基于眼動特征的可變信息標(biāo)志視認(rèn)性影響研究

鐘光蘭,牛梓儒,祝銘悅,郭海林

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北武漢 430074)

城市道路交通系統(tǒng)的發(fā)展水平是衡量人民生活水平及社會進(jìn)步的一個重要指標(biāo)。隨著大城市機(jī)動車保有量的迅速增加,交通擁堵等一系列交通問題日益嚴(yán)重,在此背景下,可變信息標(biāo)志(variable message sign,VMS)越來越多,它具有靈活變化和信息載體豐富的特點(diǎn),能夠更好地滿足交通管理體系運(yùn)行[1-2]的需求。然而在實(shí)際應(yīng)用中,由于缺少對VMS使用情況的監(jiān)測和反饋,存在交通道路標(biāo)志由于色光不足而視認(rèn)不清楚以及色光過亮導(dǎo)致視認(rèn)不舒服或眩光的現(xiàn)象,因而無法起到其應(yīng)有的作用,甚至?xí)?dǎo)致交通安全事故發(fā)生。

目前,國內(nèi)外已有VMS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范出臺。發(fā)達(dá)國家針對視認(rèn)參數(shù)、交通標(biāo)志的顏色和大小等方面做了準(zhǔn)確規(guī)定[3-6],中國在2009年第一次增加了VMS相關(guān)內(nèi)容[7],并在2021年頒布了最為系統(tǒng)的行業(yè)團(tuán)體規(guī)范[8],但沒有明確規(guī)定晝夜交替時字體亮度參數(shù)的設(shè)置。

另外,國內(nèi)外學(xué)者對VMS進(jìn)行了相關(guān)研究,其中屏面顯示信息量引起較多學(xué)者關(guān)注。戚春華等[9]通過駕駛實(shí)驗(yàn)探究了道路交通標(biāo)志信息量與駕駛時間耦合關(guān)系下的眼動特征;何滎等[10]、王軒[11]、陳湘[12]通過現(xiàn)狀調(diào)查研究了屏幕信息要素和特性,并建立了相應(yīng)的評價模型。此外,還有部分學(xué)者關(guān)注VMS字體、顏色和屏幕亮度等對駕駛員的影響。LAI[13]通過室內(nèi)模擬駕駛實(shí)驗(yàn),探究了VMS中字體和顏色對視覺識別的影響;FUNKHOUSER等[14]分析了VMS的亮度、對比度和背景亮度對視認(rèn)效果的影響;趙小平等[15]和王思琦[16]探究了視覺亮度和屏幕調(diào)光等級的關(guān)系。以上研究表明,國內(nèi)外對于VMS的研究側(cè)重于標(biāo)志自身物理參數(shù)及顯示信息屬性,涉及標(biāo)志的亮度、顏色、字體等方面,但未見晝夜交替時不同環(huán)境照度下字體亮度對VMS視認(rèn)性影響的研究報道。

因此,本文基于眼動實(shí)驗(yàn)對VMS顯示信息的字體亮度、背景亮度的視認(rèn)效果影響進(jìn)行研究,以武漢二環(huán)線中VMS為研究對象,以實(shí)測環(huán)境照度與字高為依據(jù),設(shè)計室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn),通過眼動數(shù)據(jù)分析VMS顯示信息在晝夜交替環(huán)境中,字體亮度與環(huán)境照度對視認(rèn)效果的影響,為VMS亮度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置提供依據(jù)。

1 環(huán)境照度與字體參數(shù)確定

1.1 環(huán)境照度測量

為補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)中對于晝夜交替時顯示亮度規(guī)定不明確的問題,對冬季早晨(7:00—8:00)和傍晚(17:00—18:00)時間段環(huán)境照度進(jìn)行測量并展開研究。為精準(zhǔn)測量時間范圍內(nèi)的環(huán)境照度,測量時間設(shè)置為每天6:30—8:30和16:30—18:30,每隔30 min記錄一次,共連續(xù)記錄7 d。利用全自動照度計測量環(huán)境照度,結(jié)果如圖1所示。實(shí)測過程中,每天18:30時環(huán)境照度為0,故圖1中將此時刻略去。

圖1 環(huán)境照度測量柱狀圖Fig.1 Environment illumination measurement histogram

根據(jù)測定,早晨7:00—8:00的環(huán)境照度值為3.6～1 014 lx,傍晚17:00—18:00的環(huán)境照度值為20～900 lx。按照GB/T 23828—2023《高速公路LED可變信息標(biāo)志》[17]中關(guān)于字體亮度有明確規(guī)定要求,為了本次實(shí)驗(yàn)操作和結(jié)果分析的簡便性,根據(jù)實(shí)際測量情況,將實(shí)驗(yàn)環(huán)境照度區(qū)間設(shè)定為200～1 000 lx。

1.2 字體參數(shù)確定

根據(jù)GB/T 23828—2023《高速公路LED可變信息標(biāo)志》[17]中對文字標(biāo)志顯示屏的前景字符要求,本次實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)材料的字體顏色設(shè)為紅色、黃色、綠色3種顏色。通過等比例換算方式,開展VMS字高確定實(shí)驗(yàn),通過視覺清晰度實(shí)驗(yàn)以及主觀舒適度實(shí)驗(yàn)2部分,確定最佳字體高度(簡稱字高)。根據(jù)GB 5768.2—2022《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線 第2部分:道路交通標(biāo)志》[18],武漢市二環(huán)高架限速80 km/h,對應(yīng)的漢字字高為50～60 cm(漢字字寬和字高應(yīng)相等),視認(rèn)距離能夠達(dá)到150～250 m。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況,本次實(shí)驗(yàn)將視認(rèn)距離設(shè)定為5 m。根據(jù)張伯明[19]的研究,可根據(jù)式(1)確定實(shí)驗(yàn)字高。

(1)

式中:h為實(shí)驗(yàn)字高,cm;d為實(shí)驗(yàn)視認(rèn)距離,m;H為實(shí)際字高,cm;D為實(shí)際視認(rèn)距離,m。

根據(jù)計算結(jié)果得出本次實(shí)驗(yàn)字高測試區(qū)間為1～2 cm。選取室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)驗(yàn)場地進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),使用LED屏幕呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)圖案,由于屏幕型號為P1.25,字體大小差距需大于1.25 mm,因此設(shè)置字高分別為1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0 cm。每種字高共10個測試圖案,每個圖案顯示10 s,被試者視認(rèn)完成后記錄其視認(rèn)舒適程度(簡稱舒適度),并將測試圖案讀出,主試者記錄視認(rèn)正確率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖3 字高與舒適度的關(guān)系Fig.3 Relationship between font size and comfort level

在字高視認(rèn)效果實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)字高為1.0～1.4 cm時,視認(rèn)正確率由75%左右上升至95%左右,在字高達(dá)到1.6 cm時視認(rèn)正確率達(dá)到100%。在舒適度實(shí)驗(yàn)中,3種顏色在字高為1.0 cm時均出現(xiàn)了不清楚的情況,紅色字體和綠色字體在字高為1.2 cm時仍有不清楚的情況,3種顏色中很清楚的數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)出逐漸增長趨勢,當(dāng)字高為1.6 cm時全部為很清楚。

根據(jù)GB/T 23828—2023《高速公路LED可變信息標(biāo)志》[17],標(biāo)志內(nèi)容正確率不低于90%并且不清楚率不大于50%為合格;標(biāo)志內(nèi)容正確率低于90%或不清楚率大于50%為不合格。當(dāng)字高為1.6 cm時,3種顏色視認(rèn)正確率均為100%,舒適度均為很清楚,為探究字體顏色對視認(rèn)性的影響,測定生理指標(biāo)以及心理指標(biāo),本次實(shí)驗(yàn)選定字高為1.6 cm。

根據(jù)GB/T 23828—2023《高速公路LED可變信息標(biāo)志》[17]以及比例對應(yīng)原則[20],本次實(shí)驗(yàn)紅色亮度區(qū)間為90～290 cd/m2,黃色亮度區(qū)間為145～345 cd/m2,綠色亮度區(qū)間為180～380 cd/m2。

2 實(shí)驗(yàn)研究

為探究紅、黃、綠3種顏色在不同環(huán)境照度下的最佳視認(rèn)效果亮度區(qū)間,開展VMS視認(rèn)性實(shí)驗(yàn),利用眼動儀記錄眼動數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到不同字體亮度在不同環(huán)境照度下對視認(rèn)性的影響,分析環(huán)境照度與字體亮度與視認(rèn)性的影響規(guī)律,以及兩者相互關(guān)系。

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

首次注視時長(first fixation duration,FFD)可以用作不同類型刺激的比較指標(biāo)[21],FFD被視為人員對觀測區(qū)域或目標(biāo)的敏感狀態(tài),FFD的值與視認(rèn)難度呈正相關(guān)關(guān)系,即值越大,人員對該區(qū)域視認(rèn)難度越大。總注視時長(total fixation duration, TFD)反映了觀測人員的興趣程度與信息處理的難易程度,TFD越大視認(rèn)效果越差。注視點(diǎn)個數(shù)(fixation count,FC)是度量區(qū)域信息加工難度的重要指標(biāo)之一[22],即注視點(diǎn)個數(shù)越多,信息加工難度越大,視認(rèn)效果越差。因此本次實(shí)驗(yàn)選取首次注視時長、總注視時長、注視點(diǎn)個數(shù)3個指標(biāo)來反映被試者對可變信息標(biāo)志的視認(rèn)效果,且各指標(biāo)與視認(rèn)效果均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

主成分分析法是一種數(shù)學(xué)降維的方法[23],通過對原始變量進(jìn)行綜合與簡化,可以客觀地確定各個指標(biāo)的權(quán)重,避免主觀判斷的隨意性,將數(shù)據(jù)降維,提取到主成分,進(jìn)而得到主成分視認(rèn)效果得分函數(shù);再根據(jù)視認(rèn)效果得分函數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)化的初試變量,得到主成分得分,即視認(rèn)效果值。視認(rèn)效果值越小,可變信息標(biāo)志越容易被認(rèn)讀,則視認(rèn)效果越好。繪制視認(rèn)效果與字體亮度的關(guān)系曲線,并建立二者的函數(shù)關(guān)系,得到既定環(huán)境照度下視認(rèn)效果最佳的字體亮度,不同環(huán)境照度下不同顏色字體亮度與視認(rèn)效果值的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式如表1所示。

表1 不同環(huán)境照度下不同顏色字體亮度與視認(rèn)效果值函數(shù)關(guān)系表達(dá)式

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括照度計(上海市嘉定學(xué)聯(lián)儀表廠提供)、屏幕亮度計(深圳市欣寶瑞儀器有限公司提供)、LED顯示屏(深圳市鑫億彩光電科技有限公司提供)、LED投光燈(歐普照明股份有限公司提供)、Tobii Pro Glasses2眼動儀及Tobii Pro Lab(×64)數(shù)據(jù)分析軟件(瑞典Tobii AB公司提供)。

2.3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)選擇13位被試者,年齡在20～26歲,已取得駕駛證,且保證被試者的年齡、學(xué)歷、疲勞程度、任務(wù)量等實(shí)驗(yàn)設(shè)計的額外變量不變。在實(shí)驗(yàn)前對被試者進(jìn)行簡單培訓(xùn),并講解注意事項與實(shí)驗(yàn)流程。

通過調(diào)整投光燈個數(shù)及其位置來改變環(huán)境照度,本次實(shí)驗(yàn)所需環(huán)境照度為200～1 000 lx。

顯示屏顯示內(nèi)容為“交通量大,限速80 km/h”等提示類可變信息標(biāo)志內(nèi)容。利用電腦控制接收卡將實(shí)驗(yàn)圖像傳輸至LED顯示屏中,在LED屏幕下方播放行車視頻,模擬駕車行駛,由眼動儀記錄眼動數(shù)據(jù),被試者觀看行車視頻。

2.4 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)采用多因素組內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計,實(shí)驗(yàn)因素包括環(huán)境照度、字體顏色及字體亮度。將環(huán)境照度設(shè)置5個水平,分別為200,400,600,800,1 000 lx;字體顏色設(shè)置為3個水平,分別為紅色、黃色、綠色;紅色字體亮度設(shè)置10個水平,黃色和綠色字體亮度均設(shè)置11個水平,開展不同環(huán)境照度與不同顏色字體亮度的組合實(shí)驗(yàn)。不同顯示亮度的字體隨機(jī)播放,被試者在距離LED屏幕5 m的位置觀測屏幕,在LED屏幕下方播放行車視頻,被試者需注視行車視頻,利用行車視頻轉(zhuǎn)移被試者注視點(diǎn),屏幕中出現(xiàn)顯示圖案后,被試者將視線轉(zhuǎn)移至屏幕觀察,觀察清楚后繼續(xù)注視行車視頻,直至3種顏色字體亮度循環(huán)結(jié)束,結(jié)束眼動記錄。實(shí)驗(yàn)場景設(shè)置如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)場景Fig.4 Experimental scene

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后利用Tobii Pro Lab將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行分析,由于導(dǎo)出數(shù)據(jù)過多,本次實(shí)驗(yàn)選擇采樣比高于80%的8組數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析,降低誤差對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 主成分分析

首先,利用SPSS軟件對3個眼動指標(biāo)的平均數(shù)進(jìn)行無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后通過KMO檢驗(yàn)和巴特利特檢驗(yàn)判斷是否可以進(jìn)行主成分分析。一般認(rèn)為KMO值大于0.7,且p<0.05,適合進(jìn)行主成分分析[24]。然后,將經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,得到主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率。在數(shù)據(jù)降維過程中,一般認(rèn)為累計方差貢獻(xiàn)率大于85%的主成分具有一定代表性[25]。提取出主成分后,分析出成分得分系數(shù)矩陣及主成分得分函數(shù),進(jìn)而得到視認(rèn)效果關(guān)于3個眼動指標(biāo)的函數(shù),即視認(rèn)效果指標(biāo)相對數(shù)值。

3.2 字體亮度對視認(rèn)性影響分析

為研究字體亮度對視認(rèn)性的影響,分析字體亮度對視認(rèn)性的影響規(guī)律,并得到不同環(huán)境照度下字體的最佳顯示亮度,通過記錄不同字體亮度下被試者的眼動數(shù)據(jù),對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行主成分分析。經(jīng)檢驗(yàn),KMO檢驗(yàn)值均大于0.73,巴特利特檢驗(yàn)的p值小于0.05,呈現(xiàn)顯著性水平,各變量間具有相關(guān)性,主成分分析有效。通過將3個眼動指標(biāo)降維為視認(rèn)效果,得到既定環(huán)境照度下字體亮度與視認(rèn)效果關(guān)系圖,如圖5—圖7所示。

圖5 紅色字體亮度對視認(rèn)性的影響Fig.5 Effect of red font brightness on visual recognition

圖6 黃色字體亮度對視認(rèn)性的影響Fig.6 Effect of yellow font brightness on visual recognition

圖7 綠色字體亮度對視認(rèn)性的影響Fig.7 Effect of green font brightness on visual recognition

由圖5—圖7可知,字體亮度較低時的視認(rèn)效果整體較差,視認(rèn)效果曲線隨字體亮度的增加而下降,即視認(rèn)效果逐漸變好,當(dāng)視認(rèn)效果曲線下降減緩時視認(rèn)效果不再變化,字體亮度達(dá)到該環(huán)境照度最佳視認(rèn)效果的臨界值,即得到環(huán)境照度為200～1 000 lx時的最佳顯示亮度,如表2所示。

表2 最佳顯示亮度

3.3 環(huán)境照度對視認(rèn)性影響分析

通過KMO檢驗(yàn)和巴特利特檢驗(yàn),KMO值均大于0.7,巴特利特檢驗(yàn)的p值小于0.05,呈現(xiàn)顯著性水平,各變量間具有相關(guān)性,主成分分析有效。利用主成分分析法得到視認(rèn)效果得分情況,建立視認(rèn)效果與環(huán)境照度的關(guān)系曲線,如圖8—圖10所示。

圖8 環(huán)境照度對紅色字體視認(rèn)性的影響Fig.8 Effect of environment illumination on the visibility of red fonts

圖9 環(huán)境照度對黃色字體視認(rèn)性的影響Fig.9 Effect of environment illumination on the visibility of yellow fonts

圖10 環(huán)境照度對綠色字體視認(rèn)性的影響Fig.10 Effect of environment illumination on the visibility of green fonts

當(dāng)字體亮度較低時,即當(dāng)紅色字體亮度小于150 cd/m2、黃色字體亮度小于165 cd/m2、綠色字體亮度小于180 cd/m2時,環(huán)境照度對視認(rèn)性的影響較小,視認(rèn)效果值較大,視認(rèn)效果較差;隨著字體亮度的增加,環(huán)境照度對視認(rèn)性的影響逐漸增大,視認(rèn)效果曲線波動增大,視認(rèn)效果曲線呈現(xiàn)上升的趨勢,視認(rèn)效果變差;當(dāng)字體亮度較高時,環(huán)境照度對視認(rèn)性的影響變小,當(dāng)紅色字體亮度達(dá)到260 cd/m2、黃色字體亮度達(dá)到325 cd/m2、綠色字體亮度達(dá)到340 cd/m2時,視認(rèn)效果值較小并且曲線波動較小,環(huán)境照度對視認(rèn)效果基本不存在影響。

3.4 建立字體亮度與環(huán)境照度最優(yōu)匹配函數(shù)

根據(jù)字體亮度對視認(rèn)性影響分析中得到的最佳字體亮度,建立最佳字體亮度與環(huán)境照度的關(guān)系曲線,如圖11所示。

圖11 字體亮度和環(huán)境照度之間的關(guān)系Fig.11 Relationship between font brightness and environment illumination

紅色字體最佳顯示亮度曲線擬合公式為

y=64.576lnx-177.98, 200≤x≤1 000;

(2)

黃色字體最佳顯示亮度曲線擬合公式為

y=88.792lnx-294.46, 200≤x≤1 000;

(3)

綠色字體最佳顯示亮度曲線擬合公式為

y=88.792lnx-279.46, 200≤x≤1 000。

(4)

式(2)—式(4)中:y表示字體亮度,cd/m2;x表示環(huán)境照度,lx;方差R2分別為0.973 5,0.970 8,0.970 8。

在給定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境照度下,隨著環(huán)境照度的增加,最佳視認(rèn)亮度逐漸增加;當(dāng)環(huán)境照度較低時,字體亮度的增加趨勢較明顯,當(dāng)環(huán)境照度較高時,字體亮度增加趨勢減緩,其中紅色字體亮度增加趨勢變化最為明顯。

4 結(jié) 語

為探究晝夜交替時可變信息標(biāo)志最佳顯示亮度,研究了字體亮度和環(huán)境照度對可變信息標(biāo)志視認(rèn)性的影響規(guī)律,以及字體亮度與環(huán)境照度間的相互影響規(guī)律,主要研究結(jié)論如下。

1)同一環(huán)境照度下,視認(rèn)效果隨字體亮度的增大而變好,可得到最佳字體顯示亮度;同一字體亮度下,視認(rèn)效果隨環(huán)境照度的增大而變差;當(dāng)紅色字體亮度達(dá)到260 cd/m2、黃色字體亮度達(dá)到325 cd/m2、綠色字體亮度達(dá)到340 cd/m2時,環(huán)境照度對視認(rèn)效果不再產(chǎn)生影響。

2)在同一環(huán)境照度下,想要達(dá)到同樣的視認(rèn)效果,則字體顯示亮度綠色>黃色>紅色。

3)通過建立字體亮度與環(huán)境照度的關(guān)系曲線,擬合得到了最優(yōu)匹配函數(shù),為晝夜交替時不同環(huán)境照度、不同顏色字體顯示亮度下的參數(shù)設(shè)置和管理提供了依據(jù),對提高道路交通安全具有重要意義。

本研究還存在一些局限性。由于眼動實(shí)驗(yàn)范式的局限,本研究所采用的樣本數(shù)量較少,難以避免被試個體差異性對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的潛在影響。另外,實(shí)驗(yàn)為固定行車速度下的靜視覺狀態(tài)時的標(biāo)志視認(rèn),未考慮行車速度的變化。未來可通過駕駛模擬器,進(jìn)一步研究不同行車速度下亮度對可變信息標(biāo)志的視認(rèn)性影響。