李曉英，程帥，周大濤

【工業(yè)設計】

基于計算美學的實體界面美度評估方法

李曉英1，程帥1，周大濤2

（1.湖北工業(yè)大學 工業(yè)設計學院，武漢 430068；2.武漢理工大學 藝術與設計學院，武漢 430070）

為解決實體界面美度評估中的風格、多維度指標及方法應用問題，結合計算美學的特性，提出一個新評估方法。通過分析當前的界面美度評估與計算美學的研究現狀和缺口，提出了運用感性工學、因子分析、平面坐標定位，美度公式等分析與計量手段來建構一種基于計算美學的實體界面美度評估方法。與已有研究相比，該方法綜合考慮了界面風格認知和多維關聯(lián)指標等在用戶審美要素、評估指標、評估精度和應用效力上的現實問題，將計算美學的應用對象從現階段的數字界面拓展到了實體界面。以某品牌示波器的界面設計方案為例，對新的評估方法進行了實證分析，并通過眼動追蹤實驗驗證了實證結果，結果表明，該評估方法能夠準確、有效地反映用戶的審美傾向。形成的方法和結論對實體界面美學的設計與評估具有一定的指導作用，也為計算機輔助界面設計提供了重要參考。

實體界面；美度評估；計算美學；因子分析；眼動追蹤

人機界面是人與系統(tǒng)進行直接交互的媒介，按照交互媒介的自身屬性，可以分為軟件界面和硬件界面[1]。其中，軟件界面是指用戶通過數字圖形與系統(tǒng)發(fā)生交互的數字界面（Digital User Interface，DUI），如系統(tǒng)界面、APP、Web等以數字圖形為載體的虛擬控件界面；硬件界面是指用戶通過物理觸覺媒介進行信息交互的實體界面（Tangible User Interface，TUI），如儀器儀表的操作面板、家用電器的功能面板或者交通工具、特種裝備的按鈕界面等以可觸實體為載體的物理顯控界面。隨著技術的發(fā)展，雖然軟件數字界面因其多樣化、多層次的視覺效果和信息層級，逐漸成為人機界面的主流媒介，但相較于軟件數字界面提供的單向視覺反饋，硬件實體界面則兼具了觸覺的雙向交互特征（既可以傳遞信息，也可以獲取信息），這有利于降低人的注意力負荷，從而增強人機協(xié)作、盲操或精細操作的可用性?；谶@一優(yōu)勢，實體界面在相關的生產和生活中具有必然的不可替代性[2]，對其開展設計研究具有重要的實際意義。

目前，在實體界面的研究中，美度評估作為提升實體界面感知可用性的必要方式，研究如何對其進行有效度量成為一個亟待解決的現實問題。具體而言，一方面實體界面的布局元素一般包括按鍵、旋鈕、LED、屏幕等物理組件，這些組件是輔助用戶進行信息交流的載體，其布局設計的合理性不僅會影響人機工學的績效性能，也會直接影響用戶的視覺感受和認知理解[3]；另外，雖然實體界面評估多數集中在注意力負荷、錯誤率、任務績效和操作視域等認知績效方面[4]，但是隨著感性工學的發(fā)展，相關實驗研究也證明了產品功能可用（理性）與人機界面美感（感性）之間的強關聯(lián)性[5]，“美的設計同時也會是好用的”[6]這一涉及審美體驗的設計論斷也得到了諸多學者的關注。究其原因，美觀的界面設計能夠有效地降低感知復雜性，提高用戶的使用愉悅度，并最終增強產品的可用性，由此，美感設計、美度評估作為推動感性設計的重要手段必然成為界面設計的研究要點[7]。然而，相較于獨立地評估APP、Web等數字界面的美度質量，實體界面則經常會與產品的其他部件整合到一起，其很少被作為一種單獨的設計要點而獲得專門的美度度量。然而從用戶的認知偏好、審美需求和體驗上看，缺少或忽略對實體界面美度的評估不利于提升人機交互的可用性，也降低了產品的市場競爭力。

針對上述問題，本研究提出了一種基于計算美學的實體界面布局美度評估方法。該方法綜合考慮了實體界面美度評估在量化、客觀、快速和準確等方面的現實問題，并以某品牌的示波器界面設計為例進行了實證研究，且通過眼動追蹤實驗驗證了該方法的有效性。研究表明，在感性設計成為影響用戶使用意愿的背景下，本研究所形成的方法和結論為實體界面美度評估提供了新思路，這對拓展和提升計算美學在實體界面美度評估中的應用方法和質量具有重要價值，也為同類實體界面的美度評估提供了風格特征、審美要素和評估指標等方面的研究參考。

1 界面美度評估與計算美學概述

界面美度評估容易受到個體感性差異的影響，因而基于個體經驗的主觀評估方法在時間周期、成本投入和度量結果的可靠性上存在一定的應用局限。具體而言，美學（Aesthetic）在藝術哲學中被定義為“認知與感官體驗模式的結合”[8]，是一種研究美、丑等審美范疇和人的審美意識、美感經驗，以及如何進行美的創(chuàng)造、發(fā)展及探究其影響規(guī)律的科學。基于這一定義可知：一方面，界面美度評估就是度量界面元素布局的視覺特征是否符合，以及在多大程度上符合用戶的感性意象；另一方面，不同用戶對美度的感知會受年齡、性別、文化和知識、經驗等個體差異的影響。由此可知，與人機工學中標準化和規(guī)范化的設計評估相比，界面美度評估則表現出明顯的主觀性和不確定性[9]，對此，為了度量界面設計是否達到了較好的美度，現有研究提出了很多方法。其中，多數研究采用問卷調查、用戶訪談和觀察、專家評估或生理監(jiān)測等基于個體經驗的評估方法，雖然該類方法通過對一定數量的代表用戶進行抽樣調查，能夠獲得相對有效的界面美度評估結果，但是在該類方法的整個評估周期中所需的人力成本、時間成本等會隨著樣本量（用戶、評估對象）和評估次數的增加而上升，且這種依賴于主觀經驗的評估方法，很容易受到個體感性差異的影響，進而導致界面美度的度量結果出現偏差[10]。

綜合來看，基于美度公式的計算美學能夠實現量化、客觀和快速的美度評估，但為了進一步提升對實體界面度量的準確性，該類評估方法還需解決風格認知影響、多維指標關聯(lián)和方法適用性等實際應用問題。具體而言，在選定美度指標時，基于計算美學的界面美度評估并沒有考慮界面風格定位對用戶審美偏好的影響，因而在有些情況下，難以合理地解釋所選定的度量對象、評估指標及獲得的美度結果。這主要是由于美具有不同的風格類型，且風格美能夠影響用戶的審美思維方式和認知經驗[17]，因此，評估具體風格下的界面美度，既是實體界面美度評估的實際應用需求，也是保證評估結果可靠性的必要手段。另外，在當前的界面美度評估過程中，由于缺少判斷和區(qū)分評估指標的有效性，所以會存在無效或重疊評估的問題，這主要是因為受用戶審美認知的多樣性和獨創(chuàng)性的影響，根據個體經驗所建立的界面美度指標體系往往會有較多的維度，且多數指標間存在潛在的相關性，過多的指標維度不僅增加了評估的復雜性，也會影響到評估精度。再者，基于計算美學的界面美度評估方法的研究與應用對象主要是數字界面，對計算美學能否及怎樣適用于實體界面的美度評估還缺少相關的研究和應用。

2 實體界面美度評估方法

針對上述問題，本研究綜合界面風格認知和多維關聯(lián)指標的影響，提出了一種基于計算美學的實體界面美度評估方法。該方法的評估思路為，首先，采用感性工學來明確實體界面的風格認知與審美要素（按鍵的面積、位置、顏色等）的相關關系，以及采用因子分析對多維評估指標體系進行關聯(lián)性分析，旨在為后續(xù)的計算美學評估提供有效的度量對象；其次，使用二維平面坐標系對實體界面元素的參數信息（按鍵的面積大小、相對位置等）進行表征和編碼，旨在為相關的美度公式提供所需的計量數據；最后，結合相關評估指標下的美度公式對實體界面的美度進行計算，以獲得客觀、有效的度量結果。如圖1所示，該方法的具體實施步驟如下。

步驟1，界面風格的美度指標分析。首先，在獲得實體界面的典型樣本后，采用品牌文化定位、問卷調查或訪談的方式對典型樣本的界面風格和審美要素的具體內容進行梳理和分析（注意，要結合產品的整體情況來調研界面的風格特征和審美要素），同時，使用李克特7級量表來量化界面風格與審美要素之間的相關關系，并選擇關聯(lián)度排名靠前的審美要素作為度量對象；其次，結合專家建議和用戶反饋對相關界面風格和審美要素下的美度評估指標體系進行建構；最后，使用因子分析對多維美度評估指標體系的關鍵因子（關鍵評估指標）進行提取，并計算關鍵評估指標的權重大小，以及釋義其主要的計量內容。

步驟2，界面元素的二維信息編碼。相較于數字界面以多個圖標層級進行顯示的方式，實體界面的布局元素則是以各種具象的形態(tài)（按鍵、旋鈕、顯示窗等）全部呈現在固定的操作面板上。據此，為便于后續(xù)美度公式的計量分析，可以通過二維平面坐標系對實體界面元素的參數信息進行表征和編碼，如，使用元素的長和寬的乘積來表征其面積大小，選擇元素的橫坐標（軸）和縱坐標大?。ㄝS）來編碼其位置參數等，旨在為相關美度公式的計量運算提供數據支撐。

圖1 實體界面的美度評估方法

步驟3，界面美度的綜合計算評估。為了便于比較不同實體界面設計方案的美度水平，首先，針對步驟1中對關鍵評估指標的計量釋義，在相關研究理論和方法的基礎上，選擇或建構適用于關鍵評估指標計量的美度公式；其次，依據美度公式的計量內容，分別輸入步驟1和步驟2中界面元素的參數信息和關鍵評估指標的權重大小，以獲得各個設計方案的綜合美度，并據此結果對界面設計方案進行優(yōu)選或優(yōu)化。

最后需要說明的是，在上述方法的基礎上，當產品品類較多或對相似類型的實體界面美度進行多次評估時，可將該方法分為兩個階段：第一階段是構建出一個涵蓋品牌文化和產品定位的實體界面美度指標數據庫，旨在避免重復地分析“界面風格、審美要素和美度指標分析”；第二階段是構建出一個針對美度評估指標的算法公式庫，旨在快速地調用相關的美度公式或算法進行指標計量。

3 案例實證分析

以某品牌示波器的實體界面美度評估為例，本節(jié)報告了其在美度指標分析、二維信息編碼和綜合計算評估3個操作步驟中的過程和結果。

3.1 實體界面風格的美度指標分析

依步驟1所述，為了充分考慮實體界面風格認知對審美要素和評估指標的影響，結合感性工學的相關研究方法來定位和建構了示波器操作界面的美學風格、審美要素和評估指標之間的相關關系，并通過因子分析提取關鍵的評估指標。

3.1.1 感性風格定位和審美要素分析

首先，以26個具有代表性的示波器實物圖片為調研對象（見圖2），在收集和分析了該類產品的品牌文化、設計定位和用戶評論（227條售后評論）后，最終選擇了精密、高端、科技、工業(yè)、穩(wěn)重和簡潔6類界面設計風格，以及面積、位置、字體、字號、色彩、形狀、紋理和質感8種視覺審美要素；然后，采用簡單隨機抽樣的方式獲取了一個140人的調研樣本，其中103人（回復率73.6%，男性87名，女性16名，平均年齡28.90歲，標準差為4.15，均有表示了解或使用過示波器）通過李克特7級量表評價了示波器操作界面的6種界面風格與8種審美要素之間的相關程度，具體結果見表3。

由圖3可知，Kendall協(xié)調系數在0.01水平上顯著，且數值均在大于0.5，表明所有參與人員對界面風格與審美要素相關性的評價具有較好的一致性，調研數據可信；在6類界面風格中，精密風格具有最大的權重為0.35，其次是工業(yè)風格為0.20，這表明用戶對此類示波器操作界面的風格預期傾向于具有協(xié)調一致、比例均衡和布局規(guī)整等特點的界面設計，因此選擇“精密”和“工業(yè)”風格作為該類示波器的主題風格進行分析；另外，由表1中單元格的顏色變化（顏色越深，越相關）可知，精密、工業(yè)和科技等界面風格均表現出了與面積、位置兩類審美要素的強相關關系，這說明界面元素的面積和位置的布局特征，最能有效地描述和預測用戶對界面風格的認知特點，是精密、工業(yè)等界面風格特征下最為關鍵的審美要素，因此選擇“面積和位置”兩種審美要素作為評估示波器界面美度的度量對象。

3.1.2 評估指標建構和關鍵因子提取

依據上述分析結果，組織2名產品設計師（均在工業(yè)設計行業(yè)從業(yè)3年）對用戶評論信息進行了分析、判斷和補充，最終提出了對稱感、密集感、同一感、整齊感、節(jié)奏感、平衡感、呼應感、優(yōu)先感、規(guī)律感、連續(xù)感、均衡感、緊湊感等12個感性詞匯作為該類實體界面的美度評估指標。為了進一步判斷和區(qū)分12個評估指標間的相關性、有效性和權重次序以提升評估精度，采用簡單隨機抽樣的方式對133人（男性96名，女性37名，平均23.77歲，標準差為2.59）進行了問卷調研，調研對象使用李克特7級量表對12個美度評估指標與示波器美度風格之間的關聯(lián)程度進行了打分，隨后，使用SPSS因子分析計量了133條打分數據，結果見表1。

圖2 示波器操作面板的實物照片（部分）

圖3 示波器的界面風格與審美要素的相關性

表1 12個美度評估指標的因子分析結果

Tab.1 Results from the factor analysis of twelve aesthetics evaluation indicators

注：Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)度量值為0.792；Bartlett球形度檢驗的顯著性水平∶0.000。

由表1可知，KMO檢驗統(tǒng)計量在0.7以上，且Bartlett球形檢驗的顯著性水平小于0.05，這表明12個美度指標之間存在顯著的相關性，因子分析的結果有效；同時，12個美度指標的共同度均大于0.4，表示12個美度指標均具有解釋意義；通過因子分析共提取出協(xié)調感、比例感、次序感和整體感4個美學關鍵因子（又稱：關鍵美度指標），其累積方差貢獻率為81.813%，這表明4個關鍵因子包含了12個美度指標的大部分信息，能夠用于解釋和度量示波器界面的美度；進而以各個因子的方差貢獻率與總的累積方差貢獻率的比率作為權重，用以提升對示波器實體界面美度的綜合評估精度，協(xié)調感、比例感、次序感和整體感4個關鍵因子的權重依次大小，見式（1）。

結合相關研究[14-15]的定義，對上述4個美學關鍵因子的釋義如下。

1）協(xié)調感（Equilibrium Measure，EM）主要度量各個界面元素在界面框架（把所有界面元素包含在內的最大矩形）上的視覺重心偏差度。參考物理學中的“力矩平衡”理論，可知界面元素的面積和離心距離是影響用戶視覺協(xié)調的關鍵因素，對稱、整齊、平衡和均衡的界面布局才能夠營造出令人舒適的協(xié)調美感。

2）比例感（Proportion Measure，PM）主要度量界面元素的長寬比值與審美經驗中的美度比值的相似度。對生活中的日常事物，人們總是習慣地尋求比例關系，比如，設計中的“黃金美學比例”（如1∶1，1∶2，1∶1.414，1∶1.732，1∶1.618），可以認為符合比例美感的界面元素越多，或彼此之間的審美關聯(lián)度越強，則界面美度越高。

3）次序感（Sequence Measure，SM）主要度量界面元素的布局順序與視覺搜索規(guī)律的匹配程度。研究表明，界面元素的布局設計存在明顯的優(yōu)勢效應[18]，譬如人眼存在從左往右、自上而下及從大到小的視覺檢索習慣，符合這種視覺規(guī)律的界面布局不僅能夠提升視覺認知效率和準確度，而且也能夠有效地提高用戶的審美感知質量。

4）整體感（Unity Measure，UM）主要度量界面元素、界面布局（把所有界面元素包含在內的最小矩形）與界面框架之間在面積占比上的一致程度。在同一個界面框架范圍內，界面布局的面積一定時，界面元素的面積越大就越擁擠，整體感越低；界面元素的面積一定時，界面元素的排列越松散，界面布局所占的空間就越大，整體感越低；對此，相關研究表明[19]，界面元素與界面布局的面積比要近似等于界面布局與界面框架的面積比，才能使界面設計具有較好的整體感。

3.2 實體界面元素的二維信息編碼

圖4 4個示波器界面設計方案的表征和編碼方式

表2 4個設計方案中界面元素的二維編碼參數

Tab.2 Parameters utilized for two-dimensional coding of interface elements in four design solutions

3.3 實體界面美度的綜合計算評估

依步驟3所述，為客觀評估4個界面設計方案（見圖4左列）的界面美度，結合Ngo等[14]的研究成果，形成了面向協(xié)調感、比例感、次序感和整體感4個關鍵因子（關鍵評估指標）的計算美度公式，具體見表3。由于4個界面設計方案的布局特征較為一致，依據設計經驗，設定4個關鍵因子得分的適度范圍為正向指標，得分是介于[0, 1]的連續(xù)數值，得分越大越好。

依據表2—3，使用Matlab分別計算了4個界面設計方案（見圖4左列）在協(xié)調感EM、比例感PM、次序感SM、整體感UM上的美度值，并結合式（1）中4個關鍵因子的權重大小計量了各個設計方案的綜合美度（加權后的界面美度），結果見表4。4個界面設計方案的綜合美度排序為方案3>方案4>方案2>方案1，其中：在4個設計方案中，方案3在次序感、整體感兩個評估指標上表現最高，說明其設計符合用戶視覺搜索優(yōu)勢，且具有緊湊的布局特征；其次，方案4的次序感也表現最高，但其整體感最低，說明其界面元素的布局較為分散；而方案2在協(xié)調感表現最好，其視覺重心最為平衡；方案1在比例感上表現最高，其界面元素和布局比例感最為突出。

表3 4個美學關鍵因子的計算美度公式

Tab.3 Computational aesthetics equation based on the four key aesthetics factors

注：界面元素（object）被定義為設計表征方案中的單個矩形；界面布局（layout）被定義為設計表征方案中將所有界面元素包含在內的最小外切矩形；界面框架（frame）被定義為設計表征方案中將所有界面元素包含在內的最大外切矩形。

表4 4個設計方案的綜合美度

Tab.4 Overall aesthetics quality of the four design solutions

4 結果驗證與討論

為了檢驗上述研究結果的有效性，本研究采用眼動追蹤實驗重新評估了 4 個界面設計方案的美度排序，并通過對比和分析兩次評估結果的一致點和差異點，討論了研究方法的優(yōu)勢和不足。

4.1 驗證實驗設計與分析

2）選擇實驗被試者。參考典型的專家主觀評估過程，招募了具有示波器使用或設計經驗的11名專家被試者（設計師3名，從業(yè)人員8名，平均年齡28.36歲，SD值為4.65）。

3）設定實驗任務。為了避免被試者因疑惑、好奇或無目的瀏覽而造成個別AOI內的注視點過高（假性注視）或者趨于均值（無目的注視），將實驗任務設定為“對4個界面設計方案進行美度優(yōu)選”，并采用了隨機播放的方式（間隔時間為15 s）將4組刺激材料進行展示，以避免學習效應對實驗結果的影響。

4）設計實驗過程。在經過實驗說明和一次預實驗之后，使用可穿戴眼動儀（Tobii Pro Glasses 2）采集了11名被試者的眼動數據。并在實驗結束后對參與實驗的11名專家被試者進行了面對面訪談，以及邀請其使用李克特7級量表對4個示波器設計方案的美度進行綜合打分，用以為后續(xù)的眼動數據分析提供參考。

5）分析實驗結果。使用ErgoLAB3.0對其中10名專家被試者（其中，1名被試者因頭部移動幅度過大而導致數據匹配困難，對其相關數據予以了剔除）的眼動數據進行疊加分析，獲得了由被試者注視次數累積生成的眼動熱點圖（見圖5）和各AOI內的平均注視點數量（見表5）。

研究表明，眼動熱點圖通過顏色梯度可以直觀地反映界面設計方案對被試者的吸引程度[20]，也就是被試者對界面設計方案的關注度，一般認為紅、黃和綠的熱點顏色漸變按降序依次表示關注度由高到低。同時，依據實驗任務的設定（對4個界面設計方案進行美度優(yōu)選）、實驗后的訪談結果（多次注視某個興趣區(qū)，是否是因為疑惑、好奇或不理解）和相關文獻的應用情況[20-23]，在此次實驗中設定了被試者對界面設計方案的注視次數越多，界面設計的吸引力就越高，表示界面美度越高。如圖5所示，整體上可知方案3的紅色密度最高，其次是方案2和方案4的顏色密度，方案1的紅色密度最低，進一步結合實驗后的專家綜合打分結果（方案1是4.00分，方案2是5.00分，方案3是6.18分，方案4是4.91分），最終獲得的美度排序為，方案3>方案2>方法4>方法1。將這一結果與基于計算美學的客觀評估結果（方案3>方案4>方案2>方案1）進行對比，可知兩次評估的排序結果都認為方案3最優(yōu)和方案1最差，但兩次評估結果在方案2和方案4的排序上存在差異。為此，通過統(tǒng)計專家被試者在各個AOI興趣區(qū)內的平均注視點數量（見表5），發(fā)現AOI 4內的注視點數量（23.141）大于AOI 2內的注視點數量（22.388），這表明專家被試者對方案4的關注度高于方案2，進而表明方案4的界面美度要高于方案2，這一評估結果與基于計算美學的評估結果一致。

圖5 眼動熱點圖

表5 各興趣區(qū)（AOI）內的注視點數量

Tab.5 Count of gaze points within each area of interest (AOI)

注：單元格內的數據為10個被試者在各AOI內注視點數量的均值

針對方案2和方案4在專家綜合評分和眼動注視次數兩種不同計量方式下的結果差異，組織了2名專家復查與分析了實驗設計和結果，結果表明：上述差異可能是由眼動實驗中專家樣本偏少、個體經驗不均衡或界面美感近似（相似、低敏感的評估內容會引發(fā)主觀性的猶豫和模糊評估）等原因而導致的波動誤差，這種波動誤差普遍存在于基于專家經驗的主觀評估中，其主要會對得分值較為接近（如方案2和方案4）的結果造成一定程度的影響。

4.2 研究討論

綜上所述，眼動實驗的評估結果驗證了所述方法的有效性，表明相較于基于專家經驗的主觀評估，使用美學計算則可避免波動誤差對度量結果的影響，更能夠準確、有效地反映出用戶的審美傾向。具體而言，本研究的評估方法是使用美度公式來評估實體界面，從理論研究上看，這些美度公式主要用于客觀地度量界面元素的參數信息與美度指標之間的相關關系，比如：使用美度公式度量了界面元素中心的視覺偏差情況與協(xié)調感的關系、界面元素的長寬比情況與比例感的關系、界面元素的視覺搜索優(yōu)勢情況與次序感的關系及界面元素的面積占比情況與整體感的關系。另外，從實踐應用上看，這些相關關系常被作為設計指南用于指導界面的設計和布局，其代表了大眾的、普適的和共性的審美特征?？梢哉f，據此建構的美度公式不僅實現了對這種感性關系的標準化度量，而且也去除了極端個體經驗對審美結果的影響。因此，與個人主觀經驗的美度評估相比，采用計算美學的界面美度評估方法能夠有效地降低專家樣本偏少、個體經驗不均衡或界面美感近似等對度量結果的影響。尤其是對相似、相近或差別不敏感的界面設計方案，該評估方法可以實現更加精細的量化評估，更能夠準確地反映出用戶的實際審美傾向。

最后需要指出的是，在審美綜合評價中，美度指標存在適度范圍的問題，即美度指標的得分數值既不是越大越好，也不是越小越好，而是應趨于1個或多個適度點，這與“美有千姿百態(tài)，且各有千秋”的實際情況相吻合[17]。因此，為了保證綜合美度評估的準確性，在應用上述方法對實體界面的美度進行評估時，應該結合設計經驗來考慮美度指標得分的適度范圍（正向指標、反向指標，或是適度指標）。對布局特征近似的界面設計方案可以考慮依據正向或反向指標進行綜合評估，而對布局特征反差較大的界面設計方案則應該考慮使用適度指標進行綜合評估，或者通過專家打分對評估結果進行修正。

5 結語

本研究旨在為實體界面的美度評估提供一個可行、有效的量化方法，為此，從界面美度評估的風格認知影響和多維指標關聯(lián)等實際應用問題出發(fā)，提出了基于計算美學的實體界面美度評估方法。從方法和應用的角度上看，提供了以下幾個方面的貢獻：針對實體界面的布局特點，提出了系統(tǒng)化的界面美度評估方法，將計算美學評估的應用對象從現階段的數字界面延伸到了實體界面；在評估過程中綜合考慮了界面風格對審美要素、審美指標的影響，并采用因子分析來提取美度關鍵因子和度量其權重大小，有效地提升了實體界面美度評估的應用效力；該評估方法使客觀、快速和標準化地開展實體界面美學的設計與評估成為可能，對計算機輔助界面設計的研究應用具有一定的參考價值。

考慮到界面設計中布局元素和形式的多樣化，以及用戶審美偏好的豐富性和習得性，與之相關的計算美度公式和美度指標的適用范圍仍需不斷地研究發(fā)展，未來有必要在更多研究實踐的基礎上進一步地改進該類評估方法。具體而言，現階段的計算美學研究缺少適用于所有審美要素的計算公式體系或算法模型庫，因此僅對與示波器界面風格具有強相關的面積和位置兩種審美要素進行了美度評估。進一步的研究將完善和擴展實體界面美度評估的審美要素和指標體系，包括建構面向界面元素形狀特征或色彩特征的美度計算公式，以及整合多種審美要素下的評估指標進行量化研究，從而更全面地反映用戶對界面美度的審美經驗?？紤]到“美有千姿百態(tài)，且各有千秋”的實際情況，對相關風格特征下美度指標的適度范圍進行研究也應成為未來工作的重點。

[1] 羅仕鑒, 朱上上. 服務設計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011. LUO Shi-jian, ZHU Shang-shang. Service Design[M]. Beijing: China Machine Press, 2011.

[2] 米海鵬, 王濛, 盧秋宇, 等. 實物用戶界面: 起源、發(fā)展與研究趨勢[J].中國科學: 信息科學, 2018, 48(4): 390-405.MI Hai-peng, WANG Meng, LU Qiu-yu, et al. Tangible User Interface: Origins, Development, and Future Trends[J]. Scientia Sinica (Informationis), 2018, 48(4): 390-405.

[3] 呂健, 孫瑋伯, 潘偉杰, 等. 基于認知特性的信息界面布局美度評價[J]. 包裝工程, 2019, 40(18): 220-226. LYU Jian, SUN Wei-bo, PAN Wei-jie, et al. Evaluation of Information Interface Layout Beauty Based on Cognitive Characteristics[J]. Packaging Engineering, 2019, 40(18): 220-226.

[4] 趙欣, 丁怡, 侯文軍, 等. 復雜信息系統(tǒng)界面可用性指標體系研究[J]. 圖學學報, 2018, 39(4): 716-722. ZHAO Xin, DING Yi, HOU Wen-jun, et al. On the Usability Evaluation Index System of Complex Information System Interface[J]. Journal of Graphics, 2018, 39(4): 716-722.

[5] KAI-CHRISTOPH H, HüLSMANN J, KAI K. The Interplay Between Usability and Aesthetics: More Evidence for the "What is Usable is Beautiful" Notion[J]. Advances in Human-Computer Interaction, 2014, 2014: 1-13.

[6] SONDEREGGER A, SAUER J. The Influence of Design Aesthetics in Usability Testing: Effects on User Performance and Perceived Usability[J]. Applied Ergonomics, 2010, 41(3):403-410.

[7] 張書濤, 蘇鵬飛, 楊文瑾, 等. 基于熵理論的產品美度綜合評價方法[J]. 包裝工程, 2021, 42(8): 79-87. ZHANG Shu-tao, SU Peng-fei, YANG Wen-jin, et al. Integrated Evaluation Method of Product Aesthetic Based on Entropy Theory[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(8): 79-87.

[8] FISHWICK P, DIEHL S, PROPHET J, et al. Perspectives on Aesthetic Computing[J]. Leonardo, 2005, 38(2): 133- 141.

[9] MAITY R, BHATTACHARYA S. Is My Interface Beautiful?: A Computational Model-based Approach[J]. IEEE Transactions on Computational Social Systems, 2019, 6(1): 149-161.

[10] 儲程, 董占勛. 基于馬田系統(tǒng)的人機界面審美偏好智能定位方法[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2020, 26(10): 2642-2649. CHU Cheng, DONG Zhan-xun. Intelligent Positioning Method for Aesthetic Preference of User Interface Based on Mahalanobis-Taguchi System[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2020, 26(10): 2642-2649.

[11] MAITY R, MADROSIYA A, BHATTACHARYA S. A Computational Model to Predict Aesthetic Quality of Text Elements of GUI[J]. Procedia Computer Science, 2016, 84: 152-159.

[12] CHETTAOUI N, BOUHLEL M S. I2Evaluator: an Aesthetic Metric-tool for Evaluating the Usability of Adaptive User Interfaces[C]// International Conference on Advanced Intelligent Systems and Informatics. Cham: Springer, 2017: 374-383.

[13] BO Y, YU J, ZHANG K. Computational Aesthetics and Applications[J]. Visual Computing for Industry, Biomedicine, and Art, 2018, 1(1): 1-19.

[14] NGO, D C L, TEO L S, BYRNE J G. Modelling Interface Aesthetics[J]. Information Sciences, 2003, 52: 25-46.

[15] 周蕾, 薛澄岐, 湯文成, 等. 界面元素布局設計的美度評價方法[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報, 2013, 25(05): 758-766. ZHOU Lei, XUE Cheng-qi, TANG Wen-cheng et al. Aesthetic Evaluation Method of Interface Elements Layout Design[J]. Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics, 2013, 25(5): 758-766.

[16] 周坤, 張曦, 肖定坤, 等. 基于深度學習的界面設計美學評價研究[J]. 包裝工程, 2020, 41(12): 207-215. ZHOU Kun, ZHANG Xi, XIAO Ding Kun, et al. Aesthetic Evaluation of Interface Design Based on Deep Learning[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(12): 207- 215.

[17] 周愛民, 周彩霞, 歐陽晉焱, 等. 基于指標適度標準化的界面風格美綜合評價模型[J]. 浙江大學學報(工學版), 2020, 54(12): 2273-2285. ZHOU Ai-min, ZHOU Cai-xia, OUYANG Jin-yan, et al. Model of Synthetic Evaluation on Interface Stylistic Beauty Based on Moderately Standardized of Index[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2020, 54(12): 2273-2285.

[18] CHEN C H, CHIANG S Y. The Effects of Panel Arrangement on Search Performance[J]. Displays, 2011, 32(5): 254-260.

[19] 周愛民, 蘇建寧, 閻樹田, 等. 產品形態(tài)審美綜合評價的非線性信息動力學模型[J]. 機械工程學報, 2018, 54(15): 150-159.

[20] 田琦, 呂淑然. 基于照明及眼動實驗的冰箱操作界面優(yōu)化設計[J]. 包裝工程, 2021, 42(24): 230-236. TIAN Qi, LYU Shu-ran. Optimal Design of Refrigerator Operation Interface Based on Lighting and Eye Move-ment Experiments[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(24): 230-236.

[21] XIAO L, WANG S. Mobile Marketing Interface Layout Attributes That Affect User Aesthetic Preference: An Eye-Tracking Study[J]. Asia Pacific Journal of Marke-ting and Logistics, 2022.

[22] CHENG S, WEI Q. Design Preferred Aesthetic User Interface with Eye Movement and Electroencephalo-graphy Data[C]// Proceedings of the 2018 ACM Companion International Conference on Interactive Surfaces and Spaces. 2018: 39-45.

[23] CELIKORS E, SIMS C R. The Relationship Between Aesthetic Choices, Ratings, And Eye-Movements[C]// International Conference on Applied Human Factors and Ergonomics. Cham: Springer, 2018: 75-82.

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)

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.

physical interface; aesthetics evaluation; computational aesthetics; factor analysis; eye-tracking

TB472

A

1001-3563(2023)14-0041-11

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.14.004

2023–02–15

教育部人文社會科學研究規(guī)劃基金（18YJAZH048）

李曉英（1973—），女，教授，碩士。主要研究方向為智能設計和人機交互。

程帥（1992—），男，碩士生，主攻計算化設計。

責任編輯：陳作