裴玉龍 張馨予

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

關(guān)鍵詞：交通安全;指路標(biāo)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(biāo)志是重要的城市道路交通標(biāo)志之一，其作用為引導(dǎo)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(yùn)行效率。近年來，城市道路在建設(shè)規(guī)模、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、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(biāo)志的要求越來越高，眾多專家學(xué)者對指路標(biāo)志的相關(guān)算法模型、布設(shè)方案進(jìn)行了研究。

Liu等[1]通過模擬駕駛實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了駕駛員駕駛過程中車速、信息量和終點(diǎn)路名位置為最重要的3個(gè)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(biāo)志識別時(shí)間和信息傳遞準(zhǔn)確度的影響。Fitzpatrick等[3]運(yùn)用桌面駕駛模擬實(shí)驗(yàn)對比不同類型指路標(biāo)志對駕駛行為的影響，為指路標(biāo)志優(yōu)化設(shè)置提供了理論指導(dǎo)。He等[4]通過研究交通指路標(biāo)志特征提取，提出了一種結(jié)合局部特征和全局特征識別交通指路標(biāo)志的新方法。Zabihi等[5]提出了一個(gè)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(nèi)的交通標(biāo)志。Ayoub等[6]提出了一種新的交通指路標(biāo)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(biāo)志系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了國外指路標(biāo)志系統(tǒng)在版面形式、設(shè)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?cè)艘曊J(rèn)數(shù)據(jù)，建立了基于駕駛?cè)艘曊J(rèn)特性的指路標(biāo)志設(shè)置參數(shù)計(jì)算模型。杜志剛等[10-11]分析了指路標(biāo)志信息量與視認(rèn)反應(yīng)時(shí)間的定量關(guān)系，確定了指路標(biāo)志合理路名數(shù)。李國芳等[12]通過在十字交叉口指路標(biāo)志中添加直行信息，改進(jìn)了國標(biāo)建議的指路標(biāo)志版面。代菲菲[13]針對交通標(biāo)志版面設(shè)計(jì)提出視認(rèn)性與規(guī)范性要求，在滿足上述要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

綜觀國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，研究者對交通指路標(biāo)志的信息量、字高、顏色和設(shè)置位置等方面進(jìn)行了較為深入的探討與分析，但對標(biāo)志版面漢字高度和標(biāo)志牌設(shè)置高度二者是否存在耦合關(guān)系，二者對駕駛員視認(rèn)標(biāo)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(nèi)視認(rèn)實(shí)驗(yàn)，獲取駕駛員眼動數(shù)據(jù)與視認(rèn)時(shí)間，探討不同漢字高度、標(biāo)志牌高度條件下的駕駛員視認(rèn)特性，構(gòu)建視認(rèn)綜合評價(jià)指標(biāo)，為進(jìn)一步優(yōu)化指路標(biāo)志版面設(shè)計(jì)、完善指路標(biāo)志設(shè)置方法提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 相關(guān)參數(shù)

為研究標(biāo)志版面漢字高度和標(biāo)志牌設(shè)置高度對駕駛員視認(rèn)版面信息的共同作用效果，本文定義指路標(biāo)志牌中一級路名信息所對應(yīng)的漢字高度與指路標(biāo)志牌支撐結(jié)構(gòu)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(biāo)志牌中漢字高度最大的路名信息。表達(dá)式為：

式中：η為字牌高度比;h為指路標(biāo)志牌中一級路名信息所對應(yīng)的漢字高度，m;H為指路標(biāo)志牌支撐結(jié)構(gòu)下緣距離路面的高度，m。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及人員

本實(shí)驗(yàn)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(rèn)指路標(biāo)志時(shí)的眼動視頻，實(shí)驗(yàn)后將視頻導(dǎo)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(biāo)志以“不熟悉周圍路網(wǎng)體系的道路使用者”為服務(wù)對象，低駕齡者更符合這一特點(diǎn)，本次實(shí)驗(yàn)邀3 a及以下駕齡人員作為被測試者，參考相關(guān)眼動實(shí)驗(yàn)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(jīng)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)當(dāng)天被測試者精神狀態(tài)良好，未飲用刺激性飲品[17]。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)所研究指路標(biāo)志為城市干路環(huán)境下的指路標(biāo)志，依據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求[18-19]，行駛速度為30、40、50、60 km/h，標(biāo)志版面漢字高度為0.25～0.50 m（0.05 m為遞增單位），標(biāo)志板及支撐結(jié)構(gòu)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(jī)動車）。實(shí)驗(yàn)選用最常見的3字路名，標(biāo)志牌上3個(gè)方向均設(shè)有路名，同一方向指引的信息數(shù)量為1個(gè)或2個(gè)。根據(jù)字牌高度比定義，計(jì)算一級路名信息的漢字高度與標(biāo)志牌高度二者比值，最大值為0.143，本次實(shí)驗(yàn)選取3個(gè)字牌高度比：0.05、0.10、0.15。共得12組實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)方案以1—12為編號，實(shí)驗(yàn)方案分組詳細(xì)情況見表1。實(shí)驗(yàn)所用指路標(biāo)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(shí)驗(yàn)過程中被測試者對標(biāo)志版面上某一區(qū)域注視而形成的圖像重點(diǎn)分析區(qū)域。

本文主要研究駕駛員對指路標(biāo)志版面不同區(qū)域的視認(rèn)效果，因此將標(biāo)志版面從左至右均分為3個(gè)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(biāo)志出現(xiàn)于屏幕開始，便對其進(jìn)行AOI定義，直至指路標(biāo)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(biāo)志圖片定時(shí)進(jìn)行AOI重新定義，從而形成動態(tài)AOI[14]。視頻為30幀/s，實(shí)驗(yàn)選擇每10幀定義一個(gè)新AOI，如此形成的動態(tài)AOI可滿足圈定所有指路標(biāo)志區(qū)域無遺漏的要求。

2.2 注視點(diǎn)確定

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

2.3 數(shù)據(jù)篩選

本實(shí)驗(yàn)對于因被測試者目標(biāo)路名尋找錯(cuò)誤導(dǎo)致的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，利用時(shí)間節(jié)點(diǎn)法在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)全部剔除;異常值是在實(shí)驗(yàn)過程中受個(gè)人、環(huán)境和儀器等不穩(wěn)定因素的影響導(dǎo)致出現(xiàn)的，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)樣本量大于10，故采用拉依達(dá)準(zhǔn)則法刪除離散程度過高的極值，減少異常值對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。數(shù)據(jù)篩選后將15名被試者的相關(guān)數(shù)據(jù)取平均值，作為后續(xù)分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 評價(jià)指標(biāo)選取

eyes Dx軟件可提供注視總時(shí)長、總注視次數(shù)、初始注視時(shí)間、注視時(shí)間百分比、平均注視時(shí)間和最大凝視時(shí)長共6個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)。因部分指標(biāo)間存在高度相關(guān)性，如均被采用，會通過多個(gè)指標(biāo)的重復(fù)賦權(quán)使被測試者的信息被重復(fù)使用，降低了評價(jià)結(jié)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(jìn)行指標(biāo)的相關(guān)性篩選，分別計(jì)算6個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)程度，進(jìn)而選擇部分指標(biāo)作為本次實(shí)驗(yàn)的評價(jià)指標(biāo)。

針對以上6個(gè)指標(biāo)，共得到15份實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)整理，得到15份樣本構(gòu)成樣本矩陣：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，6個(gè)指標(biāo)的條件協(xié)方差值分化明顯，參考他人經(jīng)驗(yàn)，以0.5為閾值，刪除條件協(xié)方差值小于0.5的指標(biāo)，選定注視總時(shí)長、初始注視時(shí)間和平均注視時(shí)間作為本次研究的評價(jià)指標(biāo)。

3.2 視認(rèn)綜合評價(jià)指標(biāo)建立

注視總時(shí)長、初始注視時(shí)間和平均注視時(shí)間3個(gè)視認(rèn)指標(biāo)從不同角度反映了駕駛員對指路標(biāo)志版面各興趣區(qū)域的視認(rèn)效果，可通過建立一個(gè)視認(rèn)綜合評價(jià)指標(biāo)F，客觀、合理地確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)數(shù)，以此評價(jià)駕駛員視認(rèn)效果。

因本實(shí)驗(yàn)將視頻中一個(gè)指路標(biāo)志分為3個(gè)興趣區(qū)域，3個(gè)興趣區(qū)域間路名字?jǐn)?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(jìn)行視認(rèn)綜合評價(jià)指標(biāo)建立時(shí)，只選取其中一個(gè)興趣區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，其結(jié)果同樣適用于其他2個(gè)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(shí)長、初始注視時(shí)間和平均注視時(shí)間3個(gè)視認(rèn)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，建立視認(rèn)綜合評價(jià)指標(biāo)，相關(guān)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(rèn)為基本可以反映所有實(shí)測變量，結(jié)果較為滿意。

不同行駛速度下視認(rèn)綜合評價(jià)指標(biāo)F表達(dá)式見公式（7）—公式（10）。

其中，注視總時(shí)長越長表示標(biāo)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(shí)間越早表示標(biāo)志牌越易引起駕駛員的注意，其視認(rèn)性越好;平均注視時(shí)間越短表示駕駛員認(rèn)讀版面信息效率越高。綜上，F(xiàn)值越小標(biāo)志牌越易引起駕駛員注意，標(biāo)志牌上信息越易被認(rèn)讀，其視認(rèn)效果越好。

3.3 指路標(biāo)志視認(rèn)特性分析

根據(jù)所得視認(rèn)綜合評價(jià)指標(biāo)F的表達(dá)式，對于指路標(biāo)志版面上3個(gè)不同的興趣區(qū)域（L、M、R），分別把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入F的表達(dá)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(shí)的視認(rèn)效果最差，字牌高度比為0.05時(shí)視認(rèn)效果最好。整體上，速度為60 km/h、字牌高度比為0.05時(shí)視認(rèn)效果最好;速度為40 km/h、字牌高度比為0.10時(shí)視認(rèn)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(shí)視認(rèn)效果最好;行駛速度為60 km/h，字牌高度比為0.15時(shí)視認(rèn)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(rèn)效果最好;在速度為30 km/h、字牌高度比為0.15時(shí)視認(rèn)效果最差。興趣區(qū)域R與M的視認(rèn)綜合評價(jià)指標(biāo)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(rèn)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(rèn)效果最差。

整體相比，興趣區(qū)域L視認(rèn)效果走勢與M、R相反，興趣區(qū)域R視認(rèn)效果整體優(yōu)于M的視認(rèn)效果;對于標(biāo)志版面整體而言，行駛速度為50 km/h情況下的視認(rèn)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(rèn)效果。

4 指路標(biāo)志牌視認(rèn)效果驗(yàn)證

以“視認(rèn)綜合評價(jià)指標(biāo)”為評價(jià)指標(biāo)，從行駛速度、字牌高度比兩個(gè)角度對城市干路指路標(biāo)志的視認(rèn)效果進(jìn)行了研究，得到標(biāo)志牌版面不同興趣區(qū)域的視認(rèn)效果特點(diǎn)。本節(jié)以“視認(rèn)時(shí)間”為指標(biāo)，進(jìn)行室內(nèi)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證上述結(jié)論的正確性。

對參與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的15名被測試者不同條件下的視認(rèn)時(shí)間繪制折線圖如圖5所示。

由圖5分析可得：

L區(qū)域視認(rèn)時(shí)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(shí)駕駛員視認(rèn)效果最好，F(xiàn)值最小;最長視認(rèn)時(shí)間為速度為40 km/h、字牌高度比0.10時(shí)，此時(shí)駕駛員視認(rèn)效果最差，F(xiàn)值最大。L區(qū)域視認(rèn)時(shí)間走勢特征與本文研究結(jié)論相吻合。

M區(qū)域與L區(qū)域的視認(rèn)時(shí)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(rèn)時(shí)間最短，視認(rèn)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(shí)視認(rèn)時(shí)間最長，視認(rèn)效果最差，F(xiàn)值最大。這一特征與本文研究結(jié)論相吻合。

R區(qū)域的視認(rèn)時(shí)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(rèn)時(shí)間最短，視認(rèn)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(rèn)時(shí)間最長，視認(rèn)效果最差，F(xiàn)值最大;R區(qū)域視認(rèn)時(shí)間整體小于M區(qū)域視認(rèn)時(shí)間。與本文研究結(jié)論相吻合。

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

5 結(jié)論

本文通過構(gòu)建、分析視認(rèn)綜合評價(jià)指標(biāo)，得出了駕駛員對指路標(biāo)志版面不同區(qū)域視認(rèn)的相關(guān)結(jié)論。

（1）版面右側(cè)區(qū)域路名的視認(rèn)效果優(yōu)于中間區(qū)域視認(rèn)效果，左側(cè)區(qū)域視認(rèn)效果走勢與中間、右側(cè)區(qū)域相反。其中標(biāo)志牌左側(cè)區(qū)域在速度為60 km/h、字牌高度比0.05情況下視認(rèn)時(shí)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(rèn)時(shí)間最短;右側(cè)區(qū)域視認(rèn)時(shí)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(rèn)時(shí)間最短。

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

【參 考 文 獻(xiàn)】

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