基于紅綠色覺異常人群的路況地圖色彩設(shè)計(jì)研究

朱海紅,夏　夢(mèng)

(武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430079)

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基于紅綠色覺異常人群的路況地圖色彩設(shè)計(jì)研究

朱海紅,夏夢(mèng)

(武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430079)

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車數(shù)量急劇增長，導(dǎo)致全國各地交通堵塞日益嚴(yán)重，由此衍生出的安全和環(huán)境問題也愈發(fā)突出。所以，實(shí)時(shí)掌握路況信息，可有效提高道路使用率，減少因?yàn)榻煌〒矶露鸬哪茉聪暮铜h(huán)境污染。路況地圖，就是在交通地圖上標(biāo)示主要交通要道的路況信息。包括擁堵、緩行、暢通以及是否有發(fā)生突發(fā)事故、施工等信息[1]，以地圖的形式展示，方便出行用戶。例如百度路況地圖，如圖1(a)所示，用戶可以在出門之前根據(jù)路況圖實(shí)時(shí)顯示的路況信息，選擇一條最佳、最快捷的出行路線。

色覺是視覺功能的一個(gè)基本而重要的組成部分，是人類視網(wǎng)膜錐細(xì)胞的特殊感覺功能。正常人視覺器官能辨識(shí)波長380~760 um的可見光，由紫、藍(lán)、青、綠、黃、橙、紅7色組成。色覺異常包括色盲和色弱兩大類，色盲是指辨色能力消失，色弱是指對(duì)顏色辨認(rèn)能力降低。紅綠色覺異常即部分視覺異常，不能區(qū)分紅色和綠色，看成兩色調(diào)：長波(紅、橙、黃、綠)部分為黃色，短波(青、藍(lán)、紫)部分為藍(lán)色。據(jù)統(tǒng)計(jì)，紅綠色覺異常人群占世界總?cè)藬?shù)的8%[2]。由于他們?cè)谏时孀R(shí)方面存在缺陷，在閱讀一般地圖時(shí)，有時(shí)不能清晰分辨顏色，致使不能正確獲取地圖上傳遞的信息，如圖1(b)所示。地圖上借助顏色想要傳遞的一些情感和信息也不能很好的被他們所感知。因此通過明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將適當(dāng)?shù)拿鞫葘?duì)比引入地圖色彩中，設(shè)計(jì)出帶有感情色彩、所有人群均可無障礙識(shí)別的路況地圖，對(duì)于提高地圖使用效率、滿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顏色模型，通過明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析紅綠色覺異常人群對(duì)于各級(jí)明度差的感受，并將明度對(duì)比結(jié)果應(yīng)用于路況地圖中，使得路況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無障礙識(shí)別的路況地圖。

(a)正常視覺中的路況圖

(b)紅綠色覺異常視覺中的路況圖圖1　百度實(shí)時(shí)路況地圖

1色彩象征

色彩是客觀存在的物質(zhì)現(xiàn)象，它是我們面對(duì)色彩時(shí)所產(chǎn)生的即時(shí)印象-視覺感受以及由視覺感受所引起的心理感受[3]。除了色彩本身固有的物理屬性外，色彩研究的另一個(gè)重要領(lǐng)域關(guān)注的是色彩在人們心理感受方面產(chǎn)生的作用[4-6]。不同的國家和民族往往有不同的特點(diǎn)，由于歷史背景的不同，使得每個(gè)民族對(duì)于某些色彩的象征意義的理解不同[7]。對(duì)于中國人而言，紅色象征著吉祥、喜慶、熱情，也可用于警示關(guān)注或危險(xiǎn)，交通信號(hào)燈中表示“停止”的紅燈也是這種特征的應(yīng)用；綠色象征著新生命、和平、安全，或者作為緊急出口、前進(jìn)信號(hào)。黃色象征著高貴、財(cái)富，有很高的注目性，也常用來警告危險(xiǎn)或提示注意[8]。

將色彩的象征意義融入到地圖色彩的設(shè)計(jì)中來，對(duì)于提高地圖符號(hào)的認(rèn)知效果，滿足不同人群色彩情感需求具有重要作用。既然地圖色彩主要是用來表現(xiàn)制圖內(nèi)容，設(shè)計(jì)地圖符號(hào)顏色時(shí)必須考慮如何提高符號(hào)的認(rèn)知效果。有明確色彩特征的對(duì)象，一般可用與之相似的顏色，如藍(lán)色表示水系等[9]。因?yàn)榧t色象征著警示、綠色象征著前進(jìn)信號(hào)，以百度地圖為例，如圖1(a)所示，原圖中用紅色表示擁堵路況信息，綠色表示暢通路況信息，黃色系表示道路。而紅綠色覺異常人群不能區(qū)分紅色和綠色，嚴(yán)重的紅綠色盲會(huì)把它們看成深黃色[2]。因?yàn)槁窙r信息是覆蓋在交通網(wǎng)上表示，容易與路況信息進(jìn)行混淆，并且，路況信息設(shè)色在紅綠色覺異常人眼中也不能起到顯著警示的視覺效果，如圖1(b)所示。由于黃色常用來警告危險(xiǎn)或提示注意，滿足路況圖中對(duì)擁堵路況信息表達(dá)的認(rèn)知效果，而且不同程度的色覺異常人群均能識(shí)別黃色，所以用黃色表示擁堵路況信息。

2面向色覺異常人群的色彩實(shí)驗(yàn)

2.1　實(shí)驗(yàn)人員和實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)通過網(wǎng)絡(luò)選取了26位色盲測(cè)試者。先對(duì)其進(jìn)行色覺測(cè)試，確定是否為色盲以及是何種色盲類型，其中，女性3人，男性23人。紅色覺異常8人，綠色覺異常10人，紅綠色覺異常8人。再針對(duì)本文研究問題進(jìn)行測(cè)試。采用網(wǎng)上制作問卷發(fā)放的方式。問卷設(shè)計(jì)遵循以下原則：所設(shè)問卷符合客觀實(shí)際情況；所設(shè)計(jì)的問卷避免其他禁忌和敏感的問題；盡量保持問句表述的科學(xué)性[10]。

2.2　色彩明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2.2.1　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

明度在色彩搭配中占有重要地位，色彩的層次與空間關(guān)系主要依靠色彩的明度對(duì)比來表現(xiàn)。若只有色相和飽和度的對(duì)比而無明度對(duì)比，圖案的輪廓就會(huì)難以辨認(rèn)；尤其是對(duì)于色覺異常人群來說，他們本身對(duì)于一部分色相識(shí)別的靈敏度不高，嚴(yán)重的色覺異常者甚至無法識(shí)別某些顏色。雖然Noriaki Suetake等[11,12]已經(jīng)研究過關(guān)于紅綠色覺異常人群的明度修改方案，但是目前還沒有學(xué)者研究關(guān)于紅綠色覺異常者對(duì)不同明度等級(jí)的感受。

對(duì)于正常視覺者而言，在明度軸上3級(jí)差以內(nèi)的明度對(duì)比，其視覺效果模糊不清；3~5級(jí)差別的明度對(duì)比視覺效果平和；大于5級(jí)差的明度對(duì)比，視覺效果刺激，會(huì)產(chǎn)生刺眼的感覺[13]。明度差異越大，越醒目，引人注目，但是過大又會(huì)讓觀察者覺得刺眼生硬，影響地圖的觀賞性。為研究對(duì)于紅綠色覺異常人群來說明度對(duì)比的感受是否同正常視覺一樣，我們需要進(jìn)行明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)找出合適的明度對(duì)比范圍值，使得明度對(duì)比足夠大，色覺異常人群既能夠無障礙地識(shí)別地圖，又能夠起到一定的警示作用，并且不能過大，否則會(huì)使地圖配色太過刺眼生硬，影響地圖美感。

紅綠色覺異常人群可以識(shí)別的顏色有限，為了減少他們識(shí)圖的困難。不同于原圖同時(shí)在路況圖中標(biāo)有嚴(yán)重?fù)矶?、擁擠、緩行和暢通4種路況，這次實(shí)驗(yàn)只會(huì)在路況圖中標(biāo)有擁堵。既可以為紅綠色覺異常人群提供基本的路況信息，也可以使得地圖清晰容易辨別。所以明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)只針對(duì)表示擁堵的黃色。

明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)從清晰度和觀賞性兩個(gè)方面進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)如圖2的樣本，其中數(shù)字的顏色與框內(nèi)為不同明度的黃色，分別測(cè)試紅綠色覺異常人群對(duì)于明度每個(gè)級(jí)差之間的感受。首先，對(duì)于清晰度實(shí)驗(yàn)而言，如果測(cè)試者能夠準(zhǔn)確讀出圖中數(shù)字(圖中數(shù)字隨機(jī)出現(xiàn))，那么測(cè)試者可以區(qū)分出兩種顏色；其次，對(duì)于觀賞性而言，會(huì)設(shè)置選擇題，讓測(cè)試者根據(jù)自己的主觀感受，選擇兩者顏色對(duì)比是否刺眼、合適、模糊，從而完成觀賞性的判斷。

圖2　明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試圖樣

2.2.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了保證問卷調(diào)查結(jié)果的可信度和有效性，有必要考察所設(shè)計(jì)的問卷是否符合要求，涉及到問卷的可信度與有效度的分析問題。調(diào)查問卷的精髓是可信度和有效度，任何問卷調(diào)查都需要進(jìn)行可信度和有效度的檢驗(yàn)評(píng)價(jià)[14]。

可信度是指問卷調(diào)查結(jié)果的具有穩(wěn)定性的程度[15]，本文采用的是Cronbachα系數(shù)進(jìn)行信度分析[16]。系數(shù)的大小是在[0,1]之間波動(dòng)，系數(shù)越大說明測(cè)試結(jié)果越可靠[17]。

分析結(jié)果如表1和表2所示，清晰度實(shí)驗(yàn)的信度值為0.793，觀賞性實(shí)驗(yàn)的信度值為0.782，均大于0.7。根據(jù)Kline[18]描述的不同等級(jí)的系數(shù)對(duì)應(yīng)不同調(diào)查結(jié)果的內(nèi)部一致性可知，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性“相當(dāng)好”，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的信度都在可信程度范圍內(nèi)，可以引用調(diào)查問卷的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相關(guān)的分析和研究。

表1　清晰度的α值

表2　觀賞性的α值

有效度(也稱效度)是指調(diào)查問卷測(cè)試結(jié)果的正確程度，即測(cè)試結(jié)果與測(cè)試目標(biāo)的符合程度。效度越高表示測(cè)試結(jié)果越能代表所要測(cè)試對(duì)象的實(shí)質(zhì)特性[15]。本文中采用的是顯著性檢驗(yàn)中的T檢驗(yàn)法進(jìn)行效度分析。對(duì)清晰度和觀賞性進(jìn)行效度分析結(jié)果，如表3所示。

表3　紅綠色覺異常人群清晰度、觀賞性明度對(duì)比的效度表

估計(jì)總體參數(shù)落在某一區(qū)間內(nèi)可能犯錯(cuò)誤的概率為顯著性水平，用α表示；1-α為置信度或置信水平，表明了區(qū)間估計(jì)的可靠性。顯著性水平的值越高，置信度就越低，也就是說原假設(shè)越有可能被拒絕。在本文中，我們將顯著性水平(α)定為0.01，若P大于α，則接受原假設(shè)，否則拒絕假設(shè)[19]。

根據(jù)明度對(duì)比效度表的結(jié)果可得到以下結(jié)論：在清晰度明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，1~9級(jí)的明度級(jí)差均接受假設(shè)。也就是說，1~9級(jí)的明度級(jí)差在紅綠色覺異常人群眼中均表現(xiàn)出統(tǒng)一的傾向性，即就清晰度而言，紅綠色覺異常人群與正常視覺人群沒有顯著性差異，均可以識(shí)別。在觀賞性明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，除了明度級(jí)差為2級(jí)和5級(jí)時(shí)拒絕假設(shè)，其余明度差值均接受假設(shè)。也就是說，9個(gè)明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)中只有明度級(jí)差為2級(jí)和5級(jí)沒有表現(xiàn)出統(tǒng)一的傾向性，即明度差值1，3，4，6，7，8，9對(duì)于紅綠色覺異常人群與正常視覺人群沒有顯著性差異，而2級(jí)和5級(jí)與正常視覺相對(duì)差異顯著。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理后可得出紅綠色覺異常人群對(duì)于黃色每個(gè)明度對(duì)比級(jí)差的視覺感受，如表4所示。

表4　明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以推論：紅綠色覺異常的人群在明度對(duì)比感受上和正常視覺者確實(shí)存在差異。在明度對(duì)比清晰度上，紅綠色覺異常人群對(duì)于明度差值1~9級(jí)均表現(xiàn)出統(tǒng)一的傾向，即跟正常視覺者一樣，都可以正常識(shí)別，符合紅綠色盲可以識(shí)別黃色的特性。在明度對(duì)比觀賞性上，紅綠色覺異常人群對(duì)于明度差值1，3，4，6，7，8，9級(jí)的感受與正常視覺者一樣，1級(jí)明度差表現(xiàn)為模糊，3，4級(jí)明度差表現(xiàn)為視覺舒適，7，8，9級(jí)明度差表現(xiàn)為視覺刺激，會(huì)產(chǎn)生刺眼的視覺效果，而2級(jí)和5級(jí)明度差與正常視覺人群存在顯著性差異，這可能是因?yàn)樗麄兿鄬?duì)于正常視覺者對(duì)于明度的變化更加敏感。

2.3　路況地圖色彩明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

色彩明度對(duì)比在表現(xiàn)地圖內(nèi)容中起著及其重要的作用，涉及到地圖的清晰感、節(jié)奏感、層次感、空間感[20]。而且色彩的明度漸變是視覺排序的基本因素，可以使用色彩明度的漸變對(duì)比來表示地圖中的數(shù)量等級(jí)[9]，例如降水量預(yù)報(bào)圖用一組明度由大到小的藍(lán)色色階表示水量由小到大。

路況地圖樣本選用北京市交通圖作為配色實(shí)驗(yàn)地圖。交通網(wǎng)是各種交通運(yùn)輸路線的總稱。它包括陸地交通、水陸交通、空中交通等幾類。在路況地圖中只包括陸地交通，表示的是陸地交通的路況信息。因?yàn)閿?shù)據(jù)的限制，只能提供主要公路的路況信息。路況信息是用不同顏色的實(shí)線覆蓋在交通網(wǎng)上來表示。

針對(duì)紅綠色覺異常人群的路況地圖設(shè)計(jì)中，在原有交通圖的基礎(chǔ)上，利用明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出適當(dāng)明度級(jí)差范圍來制作路況圖的實(shí)驗(yàn)樣圖。由于路況圖是重點(diǎn)反映各地交通路況信息，因此需要重點(diǎn)突出路況信息，在地圖明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，道路符號(hào)設(shè)色的明度均小于路況信息設(shè)色的明度。在明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，對(duì)于紅綠色覺異常人群來說，3級(jí)和4級(jí)明度級(jí)差既可以清晰地傳遞信息，也不會(huì)引起紅綠色覺異常人群視覺上刺眼、生硬等的不適感，而2級(jí)和5級(jí)黃色明度級(jí)差對(duì)于他們來說，與正常人群的視覺感受具有顯著性差異，但是因?yàn)榈貓D內(nèi)容豐富，地圖表現(xiàn)的元素很多，所以識(shí)別地圖色彩的差異比識(shí)別普通色塊的差異更復(fù)雜，所以把2級(jí)和5級(jí)明度也加入路況圖明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)中。如圖3所示，圖中列出部分實(shí)驗(yàn)圖，分別為2到5級(jí)明度級(jí)差對(duì)比配色圖。

對(duì)色覺異常人群色彩明度對(duì)比設(shè)色進(jìn)行調(diào)查，如圖4和圖5，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知：

1) 對(duì)于2到5級(jí)的明度對(duì)比地圖路況設(shè)色而言，紅綠色覺異常測(cè)試者均能無障礙地識(shí)別路況信息。

2) 對(duì)于3級(jí)明度對(duì)比地圖路況設(shè)色而言，82.1%的紅綠色覺異常測(cè)試者認(rèn)為路況設(shè)色合理、明度對(duì)比度夠大，可以滿足清晰度，能夠很容易識(shí)別。同時(shí)，明度對(duì)比也沒有過大，讓人覺得刺眼。而對(duì)于4級(jí)明度對(duì)比地圖路況設(shè)色，84.6%的認(rèn)為路況設(shè)色合理。

3) 對(duì)于2級(jí)明度對(duì)比地圖路況設(shè)色而言，56.9%的紅綠色覺異常測(cè)試者認(rèn)為其設(shè)色合理，既能清楚地識(shí)別出路況信息，又使圖中的路況顏色比較顯著，引起注意，且不會(huì)造成刺眼的不適感。然而，有將近40%的紅綠色覺異常測(cè)試者認(rèn)為，雖然可以無障礙地識(shí)別，但是設(shè)色過于模糊，識(shí)別有點(diǎn)難度；對(duì)于5級(jí)明度對(duì)比地圖路況設(shè)色而言，93.6%的紅綠色覺異常測(cè)試者認(rèn)為路況設(shè)色合理。僅僅只有5.12%認(rèn)為地圖配色刺眼，引起不適。2級(jí)明度級(jí)差與明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，依然沒有表現(xiàn)出統(tǒng)一的感受傾向，而5級(jí)明度級(jí)差與明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，可能是因?yàn)榈貓D表達(dá)的內(nèi)容更豐富，干擾紅綠色覺異常觀察者對(duì)于明度對(duì)比感受的因素過多，從而造成結(jié)果差異。

(a)明度級(jí)差為2

(b)明度級(jí)差為3

(c)明度級(jí)差為4

(d)明度級(jí)差為5

4) 如圖可知，73.1%的紅綠色覺異常測(cè)試者認(rèn)為5級(jí)明度對(duì)比路況設(shè)色更符合他們的要求，可以很容易地識(shí)別路況信息，不會(huì)產(chǎn)生視覺不適感，比如說模糊或者刺眼。

圖4　路況圖測(cè)試結(jié)果一

圖5　路況圖測(cè)試結(jié)果二

從交通路況圖的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：將明度對(duì)比變化應(yīng)用于紅綠色覺異常人群的路況地圖設(shè)色時(shí)，明度級(jí)差對(duì)比為3，4，5級(jí)的時(shí)候，路況圖設(shè)色效果較好，既可以輕松地識(shí)別路況信息，也不會(huì)引起紅綠色覺異常人群視覺的不適感；而低于3級(jí)的明度對(duì)比，雖然可以識(shí)別路況信息，但太過模糊，識(shí)別困難，而且不會(huì)起到醒目、引人注意的視覺效果；而大于5級(jí)的明度對(duì)比，會(huì)使得紅綠色覺異常人群觀察地圖時(shí)有刺眼生硬的視覺感受。5級(jí)是最適合用來對(duì)路況圖進(jìn)行設(shè)色的明度級(jí)差。

3結(jié)束語

本文以色盲、色彩象征相關(guān)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合地圖表達(dá)和明度對(duì)比感受的相關(guān)知識(shí)，從色覺異常人群的辨色特點(diǎn)出發(fā)設(shè)計(jì)路況地圖，通過調(diào)查問卷的形式分析紅綠色覺異常人群對(duì)黃色明度對(duì)比的視覺感受，完成了紅綠色覺異常人群對(duì)于黃色各明度級(jí)差對(duì)比感受的劃分。通過明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可知紅綠色覺異常人群對(duì)于黃色明度級(jí)差設(shè)色為3級(jí)和4級(jí)的感受更舒服，對(duì)于級(jí)差大于5的明度對(duì)比覺得刺眼、生硬。將結(jié)果應(yīng)用于路況地圖進(jìn)行設(shè)色實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出地圖中合適的明度對(duì)比級(jí)差，設(shè)計(jì)出紅綠色覺異常人群眼中層次分明的路況地圖。在明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，只針對(duì)黃色進(jìn)行了明度對(duì)比調(diào)查分析，后續(xù)仍需對(duì)其他色彩的明度對(duì)比進(jìn)行研究。

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[責(zé)任編輯：王文福]

摘要：紅綠色覺異常人群對(duì)于明度變化的感受比正常視覺者更加敏感，可以彌補(bǔ)色相辨別的缺陷。通過針對(duì)黃色明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出紅綠色覺異常人群對(duì)明度對(duì)比各等級(jí)的視覺感受，找出對(duì)紅綠色覺異常人群既可以容易識(shí)別又不會(huì)覺得刺眼的明度對(duì)比范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果引入地圖設(shè)色，結(jié)合色彩象征意義，做出紅綠色覺異常人群和正常人群通用的路況地圖。在路況信息清晰表達(dá)前提下，盡可能保留色彩象征意義，并保證地圖的觀賞性。通過路況地圖色彩明度對(duì)比實(shí)驗(yàn)制作出紅綠色覺異常人群既能無障礙識(shí)別又帶有警示象征意義的路況地圖。

關(guān)鍵詞：紅綠色覺異常；路況圖；色彩象征；明度對(duì)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

作者簡介：朱海紅(1964-)，女，副教授，博士.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué) (41271458)

收稿日期：2015-09-11

中圖分類號(hào)：P283.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7949(2015)12-0001-06