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1、2016年(第38卷)第3期汽车Automotive工程Engineering 2016(V0138)No3基于风格特征的汽车造型认知机制研究2016046卢兆麟1”，张悦3，成波2，李升波2，Fritz Frenkler4(1合肥学院设计艺术系，合肥23060l；2清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084；3合肥工业大学建筑与艺术学院，合肥230009；4慕尼黑工业大学工业设计系，德国慕尼黑80805)摘要 本文中对用户的汽车造型认知机制进行研究。首先阐述了基于风格特征的汽车造型知识本体，在此基础上定义了基于特征匹配的汽车造型认知模式，并提出了认知过程模型。选取汽车前部造型为
2、样本，使用Dikablis眼动仪进行眼动跟踪实验，并结合Likert量表问卷调查对若干关键问题进行研究。实验结果表明：(1)“喜好度”和“识别度”呈正相关，识别度越高的车型越能获得更多用户的购买意愿；(2)在对汽车品牌的识别过程中，用户的工作记忆对造型视觉信息进行处理，并提取长时记忆中的车型信息进行分析比对，车辆造型特征设计应兼顾视觉刺激强度和连续性，从而将短时记忆转化为长时记忆；(3)汽车前部造型中的典型性和标志性特征具有重要的识别引导作用，能迅速、有效地建立工作记忆与长时记忆之间的视觉信息通道，在设计中应引起重视；(4)由于“捆绑”机制与格式塔心理学的作用，美感的产生更多地依赖于汽车造型的
3、整体效果。关键词：汽车造型；风格特征；认知机制；眼动跟踪A Study on the Cognitive Mechanism of Car Styling Based on Style FeatureLu ZhaoHn 1”，Zhang Yue3，Cheng B02，Li Shengb02&Fritz Frenkler4ID印n玎，neno，D邯增n A“s，脚i肌iz孵坩iy，嘞i 23060l；2扎in砂un踟i懈耶z咿，5fo把Key k60mou矿AHfo脚妇s咖f)nnd E胎研，Be彬ng 100084；3cof姆旷Arc触州u阳A九s，蚴i打雅倦。0旷死矗聊fogy，吨觎 230
4、。09；4Cn打矽，nd琳“f D培n，丁kn1cf觇瑙盼矿Munic，M“nic 80805，r，mnyAbstract The customers cognitive mechanism of car styling is studied in this paper Firstly the knowledgeontology of car styling based on style feature is expounded Then on this basis the cognitiVe pattem of car stylingbased on feature matching is
5、defined，with a model fbr cognition process proposed Finally wifh the car fontendstyling taken as samples，I)ikablis eye nacker is used to conduct an eyetracking experiment， and combined withLikert scaIe questionnaire sunrey， several key issues are investigated The results of experiment show that (1)
6、apositive correlation exits between prefbrence and recognition，and users are more willing to buy the cars with higherdegree of recognition； (2)in the process of car brand recognition，customers use its working memory to process theVisual information of styling and extract the car model inf0nation in
7、his longterm memory for comparatiVe analysjs，so both visual stimulation intensity and continuity should concurrently be taken into account in car styling design，thus the shortte瑚memory sha儿be transfornled into longtem memory；(3)the typical and symbolic features ofcar frontend styling play an importa
8、nt role of identification guiding，enabling the efkctive establishment of visual infonllation channel between working memory and long-term memory，so due attention should be paid to their design；(4)due lo the actions of binding mechanism and Gestalt psychology，the generation of the sense of beauty mor
9、e depends on the overall enlect of car stylingKeywords：car styling；style feature；cognitiVe mechanism；eye tracking；国家自然科学基金(51205228和51505251)、中国博士后科学基金(2014M560955)、安徽省自然科学基金(1508085QGl44)、安徽高校省级优秀青年人才基金重点项目(2013sQRLD78zD)和合肥学院人才基金项目(2014rcl6)资助。原稿收到日期为2014年9月28日，修改稿收到日期为2014年12月25日。万方数据卢兆麟，等：基于风格特征
10、的汽车造型认知机制研究日IJ舌近年来我国自主汽车企业取得了长足的进步，但在汽车外观造型方面，总体而言尚未形成完整的原创设计能力，不同程度地存在着模仿或是依赖外方设计的问题。为了帮助汽车企业在技术同质化的趋势下赋予产品独特的形态以及意象，以提升消费者的品牌认知并获得市场区分，有关学者对于汽车造型的风格特征问题进行了积极研究。文献1和文献2中计算了外形基因在各风格意象中的贡献率，提出了偏好驱动的SuV外形基因设计方法；文献3中以典型汽车产品风格为例，针对产品风格进化现象与创新设计问题，提出了产品风格历时性与共时性进化模型；文献4中提出了一种面向风格创新设计的汽车形态特征识别方法；文献5中以汽车造型
11、设计为例，验证了基于产品风格认知模型的计算机辅助概念设计原型系统；文献6中总结出别克汽车造型风格的形状文法共63条，将其编码为可重用的设计语言；文献7中利用形状溯源和衍生来再现风格类似的产品造型；文献8和文献9中从语法和语义层面进行了著名汽车品牌的设计风格的转化实验；文献10中研究了沃尔沃货车前部正面造型的“遗传”和“变异”的机制；文献11中提出了以交互式进化参数的形状文法生成具有连续性风格的产品造型。总体来看，目前对于风格特征的研究主要包括以下4个方面。12：(1)基于形状文法的产品风格描述与再现；(2)基于感性工学的产品风格与造型要素关联；(3)基于认知心理学的产品风格认知；(4)基于模式
12、识别理论的产品风格计算模型。其中，认知机制是一个重要研究课题。汽车造型的风格特征认知以用户为中心进行，是用户对企业或产品产生相同或相似认同感的心理过程，那些著名汽车企业在长期的历史发展中大多已形成了特色鲜明的“家族式”造型风格，无论经过多少更新换代，人们总是很容易地将其产品从众多品牌中认出来。在这个过程中，汽车的造型特征如何被识别、用户头脑中的意象如何被“唤起”，现有研究对此尚未涉及。本文中将面向汽车造型，通过眼动跟踪实验和Likert量表问卷对风格特征的认知机制进行研究，为自主企业规划和形成自身的风格特征提供参考依据。1 基于风格特征的汽车造型认知模型11 基于风格特征的汽车造型知识本体对于
13、汽车设计而言，风格特征是借由不同的文法将一系列元素加以表现的形式，其中包含了人对物的理解和对美的认知。汽车风格特征既含有造型元素、造型规则的内容，又包括感性意象的内容，由于设计师在进行新车型开发时，会从以往的产品中寻找风格特征，以推理的方式进行新的创意，这就导致了汽车风格特征的继承、再现和创新。文献13中英国著名学者Polanyi根据知识能否被清晰地表述和有效地转移，把知识分为“显性知识(explicit knowledge)”和“隐性知识(implicitknowledge)”。其中，隐性知识又包括两个层面：一是“技术”层面，例如非正式和难以明确的技能或手艺，可以将其称之为“诀窍”(know
14、how)；另一个是“认知”层面，例如理想、信念、价值观、领悟、情感和心智模式等，这个层面影响人们对周围世界的感受方式”：。根据P0lanyi的知识理论，本文中将汽车造型风格特征划分为“显性”和“隐性”。几乎所有物理层面的风格特征包括形态、色彩、材质、肌理和它们的构成法则等，可以看作是显性的，如宝马汽车前脸造型的双肾性进气格栅、锐利的前眼大灯、流线造型；而大部分精神层面的风格特征如意象感知、情感体验、品牌内涵等则是隐性的，如宝马汽车所传递的感性意象：动感、高贵、有力、勇往直前等。综上所述，本文对汽车造型领域内的风格特征和相互之间关系的知识本体(ontology)进行形式化表达如下。定义1用巴科斯
15、范式(BackusNaur foHn，BNF)描述关于汽车的风格特征为：=(1)：=(2)设P为汽车造型的知识本体，则P=(E，MlE，i=1，2，3，n；，=1，2，3，m；M，后=1，2，3，q)(3)式中：E为显性风格特征集合；，为隐性风格特征集合；M为显性风格特征与隐性风格特征匹配关系集合。给定的汽车造型知识概念P，它所具有的显性风格特征E、隐性风格特征，和匹配关系集合M构万方数据汽车工程 2016年(第38卷)第3期成了有序三元组P(E，M)，作为描述汽车造型的基本单元。对P的操作关系，构成了汽车造型设计的各种机制与过程：12基于特征匹配的汽车造型认知模式认知过程是人们获得知识或应用
16、知识的过程，即人的感觉器官对外界事物进行信息加工的过程。在这一过程中，人脑接受外界输入的信息，经过头脑的加工处理，转换成内在的心理活动，再进而支配人的行为。14。用户对于汽车造型风格特征认知目的有3个。1引：(1)当产品代际演进后，用户仍然可以判别出产品的品牌归属；(2)帮助用户顺利地将已有的感性意象、使用体验迁移到后续产品中；(3)使用户领悟到产品所蕴涵的品牌价值与企业文化：汽车造型能否被用户所认知，在于风格特征的连续性与相似性。共同特征反复出现，存储于用户的头脑中，用户感到熟悉并容易认知，并且风格特征对于用户认知度所起的作用有强弱之分。结合前文，定义如下：定义2设4为某型汽车的风格特征元素
17、集合，4=n，I i=1，2，3，n：D为用户头脑中存在的风格特征元素集合，D=吐I，=1，2，3，mcG为4与D的交集，表示两个集合中共有的风格特征，G=4nD=gI l矗=1，2，3q。每个风格特征元素对用户认知度强度大小为向量p。设R(P)为用户对汽车造型的认知度，则q妒；尺(P)=等一100=66。，6。o(4)97式中：9：表示集合G中第七个元素对用户认知度的作用；驴?表示集合4中第i个元素对用户认知度的作用；6和6。i。为用户能够认知汽车造型的值和最小值，6=o，100。若将大于6的6值进行分段，则可以得到用户汽车造型认知的程度。13汽车造型认知过程按照shannon提出的信息传播
18、一般模型，定义设计师为信源、产品为传递者、市场为信道、用户的感官是接受器、最终信宿是用户。图1所示为产品风格认知的一般模型。进一步地，提出基于风格特征的汽车造型认知过程模型，如图2所示。用户对汽车造型的认知涉及多种心理因素，在此过程中，包括视觉、触觉等人的多种感官共同作反馈图l 产品风格认知一般模型汽车造型?。!用户 i显性风格特征隐性风格特征i图2基于风格特征的汽车造型认知过程模型用。研究显示8090的外界信息是由人眼获取的m，因此本文中将主要对汽车造型视觉识别机制及相关问题展开实验研究，并主要探讨以下关键问题：(1)汽车造型的识别与用户喜好之问存在何种关联?(2)长时记忆来自于短时记忆的反
19、复和再现，同时选择性注意也存在，它们在汽车造型认知过程中作用如何?(3)汽车造型特征元素对用户认知度作用大小的规律性如何?(4)汽车造型特征的美感如何形成?2 实例研究21样本选取根据文献17中的研究结果，在汽车的各部分造型中，前部正面最能传达汽车的风格信息，因此在本文研究中选取汽车前脸造型作为研究样本。搜集不同品牌的汽车前脸造型图片共31张，均为市场上现售车型。为避免色彩和车标对实验的影响，将图片处理为无彩色，并将车标覆盖。分辨率均为600dpi，编号为sls31，如图3所示。22被试对象被试对象为随机抽取的德国慕尼黑工业大学万方数据卢兆麟，等：基于风格特征的汽车造型认知机制研究 283国冒
20、国置邕戡誉蠡图3 汽车前部正面造型样本(Technical University of Munich)在校师生，共10人，其中德国人4名、中国人4名、日本人1名、美国人1名；男性6人，女性4人；最大年龄30岁，最小年龄18岁，平均年龄248岁。所有被试人员矫正后视力良好。试验地点在慕尼黑工业大学电子工程学院人机交互实验室。23实验变量设计根据Treisman的“特征整合理论(feature integration theory，FIT)副”，用户在进行产品识别时，主要经历“预处理一平行加工一序列加工一特征整合一记忆比对”等5个阶段，其中平行加工、序列加工在眼部运动上直接表现为扫视与注视，因此本
21、文中眼动跟踪实验主要针对上述两组变量；将汽车前脸造型划分为7个感兴趣区(area of interest，AOI)，分别表征7个造型特征：(1)车窗；(2)后视镜；(3)发动机舱盖；(4)车灯；(5)进气格栅；(6)转角；(7)整体造型。在问卷调查中，利用Likert量表对被试者意象尺度进行表征。总体实验变量详见表l。24实验过程与方法(1)问卷调查 调查提出的问题分别为：(1)您能认出这辆车的品牌吗?(2)您喜欢这辆车吗?(3)前脸造型中哪一特征最能帮助您认出这辆车的品牌?实验过程中，主持人向被试者逐一显示汽车样本图片，被试以一3(“否”)3(“是”)的7点Likert量表做出回答，不对被试
22、者进行任何形式的思维引导和干涉。(2)眼动跟踪实验将样本的图片全屏呈现在s二二!漤=i蠹萱表1实验变量设计测量组 测量变量注视时间(AOI)ms视觉注意 平均注视时间(AOI)ms注视点数量(AOI)注视频率(AOI)s-1视觉搜索转换次数(AOI)识别度意象尺度 喜好度特征识别强度19 inch显示器上，被试者采用坐姿并与显示屏保持平视，相距约90cm。主持人向被试者介绍实验的目的和方法后，发出指令，要求被试者在观看样本图片时尽量识别汽车品牌，时间为15 000ms；与此同时，使用德国Ergonieers公司生产的Dikablis头戴式眼动跟踪仪进行记录，数据由Dlab软件分析，如图4所示。
23、鬣翔_i：!-图4眼动跟踪实验装置及调校“早订酱小心鸯m蚪蠡啦心牵。舀邶刈，晕一译d晕锄草州早蠢怠啊o“黼髓黼L 一睁m胃万方数据284 汽车工程 2016年(第38卷)第3期总体实验流程如图5所示。眼动跟踪实验 调查问卷被试到达 结束 千阅读并签署 被试领取报酬知情协议 + 开始眼动阅读调查问卷 跟踪实验 t显示样本图片并I 一2端嚣卜 一佩戴并调校填写调查问卷l l眼动跟踪仪图5总体实验流程图3分析与讨论31识别度与喜好度问卷调查中，问题1和问题2分别对应被试者的“识别度”和“喜好度”。结果统计如表2、表3和图6所示。表2“识别度”统计结果样本均值 中位数 标准差O51 O18 08l样本
24、按照得分排序(由高到低)s15，s3，s20，sll，s24，(s568)，s9，s26，s21，s17，s14，s25，s1，(s712)，s22，(s41316)，(s3031)，(s21928)，s27，s10，s18表3“喜好度”统计结果样本均值 中位数 标准差一035 059 063样本按照得分排序(由高到低)s19s15，s20，s24，s5，s28，s17s14，(s31131)，s6，s26，(s1289)，(s10122325)，s22，甜，s21，(s713)，s16，(S2930)，s18(a)识别度最高的样本热点图 (b)识别度最低的样本热点图图6眼动热点图由表2可见，
25、被试者识别度最高的样本前3位分别是s15(宝马)、s3(奔驰)和s20(法拉利)，均为历史悠久、知名度高的品牌，在长期的发展中形成了广为人知的产品形象，经过反复的信息输入和刺激，万方数据卢兆麟，等：基于风格特征的汽车造型认知机制研究 285被试者在头脑中已经形成了长时记忆，是识别度较高的原因。总体样本的识别度均值和中位数分别为051和018，明显高于喜好度的一035和一059。进一步对“识别度”和“喜好度”进行二元变量相关分析，Pearson相关系数为0587，P=O00l，低于0Ol的显著水平，因此应拒绝总体中这两个变量的相关系数为零的假设，可以认为识别度与喜好度之间存在较强的正相关，这说明
26、了造型识别度较高的产品，一般也同时具有较高的消费者喜好度。32眼动跟踪结果及分析321热点图(Heatm印)热点图是一种将眼动跟踪数据转化为二维彩色图像的可视化技术，可以帮助研究者快速而直观地获得数据分布以及趋势等信息。具体而言，它将用户的注视点个数、注视持续时间及占总时间的百分比等数据，映射为透明度、颜色等可视化参数，并叠加在作为背景的眼动实验刺激材料上。由上述算法，分别得到31个样本图片的热点图。限于篇幅，本文中仅列举识别度最高和最低的两个样本s15和s18的热点图进行对比分析，如图6所示。通过对眼动热点图的定性分析，可以发现：(1)首注视点往往集中在与视网膜中央凹平行的中心区域，在样本图
27、片中反映为车标周围，虽然实验材料车标已经过遮盖处理，但被试者仍习惯性地首先尝试从车标获得识别信息；(2)通过对样本s15和s18眼动热点图的对比分析，可以发现被试者对样本s15的注视，整体分布上更为集中，峰态更为明显，且集中于进气格栅、发动机舱盖处；而对样本s18的注视分布则较为离散；(3)从视觉搜索角度而言，被试者对样本s15较高的注视点密度说明了更直接的目标搜索，并且总的扫视路径较短，说明具有较高的搜索效率，形成对照的是，识别度最低的样本s18则注视点散乱，无明显聚集，且有不断往复，说明缺乏意义及可视度。322眼动跟踪及数据分析根据问卷统计结果，样本s15(宝马)在样本总体中，识别度和喜好
28、度分列第1和第2位，具有代表性。因此，本文中选择该样本作为对象，进一步对其眼动跟踪数据进行分析，对该样本划分的感兴趣区如图7所示。(1)视觉注意各造型特征视觉注意数据如表4所示。由表4可见：各造型特征域按照总注视时间l。由高到低排图7样本感兴趣区(AOI)划分表4各造型特征视觉注意数据总注视 注视点 平均注视 注视时间感兴趣区时I司ms 数量个 时间ms 比率1车窗 2 3560 51 5396 15132后视镜 l 0080 29 2328 6463发动机舱盖 3 548O 111 2998 22784车灯 2 1400 79 2429 13785进气格栅 4 524O 87 4806 29
29、086转角 l 0“O 30 2906 682列依次为进气格栅、发动机舱盖、车窗、车灯、转角和后视镜；按照注视点数量G。由高到低排列依次为发动机舱盖、进气格栅、车灯、车窗、转角和后视镜。根据文献13中的研究结果，总注视时间和注视点数量是反映感兴趣区域重要程度的主要指标，较长的注视时间和较多的注视点数量意味着在进行“品牌识别”这一任务时，这一区域具有特别吸引力，吸引力则由于较独特的造型或者显著的位置和面积。分析可以认为s15(宝马)汽车的进气格栅和车灯具有独特造型：平均注视时间71。，计算公式为丁=LG。 (5)按照平均注视时间由高到低排列依次为车窗、进气格栅、发动机舱盖、转角、车灯和后视镜。(
30、2)视觉搜索各造型特征视觉搜索数据如表5所示。由表5可见：转换次数由高到低依次为发动机舱盖、进气格栅、车灯、车窗、转角和后视镜。感兴趣区中的转换次数越高，说明不断地对该区域进行往复注视，试图读取更多有用信息以助于品牌判断。根据文献13中的研究，较高的注视频率代表更多的信息处理。注视频率最高的是发动机舱盖、进气格栅和车灯，表明被试者在对这3部分进行“特征分析”时，信万方数据286 汽车工程 2016年(第38卷)第3期表5各造型特征视觉搜索数据感兴趣区 平均注视频率s。 平均转换次数1车窗 O329 452后视镜 0297 263发动机舱盖 O723 1094车灯 O518 775进气格栅 06
31、2l 876转角 O253 31息处理量更大。注视者在扫视之后，有“选择性注意”的过程。在这一过程中，被试者的注视点会较长时间停留于某一特定感兴趣区域，选择连续注视时间最长的感兴趣区域进行分析，以此判定被试者选择性注意的对象，统计数据见表6。表6各被试者长时间注视区域被试编号 l 2 3 4 5注视时间最长的区域(A()I) 5 5 5 3 3被试编号 6 7 8 9 10注视时间最长的区域(A01) 1 3 5 5 333造型特征识别强度问卷的问题是：“前脸造型中哪一特征最能帮助您认出这辆车的品牌”，对7个感兴趣区域分别使用一3(“否”)3(“是”)的7点Liken量表作答。仍以样本s15(
32、宝马)为例，统计分析的结果如表7所示，以直方图表示的统计分析结果如图8所示。表7 宝马汽车造型特征识别强度得分造型特征 1车窗 2后视镜 3发动机舱盖 4车灯分值 一23l 144 050 144造型特征 5进气格栅 6转角 7整体造型分值 250 一105 206由表7和图8可见，进气格栅、车灯和整体造型分值在z轴上方，被认为是最能帮助用户识别出样本品牌的特征，这一结果与眼动跟踪数据相吻合。表明产品标志性的、典型性的特征具有重要指示性作用，可以帮助用户识别产品的品牌。一方面这些特征在最初的产品设计阶段应当被刻意地规划出来，另一方面在品牌长期的发展过程中，也应当被精心地保留和延续。“整体造型”
33、得分仅次于“进气格栅”，也是能帮助用户识别品牌的重要因素，这说明图8造型特征识别强度直方图了识别过程中“特征整合”机制的存在119。加。根据表7统计结果，各造型特征强度分值之和为妒。=o7，运用线性插值法计算用户对样本s15的认知度尺(P)，将Likert量表的分值(一3，3)对应认知度百分比(0，100)，计算公式为舯)=y0+畿(卜剐x100 (6)式中：xo=一3，yj=3；xl=0，】，l=100；x=07。计算结果尺(P)=53。4结论本文中面向汽车造型，通过眼动跟踪技术和Likert量表问卷，对基于风格特征的汽车造型认知机制进行研究，得出如下结论。(1)汽车的识别度与用户的喜好度呈
34、正相关，识别度越高的车型更能获得用户购买意愿；同时，被试者对于汽车样本的识别度明显高于喜好度，说明要使用户喜爱并购买产品比仅仅识别产品更加困难。(2)长时记忆是识别机制的基础，包括陈述性记忆和程序性记忆；用户在对汽车品牌的识别过程中，工作记忆通过对造型视觉信息的处理，产生客体表征和空间表征，并提取长时记忆中的车型信息进行分析比对，完成识别过程；车辆造型特征设计应兼顾视觉刺激强度和连续性，从而将短时记忆转化为长时记忆。(3)汽车前部正面造型中典型性、标志性的特征具有重要的识别引导作用，能迅速而有效地建立工作记忆与长时记忆之间的视觉信息通道，在设计中应引起重视；典型性和标志性意味着较独特的形状，或
35、较突出的位置，或相对较大的区域。(4)由于特征整合机制的作用以及格式塔心理万方数据2016fV01381No3 卢兆麟，等：基于风格特征的汽车造型认知机制研究 287效应，用户对于汽车造型的美度产生依赖于整体效果，取决于造型特征各部分之间的比例、相互位置、协调性关系等。 参考文献1 傅业焘，罗仕鉴面向风格意象的产品族外形基因设计J计算机集成制造系统一cIMs，2012，18(3)：4494572： 傅业焘偏好驱动的sL7V产品族外形皋【六1设汁I)杭州：浙江大学，2叭23： 徐江，王海贤，孙守迁基于风格进化模型的产品乍成设汁办法!J东南大学学报(自然科学版)，2012，42(4)：654658
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43、AKER BAn Ilera【ive Alg)rilhm RJr fhe(；I()hal0plinlal Predi(livc contml of Hvl)ri(ElP(-tric Vehi(-lPsI cIEEIVehicle Powcr and Propulsi()n C()11卜rPllcP(V11PC)，Chi【ag(，ILUniIe【1 States，SPplember 69，2011：6043004，16i 14 CENG BMILLS J K，S LTN DPredi【-livc Ct)nl r【ll Iilr Plugi11 Mi“)n11aIionC IEEE h1Iema【ional Connrence on Robotics andBi(1nlinlP【i【s，PhukeI，Thailan【1，December 71 1，20l l：1468一147315 I)AI JIsolate(wl R()gniIion using Mark(w chain ModelsJjIEEE Transa(li(ns)II spPechAu(1io Pmcessing，1995，3(6)：458463万方数据