亮度對比及顏色組合對車載界面認知的影響

吳正新，金濤，顧浩然，明成業

亮度對比及顏色組合對車載界面認知的影響

吳正新，金濤，顧浩然，明成業

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 青島 266580）

對車載信息系統界面中亮度對比及顏色組合的認知機理進行分析。采用知覺負載范式，實驗A采用6∶1、9∶1、12∶1和18∶1共4種亮度對比水平下的16種顏色組合作為實驗材料，對高、中、低載荷下的錯誤率進行分析。實驗B在實驗A基礎上進行腦電研究。實驗A：在高、中載荷下，18∶1的亮度對比顯著降低了目標搜索出錯率，黃色/黑色、黃色/藍色和白色/藍色是搜索錯誤率最低的3種顏色組合；在低載荷下無顯著影響。實驗B：腦區地形圖表明，在18∶1的亮度對比及顏色組合視覺刺激下，枕葉、前額葉及顳葉腦區激活程度更強；相對于低載荷，高、中載荷的腦區激活程度更弱。ERP的結果分析表明，在18∶1的亮度對比及顏色組合視覺刺激下，O2電極的P100波形的峰值及平均振幅顯著高于其他3種亮度對比及顏色組合。車載信息系統界面中的信息元素與界面背景應優先使用高亮度對比（18∶1），色彩搭配方面應選取黑色或藍色作為背景色、黃色或白色作為圖標文字等信息元素的顏色。

車載信息系統界面；事件相關電位；亮度對比；顏色組合；認知績效

85%的重大交通事故是由人為失誤直接造成的[1]，駕駛員對車載數字界面操作時間過長是引發交通事故的重要因素之一。關鍵目標信息的搜索速度決定了人機界面的使用效率[2]，例如觀察戰機界面、監視核電廠的工作狀態及軍事作戰系統等，亮度對比及顏色組合是影響以上操作認知表現的重要因素。在車載數字界面中，合理的亮度對比及顏色組合可以增強顯示效果，減少駕駛員分心時間；不當的亮度對比及顏色組合極易分散駕駛員的注意力，甚至威脅行車安全。由此可見，亮度對比及顏色組合是影響車載界面認知績效的重要因素。

亮度對比會嚴重影響數字界面信息元素的視覺效果。Raimundo等[3]發現清晰度受對比度的影響顯著，清晰度隨著對比度的增強而提高。當操作者執行視覺搜索任務時，低對比度會使其視覺敏感度降低，操作者將難以感知人類的面部信息或道路標志[4-5]。Shieh等[6]在視覺認知研究中發現，高亮度對比可以顯著提升目標信息搜索速度。Ojanp??等[7]指出，隨著字符和背景之間亮度對比的降低，視覺搜索時間隨之增加。在數字界面中，關鍵信息的視覺效果隨對比度的增加而增強[8]。Huang[9]發現可以通過更高的亮度對比來增強圖標的清晰度。顏色組合也會嚴重影響數字界面信息元素的認知績效。有專家研究發現[10]，在藍色背景上帶有白色文本的文檔會產生最佳的閱讀效果，紅色背景上的藍綠色文字會顯著降低閱讀速度。Michalski[11]指出，顏色組合對任務結果準確率具有顯著影響。相應地，如果字符和背景兩者間的亮度對比較小，則較高的顏色對比度不能保證快速的視覺感知[7]。Bhattacharyya等[12]研究發現，在正圖像極性下（在較高亮度的彩色背景上顯示較低亮度的彩色圖像），白色背景上使用藍色和紅色字符時識別性最強；在負圖像極性下（在較低亮度的彩色背景上顯示較高亮度的彩色圖像），白色是藍色和綠色背景上最易識別的顏色。Humar等[13]研究發現，LCD顯示器中負極性的顏色組合認知績效最高。Buchner等[14]研究發現文本-背景極性會影響認知績效，但與環境照明和顏色組合無關。在車載信息系統界面中一些學者也做了相關研究，如Peng等[15]發現了與IVIS界面相關的文本特征（例如字符數、字體、顏色）會影響駕駛績效。Pritchard等[16]在模擬駕駛中的研究表明，亮度與駕駛績效存在相關性。Lavie等[17]基于車載顯示器的研究，證明了顏色對界面搜索效率有重要影響。

綜上所述，大多數學者對組合圖標的亮度或顏色等單個特征的影響機理進行了研究，或是對車載信息系統界面的其他影響機理進行了研究，而在車載信息系統界面中對亮度對比及顏色組合的研究較少。在實驗方面，已有研究大多分離了亮度和顏色特征，因此難以研究顏色組合及亮度對比的組合效應及機理。為更加符合現實應用場景，并全面探究亮度對比及顏色組合對車載數字界面功能區組合圖標認知績效的影響機理，文中參照國際照明委員會的16種顏色組合及4種亮度對比作為實驗材料，來探究車載數字界面中亮度對比及顏色組合對認知績效的影響。

已有研究表明[18-19]，對比度、亮度等視覺刺激間的差異可以誘發P100成分，P100成分通常在枕區（O1、O2）幅度最大，峰值潛伏期在100 ms左右，并受刺激對比度的顯著影響。因此，文中基于現有研究成果及相關理論分析作出以下假設：當出現高亮度對比及顏色組合時將誘發P100波形；高亮度對比及顏色組合的認知績效較高；亮度對比及顏色組合的目標搜索正確率與P100波形振幅存在相關性。

1 實驗設計

筆者根據視覺搜索實驗，研究了不同載荷下亮度對比及顏色組合對認知績效的影響，共設計了2種實驗：亮度對比及顏色組合實驗（實驗A），將不同載荷下4種亮度對比及16種顏色組合的錯誤率進行對比分析，探索不同載荷下亮度對比及顏色組合對認知績效的影響；腦電實驗（實驗B），深入探索亮度對比及顏色組合的腦神經機制，并解釋行為實驗的推斷。

2 亮度對比及顏色組合實驗

2.1 被試者

20名在校生（10名男生和10名女生）參加了該實驗。所有被試者年齡在20～24歲（=22，=1.38），均具有一年以上的駕齡，視力正常。被試者在此之前未參加過相似實驗，且不知曉實驗用意，實驗結束將得到相應獎勵。

2.2 實驗器材

實驗中被試者駕駛了易駕里模擬駕駛器，還包括一個21寸顯示屏、一個12.9寸的車載顯示屏、一個力反饋轉向系統、可調節的方向盤、五速變速箱、油門踏板及制動器和離合器的踏板組。為減少手動換擋對實驗的影響，實驗中模擬器均調節成自動擋駕駛模式。

實驗材料[20]根據數量均勻分布在實驗畫面中（見圖1），實驗刺激所用的圖標顏色是基于國際照明委員會坐標三角形的頂點和基點含有的6種彩色：紅色（R）、綠色（G）、藍色（B）、黃色（R和G）、藍綠色（G和B）和紫色（R和B），在此基礎上添加了黑色及白色，使用Minolta CS200色彩分析儀來測量CIE顏色值和亮度，對應的CIE色度坐標見表1。利用7點主觀量表對圖標材料的情緒喚醒進行打分，篩選出語義明確且沒有負面或愉悅感的中性圖標，所有圖標都是含義明確的常見抽象填充形圖標，視覺刺激呈現在12.9寸的模擬車載屏幕中央，不同數量的呈現方式見圖2，其分辨率為2732*2048，室內照明條件正常（300 lux）。

圖1 圖標素材

表1 實驗所用8種顏色及其對應CIE色度坐標

Tab.1 List of 8 colours used in the experiment and their corresponding CIE chromaticity coordinates

圖2 素材布局

2.3 實驗流程

被試者在駕駛時需要執行視覺搜索任務，其中駕駛任務包括速度控制和車道保持控制。被試者通過前監視器上提供的車速信息來執行速度控制任務，通常車速保持在50～60 km/h。為避免過高的駕駛難度，要求被試者在三車道高速公路的中間車道行駛并保持不變。實驗中大部分為直線路段，僅有2個彎道路段；由于需要模擬真實道路場景，所以在道路兩側設有服務區，經過服務區的路段會變為四車道道路。實驗中利用“Unity3D”2020軟件構建了模擬駕駛場景。此次實驗使用了10%的車流量強度，在平坦的道路上模擬了車流量較少的交通情況，除了被試者的車輛外，幾乎沒有其他車輛，其他車輛也不會干擾駕駛員駕駛的中間車道，為減少實驗干擾，在實驗過程中未將此事實告知被試者，只是叮囑他們小心駕駛。

為選取最佳視覺刺激的呈現方式（如圖2），預實驗采用4（呈現方式）×3（認知載荷）×16（顏色組合）×4（亮度對比）被試內設計。結果表明，當素材布局數量為4～6個時，錯誤率具有顯著性差異（<0.05），且素材布局為4時的錯誤率較低，因此將實驗材料數量確定為4個。

實驗利用3（載荷：高、中、低）×4（亮度對比）× 16（顏色組合）被試內設計。8種顏色均在負極性圖像顯示（較高亮度的彩色圖像顯示在較低亮度的彩色背景上），實驗共16種目標/背景色組合，通過對比度（LHigh/LLow）計算出16種顏色組合的亮度對比，并分為4個等級：6∶1、9∶1、12∶1和18∶1，見表2。根據視覺顯示終端（VDT）上16種顏色組合的色彩飽和度設置了亮度對比度值，因此亮度對比度取決于顏色組合結果。視覺刺激呈現在表2所對應的背景上，首先灰色的注視點“+”在屏幕中央出現1 500 ms，呈現時間在200 ms（高載荷）、600 ms（中載荷）、1 000 ms（低載荷）中隨機出現，隨后出現全屏黑色界面并保持1 000 ms，以消除目標圖標視覺殘差，要求被試者盡可能地記憶圖標集，若目標圖標出現，則按方向盤左側任意鍵，若不出現，則按方向盤右側任意鍵。若被試者在按鍵反應后或3 000 ms內未作出反應，則進入下個試次的注視點畫面。正式的實驗包括384個試次，為避免被試對結果進行預期，亮度對比及顏色組合將混合均等出現。整個實驗進程將持續30 min左右，實驗流程見圖3。

表2 16種顏色組合及其亮度對比

Tab.2 Luminance contrast settings for the sixteen colour combinations

圖3 實驗流程

2.4 實驗結果

將顏色組合錯誤率利用重復測量方差進行分析，結果如下。在高載荷下，顏色組合主效應顯著，=10.25，<0.01。亮度對比主效應顯著，=50.48，<0.01。亮度對比與顏色組合之間交互作用不顯著，>0.05。對顏色組合主效應進行事后多重比較表明：黃/藍、黃/黑、白/藍3種顏色組合的平均錯誤率顯著低于其他顏色組合；黃/紫、藍綠/藍2種顏色組合的錯誤率顯著高于其他顏色組合，見圖4。對亮度對比主效應進行多重比較的結果表明：18∶1亮度對比的平均錯誤率顯著低于其他亮度對比，見圖5。

圖4 顏色組合平均錯誤率

在中載荷下，顏色組合主效應顯著，=8.43，<0.05。亮度對比主效應顯著，=41.52，<0.05。亮度對比與顏色組合之間交互作用不顯著，>0.05。對顏色組合主效應進行事后多重比較表明：黃/藍、黃/黑、白/藍3種顏色組合的平均錯誤率顯著低于其他顏色組合；黃/紫、藍綠/藍2種顏色組合錯誤率顯著高于其他顏色組合，見圖4。將亮度對比主效應進行事后多重比較的結果表明：18∶1亮度對比的平均錯誤率顯著低于其他亮度對比，見圖5。

圖5 亮度對比平均錯誤率

在低載荷下，顏色組合主效應不顯著，=5.36，>0.05。亮度對比主效應不顯著，=34.67，>0.05。亮度對比與顏色組合之間交互作用不顯著，>0.05。對顏色組合主效應進行事后多重比較表明：16種顏色組合間平均錯誤率無顯著差異，見圖4。將亮度對比主效應進行事后多重比較的結果表明：4種亮度對比間平均錯誤率均無顯著差異，見圖5。

2.5 結果分析

由實驗結果可知，在高載荷與中載荷下，黃/藍、黃/黑、白/藍3種顏色組合的圖標搜索錯誤率最低，而黃/紫、藍綠/藍2種顏色組合的搜索錯誤率較高，這與Luria等[21-22]關于文字搜索與背景顏色研究的結論相似；亮度對比中18:1的搜索錯誤率最低，6∶1、9∶1和12∶13種亮度對比搜索錯誤率無顯著差異。然而，在低載荷下，亮度對比及顏色組合錯誤率均較低，搜索錯誤率無顯著差異。為深入研究亮度對比及顏色組合對認知績效的影響，實驗B在實驗A的基礎上加入了腦電研究，從而進一步解釋亮度對比及顏色組合對認知績效的影響機理。

3 腦電實驗

3.1 參與者

20名在校生（10名男生和10名女生），所有被試者年齡在20～24歲（=22.6，=1.14），所有被試者均未參加以上實驗，其余被試者要求與實驗A保持一致。

3.2 實驗材料、過程

實驗是在隔音、防磁和亮度可調的ERP/行為實驗室中完成的。實驗B的材料及流程均與實驗A一致。

3.3 ERP結果

采用MATLAB分析連續EEG，并對腦電數據進行預處理。在數據的分析過程中，將眼電或其他突出的偽影數據進行消除，共消除10%的偽影數據。亮度對比及顏色組合在不同載荷下的腦地形圖見圖6。在高載荷下，6∶1、9∶1和12∶1亮度對比及顏色組合顯著激活了枕葉腦區；18∶1亮度對比及顏色組合顯著激活了枕葉和前額葉。在中載荷下，6∶1、9∶1和12∶1的亮度對比及顏色組合激活了枕葉和前額葉腦區；18∶1亮度對比及顏色組合顯著激活了枕葉、右顳葉和前額葉。在低載荷下，4種亮度對比及顏色組合均顯著激活了枕葉、顳葉和額葉區域。

根據相關學者的研究，視覺成分主要分布在頂葉和枕葉[23-24]。因此，選取頂區（P3、Pz、P4）、枕區（O1、O2）作為分析電極，選擇ERP振幅在50～ 150 ms[25]的片段作為時間窗，采用3（1 000 ms，600 ms，200 ms）×5（電極）重復測量并分析P100組分。結果表明，時間載荷和電極之間交互作用不顯著，=1.96，>0.05；電極主效應顯著，=41.61，<0.01；時間載荷的主效應顯著，=12.36，<0.05；事后分析顯示，O2電極部位引起的平均振幅顯著高于其他部位。圖7顯示了O2電極在3種載荷下的平均P100波形，高、中載荷下18:1亮度對比及顏色組合P100波形的峰值及平均振幅顯著高于其他3種亮度對比及顏色組合，不同亮度對比后期趨勢較為相似。在低載荷下，不同亮度對比下P100波形的峰值無顯著差異。此外，在低載荷下P100波形峰值及平均振幅顯著大于中、高載荷。

圖6 亮度對比及顏色組合在不同載荷下的腦地形圖

圖7 O2電極亮度對比及顏色組合ERP波形

3.4 ERP結果分析

高載荷下視覺刺激的呈現時間較短，因此6∶1、9∶1和12∶1亮度對比及顏色組合中視覺刺激信息量較多與較短的認知時間發生沖突，導致枕葉腦區大面積被激活，而18∶1亮度對比及顏色組合使認知績效得到顯著提高，此時的枕葉和額葉均被激活。在中載荷下，識別時間偶有空余，6∶1、9∶1和12∶1亮度對比及顏色組合中前額葉均被顯著激活；18∶1亮度對比及顏色組合促進了認知績效的提高，此時的枕葉、額葉和顳葉均被激活。在低載荷下，亮度對比及顏色組合的呈現時間較充裕，被試者有時間進行思考、判斷和記憶等，腦區激活度相似。根據有關學者的[26]研究，視覺中樞位于距狀裂兩側的枕葉皮質內，枕葉區被優先激活，隨后激活額葉與顳葉，額葉皮質區與大腦中的高級思維活動存在一定的關聯性[27]，其主要有判斷、分析、記憶和思考等功能，顳葉皮質區主要有理解、記憶、聯想等功能。由此可見，枕葉、前額葉和顳葉共同參與視覺信息的存儲記憶[28]，其中枕葉區在亮度對比和顏色組合的視覺加工中起重要作用。

由圖6和圖7可知，在高載荷下，不同亮度對比及顏色組合的O2電極ERP波形變化趨勢相似，18∶1亮度對比及顏色組合對枕葉激活程度最高，其P100波形峰值及平均振幅顯著高于其他水平的亮度對比；在中載荷下，18∶1亮度對比及顏色組合對枕葉及前額葉激活程度最高，其P100波形峰值及平均振幅顯著高于其他水平的亮度對比；在低載荷下，實驗視覺刺激對枕葉、顳葉及前額葉激活程度趨于一致。由此可推斷出，目標搜索錯誤率與P100波形峰值及平均振幅存在相關性，激活程度越高，目標搜索錯誤率越低。

4 討論

文中利用心理學實驗中的記憶回溯范式，來研究車載界面中亮度對比及顏色組合對認知績效的影響。此次研究較先前實驗設計了更加嚴格、精確的實驗方法，主要包括以下方面：參照國際照明委員會的16種顏色組合及4種亮度對比作為實驗材料，來探究車載界面中亮度對比及顏色組合的最佳配置；模擬駕駛過程中的視覺刺激，通過高、中、低3種時間載荷隨機出現，以降低被試對知覺負載情況的預期；利用腦電生理實驗技術對行為實驗結果進行驗證，以降低實驗結果的偶然性。以上措施使呈現的實驗素材更加全面且不可預測，更加符合真實生活中的情況，實驗結果也更為穩定，真實反映了3種時間載荷下駕駛者對亮度對比及顏色組合的加工過程及認知機制。

在實驗A圖標搜索識別方面，被試者處于高、中載荷時，18∶1亮度對比的錯誤率顯著低于6∶1、9∶1、12∶1亮度對比的錯誤率，黃/藍，黃/黑，白/藍3種顏色組合顯著降低了圖標搜索錯誤率，而黃/紫、藍綠/藍2種顏色組合下的圖標搜索錯誤率顯著升高。說明在負圖像極性下，較高的亮度對比及顏色組合可以顯著提高認知績效。被試者處于低載荷時，亮度對比及顏色組合的錯誤率均無顯著差異。然而，根據行為實驗無法對實驗A的結果做出有效解釋，因此在實驗B中利用腦電實驗，成功在枕區O2電極處誘發了P100成分，驗證了此次研究中的3個假設，解釋了行為實驗的結果。在高、中載荷下，16種顏色組合構成的視覺刺激中亮度對比越高，枕葉腦區的激活程度越高，目標搜索錯誤率越低，因此18∶1水平下亮度對比及顏色組合高于其他3種水平，此時的P100波形峰值及平均振幅最高。在低載荷下，腦區激活程度趨于一致，P100波形峰值及平均振幅也無顯著差異，因此目標搜索錯誤率無顯著差異。

5 結語

根據此次的研究結果可以提出相應的設計準則：IVIS界面信息元素與界面背景應使用高亮度對比（18∶1），在緊急情況下，使用高亮度對比能顯著降低駕駛者搜索錯誤率，從而有效降低其駕駛中的事故率；IVIS界面設計中應選取黑色或藍色作為背景色，優先使用黃色或白色作為圖標文字等信息元素的顏色；車載數字界面中應避免使用黃/紫、藍綠/藍的顏色組合，不恰當的顏色組合可能會影響駕駛員的判斷與決策。由于顏色組合錯綜復雜，在今后的研究中，需要進一步深入分析亮度對比和顏色組合對駕駛員認知績效的影響機理，以及其與腦認知神經機制間的映射關系，并建立認知績效與駕駛狀態的疲勞曲線及定量分析模型。

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Effects of Luminance Contrast and Color Combinations on IVIS Interface Cognition

WU Zheng-xin, JIN Tao, GU Hao-ran, MING Cheng-ye

(College of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Petroleum (East China), Shandong Qingdao 266580, China)

The paper aims to analyze the cognitive mechanism of luminance contrast and color combination in the in-vehicle information system interface.Based on the perceptual load paradigm, in experiment A, with the experimental materials of 16 color combinations of four luminance contrast levels (6∶1, 9∶1, 12∶1, and 18∶1), the error rates under high, medium, and low loads were analyzed. In experiment B, an EEG research on the basis of experiment A was conducted. Experiment A: Under high and medium loads, the luminance contrast of 18:1 reduced the target search error rate significantly, while yellow on black, yellow on blue, and white on blue were the three color combinations with the lowest search error rate. However, there is no significant effect under low load. Experiment B: The topographic map of the brain area showed that under the 18∶1 luminance contrast and color combination visual stimulation, the brain areas of the occipital lobe, prefrontal lobe and temporal lobe were more activated. Compared with low load, the brain regions of high and medium load were less activated. ERP analysis found that under the 18∶1 luminance contrast and color combination visual stimulation, the peak value and average amplitude of the P100 curve of the O2 electrode were significantly higher than the other three luminance contrast and color combinations. High luminance contrast (18∶1) should be preferred for information elements and interface background in the interface of in-vehicle information system. In terms of color matching, black or blue should be selected as the background color, and yellow or white as the color of information elements such as icon and text.

IVIS interface; ERP; Luminance contrast; color combinations; cognitive performance

TB472

A

1001-3563(2022)10-0108-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.10.012

2021-12-14

國家自然科學基金項目（52075547）

吳正新（1997—），男，碩士生，主攻工業設計。

金濤（1980—），男，博士，副教授，主要研究方向為工業設計。

責任編輯：馬夢遙