复杂步行环境中“低头族”障碍物感知与周边视觉补偿研究

李天宇，刘爽，苏航，张淞博，杨彪， 谢秉磊

(哈尔滨工业大学(深圳)建筑学院，广东 深圳 518055)

1 引言

随着现代科技的发展和智能手机的普及，人们对手机的依赖日益增加，使用手机走路的现象已经随处可见，由此发生的行人伤害事故也在不断增加。造成行人伤害数量增长的一个有争议的原因是越来越多行人在走路时发生打电话、发短信和上网等不安全行为[1-3]。近年来根据美国高速公路安全协会最新报告显示，全美行人死亡数量在2018年达到近30年来最高，专家猜测智能手机分散行人注意力成为造成行人伤害的可能原因之一。随着步行环境的复杂程度的提升，看手机等多视觉任务在行人过街时的影响亟待研究[4]，如何基于人因视角改善行人安全和步行环境成为了目前交通领域的重要议题之一[5]。

目前国内外已逐渐重视“低头族”群体在步行环境中的安全问题[6]，采取了不同措施提高行人视觉感知能力[7-10]。如图1所示，加利福尼亚州圣何塞市的人行道布置了能够感应车辆的嵌入式地面闪光灯在人行斑马线的两侧，在行人通过时持续闪烁提醒行人注意安全并警示司机及时刹车避让行人(见图1-a)。荷兰为了提醒“低头族”何时可以过横道，在人行道和十字路口的边缘处安装了彩色条状灯，红灯状态时表示禁止通行，绿灯状态时表示可以通行(见图1-b)。武汉左岭新城某社区启用智慧人行过街系统，该系统中的智能斑马线可在行人过往时连续闪烁，来提示过往车辆减速(见图1-c)。上海外滩陈毅广场附近的人行道设置了与行人信号灯颜色同步变化的发光地砖，通过切换红绿色的灯警示行人通行，尤其提醒“低头族”不要闯红灯(见图1-d)。上述方式都是基于视觉方面对低头族、正常行人或者司机的安全问题有警示和补偿作用。

图1 人行过街视觉补偿措施案例

现有措施应用在过街道路时会发挥很大的警示作用，但是对于一些夸张设计的环境补偿方式，不仅影响建筑公共空间和步行环境的美观，还会影响行人的视觉舒适度。更为重要的是这些措施没有统一的管控标准，使其过度使用造成大量的资源浪费。而国内外学者主要通过调查问卷法[11-12]、实地观察法[13-16]、摄像记录法[10,17-18]、半虚拟现实实验法[19-21]和步行体验的模拟实验法[22-24]等方法深入研究了手机对行人的分心影响。研究表明手机的分心作用严重威胁行人安全，降低行人认知周边环境的能力，记忆能力以及行人的视听注意力，尤其在步行状态下打电话和玩游戏等任务量过重的手机方式严重分散行人注意力。但目前研究仅关注手机分心对行人安全的影响作用，而注意力分散后的行人与周边视觉环境影响作用机制尚不清晰，因此有必要探究对“低头族”周边视觉环境提供补偿措施的的可行性。

“低头族”在过街过程中，手机占据了其中央视觉注意力，导致观察道路环境(台阶，站台间隙与坑洼等)只能用周边视觉观察路况。由于周边视觉观察到的环境资源较少且模糊，探测能力弱于中央视觉，容易发生摔倒和碰撞等意外伤害。根据伦敦大学学院Nick Tyler院士的能力模型(Capabilities Model)与广义的无障碍定义[25]，本文提出“低头族”步行需求能力模型(见图2)，指出“低头族”也因为过度使用手机而导致其产生“视觉认知障碍”。从能力模型分析来看，可以从人和环境这两个角度解决“低头族”步行安全问题，本文将基于人因视角，采取周边视觉环境补偿措施，以较小干预影响提高“低头族”过街步行安全。

(a)从人的角度出发，采取智能手机技术措施和公共管理措施，提高人的供给能力：供给能力>需求能力

本文以改善“低头族”群体的行人安全和步行环境为目标，以“低头族”障碍物识别任务为研究对象，探究“低头族”在不同照明场景下对不同周边视觉环境补偿措施(材质：闪灯、闪粉和涂料；颜色：蓝色和黄色)改造后的障碍物的视觉感知能力，并找出有效的视觉环境补偿措施。

2 方法

本实验采取双重认知任务法和视觉心理实验法相结合的方法，在实验室条件下搭建“低头族”步行模拟平台，探究“低头族”在不同照度(2 lx和15 lx)和不同光源类型下(MH和HPS)对不同周边视觉环境补偿措施(闪灯、闪粉和涂料)改造后障碍物的视觉感知能力。

2.1 实验平台搭建

在哈尔滨工业大学(深圳)建筑学院的光环境实验室内搭建低头族模拟平台。实验室是全封闭的暗室房间，其室内环境恒温26℃。实验室可以保证实验免受其他外界光线的干扰继而方便控制变量。实验平台整体主要包括全通路多光谱LED光源调节系统、周边视觉刺激识别系统、中央视觉刺激物、周边视觉刺激物和其他辅助设备(图3)。

图3 “低头族”步行模拟平台示意图

由于周边视觉的正常视域范围在10°以内，所以平台搭建时跑步机中心位置(行走位置)与视觉刺激自动呈现装置中心的垂直距离为2 m，并成15°的视角，以此保证周边视觉刺激物在“低头族”周边视觉视野范围内。为了模拟步行环境中的道路照明环境，一个由中密度纤维板(MDF)搭建的单间(1200 mm*1200 mm*2000 mm)来做灯架，灯架上架设六台Thouslite LEDCube来模拟道路光源：HPS灯(S/P=0.57)和MH灯(S/P=1.77)。此光源设备可完成0%-100%全程调光，并配合Konica Minolta CL500A光谱测量设备(图4)能够在200 K-20 000 K范围里快速并精准地调控色温。

图4 “低头族”步行模拟周边视觉刺激识别系统

此外，为了模拟“低头族”步行环境下以周边视觉的方式感知环境的状态，我们设计了一个周边视觉刺激识别系统。视觉刺激识别系统主要由4部分组成：视觉刺激物、视觉刺激物自动呈现装置、操作键盘和电脑操作系统。视觉刺激物主要包含中央视觉刺激物和周边视觉刺激物，即手机上的数字屏和视频内容。实验期间，手机上随机出现数字(1、2和3)的形式占据行人中央视觉，数字显示时间仅有450 ms。辅助的视频内容是一段不断循环播放的自然景观类的纪录片。周边视觉刺激物采取黑色高密度海绵块(反射系数低，尺寸：50 mm*40 mm*30 mm)模拟步行道路上地面障碍物。视觉刺激物自动呈现装置则由两部分组成；周边视觉刺激物的承载圆盘和控制箱。直径600 mm的承载圆盘，一共可以放置三个方块海绵砖和一个改造后障碍物。整个过程由电脑操作系统控制装置上的圆盘以不同速度匀速运行，从而带动障碍物运动。该平台可以使障碍物以随机且均等机会的方式停止在四个方向上：正上方、正下方、正左方和正右方。每种障碍物识别实验过程中转盘总共会停12次，每个方向停三次，每次停750 ms，且转盘下次与上一次停止间的时间间隔为6-12 s之间。圆盘线速度分为三档：SP1：0.235 m/s，SP2：0.177 m/s，SP3：0.059 m/s，本实验为提高实验难度选取0.235 m/s作为转盘的转速。操作键盘是当被试识别到数字和障碍物位置时下意识做决策时的选择器。例如当被试看到手机上数字显示为3，且障碍物停留在圆盘的上边时，就立即先按下标为“↑”的按钮，再按下左侧标为3的按钮。被试选择得方向和响应时间会自动记录在电脑中。电脑控制系统主要控制视觉刺激物呈现与响应平台的整个运行过程。它可以控制障碍物随即停止和匀速转动，会记录下障碍物随机停止的位置与停止时刻，被试推动推杆的时刻。每组实验结束，电脑自动保存数据，同时对视觉刺激物自动呈现装置进行复位后即可进行下一组实验。

2.2 实验参数选取

实验将选取6种不同的周边视觉环境补偿措施和4种照明参数作为研究的自变量，障碍物识别准确率和反应时间作为因变量。

六种周边视觉刺激物包括：动态LED闪光灯(黄色/蓝色)、闪粉(黄色/蓝色)和涂料(黄色/蓝色)，如表1。实验前采用手持亮度计(Koniac Minolat LS-110)测量，将涂料类和闪粉类障碍物表面的亮度调整到一致，为避免因亮度因素导致的实验误差。没有修改过的原始障碍物作为对照空白障碍物。

表1 不同周边视觉环境补偿措施的障碍物和亮度值

四种道路照明条件：包括2种照度(E1：2.0 lx和E2：15.0 lx)和2种不同s/p值配置的光源：标准高压钠灯(T1：HPS：x=0.5122，y=0.4198，CCT=2000 K，S/P=0.57，Ra=33.9)和标准金卤灯(T2：MH：x=0.3963，y=0.3846，CCT=4200 K，S/P=1.77，Ra=70.1)。所选照度的测量位置为视觉刺激物的正面的垂直照度，采用分光辐射照度计(Konica Minolta CL-500A)测量。

2.3 实验流程设计

实验招募被试24名(11名男性和13名女性)，由深圳大学城本科生和研究生(硕士和博士)组成，年龄分布在18-30岁之间，被试者均正常视力或经过佩戴眼镜后校正视力正常，并且用石原假等色板测试时没有色彩感知缺陷，无视觉疾病或功能障碍，并且身体健康，心理素质良好。24名被试需要在两种照度(高照度和低照度)情况下分别完成1 h的障碍物识别实验。

实验过程中被试在走步机上行走的同时进行两项不同强度的视觉任务:(1)利用中央视觉观看视频并识别手机上的数字任务(2)用周边视觉执行认知障碍物位置任务。通过统计被试的反应时间和障碍物探测准确率数据，探究出最佳周边视觉环境补偿措施。

实验过程中被试均需在两种照度下各自完成2种不同s/p值光源条件下完成6组实验(6个障碍物)，共完成12组实验，每组实验需要识别12次障碍物，一共识别144(2×6×12)次，花费时间36min(2×6×3 min)，过程中被试可随时休息保证以最好的状态完成实验，实验场景见图5。

图5 实验场景图

实验开始时，手机上的数字屏和视觉刺激物自动呈现装置同时启动，承载圆盘会保持匀速转动，每次实验圆盘共停止12次，每次障碍物随机停止在4个方向中的某一个方向，停止时间为750 ms，之后转盘继续以先前的速度匀速转动。圆盘停止同时手机上会随机出现数字，被试被要求在感知到障碍物所停的方向后以最快的速度先按下障碍物停下的方位再按下手机上显示的数字，一组实验将完成12次障碍物识别。实验整个过程要求被试时刻用中央视觉关注数字和视频，用周边视觉探测障碍物，以模拟低头族步行状态。被试完成一组实验后，实验员停止视觉刺激物自动呈现装置，储存实验数据并重新复原装置。与此同时要更换障碍物，更换之后进行下一组实验，直至完成12组后实验结束，具体流程如图6所示。

图6 实验流程图

在实验整个过程中，每组实验电脑都会记录下选择的数字，反应时间(圆盘停下的时刻到被试选择位置的时刻)和识别障碍物的方向。被试对障碍物的识别结果会以“1分”(正确)和“0分”(错误)的方式进行记录。在一种光环境条件下完成一种障碍物方向识别，全部正确会记12分，全部错误会记0分。每次转盘停止后的1s内被试没识别出正确的方位和没有选择方向均被视为判断错误。当被试数字判断错误时数据被视为无效，被认为没有用周边视觉去判断障碍物位置，因此在剩余次数中计算障碍物判断准确率。实验收集的反应时间即为周边视觉刺激仪器停止时刻至被试按下方向按钮的时刻间的间隔。

3 结果

3.1 障碍物识别准确率影响因素分析

(1)光源对障碍物准确率的影响

选取统计平均值的方式统计24名被试的实验数据，获得4种照明环境下识别不同周边视觉措施改造的障碍物的识别平均准确率，结果如表2所示。并对相同照度下两种光源类型(S/P值)(表3)与相同光源类型(S/P值)(表4)下两种照度的两组准确率数据分别进行配对样本T检验。

表2 不同照度和S/P值下的障碍物识别的平均准确率

由表3可以看出照度相同的情况下，只有在识别蓝色闪粉和蓝色涂料材质时，不同光源类型(S/P值)下的准确率结果存在显著性差异。且相较于HPS光源，MH灯下的准确率水平显著更高。

表3 相同照度下两种光源类型(S/P值)的配对检验结果

由表4可以看出光源类型相同的情况下，在识别黄色闪粉、蓝色闪粉、黄色涂料和蓝色涂料这四种材质时，不同照度水平下的准确率结果存在显著性差异。且相较于低照度2 lux，高照度15 lux下的准确率水平显著更高。

表4 相同光源类型下两种照度(2 lx和15 lx)的配对检验结果

(2)颜色对障碍物识别准确率的影响

为探究步行环境中障碍物颜色对识别能力的影响，针对每种光源条件下的每种材质的黄色和蓝色数据两两进行配对样本t检验，结果如表5所示。

表5 四种光源下相同材质周边视觉环境补偿措施的颜色配对检验结果

根据表5的结果可以看出在识别闪光灯类的障碍物时，在MH-15LX，HPS-15LX和HPS-2LX光源条件下，黄色和蓝色数据具有显著性差异。结合表2的数据表明，在这三种光条件下，相较于黄色闪灯障碍物，识别蓝色闪灯障碍物时的准确率更好。在识别闪粉材质的障碍物时，仅在HPS光源条件下黄色和蓝色的识别准确率具有显著差异，且在识别黄色闪粉障碍物时准确率更高。

在识别涂料材质的障碍物时，在MH-15LX和HPS-15LX光源条件下，黄色和蓝色的识别准确率均值具有显著性差异。在MH-15LX光源条件下，蓝色涂料优于黄色涂料。在HPS-15LX光源条件下，结果则相反。

(3)材质对障碍物识别准确率的影响

由图7可知，不同警示材质对低头族的障碍物探测率影响不同，且在四种光环境条件下，闪灯的探测准确率均明显高于闪粉材质和涂料材质，识别准确率均在0.8-0.9之间。闪粉和涂料材质在每种照明条件下的障碍物识别准确率差异不大。在四种照明条件下，闪灯的障碍物探测率基本保持在同一水平线，说明低头族在探测闪灯障碍物时，其周边视觉识别能力不受到照度水平和光源S/P值的影响。在同种照度水平条件下，涂料和闪粉障碍物都随着S/P值的提高其识别准确率明显提高。在同种光源类型条件下，涂料和闪粉障碍物随着路面照度水平的提高其识别准确率明显提高。

图7 三种类别周边视觉环境补偿措施改造后的障碍物识别平均准确率

3.2 障碍物探测率影响因素分析

Townsend和Ashby提出反效率分数公式(IES:Inverse Efficiency Score)将错误率(PE:Proportion of Errors)和反应时间(RT:Reaction Time)集成到一个指标中，适当权衡反应速度和准确性的影响来简化结果的解释[26]。IES被认为是一种可观察的测量方法，测量在一段时间内消耗的平均能量。它由RT除以PC(准确率)组成，见公式(1)：

(1)

式中 PE——识别错误率(方向识别错误数值占有效选择的百分比)；

PC——识别准确率(方向识别正确数值占有效选择的百分比)；

RT——反应时间(s)；

当IES值越低，说明被试的周边视觉反应速度快，反应能力强。

(1)光源对障碍物探测率的影响

选取统计平均值的方式统计24名被试的实验数据，获得4种照明环境下识别不同周边视觉措施改造的障碍物的识别响应时间，结果如表6所示。

表6 不同照度和S/P值下的识别响应时间

根据反效率分数公式计算24名被试的数据得到IES均值如表7所示：

表7 不同照度和S/P值下的IES均值

由表7可知，同一照度条件下，不同光源类型对障碍物探测率的影响不同。在15 lx条件下， MH灯下除黄色涂料外，其他材质的IES值均低于HPS灯。说明高照度条件下，“低头族”对MH灯光环境中的障碍物反应速度更快。但在2 lx条件下，在识别黄色闪灯，蓝色闪粉和蓝色涂料时，MH灯下的IES值低于HPS灯，表明在此种情况下反应速度更快。

由表7可知，同一光源类型条件下，不同照度条件对障碍物探测率的影响不同。在两种光源条件下，高照度(15 lx)的障碍物探测率IES均值明显低于低照度(2 lx)，说明在高照度时“低头族”周边视觉反应速度快反应速度更快。

(2)颜色对障碍物探测率的影响

就闪灯材质的障碍物而言，根据表7可看出，蓝色闪灯在四种灯光条件下的IES值均明显低于于黄色闪灯，能得出结论：蓝色比黄色更快引起“低头族”周边视觉注意力，这与障碍物准确率数据分析结果一致。

就闪粉材质的障碍物而言，根据表7可看出，在MH灯光条件下，高照度(15lx)时黄色和蓝色的IES值相近，表明颜色对“低头族”识别障碍物的能力没有影响。但在低照度时，蓝色的IES值偏低，识别能力更强。在HPS灯光条件下，黄色在高照度和低照度情况下的IES值均明显低于蓝色，且在低照度时更明显，表明黄色闪粉在HPS灯光条件下更容易被识别。

就涂料材质的障碍物而言，根据表7可看出，在MH灯光条件下，蓝色的IES均值均比黄色的低，“低头族”的周边视觉反应能力更强。但在HPS灯光条件下，结果相反。

综上所述，闪粉材质和涂料材质情况下的结果发现黄色在黄光环境下更容易识别，蓝色在白光环境下更容易识别(但闪粉材质中MH-15lx光环境下的黄蓝颜色对识别能力没有影响)。

(3)材质对障碍物探测率的影响

根据表7可知，不同障碍物材质对障碍物探测率的影响不同。将三类材质得到的数据结果进行平均值计算，发现在四种光环境条件下，闪灯的IES值均明显低于闪粉材质和涂料材质，进一步验证了闪灯的警示作用比闪粉和涂料强。且在四种照明环境下其IES均值近似在同一水平线上(0.6-0.7之间)(见图8)，即闪灯的警示作用不受路面照度水平和光源类型的影响。闪粉和涂料材质在每种照明条件下的IES均值相近，并且受光环境变化条件的影响：在同种照度水平条件下，涂料和闪粉障碍物都随着S/P值的提高其识别能力明显提高。在同种光源类型条件下，涂料和闪粉障碍物随着路面照度水平的提高其识别能力明显提高。所得结论与障碍物识别准确率所得结果一致。

图8 三种材质周边视觉环境措施改造后的IES均值

4 讨论

本文针对“低头族”的步行安全问题从不同的角度提出了多种多样的补偿措施，基于实验室“低头族”步行模拟平台，完成了不同照度、不同光源类型下对不同周边视觉环境补偿后的障碍物的视觉感知能力研究。结果表明，不同照度和光源类型(S/P值)下的障碍物识别的平均准确率和IES值的结果均不同，照度水平、光源类型、材质和颜色均对“低头族”的视觉感知能力的确有显著的影响。

照明光源方面 在同一光源类型条件下，高照度(15 lx)时“低头族”的周边视觉反应能力优于低照度(2 lx)水平(闪粉和涂料)；在同一照度条件下，高压钠灯(HPS：S/P=0.57)和金卤灯(MH:S/P=1.77)的障碍物探测率只有在蓝色闪粉和蓝色涂料这两种障碍物识别时有明显的差异，且在金卤灯下的准确率更高。

文献[27]使用实验室步行模拟法研究了光环境的视觉补偿作用，研究发现光源、照度对周边视觉障碍物探测能力有一定的影响，并发现光谱和照度等指标对行人周边视觉有补偿作用，光源具有较高的照度和s/p值时，能够提高行人探测障碍物能力。与本文结论一致，在探测率达到饱和前，应适当提高道路照度，提高“低头族”安全性。

颜色方面 (1)闪灯材质：蓝色在4种灯光条件下的周边视觉反应能力均明显高于黄色闪灯，实验过程中被试也表示发现蓝色闪动的物体更加吸视觉注意力。(2)闪粉材质和涂料材质情况下的结果发现黄色在黄光环境下更容易识别，蓝色在白光环境下更容易识别(但闪粉材质中MH-15lx光环境下的黄蓝颜色对识别能力没有影响)。

文献[28]使用半虚拟现实实验法，利用一种新型的头戴式虚拟互动现实环境(VIRE)评估“低头族“分心对过路的影响。结果表明，安装在马路交叉口的闪烁和变色 LED 灯能够有效提醒“低头族”，缓解手机对行人分心的影响。文献[29]研究了提醒装置的图案和颜色对行人视觉感知的影响，发现相比其他颜色，红色和黄色对有视觉障碍的人来说作为可探测警告颜色最具显著性的效果，并提出高亮对比度更能够有效提高行人警觉度。与本文相比，结论基本相似，可以在黑暗的人行道上(例如柏油路)，使用具有高反射率系数的浅色来形成鲜明对比，同时采用蓝色闪烁灯光可以提高“低头族”惊醒度。

材质方面 通过比较闪灯、闪粉和涂料材质的IES数据值发现闪灯的警示作用不受路面照度水平和光源类型的影响，在四种照明条件下“低头族”的周边视觉反应能力均比闪粉和涂料强。但是闪粉和涂料材质在每种照明条件下的IES均值几乎相同，并且均受照明光源的影响；在同种照度水平条件下，涂料和闪粉障碍物都随着S/P值的提高其识别准确率明显提高。在同种光源类型条件下，涂料和闪粉障碍物随着路面照度水平的提高其识别准确率明显提高。

5 小结

本文研究了复杂步行环境下，行人过街多视觉任务时，“低头族”对周边视觉环境的感知影响，采取双重认知任务法和视觉心理实验法相结合的方法，在实验室条件下搭建“低头族”步行模拟平台，探究“低头族”在不同照度和不同光源类型下对不同周边视觉环境补偿措施改造后的障碍物的视觉感知能力。不同照度和光源类型(S/P值)下的障碍物识别的平均准确率和IES值的结果均显示，照度水平、光源类型、材质和颜色均对“低头族”的视觉感知能力的确有显著的影响。

在照度水平和光源类型方面，在同一光源类型条件下，高照度(15 lx)时“低头族”的周边视觉反应能力优于低照度(2 lx)水平(闪粉和涂料)。在同一照度条件下，高压钠灯(HPS：S/P=0.57)和金卤灯(MH:S/P=1.77)的障碍物探测率只有在蓝色闪粉和蓝色涂料这两种障碍物识别时有明显的差异，且在金卤灯下的准确率更高。在颜色方面，蓝色闪灯下的周边视觉反应能力均明显高于黄色闪灯，闪粉材质和涂料材质则表现为黄色在黄光环境下更容易识别，蓝色在白光环境下更容易识别(但闪粉材质中MH-15lx光环境下的黄蓝颜色对识别能力没有影响)。在材质方面 ，闪灯的警示作用最强，且不受路面照度水平和光源类型的影响。闪粉和涂料材质则区别不大。研究结果为步行环境人因建设提供参考性建议。