基于眼动特征的可变信息标志视认性影响研究

2024-01-02钟光兰牛梓儒祝铭悦郭海林

河北工业科技 2023年6期

钟光兰,牛梓儒,祝铭悦,郭海林

(中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉 430074)

城市道路交通系统的发展水平是衡量人民生活水平及社会进步的一个重要指标。随着大城市机动车保有量的迅速增加,交通拥堵等一系列交通问题日益严重,在此背景下,可变信息标志(variable message sign,VMS)越来越多,它具有灵活变化和信息载体丰富的特点,能够更好地满足交通管理体系运行[1-2]的需求。然而在实际应用中,由于缺少对VMS使用情况的监测和反馈,存在交通道路标志由于色光不足而视认不清楚以及色光过亮导致视认不舒服或眩光的现象,因而无法起到其应有的作用,甚至会导致交通安全事故发生。

目前,国内外已有VMS的相关标准规范出台。发达国家针对视认参数、交通标志的颜色和大小等方面做了准确规定[3-6],中国在2009年第一次增加了VMS相关内容[7],并在2021年颁布了最为系统的行业团体规范[8],但没有明确规定昼夜交替时字体亮度参数的设置。

另外,国内外学者对VMS进行了相关研究,其中屏面显示信息量引起较多学者关注。戚春华等[9]通过驾驶实验探究了道路交通标志信息量与驾驶时间耦合关系下的眼动特征;何荥等[10]、王轩[11]、陈湘[12]通过现状调查研究了屏幕信息要素和特性,并建立了相应的评价模型。此外,还有部分学者关注VMS字体、颜色和屏幕亮度等对驾驶员的影响。LAI[13]通过室内模拟驾驶实验,探究了VMS中字体和颜色对视觉识别的影响;FUNKHOUSER等[14]分析了VMS的亮度、对比度和背景亮度对视认效果的影响;赵小平等[15]和王思琦[16]探究了视觉亮度和屏幕调光等级的关系。以上研究表明,国内外对于VMS的研究侧重于标志自身物理参数及显示信息属性,涉及标志的亮度、颜色、字体等方面,但未见昼夜交替时不同环境照度下字体亮度对VMS视认性影响的研究报道。

因此,本文基于眼动实验对VMS显示信息的字体亮度、背景亮度的视认效果影响进行研究,以武汉二环线中VMS为研究对象,以实测环境照度与字高为依据,设计室内模拟实验,通过眼动数据分析VMS显示信息在昼夜交替环境中,字体亮度与环境照度对视认效果的影响,为VMS亮度标准设置提供依据。

1 环境照度与字体参数确定

1.1 环境照度测量

为补充标准中对于昼夜交替时显示亮度规定不明确的问题,对冬季早晨(7:00—8:00)和傍晚(17:00—18:00)时间段环境照度进行测量并展开研究。为精准测量时间范围内的环境照度,测量时间设置为每天6:30—8:30和16:30—18:30,每隔30 min记录一次,共连续记录7 d。利用全自动照度计测量环境照度,结果如图1所示。实测过程中,每天18:30时环境照度为0,故图1中将此时刻略去。

图1 环境照度测量柱状图Fig.1 Environment illumination measurement histogram

根据测定,早晨7:00—8:00的环境照度值为3.6～1 014 lx,傍晚17:00—18:00的环境照度值为20～900 lx。按照GB/T 23828—2023《高速公路LED可变信息标志》[17]中关于字体亮度有明确规定要求,为了本次实验操作和结果分析的简便性,根据实际测量情况,将实验环境照度区间设定为200～1 000 lx。

1.2 字体参数确定

根据GB/T 23828—2023《高速公路LED可变信息标志》[17]中对文字标志显示屏的前景字符要求,本次实验中实验材料的字体颜色设为红色、黄色、绿色3种颜色。通过等比例换算方式,开展VMS字高确定实验,通过视觉清晰度实验以及主观舒适度实验2部分,确定最佳字体高度(简称字高)。根据GB 5768.2—2022《道路交通标志和标线第2部分:道路交通标志》[18],武汉市二环高架限速80 km/h,对应的汉字字高为50～60 cm(汉字字宽和字高应相等),视认距离能够达到150～250 m。结合实验室实际情况,本次实验将视认距离设定为5 m。根据张伯明[19]的研究,可根据式(1)确定实验字高。

(1)

式中:h为实验字高,cm;d为实验视认距离,m;H为实际字高,cm;D为实际视认距离,m。

根据计算结果得出本次实验字高测试区间为1～2 cm。选取室内实验室作为实验场地进行模拟实验,使用LED屏幕呈现实验图案,由于屏幕型号为P1.25,字体大小差距需大于1.25 mm,因此设置字高分别为1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0 cm。每种字高共10个测试图案,每个图案显示10 s,被试者视认完成后记录其视认舒适程度(简称舒适度),并将测试图案读出,主试者记录视认正确率。实验结果如图2和图3所示。

图3 字高与舒适度的关系Fig.3 Relationship between font size and comfort level

在字高视认效果实验中,当字高为1.0～1.4 cm时,视认正确率由75%左右上升至95%左右,在字高达到1.6 cm时视认正确率达到100%。在舒适度实验中,3种颜色在字高为1.0 cm时均出现了不清楚的情况,红色字体和绿色字体在字高为1.2 cm时仍有不清楚的情况,3种颜色中很清楚的数据均呈现出逐渐增长趋势,当字高为1.6 cm时全部为很清楚。

根据GB/T 23828—2023《高速公路LED可变信息标志》[17],标志内容正确率不低于90%并且不清楚率不大于50%为合格;标志内容正确率低于90%或不清楚率大于50%为不合格。当字高为1.6 cm时,3种颜色视认正确率均为100%,舒适度均为很清楚,为探究字体颜色对视认性的影响,测定生理指标以及心理指标,本次实验选定字高为1.6 cm。

根据GB/T 23828—2023《高速公路LED可变信息标志》[17]以及比例对应原则[20],本次实验红色亮度区间为90～290 cd/m2,黄色亮度区间为145～345 cd/m2,绿色亮度区间为180～380 cd/m2。

2 实验研究

为探究红、黄、绿3种颜色在不同环境照度下的最佳视认效果亮度区间,开展VMS视认性实验,利用眼动仪记录眼动数据,进行数据分析,得到不同字体亮度在不同环境照度下对视认性的影响,分析环境照度与字体亮度与视认性的影响规律,以及两者相互关系。

2.1 实验原理

首次注视时长(first fixation duration,FFD)可以用作不同类型刺激的比较指标[21],FFD被视为人员对观测区域或目标的敏感状态,FFD的值与视认难度呈正相关关系,即值越大,人员对该区域视认难度越大。总注视时长(total fixation duration, TFD)反映了观测人员的兴趣程度与信息处理的难易程度,TFD越大视认效果越差。注视点个数(fixation count,FC)是度量区域信息加工难度的重要指标之一[22],即注视点个数越多,信息加工难度越大,视认效果越差。因此本次实验选取首次注视时长、总注视时长、注视点个数3个指标来反映被试者对可变信息标志的视认效果,且各指标与视认效果均呈负相关关系。

主成分分析法是一种数学降维的方法[23],通过对原始变量进行综合与简化,可以客观地确定各个指标的权重,避免主观判断的随意性,将数据降维,提取到主成分,进而得到主成分视认效果得分函数;再根据视认效果得分函数以及标准化的初试变量,得到主成分得分,即视认效果值。视认效果值越小,可变信息标志越容易被认读,则视认效果越好。绘制视认效果与字体亮度的关系曲线,并建立二者的函数关系,得到既定环境照度下视认效果最佳的字体亮度,不同环境照度下不同颜色字体亮度与视认效果值的函数关系表达式如表1所示。

表1 不同环境照度下不同颜色字体亮度与视认效果值函数关系表达式

2.2 实验设备

实验设备主要包括照度计(上海市嘉定学联仪表厂提供)、屏幕亮度计(深圳市欣宝瑞仪器有限公司提供)、LED显示屏(深圳市鑫亿彩光电科技有限公司提供)、LED投光灯(欧普照明股份有限公司提供)、Tobii Pro Glasses2眼动仪及Tobii Pro Lab(×64)数据分析软件(瑞典Tobii AB公司提供)。

2.3 实验准备

实验选择13位被试者,年龄在20～26岁,已取得驾驶证,且保证被试者的年龄、学历、疲劳程度、任务量等实验设计的额外变量不变。在实验前对被试者进行简单培训,并讲解注意事项与实验流程。

通过调整投光灯个数及其位置来改变环境照度,本次实验所需环境照度为200～1 000 lx。

显示屏显示内容为“交通量大,限速80 km/h”等提示类可变信息标志内容。利用电脑控制接收卡将实验图像传输至LED显示屏中,在LED屏幕下方播放行车视频,模拟驾车行驶,由眼动仪记录眼动数据,被试者观看行车视频。

2.4 实验过程

实验采用多因素组内实验设计,实验因素包括环境照度、字体颜色及字体亮度。将环境照度设置5个水平,分别为200,400,600,800,1 000 lx;字体颜色设置为3个水平,分别为红色、黄色、绿色;红色字体亮度设置10个水平,黄色和绿色字体亮度均设置11个水平,开展不同环境照度与不同颜色字体亮度的组合实验。不同显示亮度的字体随机播放,被试者在距离LED屏幕5 m的位置观测屏幕,在LED屏幕下方播放行车视频,被试者需注视行车视频,利用行车视频转移被试者注视点,屏幕中出现显示图案后,被试者将视线转移至屏幕观察,观察清楚后继续注视行车视频,直至3种颜色字体亮度循环结束,结束眼动记录。实验场景设置如图4所示。

图4 实验场景Fig.4 Experimental scene

实验结束后利用Tobii Pro Lab将实验数据导出进行分析,由于导出数据过多,本次实验选择采样比高于80%的8组数据的平均值进行分析,降低误差对实验结果的影响。

3 结果分析

3.1 主成分分析

首先,利用SPSS软件对3个眼动指标的平均数进行无量纲标准化处理,然后通过KMO检验和巴特利特检验判断是否可以进行主成分分析。一般认为KMO值大于0.7,且p<0.05,适合进行主成分分析[24]。然后,将经过标准化处理的数据进行主成分分析,得到主成分的特征值、方差贡献率和累计贡献率。在数据降维过程中,一般认为累计方差贡献率大于85%的主成分具有一定代表性[25]。提取出主成分后,分析出成分得分系数矩阵及主成分得分函数,进而得到视认效果关于3个眼动指标的函数,即视认效果指标相对数值。

3.2 字体亮度对视认性影响分析

为研究字体亮度对视认性的影响,分析字体亮度对视认性的影响规律,并得到不同环境照度下字体的最佳显示亮度,通过记录不同字体亮度下被试者的眼动数据,对实验结果进行主成分分析。经检验,KMO检验值均大于0.73,巴特利特检验的p值小于0.05,呈现显著性水平,各变量间具有相关性,主成分分析有效。通过将3个眼动指标降维为视认效果,得到既定环境照度下字体亮度与视认效果关系图,如图5—图7所示。

图5 红色字体亮度对视认性的影响Fig.5 Effect of red font brightness on visual recognition

图6 黄色字体亮度对视认性的影响Fig.6 Effect of yellow font brightness on visual recognition

图7 绿色字体亮度对视认性的影响Fig.7 Effect of green font brightness on visual recognition

由图5—图7可知,字体亮度较低时的视认效果整体较差,视认效果曲线随字体亮度的增加而下降,即视认效果逐渐变好,当视认效果曲线下降减缓时视认效果不再变化,字体亮度达到该环境照度最佳视认效果的临界值,即得到环境照度为200～1 000 lx时的最佳显示亮度,如表2所示。

表2 最佳显示亮度

3.3 环境照度对视认性影响分析

通过KMO检验和巴特利特检验,KMO值均大于0.7,巴特利特检验的p值小于0.05,呈现显著性水平,各变量间具有相关性,主成分分析有效。利用主成分分析法得到视认效果得分情况,建立视认效果与环境照度的关系曲线,如图8—图10所示。

图8 环境照度对红色字体视认性的影响Fig.8 Effect of environment illumination on the visibility of red fonts

图9 环境照度对黄色字体视认性的影响Fig.9 Effect of environment illumination on the visibility of yellow fonts

图10 环境照度对绿色字体视认性的影响Fig.10 Effect of environment illumination on the visibility of green fonts

当字体亮度较低时,即当红色字体亮度小于150 cd/m2、黄色字体亮度小于165 cd/m2、绿色字体亮度小于180 cd/m2时,环境照度对视认性的影响较小,视认效果值较大,视认效果较差;随着字体亮度的增加,环境照度对视认性的影响逐渐增大,视认效果曲线波动增大,视认效果曲线呈现上升的趋势,视认效果变差;当字体亮度较高时,环境照度对视认性的影响变小,当红色字体亮度达到260 cd/m2、黄色字体亮度达到325 cd/m2、绿色字体亮度达到340 cd/m2时,视认效果值较小并且曲线波动较小,环境照度对视认效果基本不存在影响。