基于色覺異常人群的地圖色彩設計研究進展

錢夢茹，梁棟棟，吳 旭

(1. 安徽師范大學國土資源與旅游學院，安徽 蕪湖 241003； 2. 安徽師范大學數學 計算機科學學院，安徽 蕪湖 241003)

基于色覺異常人群的地圖色彩設計研究進展

錢夢茹1，梁棟棟1，吳 旭2

(1. 安徽師范大學國土資源與旅游學院，安徽 蕪湖 241003； 2. 安徽師范大學數學 計算機科學學院，安徽 蕪湖 241003)

在梳理國內外關于色覺異常人群的研究論文的基礎上，從研究內容、研究方法等方面對國內外近年來有關色覺異常者的研究文獻作了系統分析，發現國內外的研究主要集中在以下4個方面：①通過基本色的研究揭示非色彩的線索對色覺異常者描述和識別顏色起到作用；②對于色彩偏好的研究發現色覺異常者的顏色偏好與顏色情感相關；③根據色覺異常人群的視覺特征，結合圖像轉換算法，研究了無障礙色彩設計系統；④對于色覺異常人群的視覺色彩，利用圖像模擬算法模擬校正色覺異常人群所看到的圖像，進而識別圖像信息。

色覺異常；無障礙地圖；情感聯想；圖像算法；地圖色彩

色盲，在國外首先由約翰遜·道爾頓在18世紀發現，又稱“道爾頓癥”。在道爾頓之前，也有很多關于色覺異常的記錄。中國古書《列子》中曾有過記載紅、黑、白不分的患者故事；《亢倉子》一書中曾將色覺異常這種病稱為“夫瞀視者，以黃為赤，以蒼為玄”。色覺異常者在國外被稱為“color-vision deficiencies(CVD)”，即色覺缺陷者。色覺異常指的是一種無法正確辨識部分或全部顏色的疾病，影響著世界大約5%～8%的男性和0.5%～1%的女性。色覺異常可分為先天和后天兩種，先天性色覺異常分為一色性視覺、二色性視覺、三色性視覺。其中一色性視覺也稱全色盲，是只對于顏色的色相和純度不能區分的色覺異常。二色性視覺包括紅色盲、綠色盲、紫色盲，這類患者對可見光譜上的紅綠藍3種顏色至少能辨別其中的兩種。異常三色性視覺包括紅色弱、綠色弱、紫色弱。目前關于色盲的成因解釋有兩大類學說：三色學說和四色學說。

1 國內關于色覺異常者地圖色彩設計的相關研究

國內對于色覺異常人群關于地圖色彩設計相關的研究，主要集中在輔助設色、無障礙色彩設計、圖像算法、色盲地圖等方面，其中信息工程大學和武漢大學對色覺異常的地圖設計進行了多方面研究，主要在《測繪通報》《測繪科學》和《武漢大學學報(信息科學版)》等發表多篇著作。西北工業大學和巢湖學院主要研究色覺異常人群的色彩設計系統。北京郵電大學對無障礙色彩情感進行了深入研究，在《北京郵電大學學報》發表了論文數篇。

1.1 色覺異常者與輔助設色

目前國內這方面的研究主要集中在運用已有的計算機技術和計算方法來解決色覺異常人群的辨色問題。王寧、余隋懷等針對色覺異常人群的計算機輔助設計的顏色問題，提出并開發了一套將選色與色彩視界轉換結合的無障礙界面設計系統[1]。吳兵首先從調查色覺異常人群在媒體界面設計方面的色彩需求入手，提出了遠程教育中滿足該類人群的媒體界面設計原則和界面設計的流程[2]；然后在建立色盲色彩模型的基礎上，提出了面向色盲人群的色彩明度配色方案和色相配色方案兩種解決策略，并使用色盲色彩軟件對設計方案進行了評價[3]。周憲針對色覺異常人群的辨色和生理特點，利用色彩設計理論提出了一套函數映射的色彩設計方法，建立了面向色覺異常人群的色彩模型[4]。初苗、田少輝建立了色盲人群與正常人群所見色彩的映射關系，實現了面向色盲人群的對比選色及色彩視界的轉換與顯示[5]。

1.2 色覺異常者與無障礙色彩

無障礙設計是基于“以人為本”為基礎的全方位設計，無障礙色彩設計不只為存在視覺障礙的人群服務，而是一項服務于整個社會公眾的設計，其運用范圍與領域十分廣泛。將色彩設計導入無障礙設計觀念中，不但能夠對更多人的工作與生活產生幫助和便利，而且能夠大大提高各方面使用上的安全性。沈意浪和傅梅杰在地圖、范騰飛和蔣陽升在交通信號燈、初苗和田少輝在包裝設計等方面都有研究，這些研究多集中在加強色彩的識別度上，較少涉及色覺異常人群的認知與情感聯想等方面的問題。朱健文在對色覺異常人群的分析和模擬基礎上，研究了色盲用戶的界面顏色選擇問題[6]。張旭芳則歸納分析了視覺障礙人群的類別和色彩認知特點，研究了基于無障礙色彩設計構建視覺信息的無障礙環境[7]。李霞、楊露等從提高色覺異常用戶的交互效率與滿意度的思路出發，從理論上探討了以紅綠色覺異常用戶色彩視界的認知與情感為基礎構建無障礙交互設計色彩研究的方法[8-9]；進而從紅綠色覺異常與色弱視界的色彩情感認知角度出發，通過情感與色彩之間的雙向研究，以360安全衛士的網頁界面為例進行交互色彩的無障礙設計，實現了網絡環境中無障礙交互的色彩情感探索[10]。

1.3 色覺異常者與圖像算法

目前國內關于色覺異常者辨識圖像的研究主要從兩方面開展：一方面是基于色覺視界模擬方法的研究，主要通過數學建模和算法設計，將圖像色彩模擬為色覺異常者所見的狀態。馬煜、顧曉東等通過BP神經網絡訓練色盲和色弱患者視網膜上視覺感受細胞對具體視覺圖像的響應信號，獲取與正常人視覺感受細胞對相同圖像的響應相類似的信號，提出了基于神經網絡的色盲與色弱仿真模型[11]。另一方面是從幫助色覺異常者辨識圖像的角度開展研究，主要通過色彩映射計算來改變圖像中的色彩，進而幫助色覺異常者識別圖像。楊勝基利用顏色之間飽和度的不同來區分顏色，達到二色盲的校正[12]。鄧寅暉等提出了一種基于相似矩陣建立從三維空間到二維平面的固定映射關系的二色盲顏色固定映射的方法，幫助訓練二色盲患者識別顏色[13]。鮑吉斌、王源源等提出一種基于H分量旋轉的色盲校正方法，發現在色盲類型給定且圖像顏色是給定色盲易混淆的情況下，對H分量旋轉120°能得到色彩分辨率效果很好的校正圖像[14-15]。吳麗思基于自適應映射算法、旋轉H分量算法、幾何變換算法和角度自適應算法4種色盲校正算法，進行紅、綠、藍二色盲圖像校正試驗，通過Matlab設計并實現了基于圖像和基于小球的色盲測試系統[16]。孫養龍從圖像處理的角度對色盲及其校正進行研究，改進了基于H分量旋轉的色盲校正算法，針對較為普遍的二色盲設計開發了一套基于Android系統的色盲校正系統[17]。

1.4 色覺異常者與地圖

白小雙、江南等在國內率先開展色覺異常人群與地圖關系的研究，根據色盲的分類及辨色特點，提出了色盲地圖的設色原則，對2008年殘奧會北京場館分布圖進行了修改和試驗[18]。之后白小雙、華一新等從色覺異常的分類和特點出發，研究不同色覺異常者眼中的色彩規律，提出面向色覺異常者的電子地圖設計原則，并進行了點狀符號、線狀符號和面狀符號的設計[19]。沈意浪和傅梅杰針對色覺異常人群識別地圖的問題，從識別度的角度分別對地圖上的點、線、面的用色提出了詳細的用色原則[20]。汪華、朱海紅等根據地圖表達地理屬性的量表性質，基于定性設色、順序設色和雙向設色3種地圖設色方式的特點，根據紅—綠色盲的光譜特性，設計了一系列試驗地圖，初步揭示出針對紅—綠色盲人群使用地圖的設色原則[21]。鐘璇等使用Colour Contrast Analyser色盲模擬軟件模擬紅綠色盲人群的視覺特點，對《北京奧運場館旅游交通圖——人文篇》的地圖色彩設計進行了修改[22]。

2 國外色覺異常者研究的主要內容

對已閱讀的文獻分析發現，國外針對色覺異常者的研究主要集中在醫學、基本色命名、顏色偏好等方面，與國內研究的重點稍有不同。

2.1 關于色覺異常者的基本色研究

1967年Boynton和Scheibner的研究表明，二色性視覺者使用紅黃綠色調的名字命名單色光[23]。1969年Berlin和Kay提出11種基本色，且認為11種基本顏色分類機制對應11種基本顏色[24]。Jamson和Hurvich通過面板D15試驗測試二色性視覺者使用的顏色名稱，結果表明一個正常的三色視者使用類似名稱感知類似的顏色，但二色性視者使用不同的名稱感知相似的顏色，二色視者與正常的三色視者顏色命名方式不同[25]。Paramei等研究要求紅色盲使用5種基本色(紅綠黃藍白)命名在405～675 nm區間的單色刺激波長，發現基本色的使用不僅依靠波長還依靠強度[26]。Montag[27]和Uchikawa[28]等發現正常人喜歡二色性視者的顏色命名分類。

除了使用明度線索來指導表面顏色的命名，二色視者可通過另外的線索來研究。1905年Nagel描述了本人作為一個小的刺激綠色盲者(小于2°)和中型刺激(10°)的綠色弱者的試驗結果，并認為這種改變是黃斑中心凹以外的一些殘留的紅綠色活動。直到20世紀60年代末根據臨床標準診斷程序診斷的紅綠色盲身上發現紅綠色機制的殘余活性，Nagel的工作才重新被人們審視[29]。Thomas等以顏色擴展(hue scaling)為基本方法，描述了在生理合理假設之上的人體光感受器信號產生過程，得到了二色受體信號的三視覺(trichromat-like)模型[30]。Byrne和Hilbert的研究表明色盲患者學習母語的全部，而不是放棄學習一些他們缺失的部分，社會環境可能迫使二色性患者使用他們可能不能辨別的一些基本的顏色詞語[31]。Lillo等描述了紅綠色盲基本色使用的兩個模型，一個模型假定二色性使用基本色完全依賴于亮度和黃—藍通道的活動，而另外一個模型假定二色性使用基本色但是有殘留的紅—綠通道的活動，兩個模型得到同樣的預測結果[32]。Uchikawa調查在各種顏色的光照下正常視覺者和二色性患者顏色感知分類特點，闡述二色性的顏色命名和正常視覺者一致，但不可能與正常人有一樣的彩色分類機制[33]。

2.2 關于色覺異常者的色彩偏好研究

目前已有的色彩偏好的研究大多集中在心理活動的描述上[34]。Humphrey提出顏色偏好源于顏色傳遞到自然界中的信號[35]。Adams和Bornstein認為關于顏色偏好是天生具有的還是后天形成的問題是有爭議的[36-37]。早期的研究普遍支持天賦假說[34]。關于色彩偏好的研究大多數在測量偏好時普遍使用高度飽和的色彩與使用較少的飽和度的色彩明暗對比，結果發現4～6個月大的嬰兒和成人之間的顯著差異。嬰兒的色彩偏好與成人的色彩偏好有所不同的結果表明，顏色偏好的發展變化可能是由于免疫系統變化帶來的，但同時在生命過程中顏色感知具有穩定性[38]。Petzold等在研究色相偏好表現與年齡的關系時發現，只有4～25歲這個年齡階段有細微差別[39]。顏色偏好是視覺體驗的一個重要方面，基于生物的適應和基于色彩的情感的角度解釋為什么一般人喜歡一些顏色超過其他人[40]。基于Hurlbert和Ling的L-M和S-(L+M)視錐對比模型能夠預測顏色偏好與顏色情感，此模型之后被擴展到包括測量明度(L+M+S)和飽和度[41]。Ling和Hurlbert對于相同的90種顏色，使用4個因素的線性回歸模型以適應每個觀測者的個人喜好。Ou等提出了基于“色彩的情緒”的解釋，定義“感情由兩種顏色或顏色組合誘發”，顏色的情緒可以從因果聯系到顏色的喜好[42]。Palmer和Schloss基于生態因子解釋顏色的偏好，人們喜歡或不喜歡給定顏色的程度與他們喜歡或討厭的根據這個顏色聯想到的所有實體或事物有關，研究者認為已經制定的生態價值理論能夠解釋顏色偏好[34]。此外，Leticia等在考慮二色性視錐細胞的選擇性的基礎上，使用視錐對比建模探究二色性的色彩偏好，以及二色性和正常人的顏色偏好與色彩命名之間的關系[43]。

2.3 色覺異常者的地圖研究

20世紀后期美國、日本等就有學者開始研究色覺異常者的地圖閱讀，但研究較少。在針對色盲色弱人群的地圖顏色設計的研究中，Kuyk等發現在彩色地形圖上色覺異常者易錯誤判斷邊界線[44]，之后Mertens等的研究進一步確定只有少數的色覺異常讀者能夠正確區分氣象雷達的顏色[45]；Olson和Brewer針對色盲色弱人群的地圖顏色選擇作了大量研究和試驗，發現色覺異常者喜歡彩虹光譜顏色模式，且色覺異常者很容易讀懂[46]；Brewer對于紅綠色覺異常者的地圖設計提出3個顏色使用原則，同時將色盲色弱者視覺特征的地圖顏色配色方案運用到地區分布圖中并評價其效果[47]；Jenny和Kelso借助配色方案軟件Color Oracle，討論了利用色彩組合和其他視覺變量幫助色彩視覺障礙明確區分地圖符號，進而提出改變符號形狀結合色調、飽和度的變化及注釋的添加等進行點或線要素符號的設計[48]。

2.4 色覺異常者的圖像模擬算法研究

Brettel在1997年提出一種模擬色覺異常者所見圖像的算法，將圖像色彩模擬為色覺異常者所見的狀態，并應用到VisCheck上，實現將位圖的色彩轉化為色覺異常人群所見的色彩[49]。隨后Capilla等在匹配Brettel算法相對應的步驟及不涉及色域I和II計算的情況下，提出相應的替代性算法，該算法不需要引入額外限制的顏色視覺模型[50]。Lee等通過改變模糊邏輯的軟件模擬工具的模糊參數，修改了經典的線性變換模擬方法，并提出了基于模糊方法的4種新方法來糾正色盲[51]。Sriidhya和Sivakuma等提出可以模擬各類色覺異常用戶視界并自動計算出無障礙效果不佳的視覺區域的算法[52]。Shankaran對比研究各種色覺異常者模擬圖像算法后，發現任意顏色空間計算的誤差率和顏色差異之間的關系符合指數衰減函數，僅在顏色正常空間中的色差計算足以確定一個人是否患有先天性色覺缺陷[53]。

色覺異常轉換的模擬算法促使實現模擬色覺異常用戶視覺這一功能的產品出現,如以Vischeck、Colororacle等為代表的軟件，這類軟件只針對紅色盲、綠色盲、藍色盲等情況；而Color Schemer Studio軟件則提供了無障礙網頁配色的解決方案。常見的色彩模擬器包括Variantor、Coblis和Vischeck 3種，利用Julio提出Simucheck方法評估彩色模擬工具精度的結果表明，只有Vischeck呈現準確性，能可靠地進行顏色轉換選擇[54]。

2.5 色覺異常者的圖像校正算法研究

圖像模擬算法轉換后的模擬圖像在色覺正常人看來不自然真實。研究發現，色覺異常者可能不能辨識轉換后的圖像，于是出現了適應色覺異常者的圖像校正算法，該類研究主要是通過計算改變原始圖像中的部分色彩，幫助色覺異常者識別圖像的信息，同時使得校正后的圖像在正常人看來較為自然。

(1) 對于色覺異常者的重新著色技術可概括為兩類：用戶輔助著色技術和自動化重新著色技術。對于用戶輔助重新著色技術，Iaccarino等使用6個用戶參數修改原始圖像的色調、飽和度、亮度值，進而加強網絡的可訪問性，用戶輔助的重新著色技術的輸出結果高度依賴于用戶提供的參數[55]。對于自動化重新著色技術，Ichikawa等通過構建目標函數為色覺異常者重新著色網頁，同時盡可能保留正常人和色覺異常者顏色差感知的比率[56]。Wakita和Shimamura通過構建3個目標函數為色覺異常者重新著色[57]。Jefferson和Harvey從正常人和二色性視者的圖像直方圖之差中選擇一組關鍵的顏色并用4種目標函數來保持圖像的亮度、色彩對比度等[58]。自動化重新著色技術的目的都是建立最小化目標函數。Rasche通過構造一個目標函數，使原圖在不同的映射關系下生成一系列校正圖像，當對應的目標函數達到最小時，此時的校正圖像就是需要的校正圖像[59]。之后Huang等通過改變圖像對比度，結合兩個誤差函數，使用拉格朗日乘數與用戶指定參數的目標函數的算法，盡可能保持原始圖像的色彩信息，使重新著色的圖像盡可能自然[60]。Kuhn等提出基于mass-spring優化算法，該算法相對于Rasche算法能實時優化幾百種顏色，并且使模擬后的圖像盡可能自然[61]。Nakauchi等從通用設計的角度出發，通過計算顏色差修改混淆顏色簇得到校正后的圖像[62]。

(2) Yong Man Ro提出了在色弱模型可逆條件下的色弱校正方法，使得色弱人群能夠看到與原始圖像一致的顏色[12]。Yang利用飽和度差異進行二色盲的校正。Iaccarino和Yang的方法都屬于基于規則的，圖像重新著色的表現隨著規則的不適用，性能會下降。之后的Doliotis等提出基于規則的彩色變換算法，該算法只改變色覺異常者不能感知的顏色，代替轉換圖像中所有的顏色，解決了已有算法計算成本大的問題。

(3) Ruminski和Wtorek等結合圖像模擬算法和圖像校正算法，提出針對色覺異常者的色彩重構算法，以提高色覺異常者對圖像的識別和理解，試驗結果證明了該方法在WWW環境中快速進行色彩變換的有效性[63]。Ohkubo和Kobayashi等提出了色彩轉換的算法，并設計了一種色彩補償的頭戴設備[64]。Jeong和Kim等通過旋轉色覺異常者不能感知的顏色到RGB域能夠識別的顏色方向提出新的算法，通過與Huang和Doliotis算法進行比較，發現新算法可以為色覺異常者增強感知，產生更多的理解圖像，同時保持重新著色圖像在正常人看來盡可能自然，保留重新著色圖像的自然性與降低復雜度[65]。

(4) 對二色性來說，圖像的重新著色是一個降維問題，其重新著色圖像技術涉及圖像彩色轉化到灰色的最新技術[66-68]。Gooch等主要針對單色盲的校正提出了利用將彩色圖像灰度化并保留原彩色圖像中有用信息的方法[66]。Grundland等通過高斯配對采樣色差和通過主成分分析顏色差異，提出了一個新的對比度增強顏色灰度轉換算法[67]。與對比度增強顏色灰度轉換優化算法[67-68]對比，已經證明在視覺上產生的結果類似但算法更有效，有更強數學的保證。

3 國內外研究對比

目前國內外在面向色覺異常者的色彩視界數字化的研究缺少系統的研究，對于色彩設計存在的主要問題有：

(1) 缺少具體的理論方法指導面向色覺異常人群的色彩設計。在地圖、計算機輔助設計、工業設計等方面，色覺正常者所設計的產品都不能很好地讓色覺異常人群辨識、簡潔方便使用。

(2) 現有的能夠模擬色覺異常人群所見色彩的色彩設計系統，其算法都較為簡單，功能也較為薄弱，沒有大量的實例驗證，且只集中在平面、網頁、包裝設計等領域，只能提供簡單的參考作用，不能從實際意義上滿足設計師的需求。

(3) 現有的色彩設計對于色覺異常人群的心理意象、美感的研究較少。對于色覺異常者的輔助設色、無障色彩設計、圖像算法和地圖的研究，都較少關注色覺異常人群的心理情感需要，注重的都是色覺異常人群的識別辨色問題，對于搭配色彩和諧感及由此產生的心理情感影響很少得到研究者的關注。

(4) 國內外對于色覺異常人群的研究主要集中在圖像算法、交互設計、工業設計等方面，卻很少關注色覺異常人群的心理情感；同時，針對色覺異常人群與地圖的結合研究，實現無障礙的地圖設計甚少。

4 結束語

針對以上分析，關于色覺異常人群的地圖色彩研究可以從以下方面展開：

(1) 關注色覺異常人群的地圖色彩識別，制作地圖時考慮色覺異常人群，建立針對于色覺異常人群的地圖色彩設計理論及方法。

(2) 加強地圖領域的無障礙色彩設計，從技術的角度研究地圖相應算法，加強色覺異常人群對地圖的識別度，并進行相應的試驗調研，不斷改進優化算法。

(3) 通過無障礙地圖進一步關注色覺異常人群主觀對地圖色彩的認知和情感聯想的研究，建立基于色覺異常人群的色彩意象體系，并對地圖交互設計展開研究，提升色覺異常人群在地圖交互中的效率和滿意度。

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ResearchProgressofMapColorDesignBasedonPeoplewithColor-visionDeficiency

QIAN Mengru1，LIANG Dongdong1，WU Xu2

(1. College of Territorial Resources and Tourism, Anhui Normal University, Wuhu 241003, China; 2. School of Methematics and Compute Science, Anhui Normal University, Wuhu 241003, China)

Based on the studies of people with color-vision deficiency at home and abroad, a systematical analysis on these literatures from the aspects of research content and method has been made in this paper. Four main aspects are found in these literatures. Firstly, scholars revel the roles of non-color's clues in people's description and recognition about color by fundamental color study. Secondly, from the people with color-vision deficiency, scholars have found their preferences are related with their color's emotion by the research on color reference. Thirdly, scholars study the system of accessible color design, combining with visual feature of people with color-vision deficiency and image conversion algorithm. Fourthly, scholars make use of the image conversion algorithm to revise the image that people with color-vision deficiency have seen to make them recognize image information.

color-vision deficiency； free barrier map; emotion associations; image algorithm; map color

P28

A

0494-0911(2017)01-0005-07

錢夢茹，梁棟棟，吳旭.基于色覺異常人群的地圖色彩設計研究進展[J].測繪通報，2017(1)：5-11.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0002.

2016-04-24

2014年度安徽師范大學研究生科研創新與實踐項目(2014yks086zd)

錢夢茹(1990—)，女，碩士生，研究方向為地圖制圖。E-mail：18226793552@163.com

梁棟棟