服飾警示用色測評方法與標準研究進展

林瑞冰,黃玉冰,曹竟文,熊楓情,徐平華,b,c

(浙江理工大學, a.服裝學院;b.浙江省服裝工程技術研究中心;c.絲綢文化傳承與產品設計數字化技術文化和旅游部重點實驗室,杭州 311106)

警示類服裝通過適當的色彩、材料和造型設計,增強著裝識別性,起到距離感知和判別作用,對預防事故的發生,保護人們生命安全發揮著重要作用[1-2]。警示服裝通常分為職業性和非職業性警示服,前者主要應用于道路交通和救援活動中,如消防、交警、環衛等特殊職業著裝;后者廣泛用于如登山、夜跑等低辨識性環境下的活動,也用于保護老人、兒童出行安全。有別于軍用偽裝服飾,警示服的用色更著力于引發視覺刺激,聚焦著裝識別性。如何有效測評服裝警示功效,服務相關服飾產品設計和性能優化,成為該領域研究關注的重點之一。

當前,國內外有關服飾警示用色的測評主要集中在心理和生理層面,通過主觀調查、儀器測量以及圖像分析技術,對服飾設色刺激程度進行評估。主觀調查法著重研究基于個體受到顏色刺激所產生的記憶聯想,根據不同顏色觸發的情緒反應及其潛在的動機狀態對警示服飾用色進行評估[3];儀器測量法側重于評估受試者受到視覺刺激后行為和注意力的反饋表現[4];圖像分析則主要通過圖像、視頻等記錄載體,計算服飾與背景的顏色差異,評估服飾警示用色刺激程度[5]。主觀調查法及儀器測量法受被試者個體反饋差異影響,其結果穩定性差、重現性弱、試驗代價高且周期較長。圖像分析法雖具有快速、便捷、低成本的優勢,但一定程度上脫離了受試者反饋,與主觀感受之間的關聯性構建尚不完善,測評方法仍有待進一步完善。

為此,本文在梳理、總結當前國內外服裝警示用色測評方法和現有標準的基礎上,對測評方法中存在的問題進行分析,探討該研究方向尚需優化之處,為高識別性警示類服飾研發提供參考。

1 服飾警示用色測評方法

當前,服飾警示用色測評方法主要分為主觀調查法、儀器測量法以及圖像分析法,前兩類方法著重對個體心理或生理感受進行測評,圖像分析法側重于以機器視覺重現共性感受,方法研究和應用進展如下。

1.1 主觀調查法

主觀調查法通過搜集調研對象的主觀感受,研究經驗認知對顏色感知效果的影響以及產生的知覺刺激程度,與受訪者個體意識反饋緊密聯系,包括訪談法和觀測法。

1.1.1 訪談法

訪談法是一種使用廣泛的方法,通過設置針對性問題或選項,分析調研問卷的結果和被訪談者的主觀感受,對服飾用色的警示效果進行主觀評估。相關研究[6-7]通過設計問卷調研色彩聯想與個人經驗的關聯,探索不同色彩與觀念之間的固有印象。Shoji等[8]在問卷調研的基礎上加入實地情景觀察環節,以一對一訪談的形式了解被調查者的主觀感受和偏好,研究不同騎行警示背心的警示相關性和效果。Jeong等[3]結合問卷與開放式問題研究不同警告設計參數的實際風險感知,發現群體對警告設計存在共性認知與個性認知,個性風險認知受個人偏好和經驗的影響。Bopape等[9]以論題研討小組的形式獲取個體對警告標簽的認知并總結群體共性感受,發現警示性色彩在背景中的可見性能夠增加風險感知,提高警告有效性。上述方法僅通過文字描述總結相對性的警示效果,數據精度低,且多從全局出發,對服裝細部結構的關注偏少,其結果不能直接用于再設計和生產指導,通常與其他實驗結合,作為補充論證的手段之一。

1.1.2 觀測法

觀測法是指被試者通過觀察服飾樣本或視頻、圖像后,在心理反應量表上對其呈色顯著性進行評分或排序,根據統計結果對目標的警示性進行評級,如圖1所示。沈雷等[10]對戶外騎行服道路警示效果進行測評,參與者通過實地觀察騎手在道路騎行的可視性表現,按照主觀評價量表填寫觀測效果。Sakamoto等[11]、Karlsen等[12]則采用觀察圖片的形式對目標色彩的警示性進行打分,評估其能見度。Iizuka等[13]利用改進的感官統計評價法進行色彩警示性測評,融合感官統計評價法和配對比較法,將不同警示顏色的樣本兩兩排列放置進行顯著性分級。主觀評價量表采用等級制刻畫警示效果,但是由于其設計質量對結果準確性的影響較大,一旦偏倚參與者的反應,會導致結果可靠性與客觀性的降低[14]。并且,由于主觀選擇會引入偏見,其結果不能完全代表共性感知。

圖1 觀測法基本流程Fig.1 Pipelines of observational methods

1.2 儀器測量法

儀器測量法利用儀器記錄受試者在特定場景下的生理反饋數據,分析警示色彩的刺激效果,主要分為行為實驗法和神經電生理測量法兩類。

1.2.1 行為實驗法

視覺信息和大腦反應之間的交互機制有效驅動注意力和行動的處理[15-16]。行為實驗法從生理學角度出發,采用觀察法研究受試者面對警示色時的刺激反饋,評估警示服用色的可視性。現有研究嘗試不同行為實驗獲得更準確的警示色評估結果,表1列舉了典型研究的操作流程,并對其優缺點進行了引述。

表1 行為實驗研究方法Tab.1 Research methods for behavioral experiments

1.2.2 神經電生理測量法

神經電生理技術的發展,為研究大腦認知活動過程提供了新的方法。生理學測量的進步使得人類神經系統與彩色刺激的關聯研究取得了系列進展,借助事件相關電位技術可以感知在不同顏色刺激下的警告信號的神經關聯[25-26],方法示意圖如圖2所示。Guo等[27]在腦機接口上配置不同顏色視覺刺激模式,比較不同色彩刺激范式的準確率。相關研究[28-30]結合神經電生理分析實驗與其他補充實驗更充分地驗證警告色彩效果,驗證了警示色導致的危險感知差異與不同ERPs成分的相關性,通過分析誘發的ERPs成分振幅推測色彩的刺激類型和刺激強度。相比于行為實驗,神經電生理分析法從人體中直接觀測提取生理指標進行分析,其缺陷在于相關實驗布置與波形分析需要大量的時間和復雜的操作,實驗成本較高,效率較低。除此之外,由于儀器導致難以實現實地實驗,研究結果與人們面臨危險時的真實反應結果吻合度未知[28]。

圖2 事件相關電位技術方法示意Fig.2 Pipelines of event-related potential technique methods

1.3 圖像分析法

圖像分析法是指在模擬現實環境下,以觀察者的視角拍攝警示類服飾照片或視頻,對單張圖像或視頻幀進行分析,側重于警示用色的共性感知評估,具體方法示意如圖3所示。常規的圖像分析法以客觀成像代替受試者主觀感受測評警示材料的可見度,減少個體視覺差異對結果的影響。Li[5]使用圖像分析法對中小學生校服道路安全性能進行評估,在黑暗環境下對校服的正面與背面進行拍攝,通過閃光燈測試校服的反光材料和光致發光材料在黑暗環境下的可見程度。類似方法[31]通過圖像高可視性顏色的面積占比或輪廓剪影完整性來驗證安全警示服的可視性,只能通過圖像載體判定高可視性材料展現的形狀和亮度,尚未有可視性評級方法研究報道,相關標準也未建立,且在非發光面料和非反光面料上效果不佳。

圖3 圖像分析法示意Fig.3 Pipelines of image analysis methods

從突出色彩對比的角度出發,相關研究引入了視覺注意力模型[32-33],模擬人眼對服飾呈色注意共性選擇機制,計算目標和背景物體的顏色差異。提高服飾警示色彩的視覺顯著性有助于縮短人眼視覺捕捉并注意警示色彩的時間。色彩空間距離是視覺顯著性的決定因素之一[34],已被廣泛應用于圖像色彩的解析[35-36]。Mina等[37]以目標和背景的色彩空間距離作為度量評估工人警示服顯著性,并引入懲罰系統進行評級。Stors?ter等[38]利用直方圖可視化地呈現警示目標和背景的對比度水平。Friedrich等[39]在研究目標和背景對比度的基礎上加入了與干擾物的色彩對比度度量,通過三者綜合估計目標顯著性。借助計算機圖像處理技術優化常規圖像分析法,能夠實現警示用色效果的快速評級和比對。然而,色彩空間距離無法完全代表真實的視覺顯著性。徐平華等[40]針對眼動追蹤實驗在評價多用戶視覺聚焦差異方面的缺陷,提出一種基于圖像融合的共性視覺熱區評價方法,以可視化的方式展現受試者共性視覺聚焦程度。孫菲菲等[41]從機器視覺角度檢測圖像色彩視覺顯著性,提出批量評估服飾色彩設計的方法,為快速優選警示色提供了新的思路。此類研究一定程度上彌補了基于形態的圖像分析法缺乏量化評級標準的缺陷,為非發光和非反光面料提供了可行的圖像分析方案。但在主客觀感知一致性論證方面,還存在忽略因經驗產生的目標人群群體認知偏見的問題。

2 國內外警示用色標準

警示設色要求視覺刺激性強,與服飾材質、服飾本色、著裝環境、人體膚色等形成一定的區別度,便于迅速指示危險。此類設色規范運用于服飾設計,以保障工作人員或行人的安全。當前,針對不同環境的警示色尚未有統一的測評方法,但是各國對警示用色的規范性進行了規定。表2列出了相關國家或地區的警示色規范標準和警示性服飾的設計要求。

表2 警示色彩規范標準與服飾設計要求Tab.2 Color standard and design requirements for warning products

根據表2所列相關標準,以下從色值、方位可視性方位和對比度3個角度進行分析。

a)色值:各國的警示色多采用色彩純度較高、亮度較高的顏色,如中國GB 20653、美國ANSI/ISEA 107、歐洲EN ISO 20471等各國家和地區的警示服標準都使用了熒光黃、熒光橘紅和熒光紅作為基底顏色,配合反光面料的使用,使服裝起到高可見性的警示作用。以中國GB 20653—2020《防護服裝 職業用高可視性警示服》的警示服裝用色規定為例,使用Yxy表色系統,基底顏色參數范圍如表3所示。此類警示標準均采用測色儀器在規定的實驗環境下評估警示色。

b)方位可視性:GB 4303、EN ISO 20471與JATRAS 001中都要求警示產品的360°高可視性,且該類材料應覆蓋服裝的各個方位。警示服裝根據其實際的應用要求形成不同的款式,并且穿著者的身體活動不同,導致服裝隨著運動被遮擋的部位有所差異,因此有必要根據警示服的款式和具體應用領域深入分析和規劃設計高可視性材料的位置。

c)對比度:中國、歐洲和日本的高可視性安全標志色標準都采用黑白對比色提高警示產品可視性,但是未說明不同色彩搭配與實際環境的適配性。美國警示色彩標準規定警示產品的顏色與視覺環境必須形成高對比度的效果。但是缺少評估警示色彩與實際環境對比效果的方法與判斷最高對比度的評估標準。

3 存在的問題

3.1 理論依據

現有的警示色標準如ANSI、ISO及國標中均制定了警示色面料的測試標準和警示用品的色度和亮度規范,并且指定標準測試環境和儀器。GB/T 3979—2008《物體色的測量方法》通過光譜光度計、光電積分測色儀器測定三刺激值和色品坐標,或使用目視色度計篩選匹配的濾色片色號。

然而,警示色需要在警示服飾的實際應用環境中具有高安全警示性和有效可識別性,警示服飾的應用場合廣泛,時空具有復雜性和多樣性。在時間和空間的變化下,不同警示色的效果有所差異,因此警示效果并非簡單地通過面料本身的顏色進行評估。此類標準側重于測評面料本身的亮度和色值,無法代表多變環境下的色彩警示效果。同時,常規的實驗方法難以提供復雜、多樣的實驗環境,不同時間和環境的對比實驗次數有限,勢必造成測試結果適用性的局限和與客觀結果的偏差,從而影響測評結果。研究出能夠高效提供多種實驗環境并完成不同環境下測評的方法,保證測評的有效性和普適性,存在一定的難度,需要進一步地深入研究。

3.2 研究方法

在三類警示效果測評方法中,主觀調查法需要人為設置問卷或訪談的問題,其缺點在于調查結果依賴于問卷質量,而問卷設計依賴于設計者的想法,導致其質量受主觀偏好影響。同時,該方法難以對色彩警示效果進行系統性評級。儀器測量法中前期準備和實驗過程消耗的時間長,實驗次數受限,無法進行大規模實驗,因此受試者個體間的反應差異對實驗結果影響較大,人為因素也容易導致誤差的發生。圖像分析法以計算機視覺預測受試者共性視覺認知并量化結果,產生評級標準,人工介入程度較低,但是該方法僅針對圖像本身顏色進行評估,忽略了由于不同社會地位和生活環境產生的認知經驗對受試者的風險感知產生的影響,即受試者真實反饋。綜上,現有方法難以兼顧便捷性和主客觀測評結果一致性。為此,結合圖像分析法便捷及時的優勢和主觀調查法與儀器測量法緊密聯系受試者的優勢,設計可以實現主客觀高度一致的客觀測評方法尤為重要。

3.3 測評應用

服飾警示用色測評的最終落腳點為警示服飾的設計和應用,而在商業化產品中成本是重要因素,因此測評警示色所需的成本尤為關鍵。測評儀器的成本主要包括信息采集設備、模擬目標環境所需的配置與實驗設計和操作所需的人力成本。現有的不同測評方法中,儀器測量法所需部分信息采集設備如無線電傳感器、眼動儀等價格昂貴;主觀調查法需要大量的被調查者來保證結果的準確性和代表性,所需人力成本較高;現有的圖像分析法缺乏圖像數據集,圖像搜集耗時較長。

綜上,現有的測評方法存在著人力成本、物力成本或時間成本高昂的問題,因此有優化的必要。相比起主觀調查法與儀器測量法較高的成本消耗,圖像分析法中以計算機視覺預測人眼視覺的思路能夠減小時間成本、節約人力、物力成本,其缺陷在于沒有大規模的警示色測評圖像數據集,無法進行方法之間效果比對。未來可借助深度學習技術進行警示色的定量評價,提高不同應用場景下警示色測評的魯棒性和效率,減少測評時間和成本。

4 發展方向

警示色評價受到實驗環境、時間等多方面因素的制約,測評結果針對性強,難以滿足商業高效、批量化的需求。準確、高效的測評方法是合理設計和應用警示色的基本要求,因此需要在方法普適性、準確度、便捷性等方面進行優化,提出有能力高效客觀測評出警示色性能的方法。根據本文對服飾警示用色測評的整理和分析,測評方向和技術可在以下幾個方面進一步研究發展。

a) 復雜背景下的快速測評技術:警示服裝應用場景復雜,單純地評估服裝本體,失去了環境干涉因素的制約,容易導致評測失真。目前的警示色標準的測評是靜態的、孤立的,而警示服飾的應用領域是多樣的,如何結合空間和時間進行警示色評級尚未有統一的標準。同時,測評速度是衡量測評方法實用性的關鍵因素之一。現有方法得出的差異性結論大多源于僅包含少數色彩的調研或實驗分析,并且分析過程的人工依賴度較高,無法批量快速比對色彩的可視性和警示效果,得出的結果十分有限,因此需要提高測評流程的智能化。隨著數字化技術水平的提升,已有研究者將計算機圖像處理技術用于測評警示色的可視性來達到高效、高普適性的目的,但是基于圖像的測評前提是警示目標的定位,因此目標自動識別和定位技術的提升是研究的關鍵之一。同時,物體受到視覺關注的程度并非僅受色值這一單因素影響,而是色彩面積、位置等多因素聯合產生的結果[42]。因此,簡單地疊加前景背景所有像素色值計算對比度所得的結果無法準確代表真實的警示色顯著性,其優化方法也是可深入研究的方向之一。

b) 主客觀感受一致性:可見性和警示信息的傳遞效果是影響警示用色效果的重要測評指標[8, 43],受試者的反饋是警示信息的傳遞效果的重要評估依據,因此需要重視。目前的圖像分析法使用數字化技術實時測評警示色的可見性,但是脫離了受試者反饋。傳統的實驗和調查方法無法實現快速測評,因此需要進行技術革新。隨著數字化技術水平的提升,深度學習技術逐漸被引入到色彩測評的研究中,對緊密聯系受試者的快速測評具有較大的意義。Fennell等[44]使用神經網絡預測人類識別不同環境下不同偽裝色的反應時間。以之為參考,可以構建多環境下受試者對不同警示色的反饋數據集,通過神經網絡等深度學習技術預測受試者反饋,擴大有限實驗數據的效益。

c) 款式造型與色彩的配伍性:色彩的搭配和布局影響警示服飾呈現的效果。警示服裝根據其具體用途和美觀性衍生出不同的款式設計和色彩搭配。現有的測評大多聚焦于單色,忽略了色彩與服裝款式和配色的關聯。穿著者運動姿態變化影響款式的設計,進一步影響服裝上警示色彩在空間上的可見面積[45-46]。除此之外,警示色與服裝其他色彩之間的對比、警示色所處服裝位置也會產生視覺注意力的差異,因此需要進一步探討服飾配色的合理性,以達到服飾配色和色彩區域警示性最大化的同時,滿足日常穿著的視覺審美需求。

5 結 語

色彩是傳達警示信息的重要符號,本文從警示性色彩的角度出發,對其測評方法進行歸納和梳理,重點對評價機制、方法現狀及其相關標準與應用進行了總結和展望,以便更好地將警示性服飾效果最大化并滿足商業生產的要求。

綜合當前研究,警示色的評價多依據人眼對色彩的感知,與生理和心理均有所關聯。測評方法主要從可視性和關聯意象的角度出發,二者也可以相輔相成,進行更全面的分析。國內外相關標準從色值、方位可視性和對比度等方面規定了警示色的設色要求,并提出警示性服飾的設計要點。現有的測評方法人工依賴度高,測評效率有待提高。同時,在復雜背景下的批量化處理、主客觀感受一致性、款式造型與色彩配伍性等方面還有待進一步研究。深入研究時空變化下不同顏色的警示效果,在現有測評方案的基礎上借助機器視覺技術提高測評效率,并結合深度學習機制和受試者反饋數據集,建立主客觀感受一致性的系統評價體系,能從根本上為警示色客觀評價提供解決方案,為警示服飾設色提供參考依據和更有效、更客觀的測評方法。