基于红绿色觉异常人群的路况地图色彩设计研究

朱海红,夏　梦

(武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉430079)



基于红绿色觉异常人群的路况地图色彩设计研究

朱海红,夏梦

(武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉430079)

近年来，随着社会经济快速发展，机动车数量急剧增长，导致全国各地交通堵塞日益严重，由此衍生出的安全和环境问题也愈发突出。所以，实时掌握路况信息，可有效提高道路使用率，减少因为交通拥堵而引起的能源消耗和环境污染。路况地图，就是在交通地图上标示主要交通要道的路况信息。包括拥堵、缓行、畅通以及是否有发生突发事故、施工等信息[1]，以地图的形式展示，方便出行用户。例如百度路况地图，如图1(a)所示，用户可以在出门之前根据路况图实时显示的路况信息，选择一条最佳、最快捷的出行路线。

色觉是视觉功能的一个基本而重要的组成部分，是人类视网膜锥细胞的特殊感觉功能。正常人视觉器官能辨识波长380~760 um的可见光，由紫、蓝、青、绿、黄、橙、红7色组成。色觉异常包括色盲和色弱两大类，色盲是指辨色能力消失，色弱是指对颜色辨认能力降低。红绿色觉异常即部分视觉异常，不能区分红色和绿色，看成两色调：长波(红、橙、黄、绿)部分为黄色，短波(青、蓝、紫)部分为蓝色。据统计，红绿色觉异常人群占世界总人数的8%[2]。由于他们在色彩辨识方面存在缺陷，在阅读一般地图时，有时不能清晰分辨颜色，致使不能正确获取地图上传递的信息，如图1(b)所示。地图上借助颜色想要传递的一些情感和信息也不能很好的被他们所感知。因此通过明度对比实验，将适当的明度对比引入地图色彩中，设计出带有感情色彩、所有人群均可无障碍识别的路况地图，对于提高地图使用效率、满足不同人群信息和色彩情感需求具有重要作用。

本文采用HSB颜色模型，通过明度对比实验，分析红绿色觉异常人群对于各级明度差的感受，并将明度对比结果应用于路况地图中，使得路况信息可以清晰地表示，并起到警示作用，制作出所有人都可以无障碍识别的路况地图。

(a)正常视觉中的路况图

(b)红绿色觉异常视觉中的路况图图1　百度实时路况地图

1色彩象征

色彩是客观存在的物质现象，它是我们面对色彩时所产生的即时印象-视觉感受以及由视觉感受所引起的心理感受[3]。除了色彩本身固有的物理属性外，色彩研究的另一个重要领域关注的是色彩在人们心理感受方面产生的作用[4-6]。不同的国家和民族往往有不同的特点，由于历史背景的不同，使得每个民族对于某些色彩的象征意义的理解不同[7]。对于中国人而言，红色象征着吉祥、喜庆、热情，也可用于警示关注或危险，交通信号灯中表示“停止”的红灯也是这种特征的应用；绿色象征着新生命、和平、安全，或者作为紧急出口、前进信号。黄色象征着高贵、财富，有很高的注目性，也常用来警告危险或提示注意[8]。

将色彩的象征意义融入到地图色彩的设计中来，对于提高地图符号的认知效果，满足不同人群色彩情感需求具有重要作用。既然地图色彩主要是用来表现制图内容，设计地图符号颜色时必须考虑如何提高符号的认知效果。有明确色彩特征的对象，一般可用与之相似的颜色，如蓝色表示水系等[9]。因为红色象征着警示、绿色象征着前进信号，以百度地图为例，如图1(a)所示，原图中用红色表示拥堵路况信息，绿色表示畅通路况信息，黄色系表示道路。而红绿色觉异常人群不能区分红色和绿色，严重的红绿色盲会把它们看成深黄色[2]。因为路况信息是覆盖在交通网上表示，容易与路况信息进行混淆，并且，路况信息设色在红绿色觉异常人眼中也不能起到显著警示的视觉效果，如图1(b)所示。由于黄色常用来警告危险或提示注意，满足路况图中对拥堵路况信息表达的认知效果，而且不同程度的色觉异常人群均能识别黄色，所以用黄色表示拥堵路况信息。

2面向色觉异常人群的色彩实验

2.1　实验人员和实验过程

本实验通过网络选取了26位色盲测试者。先对其进行色觉测试，确定是否为色盲以及是何种色盲类型，其中，女性3人，男性23人。红色觉异常8人，绿色觉异常10人，红绿色觉异常8人。再针对本文研究问题进行测试。采用网上制作问卷发放的方式。问卷设计遵循以下原则：所设问卷符合客观实际情况；所设计的问卷避免其他禁忌和敏感的问题；尽量保持问句表述的科学性[10]。

2.2　色彩明度对比实验

2.2.1　实验设计

明度在色彩搭配中占有重要地位，色彩的层次与空间关系主要依靠色彩的明度对比来表现。若只有色相和饱和度的对比而无明度对比，图案的轮廓就会难以辨认；尤其是对于色觉异常人群来说，他们本身对于一部分色相识别的灵敏度不高，严重的色觉异常者甚至无法识别某些颜色。虽然Noriaki Suetake等[11,12]已经研究过关于红绿色觉异常人群的明度修改方案，但是目前还没有学者研究关于红绿色觉异常者对不同明度等级的感受。

对于正常视觉者而言，在明度轴上3级差以内的明度对比，其视觉效果模糊不清；3~5级差别的明度对比视觉效果平和；大于5级差的明度对比，视觉效果刺激，会产生刺眼的感觉[13]。明度差异越大，越醒目，引人注目，但是过大又会让观察者觉得刺眼生硬，影响地图的观赏性。为研究对于红绿色觉异常人群来说明度对比的感受是否同正常视觉一样，我们需要进行明度对比实验，通过实验找出合适的明度对比范围值，使得明度对比足够大，色觉异常人群既能够无障碍地识别地图，又能够起到一定的警示作用，并且不能过大，否则会使地图配色太过刺眼生硬，影响地图美感。

红绿色觉异常人群可以识别的颜色有限，为了减少他们识图的困难。不同于原图同时在路况图中标有严重拥堵、拥挤、缓行和畅通4种路况，这次实验只会在路况图中标有拥堵。既可以为红绿色觉异常人群提供基本的路况信息，也可以使得地图清晰容易辨别。所以明度对比实验只针对表示拥堵的黄色。

明度对比实验从清晰度和观赏性两个方面进行。实验中会出现如图2的样本，其中数字的颜色与框内为不同明度的黄色，分别测试红绿色觉异常人群对于明度每个级差之间的感受。首先，对于清晰度实验而言，如果测试者能够准确读出图中数字(图中数字随机出现)，那么测试者可以区分出两种颜色；其次，对于观赏性而言，会设置选择题，让测试者根据自己的主观感受，选择两者颜色对比是否刺眼、合适、模糊，从而完成观赏性的判断。

图2　明度对比实验中的测试图样

2.2.2　实验结果及分析

为了保证问卷调查结果的可信度和有效性，有必要考察所设计的问卷是否符合要求，涉及到问卷的可信度与有效度的分析问题。调查问卷的精髓是可信度和有效度，任何问卷调查都需要进行可信度和有效度的检验评价[14]。

可信度是指问卷调查结果的具有稳定性的程度[15]，本文采用的是Cronbachα系数进行信度分析[16]。系数的大小是在[0,1]之间波动，系数越大说明测试结果越可靠[17]。

分析结果如表1和表2所示，清晰度实验的信度值为0.793，观赏性实验的信度值为0.782，均大于0.7。根据Kline[18]描述的不同等级的系数对应不同调查结果的内部一致性可知，数据稳定性“相当好”，两个实验的信度都在可信程度范围内，可以引用调查问卷的测试结果进行相关的分析和研究。

表1　清晰度的α值

表2　观赏性的α值

有效度(也称效度)是指调查问卷测试结果的正确程度，即测试结果与测试目标的符合程度。效度越高表示测试结果越能代表所要测试对象的实质特性[15]。本文中采用的是显著性检验中的T检验法进行效度分析。对清晰度和观赏性进行效度分析结果，如表3所示。

表3　红绿色觉异常人群清晰度、观赏性明度对比的效度表

估计总体参数落在某一区间内可能犯错误的概率为显著性水平，用α表示；1-α为置信度或置信水平，表明了区间估计的可靠性。显著性水平的值越高，置信度就越低，也就是说原假设越有可能被拒绝。在本文中，我们将显著性水平(α)定为0.01，若P大于α，则接受原假设，否则拒绝假设[19]。

根据明度对比效度表的结果可得到以下结论：在清晰度明度对比实验中，1~9级的明度级差均接受假设。也就是说，1~9级的明度级差在红绿色觉异常人群眼中均表现出统一的倾向性，即就清晰度而言，红绿色觉异常人群与正常视觉人群没有显著性差异，均可以识别。在观赏性明度对比实验中，除了明度级差为2级和5级时拒绝假设，其余明度差值均接受假设。也就是说，9个明度对比实验中只有明度级差为2级和5级没有表现出统一的倾向性，即明度差值1，3，4，6，7，8，9对于红绿色觉异常人群与正常视觉人群没有显著性差异，而2级和5级与正常视觉相对差异显著。将实验结果进行整理后可得出红绿色觉异常人群对于黄色每个明度对比级差的视觉感受，如表4所示。

表4　明度对比实验结果

由明度对比实验结果，我们可以推论：红绿色觉异常的人群在明度对比感受上和正常视觉者确实存在差异。在明度对比清晰度上，红绿色觉异常人群对于明度差值1~9级均表现出统一的倾向，即跟正常视觉者一样，都可以正常识别，符合红绿色盲可以识别黄色的特性。在明度对比观赏性上，红绿色觉异常人群对于明度差值1，3，4，6，7，8，9级的感受与正常视觉者一样，1级明度差表现为模糊，3，4级明度差表现为视觉舒适，7，8，9级明度差表现为视觉刺激，会产生刺眼的视觉效果，而2级和5级明度差与正常视觉人群存在显著性差异，这可能是因为他们相对于正常视觉者对于明度的变化更加敏感。

2.3　路况地图色彩明度对比实验

色彩明度对比在表现地图内容中起着及其重要的作用，涉及到地图的清晰感、节奏感、层次感、空间感[20]。而且色彩的明度渐变是视觉排序的基本因素，可以使用色彩明度的渐变对比来表示地图中的数量等级[9]，例如降水量预报图用一组明度由大到小的蓝色色阶表示水量由小到大。

路况地图样本选用北京市交通图作为配色实验地图。交通网是各种交通运输路线的总称。它包括陆地交通、水陆交通、空中交通等几类。在路况地图中只包括陆地交通，表示的是陆地交通的路况信息。因为数据的限制，只能提供主要公路的路况信息。路况信息是用不同颜色的实线覆盖在交通网上来表示。

针对红绿色觉异常人群的路况地图设计中，在原有交通图的基础上，利用明度对比实验得出适当明度级差范围来制作路况图的实验样图。由于路况图是重点反映各地交通路况信息，因此需要重点突出路况信息，在地图明度对比实验中，道路符号设色的明度均小于路况信息设色的明度。在明度对比实验结果中，对于红绿色觉异常人群来说，3级和4级明度级差既可以清晰地传递信息，也不会引起红绿色觉异常人群视觉上刺眼、生硬等的不适感，而2级和5级黄色明度级差对于他们来说，与正常人群的视觉感受具有显著性差异，但是因为地图内容丰富，地图表现的元素很多，所以识别地图色彩的差异比识别普通色块的差异更复杂，所以把2级和5级明度也加入路况图明度对比实验中。如图3所示，图中列出部分实验图，分别为2到5级明度级差对比配色图。

对色觉异常人群色彩明度对比设色进行调查，如图4和图5，经统计分析可知：

1) 对于2到5级的明度对比地图路况设色而言，红绿色觉异常测试者均能无障碍地识别路况信息。

2) 对于3级明度对比地图路况设色而言，82.1%的红绿色觉异常测试者认为路况设色合理、明度对比度够大，可以满足清晰度，能够很容易识别。同时，明度对比也没有过大，让人觉得刺眼。而对于4级明度对比地图路况设色，84.6%的认为路况设色合理。

3) 对于2级明度对比地图路况设色而言，56.9%的红绿色觉异常测试者认为其设色合理，既能清楚地识别出路况信息，又使图中的路况颜色比较显著，引起注意，且不会造成刺眼的不适感。然而，有将近40%的红绿色觉异常测试者认为，虽然可以无障碍地识别，但是设色过于模糊，识别有点难度；对于5级明度对比地图路况设色而言，93.6%的红绿色觉异常测试者认为路况设色合理。仅仅只有5.12%认为地图配色刺眼，引起不适。2级明度级差与明度对比实验结果相同，依然没有表现出统一的感受倾向，而5级明度级差与明度对比实验结果不同，可能是因为地图表达的内容更丰富，干扰红绿色觉异常观察者对于明度对比感受的因素过多，从而造成结果差异。

(a)明度级差为2

(b)明度级差为3

(c)明度级差为4

(d)明度级差为5

4) 如图可知，73.1%的红绿色觉异常测试者认为5级明度对比路况设色更符合他们的要求，可以很容易地识别路况信息，不会产生视觉不适感，比如说模糊或者刺眼。

图4　路况图测试结果一

图5　路况图测试结果二

从交通路况图的统计结果可以看出：将明度对比变化应用于红绿色觉异常人群的路况地图设色时，明度级差对比为3，4，5级的时候，路况图设色效果较好，既可以轻松地识别路况信息，也不会引起红绿色觉异常人群视觉的不适感；而低于3级的明度对比，虽然可以识别路况信息，但太过模糊，识别困难，而且不会起到醒目、引人注意的视觉效果；而大于5级的明度对比，会使得红绿色觉异常人群观察地图时有刺眼生硬的视觉感受。5级是最适合用来对路况图进行设色的明度级差。

3结束语

本文以色盲、色彩象征相关理论为基础，结合地图表达和明度对比感受的相关知识，从色觉异常人群的辨色特点出发设计路况地图，通过调查问卷的形式分析红绿色觉异常人群对黄色明度对比的视觉感受，完成了红绿色觉异常人群对于黄色各明度级差对比感受的划分。通过明度对比实验，可知红绿色觉异常人群对于黄色明度级差设色为3级和4级的感受更舒服，对于级差大于5的明度对比觉得刺眼、生硬。将结果应用于路况地图进行设色实验验证，得出地图中合适的明度对比级差，设计出红绿色觉异常人群眼中层次分明的路况地图。在明度对比实验中，只针对黄色进行了明度对比调查分析，后续仍需对其他色彩的明度对比进行研究。

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[责任编辑：王文福]

摘要：红绿色觉异常人群对于明度变化的感受比正常视觉者更加敏感，可以弥补色相辨别的缺陷。通过针对黄色明度对比实验得出红绿色觉异常人群对明度对比各等级的视觉感受，找出对红绿色觉异常人群既可以容易识别又不会觉得刺眼的明度对比范围。实验结果引入地图设色，结合色彩象征意义，做出红绿色觉异常人群和正常人群通用的路况地图。在路况信息清晰表达前提下，尽可能保留色彩象征意义，并保证地图的观赏性。通过路况地图色彩明度对比实验制作出红绿色觉异常人群既能无障碍识别又带有警示象征意义的路况地图。

关键词：红绿色觉异常；路况图；色彩象征；明度对比

The Road Condition Map Color Design aiming at Red and Green Color Vision Impaired PeopleZHU Hai-hong,XIA Meng

(School of Resources & Environmental Science, Wuhan University, Wuhan 430079, China)

Abstract：Compared with the normal vision people, the red and green color vision impaired people are more sensitive to brightness contrast, which can remedy the defect of hue distinguish. Through the yellow brightness contrast experiment, this paper conclude the visual perception of each scale brightness contrast for those people. The brightness contrast range that those people can easily identify and do not feel dazzlingly bright. The experimental results are provided with the color design of map, combined with color symbolism, and the universal road condition map is designed for red and green color vision impaired people and normal vision people. On the premise of traffic information being expressed clearly, the color symbol is kept, through brightness contrast experiment a universal road conditions map is proposed.

Key words：red and green color vision impaired; road conditions map; color symbol; brightness contrast

作者简介：朱海红(1964-)，女，副教授，博士.

基金项目：国家自然科学 (41271458)

收稿日期：2015-09-11

中图分类号：P283.1

文献标识码：A

文章编号：1006-7949(2015)12-0001-06