼動視覺熱點圖和眼動軌跡圖等可視化結果，直觀表示參與者視覺注意力的空間動態分布，有助于理解參與者注視點的空間分布和視覺搜索過程[32]。

**表示P<0.01； *表示P<0.05圖4 不同聲景組眼動指標的變化Fig.4 Change of eye movement indicators among different soundscape groups

表4 不同聲景組眼動指標差異分析Table 4 Analysis of eye movement index in different soundscape groups

2.3.1 眼動視覺熱點分析

對30名參與者視覺熱點圖進行疊加處理后，生成視覺熱點圖。熱點圖使用不同顏色(淺綠、深綠、淺黃、深黃、橙色、淺紅、深紅)來呈現參與者對場景不同要素關注程度的不同，紅色區域表示觀測時間最長的區域，綠色區域則相反。通過對視覺熱點圖的分析(圖5)，可以得出：①總體來看，大部分的注意力都集中在視覺中心，關注最多的要素是水體，其次是植被，觀音湖周邊優勢景觀建筑，如橋、觀景平臺、雕塑等往往也是參與者關注的要素；值得注意的是參與者對天空要素幾乎不會關注；②不同聲景感知關注的視覺要素不同。安靜組視覺吸引要素主要集中在植被和水體上；噪聲組會傾向于注視建筑、道路及遠景上；水流組視覺吸引要素較為集中，注視點多集中在水體要素。

圖5 不同聲景組的視覺熱點圖Fig.5 Visual hot spot map of different soundscape groups

2.3.2 眼動軌跡分析

眼動軌跡圖可以反映出參與者觀察場景時的注視位置及次序。注視次序和注視軌跡在個體上存在顯著差異，故從3個實驗組中各挑選一張具有代表性的眼動軌跡圖示例(圖6)。總體看來，參與者主要是基于水平方向進行探索。安靜組沒有主導的聲源，注意力可能被均勻分配，參與者均勻掃視場景且回視較少，注視的視覺要素較多；噪聲組注視軌跡較為復雜，眼部波動較大，注視點數量較多，出現多次無意義視覺漂移，注意力較難集中；水流組注視點首先落于水體上，之后注視點也集中于水體上，高頻在水體往復回視，沿水平方向探索大于垂直方向。

一個圓圈代表一個注視點，圓圈的大小表示每個注視點的持續時間，圈里的數字表示注視的次序，箭頭表示2個注視點(掃視)之間的眼球運動圖6 不同聲景組的眼動軌跡圖Fig.6 Eye movement trajectory of different soundscape groups

2.4 主觀感知恢復和眼球運動的相關性

通過斯皮爾曼相關分析，計算了3個場景主觀感知恢復得分和眼動指標之間的相關性(表5)。發現注視次數與主觀感知恢復存在顯著的負相關，這意味著較高的主觀感知恢復程度與較少的注視次數有關，在感知恢復的4個維度中，注視次數與情感、認知和行為維度之間存在顯著的負相關性。平均注視時間與主觀感知恢復存在顯著的正相關，這意味著較高的主觀感知恢復程度與較高的平均注視時間有關，在感知恢復的4個維度中，平均注視時間與情感、認知和行為維度存在顯著的正相關性。瞳孔直徑與主觀感知恢復的相關性不顯著。

表5 主觀感知恢復與眼動指標之間的相關性Table 5 Correlation between subjective perception recovery and eye movement indicators

3 討論

本研究的目的是通過主觀感知恢復性評價和眼球運動來分析不同聲景感知下的校園景觀恢復性效益的差異。從研究結果可以看出，不同聲景感知對主觀感知恢復和眼球運動指標上有不同的影響。研究結果應證了前人的研究，聲景是恢復性環境的一個重要特征[23]。

3.1 不同聲景組主觀感知恢復的差異

在主觀感知恢復方面，水流組的綜合恢復評價得分比噪聲組高0.66分，比安靜組高0.26分。水流聲有助于增加環境的感知恢復力，這與Zhao等[11]的研究結果一致。在情感維度上，3組得分均較高，未見統計學差異，一個可能的解釋是參與者多為在校生，對熟悉環境的依戀程度較高；在生理維度上，3組差異不顯著，可能由于SRRS量表是主觀感知環境恢復的工具，而不是客觀生理數據，在以后的研究中可以通過生理儀器反饋，對心率及皮膚導電率等生理指標進行測量得到更為客觀的數據；在認知和行為維度上，Emfield等[33]的研究表明短暫地暴露于放松的圖像和聽覺刺激不足以引起認知表現的改善，但本研究結果證實水流聲可以促進認知恢復及行為的發生，這一結果也得到了眼動數據的支持。

3.2 不同聲景組視覺認知的差異

在視覺認知方面，通過眼球運動反應認知負荷和恢復機制。本研究結果發現注視次數越少,平均注視時間越長，需要的認知努力越少，恢復性越高，這與Berto等[17]、Valtchanov等[18]、Franěk等[19]的研究一致。值得注意的是，在之前的研究中，瞳孔直徑與恢復性呈負相關[20]，但本研究結果顯示瞳孔直徑在3組中沒有顯著差異，可能由于實景環境的光線對瞳孔的變化造成了很大的影響。有規律的自然光線會導致瞳孔收縮，高水平的光線會導致瞇眼[34]。對視覺熱點圖和眼動軌跡圖的分析表明，聲音會影響視覺關注的對象，安靜組主要關注自然景物，水流聲引導參與者對水體有更多的關注度和更長的注視時間，噪聲引導對人工景物的關注，這與張圓[12]的研究結果一致：聲音能夠誘發視覺關注的變化。此外，通過相關性分析，發現了主觀感知恢復(情緒、生理、認知和行為)和眼球運動之間存在顯著的相關性，與之前研究相似，眼球運動與感知恢復(遠離性、魅力性、一致性和兼容性)有著積極的聯系[19]。眼動數據從認知負荷的角度解釋了恢復機制，驗證了卡普蘭的注意力恢復理論認知努力的減少是誘導恢復的因素之一，眼動可作為恢復性的指標。

綜上所述，試探性地推測藍色空間具有恢復效益一方面與水聲有關，水流聲可以誘導恢復[35]。一方面水流聲可以掩蔽一定的噪聲[36]，另一方面水流聲可以增加一個地方的寧靜感[37]。值得注意的是，不論是在主觀感知恢復還是眼球運動方面，安靜組和水流組的差異都不顯著，可能源于安靜組與水流組的自然聲感知程度均高于噪聲，之前的研究證明自然聲對恢復具有積極作用，而噪聲是消極作用[9]。此外，不同的空間環境可能會影響恢復效果，相較于水流組半開放空間類型，安靜組的封閉空間，更易營造出私密感。安靜組和噪聲組的差異較小，一個可能的原因是，高質量的視覺景觀可以減少噪聲的負面影響[38]。未來將眼動追蹤技術與可移動生理反饋儀器相結合，有助于更加深入地了解視覺與聽覺體驗帶來的恢復性機制[39]。

3.3 研究的局限性

本研究的局限性在于大多數的參與者對這3個場景都較為熟悉，對環境的依戀程度，可能提高了環境的恢復性價值[40]。此外鳥鳴聲等自然聲會受季節的影響，若場景A鳥鳴聲增加，其恢復性效果可能會增加[41]。

4 結論

通過實景環境的研究，證明了聲景感知的不同會影響主觀恢復性評價和視覺認知。水流聲環境增加了場景的吸引力，需要的認知努力最少，恢復性效益最好，安靜的聲環境也能在一定程度上促進恢復，而噪聲在一定程度上阻礙恢復。為校園景觀提供循證設計建議，除注重視覺景觀營造，也不能忽視聲景觀營建，將水流聲引入景觀中是提高恢復潛力的較好選擇之一。