面向色覺障礙人群的交通信號燈無障礙設計研究

張宇

南京理工大學 江蘇 南京 210094

色覺障礙指的是一種不能正確識別一部分或全部顏色的疾病，又被稱為色覺辨認障礙。全世界大約5%的男性以及0.5%左右的女性受到其影響。癥狀中較為常見的是紅綠色辨認障礙，癥狀嚴重時的表現(xiàn)是色盲，對顏色辨識能力差則為色弱表現(xiàn)。當前，男性在色覺障礙患者中發(fā)生率4.71±0.074%、女性為0.67±0.036%[1]。

由于色覺障礙患者失去或缺少色彩辨識能力,致使這類人群的工作、生活等方面都有諸多不便。色覺障礙患者不適合從事有顏色準則的工作,比如:航空、航海、陸運、藝術(shù)、化學、醫(yī)藥等工作。需要辨別顏色的工作色覺障礙患者均不能勝任。據(jù)相關(guān)資料所示，紅色綠色盲患者不可以取得機動車駕駛的法律證件，然而并沒有對色弱患者加以明確要求[2]。另外，常有非法獲取機動車駕駛證件的現(xiàn)象出現(xiàn)在一些中小城市中[3]。保守估計，我國從事駕駛員工作的人數(shù)中約有1%的人數(shù)為色覺障礙患者，其中0.1%為紅綠色盲者。一些中小城市中色覺障礙患者和駕駛員人數(shù)略多。這一現(xiàn)象的存在對色覺障礙患者以及色覺正常人的交通出行都有著極大的安全隱患。

1 色覺障礙特征分析

色盲的癥狀是先天性色覺障礙，無法區(qū)分光譜中的單個或所有顏色。 色盲的癥狀可分為全色盲和部份色盲。最罕見和最嚴重的色覺障礙之一是全色盲。 無法識別紅顏色的癥狀也被稱為第一色盲，患者無法區(qū)分紅色，并且辨認不出紅色和深綠色，藍色和紫紅色以及紫色。 他們會將綠色識別為黃色，紫色識別為藍色，以及藍色和綠色合并看成白色。無法識別綠顏色的癥狀也稱為第二色盲，患者并不能區(qū)分出紫色和青色，淺綠色和深紅色，紫紅色和灰色，并將綠色識別為顏色較深的深灰色或黑色[4]。臨床醫(yī)學上把比較常見的紅色盲與綠色盲統(tǒng)稱為紅綠色盲。第三色盲則是比較少見的藍黃色盲，該癥狀患者對藍黃色辨識不準清，反而對紅、綠色不會混淆。色弱癥狀對色彩的識別能力比較弱。盡管顏色感覺較弱的患者可以看到與正常人相同的顏色，但他們的識別能力遲鈍和微弱。 當光線不足時，有些幾乎與色盲相同，或表現(xiàn)出色覺疲勞。 它與色盲之間的界限通常不容易嚴格區(qū)分[5]。

2 國內(nèi)外針對色覺障礙的相關(guān)研究

2.1 基本色與無障礙色彩研究

無障礙色彩設計是一種能被廣泛適用并對整個社會民眾進行服務的設計。在無障礙設計觀念中植入色彩設計，不僅能夠?qū)椭皆S多人的工作與生活，還能夠?qū)踩员M可能的各方面得到提高。Jamson和Hurvich等學者使用D15面板測試雙色視覺患者識別的顏色名稱。 測試表明，雙色視覺人群的色彩命名方法與正常三色視覺人群的色彩命名方法不同[6]。Paramei 等學者研究了單色激發(fā)波長在405～675nm范圍內(nèi)在405～675nm范圍內(nèi)使用的5種基本色（紅色，綠色，黃色，藍色和白色），發(fā)現(xiàn)必須同時依賴波長和強度[7]。Montag[8]和Uchikawa[9]等發(fā)現(xiàn)二色性視覺障礙者的顏色定義分類通常與正常人無異。

在對色覺障礙者進行分析和模擬的基礎上，朱建文研究了界面顏色選擇中的色覺障礙問題[10]。學者張旭芳分析并總結(jié)了視障人士的類別和顏色認知特征，并研究了基于無障礙色彩設計以構(gòu)建視覺信息的無障礙環(huán)境[11]。李霞、楊露等從提高色覺障礙患者互動使用效率的思路出發(fā)，從理論上探索了基于紅色覺障礙和綠色視覺障礙的認知和情感構(gòu)建無障礙互動設計色彩研究的方法[12-13]。

2.2 色覺障礙信號燈研究

目前，國內(nèi)外針對色覺障礙者的交通信號設計解決方案可分為三類：（1）標準化的信號燈布置和信號顯示方式，使色覺障礙者可以通過信號燈的位置來判斷信號[14]；（2）更改交通導向燈的形狀。 例如，在加拿大的某些地區(qū)，圓圈中的綠色信號燈保持不變，而平行四邊形是黃色信號燈，正方形附加在紅色信號源上。（3）更改原始信號燈的顏色，例如使用晶瑩的黃色代替原始黃色或在綠色燈上添加一些藍色[15]。美國較多的地區(qū)把桔色設定為 “ 停止或等待 ” 的指向燈顏色，表示 “ 通行 ” 的信號燈設置為淡藍色。第1種解決方案為美國交通控制設施設計手冊（Manual of Uniform Traffic Control Device, MUTCD）的標準，也是世界上絕大多數(shù)國家的交通信號設計標準。它具有簡單，易于使用和可行的優(yōu)點，但是有色覺障礙的人僅使用信號燈來確定信號的位置，這具有潛在的安全隱患。第2、3種方案則要對現(xiàn)有公共設備進行改良。其中，第2種解決方案將導致光輸出發(fā)生變化，影響觀看距離[14]。

3 目標群體調(diào)研分析

3.1 色覺障礙患者樣本比重分析

本項目通過線上和線下的形式發(fā)放制定的調(diào)查問卷，對色覺患者樣本進行篩選提取。本次問卷歷時六天共收回861份有效答卷，答題樣本分布國內(nèi)各個省市地區(qū)，保證了樣本的隨機性以及數(shù)據(jù)有效性，其中答卷時長僅有5個不符合問卷正?；卮饡r長。試卷填寫認真率近99%。

在調(diào)查問卷861個有效樣本中有41個樣本具有色盲癥狀，色盲率高達4.76%。在色盲癥狀測試圖中（如圖1所示），41個癥狀樣本中男性11個，占所有男性總?cè)藬?shù)的5.16%。有癥狀的20位女性樣本占被測女性總數(shù)的4.2%。861個樣本中26個樣本具有色弱提示，色弱率高達3.01%。色弱測試圖中（如圖2所示），共有26個癥狀樣本男性18個占男性樣本總?cè)藬?shù)的5.64%女性8個占女性人數(shù)的1.68%。問卷調(diào)查中861個樣本有186個樣本曾經(jīng)出現(xiàn)過輕微此類癥狀，其中67個樣本具有真實的色覺障礙特征，男性患者所占比例大于女性患者。問卷結(jié)果推導與文獻調(diào)研中的比重相吻合。

圖1.色盲測試圖 （來源：彩虹橋色覺網(wǎng)）

圖2.色弱測試圖 （來源：彩虹橋色覺網(wǎng)）

樣本測試中的結(jié)果可側(cè)面反映出色覺障礙人群的社會存在率。并且在861份樣本中有96.67%的人士支持對色覺障礙人群的研究，為他們的生活帶來便利與自信，充分說明了色覺障礙群體是不會被遺忘和孤立的。

3.2 色覺障礙患者色彩需求比重分析

通過總結(jié)整理調(diào)查問卷的數(shù)據(jù)信息，獲取到67個有癥狀樣本中的39個樣本的真實聯(lián)系方式，結(jié)合正常樣本對該群體的有助建議展開用戶需求深入分析。

在色覺障礙患者身邊常常會有多種困擾，本項目重點針對39個色覺障礙樣本進行用戶電話訪談，從而獲得更加真實深層次需求。在用戶訪談中讓色覺障礙患者將自己傾向生活中需要設計改良的各個方面問題做出排序，樣本關(guān)注度最高的問題將是針對色覺障礙患者迫待解決的問題（如圖3所示）。其中關(guān)于交通方面的問題關(guān)注比重最大，其次是雜志封面、廣告設計、電視電影等工作影響。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示最多的是交通，該問題的存在也是最能對色覺障礙患者生命安全造成威脅的方面。

圖3.色覺障礙患者色彩需求比重圖

3.3 色覺障礙患者交通情境比重分析

通過用戶訪談過程得到了色覺障礙患者在生活中的需求比重（如圖4所示）。在色覺障礙患者的工作生活中對生命安全存在潛在危險的問題就是交通出行。現(xiàn)有交通出行方面存在眾多情景，本研究將色覺障礙患者在交通情境中可能存在的問題一一列出，再次通過訪談進行樣本主觀多選。有94.88%的人選擇交通信號燈，92.44%的人選擇火車站地標。77.32%選擇道路標志。公交站和地鐵導向信息燈的樣本選擇較少。可知交通信號燈的使用情境是色覺障礙患者在交通出行方面最危險的環(huán)節(jié)。

圖4.色覺障礙患者交通情境比重圖

3.4 設計目標確定

樣本訪談中得知以往在色覺障礙患者面臨以上情境時，絕大多數(shù)的樣本最常用的應對方法是詢問他人，其次時使用輔助工具，最少的是憑借自己的經(jīng)驗。

本研究在問題解決中設置了預想方案選項，樣本選擇中佩戴特殊設備占比最大，其次是增加形狀識別方案，在現(xiàn)有交通設備上進型改進比重略低于增加輔助形狀識別方案。充分考慮色覺障礙患者屬于特殊弱勢群體，不應為他們增加額外負擔，所以從預想解決方案中提取了增加形狀識別和在現(xiàn)有設備做改良為設計目標方向。

4 設計方案

基于前期用戶調(diào)研的色覺障礙患者真實需求分析進行方案探索。本項研究提出了對問題的兩種解決方案。形狀輔助信號燈方案以及基于RGB空間顏色分量的方向識別導向燈方案。

4.1 形狀輔助信號燈

在傳統(tǒng)交通信號燈的顏色識別基礎上，進項形狀改造設計，將紅色信號燈為方形，黃色信號燈為圓形，綠色信號燈為三角形（如圖5所示）。便于色覺障礙患者迅速捕捉到自身視覺能夠感知到的視覺符號。由于形狀的特殊性，會導致在不同的角度看到的形狀不同，容易造成形狀變形，為了防止這一問題將信號燈設計成立體形狀不在是平面化顏色加圖形。讓信號燈在任何角度觀看都是一種代表其顏色功能的形狀，避免因角度造成視覺錯位，此外在綠燈的設計上進行了獨特的調(diào)整，將綠燈按照媒體播放鍵的形式擺放，使用戶第一眼看到這個播放鍵符號亮起時就能識別是播放前進意思如。從而使色覺障礙患者更容易的識別交通信號，正常的顏色和特殊的形狀結(jié)合信號燈對正常行人也不會造成誤導，可起到兩種人群都等使用的效果。

圖5.形狀輔助信號燈效果圖

4.2 基于RGB空間顏色分量的方向識別導向燈方

由于色盲患者不同視錐細胞功能缺失,色盲又可分為紅色盲、紅色弱、綠色盲、綠色弱、藍色盲、藍色弱、全色盲等類型,我們所觀察到的都是RGB空間模型下的色彩，若要讓信號燈此刻的狀態(tài)能被紅綠色盲人觀察到，須將此刻信號燈的顏色轉(zhuǎn)換為紅綠色盲人能夠辨別的顏色。經(jīng)過多次試驗分析，紅綠色盲人能夠辨別的顏色為藍色和藍紫色。首先將紅燈、綠燈在RGB空間中的顏色分量直方圖提取出來，再根據(jù)顏色分量定義出紅燈和綠燈的取值范圍，最后將紅燈和綠燈在此范圍內(nèi)的所有像數(shù)點的顏色分別轉(zhuǎn)換為藍色和藍紫色。可將信號燈由紅色轉(zhuǎn)換為藍色、由綠色轉(zhuǎn)為藍紫色。

本研究以綠色盲癥狀為例進行分析。色譜在綠色盲患者眼中并沒有變化,但是橙色部分是光譜中最亮部位,約在波長500nm處為中心點?；疑退{色、淡黃色為全部光譜。

R1，G1，B2是正常人看到的顏色值，R2，G2，B2是綠色盲看到的顏色值。只有在當R、G、空間分量值相等時,即灰色的情況下才會出現(xiàn)綠色盲所見顏色與真實色彩相同,不發(fā)生變化的情況存在。

紅色：R1：255，G1：0，B1：0；綠色盲所見顏色為：R2∶161，G2∶104，B2∶0（如圖6所示）。

圖6.左為正常色，右為綠色盲辨識色

綠色：R1∶0，G1∶255，B1∶0；綠色盲所見顏色為：R2∶255，G2∶200，B2∶40（如圖7所示）。

圖7.左為正常色，右為綠色盲辨識色

藍色：R1：0，G1：0，B1∶255；綠色盲所見顏色為：R2∶0，G2∶83，B2∶254（如圖8所示）。

圖8.左為正常色，右為綠色盲辨識色

使用RGB空間中的色點將HSV空間中的顏色轉(zhuǎn)換為色覺障礙患者可以識別的顏色。將信號燈進行創(chuàng)新設計為四向?qū)驘?，改變傳統(tǒng)三色并排的紅綠燈的概念，用轉(zhuǎn)換完畢顏色的led燈作方向指引，箭頭朝向的位置為通行方向（如圖9所示）。極大的簡化了以顏色識別為主信號燈的識別程序，任何人都可以觀察到準確的通行方向，此方案是信號燈設計領(lǐng)域的一次創(chuàng)新嘗試。既能更好的為色覺障礙患者帶來幫助，也不會影響正常人的生活。

5 可行性模擬測試

本研究方案的真實體驗效果，進行了方案可行性測試。分別將方案1和方案2中的交通信號燈場景模型在 Rhino 3D軟件中搭建出來，將燈光，色彩，環(huán)境等加入到場景中去，模仿現(xiàn)實狀態(tài)中的交通場景。

圖9.RGB空間顏色分量的方向識別導向燈

圖10.形狀輔助信號燈場景

圖11.RGB空間顏色分量的方向識別導向燈場景

根據(jù)前期調(diào)研的樣本選出50位被試者，分為兩組。分別是25位帶有色覺障礙癥狀的被試以及25位正常視覺被試，通過計算機顯示器進行數(shù)字化模擬。第一進行方案1形狀輔助信號燈的使用場景模擬編組為A，信號燈為形狀輔助豎排信號燈正常值色彩模式進行分組，方形紅燈(R=255，G=0，B=0)為A1 、三角形綠燈(R=0，G=255，B=0)為A2、圓形黃燈(R=255，G=255，B=0)為A3并在時間相同的情況下進行信號識別。測試者雙眼距離屏幕 60 cm，屏幕上顯示單個信號燈的顏色，每隔4s進行變換。以相同時間內(nèi)兩組被試者的識別準確率為測試依據(jù)。第二進行RGB空間顏色分量的方向識別導向燈場景模擬編組為B。RGB空間顏色分量的方向識別導向燈為兩個方向提示，通過RGB空間顏色將正常人所看到的顏色轉(zhuǎn)換成色覺障礙可識別的顏色的前提下，將橫向行駛方向燈編碼為B1,直行方向燈編碼為B2。測試者雙眼距離屏幕 60 cm，屏幕上顯示單個形式方向的指向燈，每隔4s進行變換。以相同時間內(nèi)兩組被試者的識別準確率為測試依據(jù)。測試結(jié)果統(tǒng)計見表1。

表1 測試結(jié)果

據(jù)表1測試結(jié)果顯示，在相同的時間內(nèi)，兩組被試對兩個設計方案的識別均在90%左右。

6 結(jié)語

在本研究中分析得到色覺障礙人群最主要面臨的困擾方向，明確了解決問題的思路，在確保正常人群的使用情景中現(xiàn)有交通設施依據(jù)樣本選擇最多的方案為出發(fā)點進行無障礙設計改良，并進行了模擬測試。測試結(jié)果顯示：由于色覺障礙者對于顏色差別、顏色飽和度的辨別弱于正常人，本研究的兩個方案對于大多數(shù)的色覺障礙患者是有效的、可識別度較好。本研究方案的交通信號具備較好的可辨識度，便于色覺障礙人群和正常人群共同使用。從而進一步提高公共交通安全系數(shù)，體現(xiàn)對特殊群體社會關(guān)懷的設計初衷。