面向色觉障碍人群的交通信号灯无障碍设计研究

张宇

南京理工大学 江苏 南京 210094

色觉障碍指的是一种不能正确识别一部分或全部颜色的疾病，又被称为色觉辨认障碍。全世界大约5%的男性以及0.5%左右的女性受到其影响。症状中较为常见的是红绿色辨认障碍，症状严重时的表现是色盲，对颜色辨识能力差则为色弱表现。当前，男性在色觉障碍患者中发生率4.71±0.074%、女性为0.67±0.036%[1]。

由于色觉障碍患者失去或缺少色彩辨识能力,致使这类人群的工作、生活等方面都有诸多不便。色觉障碍患者不适合从事有颜色准则的工作,比如:航空、航海、陆运、艺术、化学、医药等工作。需要辨别颜色的工作色觉障碍患者均不能胜任。据相关资料所示，红色绿色盲患者不可以取得机动车驾驶的法律证件，然而并没有对色弱患者加以明确要求[2]。另外，常有非法获取机动车驾驶证件的现象出现在一些中小城市中[3]。保守估计，我国从事驾驶员工作的人数中约有1%的人数为色觉障碍患者，其中0.1%为红绿色盲者。一些中小城市中色觉障碍患者和驾驶员人数略多。这一现象的存在对色觉障碍患者以及色觉正常人的交通出行都有着极大的安全隐患。

1 色觉障碍特征分析

色盲的症状是先天性色觉障碍，无法区分光谱中的单个或所有颜色。 色盲的症状可分为全色盲和部份色盲。最罕见和最严重的色觉障碍之一是全色盲。 无法识别红颜色的症状也被称为第一色盲，患者无法区分红色，并且辨认不出红色和深绿色，蓝色和紫红色以及紫色。 他们会将绿色识别为黄色，紫色识别为蓝色，以及蓝色和绿色合并看成白色。无法识别绿颜色的症状也称为第二色盲，患者并不能区分出紫色和青色，浅绿色和深红色，紫红色和灰色，并将绿色识别为颜色较深的深灰色或黑色[4]。临床医学上把比较常见的红色盲与绿色盲统称为红绿色盲。第三色盲则是比较少见的蓝黄色盲，该症状患者对蓝黄色辨识不准清，反而对红、绿色不会混淆。色弱症状对色彩的识别能力比较弱。尽管颜色感觉较弱的患者可以看到与正常人相同的颜色，但他们的识别能力迟钝和微弱。 当光线不足时，有些几乎与色盲相同，或表现出色觉疲劳。 它与色盲之间的界限通常不容易严格区分[5]。

2 国内外针对色觉障碍的相关研究

2.1 基本色与无障碍色彩研究

无障碍色彩设计是一种能被广泛适用并对整个社会民众进行服务的设计。在无障碍设计观念中植入色彩设计，不仅能够对帮助到许多人的工作与生活，还能够将安全性尽可能的各方面得到提高。Jamson和Hurvich等学者使用D15面板测试双色视觉患者识别的颜色名称。 测试表明，双色视觉人群的色彩命名方法与正常三色视觉人群的色彩命名方法不同[6]。Paramei 等学者研究了单色激发波长在405～675nm范围内在405～675nm范围内使用的5种基本色（红色，绿色，黄色，蓝色和白色），发现必须同时依赖波长和强度[7]。Montag[8]和Uchikawa[9]等发现二色性视觉障碍者的颜色定义分类通常与正常人无异。

在对色觉障碍者进行分析和模拟的基础上，朱建文研究了界面颜色选择中的色觉障碍问题[10]。学者张旭芳分析并总结了视障人士的类别和颜色认知特征，并研究了基于无障碍色彩设计以构建视觉信息的无障碍环境[11]。李霞、杨露等从提高色觉障碍患者互动使用效率的思路出发，从理论上探索了基于红色觉障碍和绿色视觉障碍的认知和情感构建无障碍互动设计色彩研究的方法[12-13]。

2.2 色觉障碍信号灯研究

目前，国内外针对色觉障碍者的交通信号设计解决方案可分为三类：（1）标准化的信号灯布置和信号显示方式，使色觉障碍者可以通过信号灯的位置来判断信号[14]；（2）更改交通导向灯的形状。 例如，在加拿大的某些地区，圆圈中的绿色信号灯保持不变，而平行四边形是黄色信号灯，正方形附加在红色信号源上。（3）更改原始信号灯的颜色，例如使用晶莹的黄色代替原始黄色或在绿色灯上添加一些蓝色[15]。美国较多的地区把桔色设定为 “ 停止或等待 ” 的指向灯颜色，表示 “ 通行 ” 的信号灯设置为淡蓝色。第1种解决方案为美国交通控制设施设计手册（Manual of Uniform Traffic Control Device, MUTCD）的标准，也是世界上绝大多数国家的交通信号设计标准。它具有简单，易于使用和可行的优点，但是有色觉障碍的人仅使用信号灯来确定信号的位置，这具有潜在的安全隐患。第2、3种方案则要对现有公共设备进行改良。其中，第2种解决方案将导致光输出发生变化，影响观看距离[14]。

3 目标群体调研分析

3.1 色觉障碍患者样本比重分析

本项目通过线上和线下的形式发放制定的调查问卷，对色觉患者样本进行筛选提取。本次问卷历时六天共收回861份有效答卷，答题样本分布国内各个省市地区，保证了样本的随机性以及数据有效性，其中答卷时长仅有5个不符合问卷正常回答时长。试卷填写认真率近99%。

在调查问卷861个有效样本中有41个样本具有色盲症状，色盲率高达4.76%。在色盲症状测试图中（如图1所示），41个症状样本中男性11个，占所有男性总人数的5.16%。有症状的20位女性样本占被测女性总数的4.2%。861个样本中26个样本具有色弱提示，色弱率高达3.01%。色弱测试图中（如图2所示），共有26个症状样本男性18个占男性样本总人数的5.64%女性8个占女性人数的1.68%。问卷调查中861个样本有186个样本曾经出现过轻微此类症状，其中67个样本具有真实的色觉障碍特征，男性患者所占比例大于女性患者。问卷结果推导与文献调研中的比重相吻合。

图1.色盲测试图 （来源：彩虹桥色觉网）

图2.色弱测试图 （来源：彩虹桥色觉网）

样本测试中的结果可侧面反映出色觉障碍人群的社会存在率。并且在861份样本中有96.67%的人士支持对色觉障碍人群的研究，为他们的生活带来便利与自信，充分说明了色觉障碍群体是不会被遗忘和孤立的。

3.2 色觉障碍患者色彩需求比重分析

通过总结整理调查问卷的数据信息，获取到67个有症状样本中的39个样本的真实联系方式，结合正常样本对该群体的有助建议展开用户需求深入分析。

在色觉障碍患者身边常常会有多种困扰，本项目重点针对39个色觉障碍样本进行用户电话访谈，从而获得更加真实深层次需求。在用户访谈中让色觉障碍患者将自己倾向生活中需要设计改良的各个方面问题做出排序，样本关注度最高的问题将是针对色觉障碍患者迫待解决的问题（如图3所示）。其中关于交通方面的问题关注比重最大，其次是杂志封面、广告设计、电视电影等工作影响。根据数据显示最多的是交通，该问题的存在也是最能对色觉障碍患者生命安全造成威胁的方面。

图3.色觉障碍患者色彩需求比重图

3.3 色觉障碍患者交通情境比重分析

通过用户访谈过程得到了色觉障碍患者在生活中的需求比重（如图4所示）。在色觉障碍患者的工作生活中对生命安全存在潜在危险的问题就是交通出行。现有交通出行方面存在众多情景，本研究将色觉障碍患者在交通情境中可能存在的问题一一列出，再次通过访谈进行样本主观多选。有94.88%的人选择交通信号灯，92.44%的人选择火车站地标。77.32%选择道路标志。公交站和地铁导向信息灯的样本选择较少。可知交通信号灯的使用情境是色觉障碍患者在交通出行方面最危险的环节。

图4.色觉障碍患者交通情境比重图

3.4 设计目标确定

样本访谈中得知以往在色觉障碍患者面临以上情境时，绝大多数的样本最常用的应对方法是询问他人，其次时使用辅助工具，最少的是凭借自己的经验。

本研究在问题解决中设置了预想方案选项，样本选择中佩戴特殊设备占比最大，其次是增加形状识别方案，在现有交通设备上进型改进比重略低于增加辅助形状识别方案。充分考虑色觉障碍患者属于特殊弱势群体，不应为他们增加额外负担，所以从预想解决方案中提取了增加形状识别和在现有设备做改良为设计目标方向。

4 设计方案

基于前期用户调研的色觉障碍患者真实需求分析进行方案探索。本项研究提出了对问题的两种解决方案。形状辅助信号灯方案以及基于RGB空间颜色分量的方向识别导向灯方案。

4.1 形状辅助信号灯

在传统交通信号灯的颜色识别基础上，进项形状改造设计，将红色信号灯为方形，黄色信号灯为圆形，绿色信号灯为三角形（如图5所示）。便于色觉障碍患者迅速捕捉到自身视觉能够感知到的视觉符号。由于形状的特殊性，会导致在不同的角度看到的形状不同，容易造成形状变形，为了防止这一问题将信号灯设计成立体形状不在是平面化颜色加图形。让信号灯在任何角度观看都是一种代表其颜色功能的形状，避免因角度造成视觉错位，此外在绿灯的设计上进行了独特的调整，将绿灯按照媒体播放键的形式摆放，使用户第一眼看到这个播放键符号亮起时就能识别是播放前进意思如。从而使色觉障碍患者更容易的识别交通信号，正常的颜色和特殊的形状结合信号灯对正常行人也不会造成误导，可起到两种人群都等使用的效果。

图5.形状辅助信号灯效果图

4.2 基于RGB空间颜色分量的方向识别导向灯方

由于色盲患者不同视锥细胞功能缺失,色盲又可分为红色盲、红色弱、绿色盲、绿色弱、蓝色盲、蓝色弱、全色盲等类型,我们所观察到的都是RGB空间模型下的色彩，若要让信号灯此刻的状态能被红绿色盲人观察到，须将此刻信号灯的颜色转换为红绿色盲人能够辨别的颜色。经过多次试验分析，红绿色盲人能够辨别的颜色为蓝色和蓝紫色。首先将红灯、绿灯在RGB空间中的颜色分量直方图提取出来，再根据颜色分量定义出红灯和绿灯的取值范围，最后将红灯和绿灯在此范围内的所有像数点的颜色分别转换为蓝色和蓝紫色。可将信号灯由红色转换为蓝色、由绿色转为蓝紫色。

本研究以绿色盲症状为例进行分析。色谱在绿色盲患者眼中并没有变化,但是橙色部分是光谱中最亮部位,约在波长500nm处为中心点。灰色和蓝色、淡黄色为全部光谱。

R1，G1，B2是正常人看到的颜色值，R2，G2，B2是绿色盲看到的颜色值。只有在当R、G、空间分量值相等时,即灰色的情况下才会出现绿色盲所见颜色与真实色彩相同,不发生变化的情况存在。

红色：R1：255，G1：0，B1：0；绿色盲所见颜色为：R2∶161，G2∶104，B2∶0（如图6所示）。

图6.左为正常色，右为绿色盲辨识色

绿色：R1∶0，G1∶255，B1∶0；绿色盲所见颜色为：R2∶255，G2∶200，B2∶40（如图7所示）。

图7.左为正常色，右为绿色盲辨识色

蓝色：R1：0，G1：0，B1∶255；绿色盲所见颜色为：R2∶0，G2∶83，B2∶254（如图8所示）。

图8.左为正常色，右为绿色盲辨识色

使用RGB空间中的色点将HSV空间中的颜色转换为色觉障碍患者可以识别的颜色。将信号灯进行创新设计为四向导向灯，改变传统三色并排的红绿灯的概念，用转换完毕颜色的led灯作方向指引，箭头朝向的位置为通行方向（如图9所示）。极大的简化了以颜色识别为主信号灯的识别程序，任何人都可以观察到准确的通行方向，此方案是信号灯设计领域的一次创新尝试。既能更好的为色觉障碍患者带来帮助，也不会影响正常人的生活。

5 可行性模拟测试

本研究方案的真实体验效果，进行了方案可行性测试。分别将方案1和方案2中的交通信号灯场景模型在 Rhino 3D软件中搭建出来，将灯光，色彩，环境等加入到场景中去，模仿现实状态中的交通场景。

图9.RGB空间颜色分量的方向识别导向灯

图10.形状辅助信号灯场景

图11.RGB空间颜色分量的方向识别导向灯场景

根据前期调研的样本选出50位被试者，分为两组。分别是25位带有色觉障碍症状的被试以及25位正常视觉被试，通过计算机显示器进行数字化模拟。第一进行方案1形状辅助信号灯的使用场景模拟编组为A，信号灯为形状辅助竖排信号灯正常值色彩模式进行分组，方形红灯(R=255，G=0，B=0)为A1 、三角形绿灯(R=0，G=255，B=0)为A2、圆形黄灯(R=255，G=255，B=0)为A3并在时间相同的情况下进行信号识别。测试者双眼距离屏幕 60 cm，屏幕上显示单个信号灯的颜色，每隔4s进行变换。以相同时间内两组被试者的识别准确率为测试依据。第二进行RGB空间颜色分量的方向识别导向灯场景模拟编组为B。RGB空间颜色分量的方向识别导向灯为两个方向提示，通过RGB空间颜色将正常人所看到的颜色转换成色觉障碍可识别的颜色的前提下，将横向行驶方向灯编码为B1,直行方向灯编码为B2。测试者双眼距离屏幕 60 cm，屏幕上显示单个形式方向的指向灯，每隔4s进行变换。以相同时间内两组被试者的识别准确率为测试依据。测试结果统计见表1。

表1 测试结果

据表1测试结果显示，在相同的时间内，两组被试对两个设计方案的识别均在90%左右。

6 结语

在本研究中分析得到色觉障碍人群最主要面临的困扰方向，明确了解决问题的思路，在确保正常人群的使用情景中现有交通设施依据样本选择最多的方案为出发点进行无障碍设计改良，并进行了模拟测试。测试结果显示：由于色觉障碍者对于颜色差别、颜色饱和度的辨别弱于正常人，本研究的两个方案对于大多数的色觉障碍患者是有效的、可识别度较好。本研究方案的交通信号具备较好的可辨识度，便于色觉障碍人群和正常人群共同使用。从而进一步提高公共交通安全系数，体现对特殊群体社会关怀的设计初衷。