基于視認特性的指路標志版面不同區(qū)域視認效果研究

裴玉龍 張馨予

摘 要：為更全面分析指路標志版面不同區(qū)域視認效果，提出“字牌高度比”，以表征標志版面漢字高度和標志牌設置高度間的耦合關系。從視認特性入手，對標志版面進行興趣區(qū)域劃分。通過條件廣義方差極小法，篩選相關性低的視認指標作為評價指標。利用主成分分析法，建立不同行駛速度下的視認綜合評價指標，繪制視認效果走勢圖。研究指出，標志版面左側區(qū)域視認效果走勢與中間區(qū)域、右側區(qū)域相反，右側區(qū)域視認效果優(yōu)于中間區(qū)域視認效果;行駛速度50 km/h時，標志版面整體視認效果較好，此時視認時間受字牌高度比影響最小。

關鍵詞：交通安全;指路標志;興趣區(qū)域;條件廣義方差極小法

Abstract：In order to more comprehensively analyze the visual effect of different areas of the guide sign layout， a “Chinese character plate height ratio” is proposed to characterize the coupling relationship between the height of the Chinese characters on the sign board and the height of the sign board. From the perspective of the recognition characteristics， the region of interest on the sign layout is divided. The conditional generalized variance minimization method is used to screen the low-relevant visual indicators as evaluation indicators. The principal component analysis method is used to establish the comprehensive evaluation index of different driving speeds and draw the trend chart of visual effect. Studies have shown that the trend of visual effect on the left side of the sign board is opposite to that on the middle and right sides， and the visual effect on the right side is higher than which on the middle side; at a driving speed of 50km/h， the overall visual effect of the sign layout is higher， and the recognition time is least affected by the Chinese character plate height ratio.

Keywords：Traffic safety; guide sign; region of interest; conditional generalized variance minimization

0 引言

路標志是重要的城市道路交通標志之一，其作用為引導道路使用者有秩序地使用道路資源，以保障交通安全，提高道路運行效率。近年來，城市道路在建設規(guī)模、技術標準、功能以及交通環(huán)境等方面均有了巨大的變化，城市道路參與者對指路標志的要求越來越高，眾多專家學者對指路標志的相關算法模型、布設方案進行了研究。

Liu等[1]通過模擬駕駛實驗，確認了駕駛員駕駛過程中車速、信息量和終點路名位置為最重要的3個影響因素。Schnell等[2]從視覺功能角度研究了亮度和字體大小對交通指路標志識別時間和信息傳遞準確度的影響。Fitzpatrick等[3]運用桌面駕駛模擬實驗對比不同類型指路標志對駕駛行為的影響，為指路標志優(yōu)化設置提供了理論指導。He等[4]通過研究交通指路標志特征提取，提出了一種結合局部特征和全局特征識別交通指路標志的新方法。Zabihi等[5]提出了一個基于人體視力原理的測試方法，用于檢測和識別駕駛員視野內的交通標志。Ayoub等[6]提出了一種新的交通指路標志檢測和識別（TSDR）方法。李偉等[7-8]通過對比分析美國、日本和中國指路標志系統(tǒng)的特點，提出了國外指路標志系統(tǒng)在版面形式、設置位置等方面值得借鑒之處。姜軍等[9]利用眼動儀和GPS采集不同光照下駕駛人視認數(shù)據(jù)，建立了基于駕駛人視認特性的指路標志設置參數(shù)計算模型。杜志剛等[10-11]分析了指路標志信息量與視認反應時間的定量關系，確定了指路標志合理路名數(shù)。李國芳等[12]通過在十字交叉口指路標志中添加直行信息，改進了國標建議的指路標志版面。代菲菲[13]針對交通標志版面設計提出視認性與規(guī)范性要求，在滿足上述要求的基礎上進行了拓撲結構設計。

綜觀國內外發(fā)展現(xiàn)狀，研究者對交通指路標志的信息量、字高、顏色和設置位置等方面進行了較為深入的探討與分析，但對標志版面漢字高度和標志牌設置高度二者是否存在耦合關系，二者對駕駛員視認標志版面不同區(qū)域信息有何影響，尚無具體研究。為此，本文針對上述問題，通過室內視認實驗，獲取駕駛員眼動數(shù)據(jù)與視認時間，探討不同漢字高度、標志牌高度條件下的駕駛員視認特性，構建視認綜合評價指標，為進一步優(yōu)化指路標志版面設計、完善指路標志設置方法提供參考。

1 實驗方案設計

1.1 相關參數(shù)

為研究標志版面漢字高度和標志牌設置高度對駕駛員視認版面信息的共同作用效果，本文定義指路標志牌中一級路名信息所對應的漢字高度與指路標志牌支撐結構下緣距離路面的高度之比為字牌高度比。其中一級信息為指路標志牌中漢字高度最大的路名信息。表達式為：

式中：η為字牌高度比;h為指路標志牌中一級路名信息所對應的漢字高度，m;H為指路標志牌支撐結構下緣距離路面的高度，m。

1.2 實驗設備及人員

本實驗由Smart Eye Pro眼動儀（60 Hz采樣頻率，有效追蹤視角360°，視線追蹤精度為0.5°）記錄被測試者在視認指路標志時的眼動視頻，實驗后將視頻導入視頻分析軟件eyes Dx，由其讀取視頻信息，并在視頻處理后獲取眼動數(shù)據(jù)。

考慮到交通標志以“不熟悉周圍路網體系的道路使用者”為服務對象，低駕齡者更符合這一特點，本次實驗邀3 a及以下駕齡人員作為被測試者，參考相關眼動實驗樣本量[14-16]，通過派發(fā)傳單共招募被測試者15名，其中男性10名，女性5名，年齡分布在18～38歲，9人具有駕駛經驗，駕齡1～2 a，無色盲和弱色盲者，矯正視力1.0及以上，身體健康。實驗當天被測試者精神狀態(tài)良好，未飲用刺激性飲品[17]。

1.3 實驗方案

本實驗所研究指路標志為城市干路環(huán)境下的指路標志，依據(jù)國家相關標準規(guī)范要求[18-19]，行駛速度為30、40、50、60 km/h，標志版面漢字高度為0.25～0.50 m（0.05 m為遞增單位），標志板及支撐結構下緣至路面的最小凈空高度為3.5 m（行駛車輛為小客車）或4.5 m（行駛車輛為各種機動車）。實驗選用最常見的3字路名，標志牌上3個方向均設有路名，同一方向指引的信息數(shù)量為1個或2個。根據(jù)字牌高度比定義，計算一級路名信息的漢字高度與標志牌高度二者比值，最大值為0.143，本次實驗選取3個字牌高度比：0.05、0.10、0.15。共得12組實驗方案，實驗方案以1—12為編號，實驗方案分組詳細情況見表1。實驗所用指路標志如圖1和圖2所示。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 興趣區(qū)域劃分

興趣區(qū)域（Area of Interest，簡稱AOI）是指在實驗過程中被測試者對標志版面上某一區(qū)域注視而形成的圖像重點分析區(qū)域。

本文主要研究駕駛員對指路標志版面不同區(qū)域的視認效果，因此將標志版面從左至右均分為3個興趣區(qū)域，興趣區(qū)域L、興趣區(qū)域M和興趣區(qū)域R。從指路標志出現(xiàn)于屏幕開始，便對其進行AOI定義，直至指路標志從屏幕中消失，AOI定義如圖3所示。AOI為靜態(tài)區(qū)域，為使AOI隨動態(tài)視頻移動，需對視頻中的指路標志圖片定時進行AOI重新定義，從而形成動態(tài)AOI[14]。視頻為30幀/s，實驗選擇每10幀定義一個新AOI，如此形成的動態(tài)AOI可滿足圈定所有指路標志區(qū)域無遺漏的要求。

2.2 注視點確定

興趣區(qū)域定義完成后，利用eyes Dx軟件尋找注視點，該軟件可自動完成注視點尋找。根據(jù)有關研究[14]，有知覺的最短注視持續(xù)時間為100～150 ms，因此，本研究約定停留在某一興趣區(qū)域時間大于等于100 ms的視點，即形成一個注視。

2.3 數(shù)據(jù)篩選

本實驗對于因被測試者目標路名尋找錯誤導致的錯誤數(shù)據(jù)，利用時間節(jié)點法在數(shù)據(jù)統(tǒng)計時全部剔除;異常值是在實驗過程中受個人、環(huán)境和儀器等不穩(wěn)定因素的影響導致出現(xiàn)的，因為本實驗樣本量大于10，故采用拉依達準則法刪除離散程度過高的極值，減少異常值對實驗結果的影響。數(shù)據(jù)篩選后將15名被試者的相關數(shù)據(jù)取平均值，作為后續(xù)分析基礎數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 評價指標選取

eyes Dx軟件可提供注視總時長、總注視次數(shù)、初始注視時間、注視時間百分比、平均注視時間和最大凝視時長共6個指標數(shù)據(jù)。因部分指標間存在高度相關性，如均被采用，會通過多個指標的重復賦權使被測試者的信息被重復使用，降低了評價結果的合理性和可信度。因此，本文采用條件廣義方差極小法進行指標的相關性篩選，分別計算6個指標間的相關程度，進而選擇部分指標作為本次實驗的評價指標。

針對以上6個指標，共得到15份實驗數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)整理，得到15份樣本構成樣本矩陣：

根據(jù)計算結果，6個指標的條件協(xié)方差值分化明顯，參考他人經驗，以0.5為閾值，刪除條件協(xié)方差值小于0.5的指標，選定注視總時長、初始注視時間和平均注視時間作為本次研究的評價指標。

3.2 視認綜合評價指標建立

注視總時長、初始注視時間和平均注視時間3個視認指標從不同角度反映了駕駛員對指路標志版面各興趣區(qū)域的視認效果，可通過建立一個視認綜合評價指標F，客觀、合理地確定各個指標的權數(shù)，以此評價駕駛員視認效果。

因本實驗將視頻中一個指路標志分為3個興趣區(qū)域，3個興趣區(qū)域間路名字數(shù)相等，筆畫相近，主要影響變量為路名信息位置不同，因此在進行視認綜合評價指標建立時，只選取其中一個興趣區(qū)域的數(shù)據(jù)進行主成分分析，其結果同樣適用于其他2個興趣區(qū)域，本次分析選取興趣區(qū)域M。

本文利用SPSS軟件對注視總時長、初始注視時間和平均注視時間3個視認指標進行主成分分析，建立視認綜合評價指標，相關分析見表3。

由表3可知，主成分累積方差百分比均超過或接近75%，認為基本可以反映所有實測變量，結果較為滿意。

不同行駛速度下視認綜合評價指標F表達式見公式（7）—公式（10）。

其中，注視總時長越長表示標志牌所注視區(qū)域上的信息越不清楚，注視效率越低;初始注視時間越早表示標志牌越易引起駕駛員的注意，其視認性越好;平均注視時間越短表示駕駛員認讀版面信息效率越高。綜上，F(xiàn)值越小標志牌越易引起駕駛員注意，標志牌上信息越易被認讀，其視認效果越好。

3.3 指路標志視認特性分析

根據(jù)所得視認綜合評價指標F的表達式，對于指路標志版面上3個不同的興趣區(qū)域（L、M、R），分別把實驗數(shù)據(jù)代入F的表達式，并繪制折線圖，如圖4所示。

由圖4可知，對于興趣區(qū)域L，在不同行駛速度情況下字牌高度比為0.10時的視認效果最差，字牌高度比為0.05時視認效果最好。整體上，速度為60 km/h、字牌高度比為0.05時視認效果最好;速度為40 km/h、字牌高度比為0.10時視認效果最差。對于興趣區(qū)域M，行駛速度為30～50 km/h，字牌高度比為0.10時視認效果最好;行駛速度為60 km/h，字牌高度比為0.15時視認效果最好。整體上，在速度為40 km/h、字牌高度比為0.10的情況下視認效果最好;在速度為30 km/h、字牌高度比為0.15時視認效果最差。興趣區(qū)域R與M的視認綜合評價指標F走勢相近。在速度為40 km/h、字牌高度比為0.10的情況下視認效果最好;在速度為30 km/h、字牌高度比為0.15的情況下視認效果最差。

整體相比，興趣區(qū)域L視認效果走勢與M、R相反，興趣區(qū)域R視認效果整體優(yōu)于M的視認效果;對于標志版面整體而言，行駛速度為50 km/h情況下的視認效果隨字牌高度比的變化最小、最穩(wěn)定，平均水平優(yōu)于其他行駛速度下的視認效果。

4 指路標志牌視認效果驗證

以“視認綜合評價指標”為評價指標，從行駛速度、字牌高度比兩個角度對城市干路指路標志的視認效果進行了研究，得到標志牌版面不同興趣區(qū)域的視認效果特點。本節(jié)以“視認時間”為指標，進行室內駕駛模擬實驗，驗證上述結論的正確性。

對參與驗證實驗的15名被測試者不同條件下的視認時間繪制折線圖如圖5所示。

由圖5分析可得：

L區(qū)域視認時間最短出現(xiàn)在速度為60 km/h、字牌高度比為0.05情況下，此時駕駛員視認效果最好，F(xiàn)值最小;最長視認時間為速度為40 km/h、字牌高度比0.10時，此時駕駛員視認效果最差，F(xiàn)值最大。L區(qū)域視認時間走勢特征與本文研究結論相吻合。

M區(qū)域與L區(qū)域的視認時間走勢相反。M區(qū)域在速度為40 km/h、字牌高度比為0.10的情況下視認時間最短，視認效果最好，F(xiàn)值最小;在速度為30 km/h、字牌高度比為0.15時視認時間最長，視認效果最差，F(xiàn)值最大。這一特征與本文研究結論相吻合。

R區(qū)域的視認時間與M區(qū)域走勢相近。R區(qū)域在速度為40 km/h、字牌高度比為0.10的情況下視認時間最短，視認效果最好，F(xiàn)值最小;在速度為30 km/h、字牌高度比為0.15的情況下視認時間最長，視認效果最差，F(xiàn)值最大;R區(qū)域視認時間整體小于M區(qū)域視認時間。與本文研究結論相吻合。

在行駛速度為40、50 km/h時視認時間波動較小，隨字牌高度比增大視認時間減少，在50 km/h時視認時間整體最小。與本文研究結論相吻合。

5 結論

本文通過構建、分析視認綜合評價指標，得出了駕駛員對指路標志版面不同區(qū)域視認的相關結論。

（1）版面右側區(qū)域路名的視認效果優(yōu)于中間區(qū)域視認效果，左側區(qū)域視認效果走勢與中間、右側區(qū)域相反。其中標志牌左側區(qū)域在速度為60 km/h、字牌高度比0.05情況下視認時間最短;中間區(qū)域在速度為40 km/h、字牌高度比為0.10的情況下視認時間最短;右側區(qū)域視認時間走勢與中區(qū)相近，在速度為40 km/h、字牌高度比為0.10的情況下視認時間最短。

（2）在50 km/h行駛速度下的視認時間整體最小，駕駛員對于標志版面各區(qū)域的視認效果均較好，字牌高度比的變化不會導致視認時間的大幅波動。在版面信息較為復雜時，為優(yōu)化駕駛員視認效果，縮短視認時間，建議城市干路以50 km/h為設計速度，字牌高度比取0.15。在版面左側信息更重要或較多時，建議字牌高度比取0.05;在版面中間和右側信息更重要或較多時，建議字牌高度比取0.10。

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