基于眼動特征的可變信息標志視認性影響研究

鐘光蘭,牛梓儒,祝銘悅,郭海林

(中國地質大學(武漢)工程學院,湖北武漢 430074)

城市道路交通系統的發展水平是衡量人民生活水平及社會進步的一個重要指標。隨著大城市機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重,在此背景下,可變信息標志(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,能夠更好地滿足交通管理體系運行[1-2]的需求。然而在實際應用中,由于缺少對VMS使用情況的監測和反饋,存在交通道路標志由于色光不足而視認不清楚以及色光過亮導致視認不舒服或眩光的現象,因而無法起到其應有的作用,甚至會導致交通安全事故發生。

目前,國內外已有VMS的相關標準規范出臺。發達國家針對視認參數、交通標志的顏色和大小等方面做了準確規定[3-6],中國在2009年第一次增加了VMS相關內容[7],并在2021年頒布了最為系統的行業團體規范[8],但沒有明確規定晝夜交替時字體亮度參數的設置。

另外,國內外學者對VMS進行了相關研究,其中屏面顯示信息量引起較多學者關注。戚春華等[9]通過駕駛實驗探究了道路交通標志信息量與駕駛時間耦合關系下的眼動特征;何滎等[10]、王軒[11]、陳湘[12]通過現狀調查研究了屏幕信息要素和特性,并建立了相應的評價模型。此外,還有部分學者關注VMS字體、顏色和屏幕亮度等對駕駛員的影響。LAI[13]通過室內模擬駕駛實驗,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光等級的關系。以上研究表明,國內外對于VMS的研究側重于標志自身物理參數及顯示信息屬性,涉及標志的亮度、顏色、字體等方面,但未見晝夜交替時不同環境照度下字體亮度對VMS視認性影響的研究報道。

因此,本文基于眼動實驗對VMS顯示信息的字體亮度、背景亮度的視認效果影響進行研究,以武漢二環線中VMS為研究對象,以實測環境照度與字高為依據,設計室內模擬實驗,通過眼動數據分析VMS顯示信息在晝夜交替環境中,字體亮度與環境照度對視認效果的影響,為VMS亮度標準設置提供依據。

1 環境照度與字體參數確定

1.1 環境照度測量

為補充標準中對于晝夜交替時顯示亮度規定不明確的問題,對冬季早晨(7:00—8:00)和傍晚(17:00—18:00)時間段環境照度進行測量并展開研究。為精準測量時間范圍內的環境照度,測量時間設置為每天6:30—8:30和16:30—18:30,每隔30 min記錄一次,共連續記錄7 d。利用全自動照度計測量環境照度,結果如圖1所示。實測過程中,每天18:30時環境照度為0,故圖1中將此時刻略去。

圖1 環境照度測量柱狀圖Fig.1 Environment illumination measurement histogram

根據測定,早晨7:00—8:00的環境照度值為3.6～1 014 lx,傍晚17:00—18:00的環境照度值為20～900 lx。按照GB/T 23828—2023《高速公路LED可變信息標志》[17]中關于字體亮度有明確規定要求,為了本次實驗操作和結果分析的簡便性,根據實際測量情況,將實驗環境照度區間設定為200～1 000 lx。

1.2 字體參數確定

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

(1)

式中:h為實驗字高,cm;d為實驗視認距離,m;H為實際字高,cm;D為實際視認距離,m。

根據計算結果得出本次實驗字高測試區間為1～2 cm。選取室內實驗室作為實驗場地進行模擬實驗,使用LED屏幕呈現實驗圖案,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,被試者視認完成后記錄其視認舒適程度(簡稱舒適度),并將測試圖案讀出,主試者記錄視認正確率。實驗結果如圖2和圖3所示。

圖3 字高與舒適度的關系Fig.3 Relationship between font size and comfort level

在字高視認效果實驗中,當字高為1.0～1.4 cm時,視認正確率由75%左右上升至95%左右,在字高達到1.6 cm時視認正確率達到100%。在舒適度實驗中,3種顏色在字高為1.0 cm時均出現了不清楚的情況,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據均呈現出逐漸增長趨勢,當字高為1.6 cm時全部為很清楚。

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

根據GB/T 23828—2023《高速公路LED可變信息標志》[17]以及比例對應原則[20],本次實驗紅色亮度區間為90～290 cd/m2,黃色亮度區間為145～345 cd/m2,綠色亮度區間為180～380 cd/m2。

2 實驗研究

為探究紅、黃、綠3種顏色在不同環境照度下的最佳視認效果亮度區間,開展VMS視認性實驗,利用眼動儀記錄眼動數據,進行數據分析,得到不同字體亮度在不同環境照度下對視認性的影響,分析環境照度與字體亮度與視認性的影響規律,以及兩者相互關系。

2.1 實驗原理

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[21],FFD被視為人員對觀測區域或目標的敏感狀態,FFD的值與視認難度呈正相關關系,即值越大,人員對該區域視認難度越大。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越大視認效果越差。注視點個數(fixation count,FC)是度量區域信息加工難度的重要指標之一[22],即注視點個數越多,信息加工難度越大,視認效果越差。因此本次實驗選取首次注視時長、總注視時長、注視點個數3個指標來反映被試者對可變信息標志的視認效果,且各指標與視認效果均呈負相關關系。

主成分分析法是一種數學降維的方法[23],通過對原始變量進行綜合與簡化,可以客觀地確定各個指標的權重,避免主觀判斷的隨意性,將數據降維,提取到主成分,進而得到主成分視認效果得分函數;再根據視認效果得分函數以及標準化的初試變量,得到主成分得分,即視認效果值。視認效果值越小,可變信息標志越容易被認讀,則視認效果越好。繪制視認效果與字體亮度的關系曲線,并建立二者的函數關系,得到既定環境照度下視認效果最佳的字體亮度,不同環境照度下不同顏色字體亮度與視認效果值的函數關系表達式如表1所示。

表1 不同環境照度下不同顏色字體亮度與視認效果值函數關系表達式

2.2 實驗設備

實驗設備主要包括照度計(上海市嘉定學聯儀表廠提供)、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)數據分析軟件(瑞典Tobii AB公司提供)。

2.3 實驗準備

實驗選擇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、學歷、疲勞程度、任務量等實驗設計的額外變量不變。在實驗前對被試者進行簡單培訓,并講解注意事項與實驗流程。

通過調整投光燈個數及其位置來改變環境照度,本次實驗所需環境照度為200～1 000 lx。

顯示屏顯示內容為“交通量大,限速80 km/h”等提示類可變信息標志內容。利用電腦控制接收卡將實驗圖像傳輸至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據,被試者觀看行車視頻。

2.4 實驗過程

實驗采用多因素組內實驗設計,實驗因素包括環境照度、字體顏色及字體亮度。將環境照度設置5個水平,分別為200,400,600,800,1 000 lx;字體顏色設置為3個水平,分別為紅色、黃色、綠色;紅色字體亮度設置10個水平,黃色和綠色字體亮度均設置11個水平,開展不同環境照度與不同顏色字體亮度的組合實驗。不同顯示亮度的字體隨機播放,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,利用行車視頻轉移被試者注視點,屏幕中出現顯示圖案后,被試者將視線轉移至屏幕觀察,觀察清楚后繼續注視行車視頻,直至3種顏色字體亮度循環結束,結束眼動記錄。實驗場景設置如圖4所示。

圖4 實驗場景Fig.4 Experimental scene

實驗結束后利用Tobii Pro Lab將實驗數據導出進行分析,由于導出數據過多,本次實驗選擇采樣比高于80%的8組數據的平均值進行分析,降低誤差對實驗結果的影響。

3 結果分析

3.1 主成分分析

首先,利用SPSS軟件對3個眼動指標的平均數進行無量綱標準化處理,然后通過KMO檢驗和巴特利特檢驗判斷是否可以進行主成分分析。一般認為KMO值大于0.7,且p<0.05,適合進行主成分分析[24]。然后,將經過標準化處理的數據進行主成分分析,得到主成分的特征值、方差貢獻率和累計貢獻率。在數據降維過程中,一般認為累計方差貢獻率大于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矩陣及主成分得分函數,進而得到視認效果關于3個眼動指標的函數,即視認效果指標相對數值。

3.2 字體亮度對視認性影響分析

為研究字體亮度對視認性的影響,分析字體亮度對視認性的影響規律,并得到不同環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據,對實驗結果進行主成分分析。經檢驗,KMO檢驗值均大于0.73,巴特利特檢驗的p值小于0.05,呈現顯著性水平,各變量間具有相關性,主成分分析有效。通過將3個眼動指標降維為視認效果,得到既定環境照度下字體亮度與視認效果關系圖,如圖5—圖7所示。

圖5 紅色字體亮度對視認性的影響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效果整體較差,視認效果曲線隨字體亮度的增加而下降,即視認效果逐漸變好,當視認效果曲線下降減緩時視認效果不再變化,字體亮度達到該環境照度最佳視認效果的臨界值,即得到環境照度為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 環境照度對視認性影響分析

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

圖8 環境照度對紅色字體視認性的影響Fig.8 Effect of environment illumination on the visibility of red fonts

圖9 環境照度對黃色字體視認性的影響Fig.9 Effect of environment illumination on the visibility of yellow fonts

圖10 環境照度對綠色字體視認性的影響Fig.10 Effect of environment illumination on the visibility of green fonts

當字體亮度較低時,即當紅色字體亮度小于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,環境照度對視認性的影響較小,視認效果值較大,視認效果較差;隨著字體亮度的增加,環境照度對視認性的影響逐漸增大,視認效果曲線波動增大,視認效果曲線呈現上升的趨勢,視認效果變差;當字體亮度較高時,環境照度對視認性的影響變小,當紅色字體亮度達到260 cd/m2、黃色字體亮度達到325 cd/m2、綠色字體亮度達到340 cd/m2時,視認效果值較小并且曲線波動較小,環境照度對視認效果基本不存在影響。

3.4 建立字體亮度與環境照度最優匹配函數

根據字體亮度對視認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境照度的關系曲線,如圖11所示。

圖11 字體亮度和環境照度之間的關系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表示環境照度,lx;方差R2分別為0.973 5,0.970 8,0.970 8。

在給定的實驗環境照度下,隨著環境照度的增加,最佳視認亮度逐漸增加;當環境照度較低時,字體亮度的增加趨勢較明顯,當環境照度較高時,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 語

為探究晝夜交替時可變信息標志最佳顯示亮度,研究了字體亮度和環境照度對可變信息標志視認性的影響規律,以及字體亮度與環境照度間的相互影響規律,主要研究結論如下。

1)同一環境照度下,視認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,視認效果隨環境照度的增大而變差;當紅色字體亮度達到260 cd/m2、黃色字體亮度達到325 cd/m2、綠色字體亮度達到340 cd/m2時,環境照度對視認效果不再產生影響。

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

3)通過建立字體亮度與環境照度的關系曲線,擬合得到了最優匹配函數,為晝夜交替時不同環境照度、不同顏色字體顯示亮度下的參數設置和管理提供了依據,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。由于眼動實驗范式的局限,本研究所采用的樣本數量較少,難以避免被試個體差異性對實驗結果造成的潛在影響。另外,實驗為固定行車速度下的靜視覺狀態時的標志視認,未考慮行車速度的變化。未來可通過駕駛模擬器,進一步研究不同行車速度下亮度對可變信息標志的視認性影響。