夜間城區可變信息標識的易讀性和舒適度研究

何 滎，劉嫄嫄，劉駿宏，張昕爍，任秋鋼，邱卓濤

(1.重慶大學建筑城規學院，重慶 400045；2.重慶大學山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045；3.福建工程學院設計學院，福建 福州 351000)

引言

交通標識系統是確保道路交通安全的重要基礎設施，通過交通標識系統，駕駛員可獲知道路交通規則，同時道路交通管理部門也可發布警告及指導信息，因此，可變標識及其文字應具有良好的可視性、易讀性及舒適性。相比白天明亮的環境，夜間環境亮度和駕駛員視覺生理的變化，帶來了視覺識別能力降低、顏色感知能力下降及判斷能力下降等問題[1]。

可變信息標志(Variable-message signs，以下簡稱VMS)是一種重要的交通標志，近年來在交通管控中得到了廣泛的應用。VMS能夠通過發布即時的交通信息幫助駕駛員及時調整其駕駛行為，減少交通事故，緩解交通擁堵，提高道路交通效率[2]。目前，發光二極管(LED)已廣泛應用于交通標識照明及VMS。由于自發光LED的亮度可以達到8 000 cd/m2或更高，使得VMS不僅可用于夜間，還可用于白天。如不加控制地在夜間采用高亮度VMS，導致其最高亮度值遠遠超過駕駛員在夜間環境下的亮度適應范圍，帶來眩光干擾，并影響可見度及舒適度；同時，由于VMS亮度設置缺乏相應的規范[3]，使得目前VMS亮度設置無章可循，隨意性大，影響了駕駛員夜間視覺舒適度及對VMS標志的有效識別。

易讀性(legibility)是評價能否看清交通標志的重要指標，交通標志易讀性通常以閾值的形式報告，這些閾值通常是在靜態的觀察條件下確定，且觀察者有足夠長的時間來閱讀交通標志[4]。一般而言，較高的亮度可提供較長的易讀距離[5,6]，研究人員研究了夜間交通標志的最佳和最小(替換)亮度水平，最佳亮度通常指易讀性函數的最大值，最小(替換)亮度表示標志無法滿足其夜間視認功能的臨界點，并獲得了傳統交通標志的最佳亮度范圍為75～80 cd/m2[4,7-13],最小亮度范圍為2.3～3.9 cd/m2，這些研究成果也被歐洲交通管理部門采納為交通標志亮度標準[2]。

國內外相關研究工作者對自發光信息標志中的文字、字母及圖案的最佳亮度水平也開展了廣泛而深入的研究，提出了不同環境亮度下的最佳亮度值,如Padmos等[14]通過現場實驗研究，建議白天采用4 000 cd/m2、晚上采用100 cd/m2，以確保視看舒適有效。同時，美國[15]、歐洲[2]、澳大利亞[16]及中國[17-19]等國家還對VMS顯示顏色做了規定，其顯示顏色主要為紅色、綠色、黃色、藍色和白色，但相關規范均未針對不同顏色提出相應的亮度控制標準。

近年來，隨著科技的發展和技術的進步，LED的發光效率、亮度指數、色彩性能和控制模式等技術參數都發生了很大的變化，這導致了基于LED點陣的VMS也發生了相應的變化；同時，近年來夜間城市交通環境也發生了很大變化，這使得以前關于交通標志最佳和最小(替換)亮度的研究成果已不能滿足現有VMS管控的需求。因此，在夜間不同環境背景亮度條件下，基于VMS典型顯示顏色，通過視覺功效和舒適度評價實驗，開展駕駛員易讀性及視舒適實驗，進而了解VMS字體亮度、字體顏色和背景亮度對易讀性及視舒適影響。易讀性影響研究已經在相關文獻[20]上發表，本文結合易讀性研究成果，開展對視舒適的研究，并獲得不同亮度對比及不同字體顏色下的最佳亮度區間。這些成果將有助于確保駕駛員夜間行駛的安全和舒適，并為VMS相關管控標準的制定與修訂提供依據與基礎。

1 實驗方法

采用視覺功效法和舒適度主觀評價法研究VMS字體亮度、字體顏色和背景亮度對易讀性及視舒適的影響。易讀性是確保有效視覺識別，從而促進安全駕駛的首要條件，而舒適性可保證駕駛人員的易讀性及警覺性，降低疲勞感，因此，易讀性及視舒適對于道路安全都十分重要。實驗通過評估測試參與者對Landolt-C環開口方向的判斷來測量易讀性；采用主觀評價法評價舒適度。易讀性實驗因變量為識別正確率，并使用平均視覺識別準確度達到95%作為滿足駕駛易讀性的評估標準；舒適度實驗因變量為主觀評價是否舒適，并使用滿意率超過50%的人數作為舒適度評估標準。相應的VMS背景亮度、字體顏色和字體亮度為自變量，通過視覺功效實驗及主觀舒適度評價方法，研究VMS字體亮度、字體顏色和背景亮度對易讀性及視舒適影響。

1.1 VMS背景亮度的確定

VMS散布在城市中不同區域，而不同城市區域具有不同的環境背景亮度，其中亮度差異會不可避免地影響駕駛員對VMS的可見性及字體的易讀性，為了解VMS背景亮度狀況，并為實驗提供基本數據，我們以重慶為例對重慶地區VMS背景亮度進行調研測試。

由于VMS背景物種類多,包含：道路、建筑、天空、樹木及光源等多方面因素，且不同類型背景物亮度差異大，因此很難準確確定背景亮度。為此，參考國際照明委員會計算隧道口平均亮度的L20方法獲得VMS平均背景亮度[21,22]；具體方法為在調研VMS時，用魚眼鏡頭從駕駛員視線方向拍攝路面及VMS，同時對不同背景物及VMS顯示字體亮度進行測量；在此基礎上根據車輛行車速度確定停車視距和視角，進而計算出平均背景亮度值(式1)。本研究設定城市道路行駛速度為40 km/h,相應的動態視野為100°(圖1)，結合式(1)可計算出VMS平均背景亮度值。

Lavg=γ·Lc+ρ·Lr+ε·LB+τ·LO

(1)

其中，Lavg為平均背景亮度；Lc為天空亮度，γ為天空所占視野面積的百分比；Lr為道路亮度，ρ為道路所占視野面積的百分比；LB為建筑亮度，ε為建筑所占視野面積的百分比；LO為其他元素亮度，τ為其他元素所占視野面積的百分比。

圖1 背景亮度環境簡圖法示意 (a)魚眼鏡頭圖像及動態視野劃分；(b)100°視角范圍；(c)背景亮度各元素組分劃分

我們共調研了重慶地區的75塊VMS，并通過L20方法獲得相應背景亮度平均值Lavg。我們發現根據VMS所處環境及背景元素的不同，平均背景亮度有很大的差異，為減少實驗工作量，我們根據測試背景亮度分布狀況將背景亮度劃分為高、中、低三個等級，分別對應0.1、1.0 cd/m2和3.0 cd/m2。

1.2 字體顏色的確定

LED道路交通誘導可變信息標志中規定，VMS字體顏色可采用白、藍、紅、綠及黃色[18]。結合重慶地區75塊顯示屏字體顏色調研，發現所有字體顏色均為紅、綠及黃色(圖2)。因此在實驗中采用紅(0.63,0.33)、綠(0.427,0.518)和黃色(0.21,0.71)作為顯示屏字體顯示顏色，開展視覺功效及視舒適評價實驗。

1.3 字體亮度等級確定

在不同背景亮度下，同樣的目標物亮度具有不同的心理感覺量，因此，本實驗以字體亮度的心理比例量表來對不同顏色及不同背景亮度的字體識別正確率開展實驗研究。一般而言，心理量ψ是亮度L的冪函數，這也被稱為Stevens定律(式2)，心理量表通常采用的單位為bril，0 bril為在亮度3.183 × 10-3cd/m2的環境下，適應黑暗的眼睛恰可看見的亮度。由于人眼在不同的環境亮度下具有不同的光適應水平，因此式(2)中各參數值會隨環境亮度的改變而改變，隨著環境背景亮度的增加，k值變小，指數β輕微變大，而閾值L0則變得非常大[23-25]。

ψ=k(L-L0)β

(2)

其中，ψ是觀察者在給定觀看條件下提供的亮度刺激L中感知到的心理物理量值(bril)，k和β是取決于觀看條件的常數，L0是閾值(cd/m2)。

根據Stevens定律，我們可以得到不同背景亮度條件下亮度刺激與心理物理學量感知之間的關系。根據中國標準規范要求，夜間紅色、綠色和黃色顯示器顏色的亮度值應分別不超過250 cd/m2、450 cd/m2和700 cd/m2[18]。因此，不考慮顏色的影響，我們實驗中設定的亮度上限不低于700 cd/m2。

在本實驗中，我們使用1 bril作為實驗的起點，并通過增加感知的心理物理量來確定后續點。當感知的心理物理量值的相應目標亮度值超過700 cd/m2時，該值或下一個值被用作終止點。我們假設3 bril為間隔，在背景亮度為0.1、1.0 cd/m2和3.0 cd/m2時，分別獲得了18、16和15個實驗點(表1)。

圖2 重慶地區VMS字體顯示顏色

表1 不同背景亮度條件下的目標物(字體)亮度值

1.4 Landolt-C尺度

如前所述，VMS顯示文本字體的大小與所需的識別距離有關。因此，如果速度或識別距離增加，文本大小應相應增加。根據中國交通標志規范，城市道路限速通常為40 km/h，VMS中的漢字高度為350 mm。因此如果我們想在實驗中模擬相同的視認狀況，我們需要采用與實際情況相同的實驗環境來測試VMS字體易讀性及舒適度。

此外，由于漢字的筆畫很復雜，使用頻率差異也很大，這對統一實驗參與者的認知帶來了困難。因此，為了統一測試參與者的認知水平，使用Landolt-C環作為識別對象，并用其認知準確性來表示易讀性水平。

由于漢字筆畫與Landolt-C環的復雜性不同，因此從視覺識別的角度來看，漢字和Landolt-C環不能簡單地認為是1∶1的關系，人們對這兩種對象的識別水平會有所不同。因此，應確定漢字與Landolt-C環之間的比率轉換系數KC。邱卓濤[26]通過研究漢字和Landolt-C環之間易讀性，獲得了漢字與Landolt-C環之間具有相同易讀性時的轉換系數KC為1.79。

根據標準對數視力表，中國駕駛員的視力要求是裸眼或矯正視力應大于4.9。也就是說，當E視標的高度為9.155 mm時，可以從5 m的距離中區分字符的方向。根據張伯明[27]的研究，漢字與E視標之間的轉換系數KE為3.07。在E視標與VMS實際文字高度之間的視力相同的情況下，裸眼或矯正視力為4.9的駕駛員的閾值距離為62.3 m。

因此對于特定的視角，視覺識別距離與相應的視覺識別高度應成正比。實驗中，受試者與顯示屏的標準距離取10 m。根據先前轉換關系實驗得出的轉換系數KC、漢字高度(350 mm)以及視覺識別高度與視覺識別距離之間的比例關系，可在實驗中計算Landolt-C環的高度，如式(3)所示：

(3)

其中，h為Landolt-C環高度，HC為VMS中文字體高度，KC為中文字體與Landolt-C環轉換系數，DD為實驗視認距離，DL為實際視認距離。

1.5 實驗地點和設備

本實驗地點為重慶大學建筑城規學院負一樓建筑物理實驗室走廊，該走廊無天然光，因此可在全天開展實驗。實驗采用一塊P1.25 mm的高精度LED顯示屏，顯示亮度能達到實驗要求；實驗還采用了柯尼卡美能達CS-150數字亮度計,可調光LED燈具；實驗背景采用亞麻布貼于墻面模擬背景亮度。

圖3 實驗位置及場景 (a)實驗位置；(b)實驗場景；(c)實驗中的Landolt-C顯示

1.6 受試者

本次實驗選擇了28個年齡18～25歲之間的青年學生作為受試者，受試者均具有合法機動車駕駛證、裸眼或矯正視力達到標準視力表4.9及以上，且無眼部疾病及視覺缺陷，并無其它視覺疲勞因素的影響。同時由于視力較好的受試者會具有更好的視覺能力，并能分辨更小的目標物，因此為了統一所有受試者的視覺水平，通過調整視力較好受試者的觀看距離，使其視看目標物均保持在閾值狀態，從而統一所有受試者的視覺水平。實驗采用式(4)來確定良好視覺受試者的實際實驗距離。

(4)

其中d是調整后的視看距離，h4.9是視力水平4.9的E視標高度，hx是視力水平為x的E視標高度。

根據張伯明[27]研究，對單個漢字而言當其呈現時間超過0.2 s即可獲得識別漢字的充足視覺信息。因此，考慮到受試者個體差異及操作誤差等因素，實驗設置0.4 s作為Landolt-C環呈現時間，并在每次呈現后設置2 s的時間間隔用于受試者判斷Landolt-C環開口方向，操作人員記錄相應判斷結果。

1.7 實驗程序

本實驗將28名受試者隨機分為8組，每組3～4人。本實驗采用被試內設計方法，即每個受試者均輪流接收各種實驗條件。在本實驗中，三種背景亮度是獨立的常數，三種顏色的坐標也是固定的，只有Landolt-C環亮度是變量。因此，本實驗可分為9個條件。在每種條件下，顏色和背景亮度是恒定的，Landolt-C環亮度是可變的。為了減少亮度變化序列效應的影響，以隨機形式呈現Landolt-C環亮度。

具體實驗流程如下：首先，一組受試者進入現場，熟悉實驗環境；然后通過抽簽確定實驗順序；接下來，讓受試者觀看實驗樣本，并讓他們熟悉實驗過程；最后，每個測試參與者在9個預設條件下以隨機順序進行實驗。在每組中，第一個測試參與者完成實驗、休息，等待其他測試參與者完成實驗，然后開始下一輪實驗，一直持續到9個預設實驗完成。

當實驗開始后，在選定條件下，使用MS PowerPoint自動播放程序在顯示屏上播放Landolt-C環，開始播放后，Landolt-C環出現并持續0.4 s，然后消失。間隔2 s后，隨機出現另一個Landolt-C環，并重復上述過程20次,每次受試者需報出Landolt-C環開口方向，并在完成每個視標亮度測試后對該亮度是否感覺舒適進行評價；之后開始第二種亮度值的測試，直到測試完該條件的所有亮度值。當完成該條件測試后，受試者還需要在所有亮度值中選擇他認為最舒適的亮度值，且該值僅允許選擇一個。測試操作人員記錄受試者相關測試數據。

2 結果與討論

實驗結果包括易讀性及視舒適兩部分，易讀性實驗研究獲得了滿足駕駛員能見度要求的視覺目標亮度值、不同顏色在不同背景亮度下的亮度區間和最佳亮度(表2)、不同顏色在不同背景亮度下的變化趨勢。視舒適采用主觀舒適度評價，舒適度的評價受到多種主觀和客觀因素的影響，研究對超過50%的受試者認為舒適的范圍確定為舒適亮度范圍，而舒適度的最佳亮度為所有受試者選擇數量最多的亮度值。由于不滿足易讀性的舒適度是沒有意義的,因此最佳亮度區間不僅要滿足舒適的要求，同時還應滿足易讀性的要求。

表2 不同背景亮度下不同顏色對應的滿足易讀性要求的最佳亮度和亮度區間值

2.1 相同背景亮度不同字體顏色

在相同背景亮度條件下(分別為0.1、1.0 cd/m2和3.0 cd/m2)，隨著Landolt-C亮度的增加，舒適度評價人數逐漸增加，且當舒適度評價人數到達最高值后，舒適度評價人數隨目標亮度的增加而下降(圖4)，實驗獲得了不同背景亮度下不同顏色對應的最佳舒適亮度和舒適亮度區間(表3)。

由舒適性實驗及易讀性實驗結果可看出，滿足易讀性要求的亮度間隔與滿足舒適度的亮度間隔不僅不重合，而且還有較大的差異。我們發現在低背景亮度下(0.1 cd/m2)，紅色滿足舒適度的亮度間隔位于滿足易讀性亮度間隔范圍內，而綠色滿足舒適度的亮度范圍則偏向低亮度區域，這與易讀性區域出現了較大的差異，相應的黃色滿足舒適度的亮度范圍與滿足易讀性的亮度范圍也有較大差異。中高背景亮度下(1.0 cd/m2和3.0 cd/m2)，紅色滿足舒適度的亮度間隔仍然位于滿足易讀性亮度間隔范圍內，綠色及黃色滿足舒適度的亮度范圍同樣偏向低亮度區域，且與易讀性區域出現了較大差異。由最佳舒適度評價數據，我們發現隨背景亮度變化，最佳舒適度亮度值也出現了變化。紅色最佳舒適度在三種背景亮度下變化不大；黃色及綠色最佳舒適度隨背景亮度的增加而增加。同時最佳舒適亮度值并不完全是具有最佳易讀性的亮度值，尤其是紅色及綠色。

圖4 相同背景亮度不同字體顏色舒適亮度(左)及最佳亮度(右)評價 (a)0.1 cd/m2；(b)1.0 cd/m2；(c)3.0 cd/m2

表3 不同背景亮度下不同顏色對應的最佳舒適亮度和舒適亮度區間

由表2和表3可知，不同背景亮度下不同顏色VMS字體對應的易讀性和視舒適的亮度間隔(范圍)及最佳亮度值均不相同，因此如果要獲得同時滿足夜間易讀性及視舒適需求的亮度區間，則需要取易讀性實驗及視舒適實驗的交集，結合表2及表3，得到不同背景亮度下不同顏色對應的最佳亮度區間，由于易讀性及視舒適最佳亮度值差異過大,因此不考慮最佳亮度值(表4)。

表4 不同背景亮度下不同顏色對應的最佳亮度區間

2.2 同一字體顏色不同背景亮度對視覺舒適度影響

為了解不同背景亮度對主觀舒適度的影響，以視標心理物理量亮度值為橫坐標，主觀舒適度評價人數為縱坐標，對相同顏色字體不同背景亮度主觀舒適度進行比較。對于給定的文本顏色和背景亮度，目標亮度的增加會提高主觀舒適度；這種增加達到峰值后，隨目標亮度的增加會導致主觀舒適的降低(圖5)。

由圖5可知，對紅色字體，如要滿足視覺舒適度，則低背景亮度下需要較高的視標感知心理物理量，中高背景亮度下則需要較低的視標感知心理物理量；對綠色字體，滿足視覺舒適度的視標感知心理物理量差異不大，低背景亮度略低；對黃色字體，滿足視標感知心理物理量高背景亮度略高，中低背景亮度差異不大。綜上，紅色對背景亮度變化較為敏感，黃色次之，綠色最不敏感。

2.3 同一背景亮度下亮度對比對視覺舒適度影響

通過結合易讀性與視舒適實驗，得到了在不同背景亮度和視覺目標顏色下，同時滿足易讀性及視舒適的亮度區間，并可用于獲得最佳亮度對比度范圍(表5)。由表5可知，最佳亮度對比區間與背景亮度值密切相關。當背景亮度較低時，需要高亮度對比度以獲得合適的易讀性及視舒適；然而，隨著背景亮度的增加，所需的亮度對比度逐漸降低。

圖5 相同字體顏色不同背景亮度主觀舒適度評價(a)紅色；(b)綠色；(c)黃色

表5 不同背景亮度下不同顏色對應的最佳亮度對比區間

2.4 研究不足

研究基于易讀性閾值，測試參與者為具有良好視覺能力和反應能力的年輕人。因此，所獲得的實驗結果能夠滿足青少年的易讀性及視舒適的要求。然而，隨著年齡的增長(即中年和老年人)，視覺能力將逐漸退化，響應時間及對亮度的敏感度將降低。因此，進一步研究應確保不同年齡的人能夠在夜間從VMS獲得滿足易讀性要求的信息，并保證視舒適。同時，如何評價標志亮度、背景亮度和尺寸相互作用對VMS標志夜間易讀性及視舒適的影響也是一個重要的研究內容。

3 結論

本研究主要評估VMS字體亮度、字體顏色和背景亮度對易讀性及視舒適的影響，從而獲得滿足駕駛員易讀性及視舒適要求的VMS字體亮度區間。結果表明，不同顏色在不同背景亮度下易讀性及視舒適均具有不同的亮度區間和最佳亮度，結合易讀性及視舒適要求，推薦了不同背景亮度下，不同顏色VMS字體的最佳亮度區間。本研究對于確定VMS字體的合理亮度、提高道路交通的安全性和效率具有重要意義。在未來，這些研究結果有望作為VMS設置和管理的提供依據與參考。