眼动实验在乡土建筑遗产保护中的应用_李娜.pdf

低温建筑技术-建筑技术Dec.2022 No.294DOI：10.13905/ki.dwjz.2022.12.003眼动实验在乡土建筑遗产保护中的应用APPLICATIONS OF EYE TRACKING TECHNOLOGIES IN VERNACULAR ARCHITECTURALHERITAGE CONSERVATION李娜，张姗姗（哈尔滨工业大学建筑学院，寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室，哈尔滨 150006）LI Na,ZHANG Shanshan（School of Architecture,Harbin Institute of Technology;Key Laboratory of Cold Region Urban and Rural Human SettlementEnvironment Science and Technology,Ministry of Industry and Information Technology,Harbin 150006,China）【摘要】乡土建筑受到城镇化的影响逐渐失去了原有特色，眼动追踪技术对延续乡土建筑美学特征提供了新的办法。为了解眼动实验在建筑和乡村领域中的应用，文中利用CiteSpace进行知识图谱分析和文献综述，研究发现其可以用于评估乡土建筑视觉质量，识别建筑特色要素，制定保护更新策略。【关键词】眼动实验；乡土建筑遗产；知识图谱；应用研究【中图分类号】TU984.12【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2022）12-0010-05Abstract：Vernacular architecture is gradually losing its original characters due to the effects of urbanization,andeye tracking technologies provide a new way to preserve the aesthetic characteristics of vernacular architecture.Tounderstand the application of eye trackers in the field of architecture and rural areas,this paper uses CiteSpace toconduct knowledge mapping analysis and literature review.It is found that the relevant research has not formed a system and needs further discussion.Key words：eye movement experiment;vernacular architectural heritage;knowledge map;application0引言受城镇化影响，许多乡土建筑遭到破坏，传统村落失去了其原有特色，变得“千村一面”。以往对乡土建筑特征的研究采用调研、类型学总结、主观评价等方式，存在主观性较强，忽略了人们感知等问题。而眼动追踪技术可以帮助建筑师、规划师等了解人们对乡土建筑的各要素关注情况及认知情况，从而提取建筑特色，延续乡土建筑遗产美学特征。国家越来越重视传统村落乡土建筑的保护，眼动追踪技术在建筑学领域的研究也逐渐增多，因此有必要了解眼动研究在乡土建筑保护中的研究现状和研究 热 点。因 此 文 中 利 用 科 学 文 献 可 视 化 软 件CiteSpace，从国内外研究现状、实验注意事项和应用场景等方面进行总结探讨。1眼动追踪技术在建筑领域中的应用眼动追踪技术在建筑领域中是一项相对较新的技术，其应用在乡土建筑遗产保护方面也是一种新的拓展，为传统的建筑遗产保护提供了新的思路和技术手段。文中利用CiteSpace可视化图谱分析工具，分别基于中国知网（CNKI）期刊数据库和 Web of Science（WOS）数据库作为文献来源进行文献分析。中国知网检索主题为：“眼动+建筑/遗产”、“眼动+乡村/村落/聚落/民居/地域建筑”；Web of Science 检索主题为“eye movement/eye tracking+architecture/building/heritage”、“eye movement/eye tracking+rural/village/countryside/country”。筛选后共得到中文文献40篇，英文文献50篇，作为研究的样本。通过对关键词共线网络进行聚类分析，中文和英文文献关键词图谱分别如图1、图3所示，分类结构时间视图分别如图2、图4所示。基金项目 中国博士后科学基金（第68批）面上资助“多源数据影响机制下东北严寒地区村镇风貌特色识别与参数化规划方法研究”（2020M681109）；黑龙江省哲学社科研究规划项目（青年项目）“中国东北传统渔猎民族声景文化基因系统性保护与传承”（21MZC211）图1中文文献关键词10由图1图4可见，眼动追踪技术已应用到了建筑领域的各类研究中，并且呈现研究方向逐年丰富的趋势。国内的研究对象主要集中在城市空间、城市特色、历史建筑、传统园林等方面，研究其感知、眼动模式、视觉评价等，并结合主观评价方法，如语义差异法、层次分析法、认知地图等进行更深入的研究。国外的眼动研究开展的比国内的要早，其研究对象包括开放式办公室、景观建筑、数字文化遗产、博物馆等，从视觉行为、空间认知、光环境、寻路等方面进行深入探讨。除此之外，部分文献也结合了脑电（EEG）进行情绪感知的研究。通过梳理后，文中对眼动追踪技术应用于建筑的视觉质量评价、寻路研究及个体特征对视觉感知的影响三方面的成果进行总结分析。1.1眼动实验与建筑视觉质量建筑影响人们的情感感知。对于建筑、遗产、城市规划和旅游业的所有利益相关者来说，了解建筑如何影响人们的感官是很重要的。眼动追踪技术在建筑视觉质量方面的研究较多，其中一部分的研究来自于旅游专业。部分研究对建筑构成要素进行研究，探究被试的视觉行为和视觉偏好，如路邵明等1，2探究了园林、地域建筑的特色；刘俊3关注乡村中公共空间的要素等。此外，也有部分研究者将眼动追踪技术与主观评价法（如美景度评价法4、语义差异法5-7，主成分分析法8、层次分析法9）相结合，更为深入的探究视觉和主观感受之间的关系。如郭素玲等在实验中加入美景度评价法（SBE）和语义差异法（SD），并构建了眼动指标下的景观视觉质量评价模型。李欣等9加入多维度评价指标和层次分析法计算综合视觉质量得分，检验主观评价和客观眼动数据之间的差异，从而对城市空间的视觉质量进行科学的评价。De la Fuente Suarez10利用有声思维协议（TAP）、视觉空间分区调查（VIZOS）、眼动追踪等方法发现被确定为高质量建筑范例的建筑元素，在行程中被参与者认为在美学上令人愉悦，被观察的时间更长。旅游相关专业的研究者，引入S-O-R理论模型，赵莹等11采用实地开展眼动实验的方式探究景观类型、色彩丰富程度以及新旧程度对被试感知产生影响；邓伟伟等12则探讨了摄影美学、环境美学、视觉感知和旅游目的地选择意向这些因素的关系模型。1.2眼动实验与寻路研究当前大部分寻路研究的对象为大型室内公共空间，如商场、机场、医院等。杨阳等13探究了人们在大型商业综合体室内公共空间寻路过程中，寻路标志物的视觉显著性水平。孙澄宇等14采用虚实结合的后评估方法（通过虚拟场景进行正式实验，眼动现场实验进行结果验证），探究机场寻路中存在的问题。齐奕等15通过眼动实验结合问卷和认知地图的方式了解人们在大型综合医院门诊部公共空间的寻路方式。1.3个体特征对视觉感知差异的影响个体特征包括性别、专业等，探究个体特征的差异可以了解不同人群对同一建筑空间的看法，从而更为深入的制定设计策略，或制定未来的建筑教育方针。陆润豪等16从可能性和可行性两方面介绍和论述了眼动技术在个体认知能力差异研究中的应用。图2中文文献分类结构时间图3英文文献关键词图4英文文献分类结构时间11低温建筑技术-建筑技术Dec.2022 No.294郭湘闽等17研究了不同性别消费群体在商业综合体空间中的关注区域和频度。Marta Rusnak探究了专家是否能够准确判断不同颜色的标志物对遗产建筑视觉感知的影响。通过专家填写的调查问卷以及非专业人士进行眼球跟踪测试结果的对比，最终表明专家无法准确预测非专业人士的反应，证实了眼动仪在遗产管理中的必要性18。2眼动实验的注意事项科学合理的开展眼动实验，可以避免因实验错误造成的结果差异。文中对文献进行系统梳理，并结合实践经历从实验仪器选择、实验材料准备、被试人员、实验环境等方面进行探讨，以期为未来的眼动研究提供一些经验。2.1实验仪器选择眼动仪主要分为三类，穿戴式眼动仪见图5、屏幕式眼动仪见图6、虚拟现实眼动仪见图7。穿戴式眼动仪为真实环境而设计，允许被试自由移动，并与真实环境进行交互。屏幕式眼动仪拥有更高的采样率，适用于实验室环境的研究，其刺激材料可以为静态图片、动态视频或网页交互等。虚拟现实眼动仪可以在完全受控的实验设计环境中开展眼动研究。目前大部分研究均采用图片代替真实场景进行实验，但部分研究选择穿戴式眼动仪进行实验，这可能会因为采样率较低而造成实验数据的误差。在真实场景中利用穿戴式眼动仪进行实验，可能会因为室外较强的光线，或室内变化的光线造成数据的丢失。因此在进行真实场景的实验时要尽量避免受光线、声音等的影响。目前采用虚拟现实眼动仪进行实验的研究较少，随着元宇宙愿景的发展，其未来可能成为一种更受欢迎的仪器。2.2实验材料准备实验材料包括静态照片、动态视频、真实环境。其中静态照片是目前大部分研究中所采用的刺激形式。在拍摄过程中应控制好日照、光线、拍摄高度、拍摄仪器及与建筑的距离等。动态视频的场景包括真实环境或虚拟模型，其会产生大量的数据，提高了实验的难度。真实场景的实验可以更真实地反应人的视觉感知情况，但需要控制好其他物理环境，如声、光、热环境等。2.3被试人员几乎所有研究均表明不同群体的评判者在审美上没有显著性差异。专家和专业学生的辨别能力和一致性最好，其仍是参与景观评价的优质人群，但也应考虑公众的评判。根据相关的眼动追踪研究，大学生具有一定的审美判断能力，所以一般认为选择大学生进行眼动实验具有可行性和代表性。目前大部分实验人数在30名左右，但如果需进行不同群体的对比，则每个群体的人数宜有 30 名左右。可以利用G*Power软件进行计算，根据不同的数据分析方法设定不同的参数，从而得到更为合理科学的被试人数。2.4实验环境实验环境应选择安静、无光线变化的空间进行。光线变化会影响眼动仪采样率，故应选择无室外光的实验室，或拉上实验室的窗帘。同时应保证室内照明环境一致，保证实验屏幕的位置一定。3应用场景乡土建筑是乡村最基本的细胞，是特色风貌的载体。对其进行保护需要注重遗产信息的各个部分，并建立科学的遗产保护机制19。将眼动追踪技术应用到乡土建筑遗产保护中，首先应评估建筑的视觉质量；其次识别建筑特色要素；最后制定乡土建筑遗产保护更新策略。3.1评估乡土建筑遗产视觉质量乡土建筑遗产类型多种多样，如民居、公共建筑、商业建筑等。由于使用和保护情况不同，其视觉质量高低也不同。利用眼动追踪技术与主观评价相结合（语义差异法、美景度评价法、层次分析法、主成分分析法）等，可以探究不同类型的乡土建筑遗产的视觉行为特征的差异及主观感受的差异，从而判断出乡村图5穿戴式图6屏幕式图7虚拟现实12视觉质量比较不同类型乡土建筑的视觉质量根据视觉质量高低针对视觉质量较低的建筑应进行改善针对视觉质量较高的建筑应进行保护制定建筑保护更新策略根据要素影响视觉感知情况制定建筑要素保护更新策略针对消极影响视觉感知的要素应进行改善针对积极影响视觉感知的要素应进行保护中对人们感知有积极及消极作用的建筑类型，从而对建筑进行修缮和更新。3.2识别乡土建筑遗产特色要素建筑视觉质量是从整体角度进行评价，而建筑构成要素中具体哪类要素影响人们感知需要进一步探讨。眼动仪可以记录针对不同兴趣区（Area of Interest，AOI）内的眼动数据，也可以生成视觉热力见图8、视觉轨迹见图9。其与有声思维协议（TAP）或主观评价相结合，可以了解哪些要素影响人们的视觉感受，并根据影响程度制定要素改善策略的先后级。如对主观感受影响程度较高的要素应优先予以改善，从而可以较大幅度地提高建筑视觉质量。3.3制定乡土建筑遗产保护更新策略结合以上两种应用场景，可以制定乡村中乡土建筑遗产保护和改善策略的先后顺序。由于资金、人员等问题，无法对存在问题的乡土建筑遗产全部进行更新，因此制定保护和改善的先后顺序可以较好地利用资源，从而大幅度提高乡村整体视觉质量。而具体建筑要从哪些要素开始修缮，也可制定先后顺序见图10。图10根据眼动实验结果制定乡土建筑保护更新策略4结语文中利用CiteSpace对国内外近几年的建筑学领域的眼动研究进行文献计量和可视化分析，从研究现状，眼动实验开展要求进行研究，并总结其应用场景，得出以下结论：（1）从研究现状来看，虽然眼动追踪技术已经在建筑领域有一定的应用，但还没有形成系统的知识图谱，各方向的研究还不够紧密。其应用于乡土建筑遗产保护方面也有一定的提升空间。（2）从应用场景来看，眼动追踪技术可以用于评估乡土建筑视觉质量，识别乡土建筑特色要素，制定乡土建筑保护更新策略等。目前眼动追踪技术在乡土建筑保护方面的应用主要是分析其现状，缺少更为深入的研究。未来其可与其他生理传感技术（如皮电反应、心率变化、脑电指标）相结合，从认知层面探究人们对乡土建筑遗产的理解。在元宇宙的愿景下，可以引入虚拟现实、增强现实等技术，加入乡土遗产互动方式，如进行乡土建筑遗产的构件搭配、色彩选择、场景游览等，构建乡土建筑遗产体验数字博物馆，从而促进乡土建筑的保护与传播。通过眼动追踪技术可以了解人们浏览“数字博物馆”页面的情况，从而完善网页设计，提升用户体验。相信随着越来越多深入的研究可以促进乡土建筑遗产的保护与发展。参考文献1 陆邵明.眼动追踪视野下上海古典园林文化基因的刻画 J.同济大学学报（社会科学版），2020，31（6）：93-102.2 陆邵明.基于视觉认知的地域建筑特征语言识别与评价-以怒江地区少数民族住屋为例 J.新建筑，2021（1）：110-115.3 刘俊.徽州传统村落公共空间视觉行为特征与空间要素研究-以屏山村为例 J.城市建筑，2019，16（5）：100-101.4 郭素玲，赵宁曦，张建新，等.基于眼动的景观视觉质量评价-以大学生对宏村旅游景观图片的眼动实验为例 J.资源科图9视觉轨迹图8视觉热力13低温建筑技术-建筑技术Dec.2022 No.294学，2017，39（6）：1137-1147.5 罗映舜，沈守云，詹文.基于SD与眼动分析的张谷英村文化景观体验评价研究 J.中国园林，2022，38（5）：98-103.6 李渊，黄竞雄，梁嘉祺，等.文化遗产地商业街道空间视觉吸引力及其感知的影响因素研究-以鼓浪屿龙头路为例 J.西部人居环境学刊，2022，37（2）：114-121.7 LI Z,SUN X,ZHAO S,et al.Integrating Eye-movement analysisand the semantic differential method to analyze the visual effectof a traditional commercial block in Hefei,China J.Frontiers ofarchitectural research,2021,10(2):317-331.8 杨阳，唐晓岚.南京市紫金山国家森林公园风景林景观的视觉质量评价及因子分析 J.中国园林，2020，36（6）：135-140.9 李欣，李渊，任亚鹏，等.融合主观评价与眼动分析的城市空间视觉质量研究 J.建筑学报，2020：190-196.10DE LA FUENTE SUAREZ L A.Subjective Experience and VisualAttention to a Historic Building:A Real-World Eye-TrackingStudy J.Frontiers of architectural research,2020,9(4):774-804.11赵莹，林家惠，刘逸.基于眼动实验的旅游地景观视觉评价研究-以珠海市唐家古镇为例 J.人文地理，2020，35（5）：130-140.12邓伟伟，林迎星.旅游者视觉感知对目的地选择意向的影响-基于视觉吸引力与审美情绪视角分析 J.企业经济，2021，40（10）：151-160.13孙澄，杨阳.基于眼动追踪的寻路标志物视觉显著性研究-以哈尔滨凯德广场购物中心为例 J.建筑学报，2019（2）：18-23.14孙澄宇，李舒阳，胡伟林.航站楼开航后的旅客寻路效率评估方法-以上海浦东国际机场卫星厅为例 J.建筑学报，2021：169-174.15齐奕，张岩桥，周琼，等.基于眼动追踪的大型综合医院门诊部公共空间寻路与优化研究 J.当代建筑，2021（10）：118-122.16陆润豪，张兴利，施建农.眼动技术在个体认知能力差异研究中的应用 J.心理科学，2021，44（3）：552-558.17郭湘闽，吴小童，卢添添，等.性别差异与关注偏好-基于虚拟眼动感知检测的商业综合体空间使用分析 J.建筑学报，2021：112-118.18 RUSNAK M.Applicability of eye trackers in marketing activitiesrelated to historical monuments.Comparison of expertspredictions and visual reactions of non-Professionals J.Journal of cultural heritage,2021,49:152-163.19单霁翔.乡土建筑遗产保护理念与方法研究（下）J.城市规划，2009（1）：57-66.收稿日期2022-9-26作者简介李娜（1996），女，沈阳人，硕士研究生，研究方向：传统村落建筑风貌保护。通信作者张姗姗（1959），女，哈尔滨人，教授，研究方向：医疗建筑、教育建筑、高层建筑。5 周怀宇，刘海龙.人工智能辅助设计：基于深度学习的风景园林平面识别与渲染 J.中国园林，2021，37（1）：56-61.6 LIU Y,FANG C,YANG Z,et al.Exploration on Machine Learning Layout Generation of Chinese Private Garden in SouthernYangtze C/The international conference on computational design and robotic fabrication.springer,singapore,2021:35-44.7 HUANG W,ZHENG H.Architectural drawings recognition andgeneration through machine learningC/Proceedings of the38th annual conference of the association for computer aided design in architecture,mexico city,mexico,2018:156-165.8 LI Y,XU W.Using CycleGAN to Achieve the Sketch Recognition Process of Sketch-Based ModelingC/The internationalconference on computational design and robotic fabrication.springer,singapore,2021:26-34.9 ZHAO C W,YANG J,LI J.Generation of hospital emergency department layouts based on generative adversarial networksJ.Journal of building engineering,2021(43):102539.10ZHENG H,HUANG W X.Understanding and Visualizing Generative Adversarial Networks in Architectural DrawingsC/OL.(2018-5-17)2020-5-7.https:/ 卢迪.基于条件生成对抗网络的城市设计研究 J.杨阳，译.建筑学报，2018（9）：108.12孙澄，丛欣宇，韩昀松.基于CGAN的居住区强排方案生成设计方法 J.哈尔滨工业大学学报，2021，53（2）：111-121.收稿日期2022-10-11作者简介曲广滨（1976），男，哈尔滨人，副教授，硕士研究生导师，研究方向：风景园林设计及其理论、乡村景观评价与实践。通信作者薛博洋（1997），男，哈尔滨人，硕士研究生，研究方向：风景园林设计及其理论。（上接第9页）14