随着生活水平的不断提高，家具设计的关注点 开始从功能转向用户的身心体验。虚拟现实（VR） 作为使家具设计三维立体化的平台，大大提升和丰 富了用户对家具设计的了解。
眼动追踪技术可以科学地衡量人类的视觉行 为，客观地反映用户的体验。将VR技术与眼动追踪 技术结合应用，有利于低成本、高效率、高真实度 的家具设计评估,对拓宽与发展以用户体验为中心 的家具设计研究意义重大。
收稿日期：201&07-09；修改日期：2019-02-21
作者简介:：吕文蕾（1994—）,女，北京林业大学硕士研究生 责任作者：耿晓杰，.女”北京林业大学副教授。
・36・
1虚拟现实技术的特点及应用
VR技术具有沉浸性、交互性及想象性三大优 势，早在1995年⑴开始作为现实生活情境替代方案, 随着相关技术设备的不断发展，被广泛用于多类产 品的设计、研发、模拟与评估3】。
在家居设计方面，VR技术多用作设计与展示 设计的工具。如"宜家VR experience "虚拟现实应 用，客户通过VR设备打造真实的家庭环境，从而选 择满足自身需求的产品；索菲亚、欧派、百强等家 具公司也纷纷在销售中引入VR实景观摩项目，不但 节约部分样板房搭建成本，同时提升了对客户的吸 引力。
此外，研究发现，利用VR沉浸式体验，可以尽 可能消除实验室环境等外部因素对体验者判断的影 响，在进行设计评价时，其可靠性优于2D平面展现 设计的方式。同时在虚拟空间内部可进行视野范围 等变量的控制，降低现实世界的内部多余变量的干 扰®6,提高研究的信度。
VR在技术和经济层面虽具有独特的优势，但在 设计领域以其为平台的实验，往往只与问卷搭配使 用，进行主观测评，缺乏相关生理数据的采集，主 观与客观的结合分析与相互印证方面存在不足。
2眼动技术的特点及应用
眼动行为是人的注意力和内心活动的生理表 现，是基本上无意识的行为，可以反映人的潜意识。 该技术在用户体验和设计评价方面的应用具有可靠 性与优越性。眼动技术在产品设计领域研究中，一 类是以印刷品或电子媒体为载的平面信息（如图 片）的关注调查；另一类则是在真实空间中，进行 眼动行为的采集与分析。
由于基于平面信息的眼动实验成本较低、实验 环境和材料的可控性强、且可使用非侵入式的桌面 式眼动设备（图la）进行实验，因此被广泛用于研 究用户对造型、材料、颜色等设计特征的视觉偏好 和感受，以及反向考察影响用户视觉体验的设计因 素。如，在家具设计方面，利用南官帽椅样本图片 （图2）,研究其造型特征与用户喜好度、认知评价 之间的关系⑺；另外也可采集用户对不同材质衣柜门 板的眼动数据，分析用户对衣柜的审美偏好规律同。
现实中进行的眼动实验则更具真实性与实际 性。头戴式眼动仪（图lb）允许体验者在环境中自 由移动并观察物体，同时采集其眼动数据。此类实 验多用于产品营销、零售业中的购物行为研究92], 也常与操作任务或搜索任务相结合，通过分析用户 的眼动特征、视线分配和操作或搜索绩效，验证设 计的可用性，常用于公共空间导航标识设计卩"21。
虽然眼动技术在评估设计与考察用户体验方 面，具有广泛性和先进性，但传统的眼动实验方法 在设计领域的应用存在局限性。
1） 桌面式眼动仪的实验，需对以平面形式展示 的设计对象进行缩放处理，以适应显示需求，且体 验者只能通过有限的视角观察设计对象，可能会使 体验失真，造成实验误差2〕。
2） 头戴式眼动仪在现实背景下进行实验，多会 涉及到真实对象、场景的制作或借用，成本较高， 干扰因素（如照明、噪音等）也影响实验的客观性。 另外，现场采集的眼动视频,工作人员在分析数据 时需依次逐帧观看，以匹配和注释相应的兴趣区， 工作量繁重问。
3虚拟现实技术结合眼动追踪技术
3.1虚拟现实结合眼动追踪技术的实现方式
目前，VR场景中的眼动追踪，己在认知、医学、 用户体验、人员培训以及设计等领域应用，且潜力 无限23, 14一 17],根据VR环境形式的不同，其实现方 式主要分为两种：
1）基于洞穴式立体投影虚拟环境（CAVE）：通 过在房间大小立方体的三至六面墙上进行3D投影， 多通道融合形成环绕式虚拟环境（图3左）。用户将 佩戴具有移动眼动追踪功能的立体眼镜设备，来感 知3D投影图形并提供眼动数据。用户可以在虚拟模 型中随意移动（图3右），其注视点图将在回放实验
记录时覆盖于3D场景中，用于后续分析（图4）。
图3体验者位于CAVE虚拟环境中问
Fig3 Aparticipant inside CAVE
・37・
该方法可为用户提供一种具有高水平现实感的 体验,视野和行动基本不受限，大大降低视觉扭曲 的问题，但实验场所搭建的成本较高。
2）基于头盔式虚拟环境：通过头盔式显示器 （HMD）展现的虚拟环境（图5左）。
在HMD内部设置有相机，直接或通过反射红外 光透射可见光的热镜拍摄眼睛实现实时眼动追 踪，拍摄画面将同步传输至电脑上显示,用以计算 瞳孔直径等眼动特征该设备具有轻便、高分辨 率、高精度和低成本等特点，但侵入式的佩戴方式 可能会限制用户的自由和自然感。
与该类型的VR设备相匹配的眼动追踪模块形 式有两类，其中多为内置式。①与VR头盔一体集 成化，如日本的fove虚拟现实头盔自带眼动追踪功 能；②可拆卸式的眼动追踪配件，如我国某公可研 发的aSee Pro VR可拆卸方案（图5右），可与HTC vive头盔相结合，实现眼动控制及眼动数据的记录、 输岀。该方法的实验材料基于Unity3D、Unreal等主 流仿真设计软件，相关资源丰富，真实性和交互性 便于把控与实现,易于设计类学科的研究人员掌握; 另外,对实验场地的要求低，操作简便。
图5 HMD眼动实验环境旳及设备
Fig.5 Eye tracking HMD 过校准，才能在后续实验中实现凝视与物体之间的 映射。而校准期间所处的照明环境和头部稳定度， 会直接影响校准精度和后续记录数据的质量。HMD 可以完全控制外部照明和用户的头部位置，使眼动 追踪具有更高的精度和质量［呵。
3） 兼具平面与真实世界眼动实验方法的优点。 VR环境保留了自然视觉中固有的立体深度线索，其 中的视觉刺激和相关听觉输入的同时作用，使得所 代表场景较平面式更具沉浸感和生态有效性，成 本更低且可控㈤］。
另外,与真实世界不同的是，各原始眼动数据 可以通过算法与兴趣区自动匹配，不再受实验环境 和人工的影响，数据的可靠性大幅提升，整理数据 集的工作量也显著减少2］。
4） 不再受研究对象的局限。眼动实验采用不同 的桌面式或头戴式眼动设备，能够满足多种需求。
5） 可实现在实验室中客观地评估和分析大型特 定场景中无实物或需要交互的产品设计。在VR中基 于用户体验的设计评价与研究，将获得重要的视觉 生理方面的数据，把相关的人引入认知深层次中。
4虚拟现实结合眼动技术在家具设计中的应用
4.1在家具夕卜观设计研究中的应用
家具外观设计的感知主要包括视觉与触觉。目 前，在视觉方面多使用不同的家具图片（仅呈现家 具）为^•料，通过评估设计和分析用户体验为外观 设计提供指导,其结果往往偏重理论而忽略实际; 而专门针对触觉方面的家具外观设计研究则较少。
VR结合眼动技术作为解决上述问题的方法，应 用于家具外观设计研究中,可带来诸多便利:
D VR技术使家具模型（图6）逼真、全方位、 等比例的展现在用户眼前，使其眼动行为和视觉体 验尽可能地接近现实,获得更可靠的眼动数据和用 户反馈，提升实验结果的实践性与应用价值。
3.2虚拟现实结合眼动技术的优势
虚拟现实结合眼动技术的优势，具体表现：
1） 优化用户体验。眼动追踪技术对注视点的局 部渲染，能够提升虚拟现实的沉浸感和视觉传感深 度，使VR界面更加真实自然
2） 提髙眼动追踪的精度和质量。眼动仪只有通
2）VR使家具与使用场景一同呈现，结合眼动 技术以家具和情景为变量，考察二者间的相互作用 及其对用户的影响。这将家具外观设计研究提升到 更为宏观的层面上，平衡现有实验中家具单一呈现 或二维场景呈现所带来的理论与实际偏差。
还可以在虚拟现实中，通过连接力触觉设备， 表达场景中的材质触感（如纹理，阻挡感等）[21], 该技术将实现仿真家具的四维感知、无实物的家具 材料触觉研究，也可用于用户在评价家具外观时， 视觉和触觉行为间关系的综合研究。
4.2在家具装配设计研究中的应用
利用VR联合眼动技术，可以实现家具的虚拟装 配与眼动行为的同步追踪,主要应用：
D家具装配设计的生产研究。考察技术人员装 配操作时的信息加工处理过程和特点，检验装配设 计和流程的科学性，为研发经济、高效的装配设计 提供指导，尤其针对无法大规模组装的传统家具。
2） 家具装配设计的用户体验研究。设置实验让 用户学习或参照产品指引安装手册，进行可拆装家 具的虚拟装配，通过分析用户学习与装配任务时的 眼动行为和操作绩效，研究其认知过程及与装配效 率之间的关系，检验家具装配说明和家具装配设计 的可用性，为优化相关设计及制定方便用户装配方 案，提供科学指导。
3） 家具装配设计的教学应用研究。为相关专业 学生提供手动拆分与装配家具的机会，帮助其熟悉 家具结构，以优化教学方案。
在实际应用方面，能够帮助设计者开发岀顺应 用户和生产需求的家具装配方案，同时缩减家具产 品的设计周期和成本。
4.3在家具展示设计研究中的应用
家具展示设计主要涉及展示场馆设计与家具展 位设计，目前的展示设计方式多以设计师单边设计 为主，缺乏对用户体验的考察与把控，难以保证设 计方案的实施效果。VR联合眼动技术可以实现家具 展示环境的等比仿真模拟，并以观展者为中心，对 家具展示进行设计：
1）对家具展示场馆，采集用户在虚拟空间中漫 游时的眼动数据,考察展示空间标识设计（如家具 品牌标志）的可用性和吸引力，探究最有效的信息 表达方式。结合家具展位的搜寻任务，进行展位分 布设计和动线设计研究。
2）对家具展位，通过眼动行为分析用户在虚拟 展位空间的注意力分布，研究展位环境（如色彩、 布局）与家具展品的交互作用，对体验的影响机制, 探究最为吸引眼球的展示方式。
除此之外，随着大面积家具展示成本的逐年增 高，虚拟家具展示方式将成为主流㈡3],该技术能 够用于评估虚拟展示的效用，也为这一新兴展示方 式的应用打下基础。
4.4在古家具研究中的应用
传统古家具作为历史与文化的传承，是了解古 代家具制造技法和工艺的重要材料，但针对古家具 结构和细节的研究往往受到诸多限制。利用逆向工 程技术，使用点云数据采集的方法对古家具进行扫 描分析以及构建与修复，可以得到古家具的三维数 字模型㈣，导入VR环境中与眼动技术相结合：
1）能够利用VR手柄或眼动控制,实现拆分、 拼装、旋转、缩放等交互操作，方便研究人员和用 户更深层次的理解古家具的结构与外观（图7）。
2）同步采集眼动信息，将受到青睐的古家具形 态或结构用于新家具的设计开发，从传统美学与技 艺中吸收精华，为新家具创新设计提供养分。
4.5在家具设计研究中应用条件的分析
VR结合眼动技术作为一项高新技术,用于家具 设计研究中时，在实验与技术方面有相应的问题与 条件，需要加以注意和解决，才能保证应用效果：
1） VR环境的质量。VR系统需要呈现高水准的 真实性和交互设置，否则用户将很难感受到介入感 与虚拟现实的优势「旳。
首先，在家具纹理贴图、造型、接缝等方面力 求仿真精准；同时使用模型精简技术，尤其对一些 庞大的场景，避免岀现画面抖动、波纹、延时等问 题而影响VR效果;需要使用较为专业的渲染引擎， 以获取逼真自然的光影效果。
其次，3D交互与眼动追踪，需要编程工作。需 要家具专家与精通VR技术的计算机领域学者跨学 科合作，以保证建模、交互与眼动追踪功能的质量。 虽然实验的工作量较大，但创建的模型和代码可高 度重复使用，支持实验设置的再现性。
2） 眼动追踪系统的准确性。①详细了解设备 参数，选用准度高于桌面式眼动系统的专业级虚拟 现实眼动仪；②实验误差会影响眼动数据的准确 度。首先，眼动仪与眼睛的相对位移（体验者的无 意识调整和设备的滑动）会影响计算得到的注视点 相对位置，需要实施滑动检测和误差补偿以保证信 度〔闯；其次，基于HMD实验时，体验者不宜化妆、 佩戴隐形眼镜等。
3） 硬件设备，保证画面真实、流畅、自然，同 时保证实现眼动功能和实时记录保存数据。因此配 备在符合相应外接设备（HDM头盔、眼动仪）要求 的基础上，尽量使用较高配置的相关设备（如电脑）。
5结语
基于VR眼动技术的实验作为传统眼动与VR实 验的结合与延伸，能够促进“以人为本”的家具设 计研究的发展和深入，具有良好的应用前景。
将VR结合眼动技术用于家具设计研究中，可以 帮助设计者更好的了解用户需求，对家具的情感化 及人性化设计，具有重要的指导作用，也可将该技 术与其他生理检测设备（如肌电、皮电、脑电等） 一同使用，进行更全面的科学研究。
参考文献：
[1] Durlach N, Mavor A. Virtual reality: Scientific and technological challenges[C]. Washington: National Academy Press, 1995.
[2] Sotiris M, Loukas R, George P, et al. Semantic-based taxonomy for immersive product design using VR techniques [J]. CIRP Annals Manufacturing Technology, 2012, 61: 147-150.
[3] 姚雄华，李磊，张杰.虚拟现实技术在飞机设计中的应用[J].航空制 造技术,2013(3): 67-70.
[4] Kunwoo P, Jaekyu P, Sungmin K, et al. Affective evaluation of interior design of commercial cars using 3D images [J]. Journal of the Ergonomics Society of Korea, 2014, 33(6): 516-532.
[5] Francisco R , Paulo N. Using virtual reality to assess user experience]J]. Human Factors, 2012, 54(6): 964-982.
[6] Helmut S F, Volker S, Stefan S. Evaluation of indoor guidance systems using eye tracking in an immersive virtual environment]J]. Spatial Cognition& Computation, 2017(1-2): 163-183.
[7] 刘云，李悅慈，申黎明.基于眼动追踪的南官帽椅造型特征认知分析 [J].中南林业科技大学学报,2017,37(12): 146-152.
[8] 刘明辉，孙德林，陈新义.基于眼动分析的不同衣柜门板材质审美偏 爱研究[J].林产工业,2015,42(5): 27-30.
[9] Erik Wastlund, Tobias Otterbring, Anders Gustafsson, et al. Heuristics and resource depletion: eye-tracking customers' in situ gaze behavior in the field[J]. Journal of Business Research, 2015, 68(1): 95-101.
[10] Tobias O, Erik W Anders G. Eye tracking customers' visual attention in the wild: Dynamic gaze behavior mode rates the effect of store familiarity on navigational fluency [J]. Journal of Retailing and Consumer Services, 2016, 28:165-170.
[11] 晋良海，闵露，陈述，等.公共空间导视系统的空间视域模型及其眼 动验证[J].工程研究,2017, 9(5): 430-438.
[12] Nicole E, David P, Peter H. Language-driven anticipatory eye movements in virtual reality [J]. Behavior Research Methods, 2018, 50(3): 1102- 1115.
[13] Martin M, Jella P, Thies P, et al. Combining virtual reality and mobile eye tracking to provide a naturalistic experimental environment for shopper research [J/OL]. Journal of Business Research [2017-09-24],
[14] Pettersson J, Albo A, Eriksson J. Cognitive ability evaluation using virtual reality and eye tracking[C]. Ottawa: IEEE International Conference on Computational Intelligence and Virtual Environments for Measurement Systems and Applications (CIVEMSA), 2018: 1-6.
[15] Alexander S, Andreas B, Kai K, et al. Forced-choice decis ion-making in modified trolley dilemma situations: a virtual reality and eye tracking study [J]. Frontiers in Behavioral Neuroscience, 2014(8): 1-16.
[16] Otto H 1, Charlotte B, Luara F d S, et al. Application of head-mounted devices with eye-tracking in virtual reality therapy [J]. Current Directions in Biomedical Engineering, 2017, 3(1): 53-56.
[17] Andrew T D, Vinay S, Tim R, et al. Binocular eye tracking in virtual reality for inspection training[C]. Florida: ETRA Proceedings of the 2000 Symposium on Eye Tracking Research & Applications, 2001: 89-96.
[18] Swirski L, Dodgson N. A fully-automatic, temporal approach to single camera, glint-free 3D eye model fitting [C]. Lund： the 17th European Conference on Eye Movements, 2013:1-10.
[19] 熊小峰.面向虚拟现实头盔的眼动跟踪系统研究[D].成都：电子科 技大学,2017.
[20] Loomis J M, Blascovich J J, Beall A C. Immersive virtual environment technology as a basic research tool in psychology]〕]. Behavior Research Methods, Instruments & Computers, 1999, 31(4): 557-564.
[21] 田磊.基于图像的多模式力触觉表达与再现方法研究[D].南京：东 南大学,2017.
[22] So-Yeon 工 Hyunjoo O, Ji Y C. Understanding furniture design choices using a 3D virtual showroom[J]. Journal of Interior Design, 2010, 35(3): 33-50.
[23] 马璇宇.基于用户体验的家具虚拟展示设计研究[D].南京：南京林 业大学,2017.
[24] 薛婷，朱剑刚，黄琼涛.基于virtools的家具虚拟展示方法及其应用 研究[J].家具,2017,38(4):65-71.
[25] 杨道陵，邢明，毛红.广式古家具的Alias模型CNC验证及VR虚拟 现实应用研究[J].轻工科技,2016,32(12): 102-104.
[26] Brade J, Lorenz M, Busch M, et al. Being there again-presence in real and virtual environments and its relation to usability and user experience using a mobile navigation task[J]. International Journal of Human computer studies, 2017(101): 76-87.
(责任编辑孟凡丹、向琴)
教师用户
学生用户
企业用户
社会用户
VIP用户