基于视认特性的指路标志版面不同区域视认效果研究

2022.06.03

裴玉龙张馨予

摘要：为更全面分析指路标志版面不同区域视认效果，提出“字牌高度比”，以表征标志版面汉字高度和标志牌设置高度间的耦合关系。从视认特性入手，对标志版面进行兴趣区域划分。通过条件广义方差极小法，筛选相关性低的视认指标作为评价指标。利用主成分分析法，建立不同行驶速度下的视认综合评价指标，绘制视认效果走势图。研究指出，标志版面左侧区域视认效果走势与中间区域、右侧区域相反，右侧区域视认效果优于中间区域视认效果;行驶速度50 km/h时，标志版面整体视认效果较好，此时视认时间受字牌高度比影响最小。

关键词：交通安全;指路标志;兴趣区域;条件广义方差极小法

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

路标志是重要的城市道路交通标志之一，其作用为引导道路使用者有秩序地使用道路资源，以保障交通安全，提高道路运行效率。近年来，城市道路在建设规模、技术标准、功能以及交通环境等方面均有了巨大的变化，城市道路参与者对指路标志的要求越来越高，众多专家学者对指路标志的相关算法模型、布设方案进行了研究。

Liu等[1]通过模拟驾驶实验，确认了驾驶员驾驶过程中车速、信息量和终点路名位置为最重要的3个影响因素。Schnell等[2]从视觉功能角度研究了亮度和字体大小对交通指路标志识别时间和信息传递准确度的影响。Fitzpatrick等[3]运用桌面驾驶模拟实验对比不同类型指路标志对驾驶行为的影响，为指路标志优化设置提供了理论指导。He等[4]通过研究交通指路标志特征提取，提出了一种结合局部特征和全局特征识别交通指路标志的新方法。Zabihi等[5]提出了一个基于人体视力原理的测试方法，用于檢测和识别驾驶员视野内的交通标志。Ayoub等[6]提出了一种新的交通指路标志检测和识别（TSDR）方法。李伟等[7-8]通过对比分析美国、日本和中国指路标志系统的特点，提出了国外指路标志系统在版面形式、设置位置等方面值得借鉴之处。姜军等[9]利用眼动仪和GPS采集不同光照下驾驶人视认数据，建立了基于驾驶人视认特性的指路标志设置参数计算模型。杜志刚等[10-11]分析了指路标志信息量与视认反应时间的定量关系，确定了指路标志合理路名数。李国芳等[12]通过在十字交叉口指路标志中添加直行信息，改进了国标建议的指路标志版面。代菲菲[13]针对交通标志版面设计提出视认性与规范性要求，在满足上述要求的基础上进行了拓扑结构设计。

综观国内外发展现状，研究者对交通指路标志的信息量、字高、颜色和设置位置等方面进行了较为深入的探讨与分析，但对标志版面汉字高度和标志牌设置高度二者是否存在耦合关系，二者对驾驶员视认标志版面不同区域信息有何影响，尚无具体研究。为此，本文针对上述问题，通过室内视认实验，获取驾驶员眼动数据与视认时间，探讨不同汉字高度、标志牌高度条件下的驾驶员视认特性，构建视认综合评价指标，为进一步优化指路标志版面设计、完善指路标志设置方法提供参考。

1 实验方案设计

1.1 相关参数

为研究标志版面汉字高度和标志牌设置高度对驾驶员视认版面信息的共同作用效果，本文定义指路标志牌中一级路名信息所对应的汉字高度与指路标志牌支撑结构下缘距离路面的高度之比为字牌高度比。其中一级信息为指路标志牌中汉字高度最大的路名信息。表达式为：

式中：η为字牌高度比;h为指路标志牌中一级路名信息所对应的汉字高度，m;H为指路标志牌支撑结构下缘距离路面的高度，m。

1.2 实验设备及人员

本实验由Smart Eye Pro眼动仪（60 Hz采样频率，有效追踪视角360°，视线追踪精度为0.5°）记录被测试者在视认指路标志时的眼动视频，实验后将视频导入视频分析软件eyes Dx，由其读取视频信息，并在视頻处理后获取眼动数据。

考虑到交通标志以“不熟悉周围路网体系的道路使用者”为服务对象，低驾龄者更符合这一特点，本次实验邀3 a及以下驾龄人员作为被测试者，参考相关眼动实验样本量[14-16]，通过派发传单共招募被测试者15名，其中男性10名，女性5名，年龄分布在18～38岁，9人具有驾驶经验，驾龄1～2 a，无色盲和弱色盲者，矫正视力1.0及以上，身体健康。实验当天被测试者精神状态良好，未饮用刺激性饮品[17]。

1.3 实验方案

本实验所研究指路标志为城市干路环境下的指路标志，依据国家相关标准规范要求[18-19]，行驶速度为30、40、50、60 km/h，标志版面汉字高度为0.25～0.50 m（0.05 m为递增单位），标志板及支撑结构下缘至路面的最小净空高度为3.5 m（行驶车辆为小客车）或4.5 m（行驶车辆为各种机动车）。实验选用最常见的3字路名，标志牌上3个方向均设有路名，同一方向指引的信息数量为1个或2个。根据字牌高度比定义，计算一级路名信息的汉字高度与标志牌高度二者比值，最大值为0.143，本次实验选取3个字牌高度比：0.05、0.10、0.15。共得12组实验方案，实验方案以1—12为编号，实验方案分组详细情况见表1。实验所用指路标志如图1和图2所示。

2 数据处理

2.1 兴趣区域划分

兴趣区域（Area of Interest，简称AOI）是指在实验过程中被测试者对标志版面上某一区域注视而形成的图像重点分析区域。

本文主要研究驾驶员对指路标志版面不同区域的视认效果，因此将标志版面从左至右均分为3个兴趣区域，兴趣区域L、兴趣区域M和兴趣区域R。从指路标志出现于屏幕开始，便对其进行AOI定义，直至指路标志从屏幕中消失，AOI定义如图3所示。AOI为静态区域，为使AOI随动态视频移动，需对视频中的指路标志图片定时进行AOI重新定义，从而形成动态AOI[14]。视频为30帧/s，实验选择每10帧定义一个新AOI，如此形成的动态AOI可满足圈定所有指路标志区域无遗漏的要求。

2.2 注视点确定

兴趣区域定义完成后，利用eyes Dx软件寻找注视点，该软件可自动完成注视点寻找。根据有关研究[14]，有知觉的最短注视持续时间为100～150 ms，因此，本研究约定停留在某一兴趣区域时间大于等于100 ms的视点，即形成一个注视。

2.3 数据筛选

本实验对于因被测试者目标路名寻找错误导致的错误数据，利用时间节点法在数据统计时全部剔除;异常值是在实验过程中受个人、环境和仪器等不稳定因素的影响导致出现的，因为本实验样本量大于10，故采用拉依达准则法删除离散程度过高的极值，减少异常值对实验结果的影响。数据筛选后将15名被试者的相关数据取平均值，作为后续分析基础数据。

3 数据分析

3.1 评价指标选取

eyes Dx软件可提供注视总时长、总注视次数、初始注视时间、注视时间百分比、平均注视时间和最大凝视时长共6个指标数据。因部分指标间存在高度相关性，如均被采用，会通过多个指标的重复赋权使被测试者的信息被重复使用，降低了评价结果的合理性和可信度。因此，本文采用条件广义方差极小法进行指标的相关性筛选，分别计算6个指标间的相关程度，进而选择部分指标作为本次实验的评价指标。

针对以上6个指标，共得到15份实验数据，通过数据整理，得到15份样本构成样本矩阵：

根据计算结果，6个指标的条件协方差值分化明显，参考他人经验，以0.5为阈值，删除条件协方差值小于0.5的指标，选定注视总时长、初始注视时间和平均注视时间作为本次研究的评价指标。

3.2 视认综合评价指标建立

注视总时长、初始注视时间和平均注视时间3个视认指标从不同角度反映了驾驶员对指路标志版面各兴趣区域的视认效果，可通过建立一个视认综合评价指标F，客观、合理地确定各个指标的权数，以此评价驾驶员视认效果。

因本实验将视频中一个指路标志分为3个兴趣区域，3个兴趣区域间路名字数相等，笔画相近，主要影响变量为路名信息位置不同，因此在进行视认综合评价指标建立时，只选取其中一个兴趣区域的数据进行主成分分析，其结果同样适用于其他2个兴趣区域，本次分析选取兴趣区域M。

本文利用SPSS软件对注视总时长、初始注视时间和平均注视时间3个视认指标进行主成分分析，建立视认综合评价指标，相关分析见表3。

由表3可知，主成分累积方差百分比均超过或接近75%，认为基本可以反映所有实测变量，结果较为满意。

不同行驶速度下视认综合评价指标F表达式见公式（7）—公式（10）。

其中，注视总时长越长表示标志牌所注视区域上的信息越不清楚，注视效率越低;初始注视时间越早表示标志牌越易引起驾驶员的注意，其视认性越好;平均注视时间越短表示驾驶员认读版面信息效率越高。综上，F值越小标志牌越易引起驾驶员注意，标志牌上信息越易被认读，其视认效果越好。

3.3 指路标志视认特性分析

根据所得视认综合评价指标F的表达式，对于指路标志版面上3个不同的兴趣区域（L、M、R），分别把实验数据代入F的表达式，并绘制折线图，如图4所示。

由图4可知，对于兴趣区域L，在不同行驶速度情况下字牌高度比为0.10时的视认效果最差，字牌高度比为0.05时视认效果最好。整体上，速度为60 km/h、字牌高度比为0.05时视认效果最好;速度为40 km/h、字牌高度比为0.10时视认效果最差。对于兴趣区域M，行驶速度为30～50 km/h，字牌高度比为0.10时视认效果最好;行驶速度为60 km/h，字牌高度比为0.15时视认效果最好。整体上，在速度为40 km/h、字牌高度比为0.10的情况下视认效果最好;在速度为30 km/h、字牌高度比为0.15时视认效果最差。兴趣区域R与M的视认综合评价指标F走势相近。在速度为40 km/h、字牌高度比为0.10的情况下视认效果最好;在速度为30 km/h、字牌高度比为0.15的情况下视认效果最差。

整体相比，兴趣区域L视认效果走势与M、R相反，兴趣区域R视认效果整体优于M的视认效果;对于标志版面整体而言，行驶速度为50 km/h情况下的视认效果随字牌高度比的变化最小、最稳定，平均水平优于其他行驶速度下的视认效果。

4 指路标志牌视认效果验证

以“视认综合评价指标”为评价指标，从行驶速度、字牌高度比两个角度对城市干路指路标志的视认效果进行了研究，得到标志牌版面不同兴趣区域的视认效果特点。本节以“视认时间”为指标，进行室内驾驶模拟实验，验证上述结论的正确性。

对参与验证实验的15名被测试者不同条件下的视认时间绘制折线图如图5所示。

由图5分析可得：

L区域视认时间最短出现在速度为60 km/h、字牌高度比为0.05情况下，此时驾驶员视认效果最好，F值最小;最长视认时间为速度為40 km/h、字牌高度比0.10时，此时驾驶员视认效果最差，F值最大。L区域视认时间走势特征与本文研究结论相吻合。

M区域与L区域的视认时间走势相反。M区域在速度为40 km/h、字牌高度比为0.10的情况下视认时间最短，视认效果最好，F值最小;在速度为30 km/h、字牌高度比为0.15时视认时间最长，视认效果最差，F值最大。这一特征与本文研究结论相吻合。

R区域的视认时间与M区域走势相近。R区域在速度为40 km/h、字牌高度比为0.10的情况下视认时间最短，视认效果最好，F值最小;在速度为30 km/h、字牌高度比为0.15的情况下视认时间最长，视认效果最差，F值最大;R区域视认时间整体小于M区域视认时间。与本文研究结论相吻合。

在行驶速度为40、50 km/h时视认时间波动较小，随字牌高度比增大视认时间减少，在50 km/h时视认时间整体最小。与本文研究结论相吻合。

5 结论

本文通过构建、分析视认综合评价指标，得出了驾驶员对指路标志版面不同区域视认的相关结论。

（1）版面右侧区域路名的视认效果优于中间区域视认效果，左侧区域视认效果走势与中间、右侧区域相反。其中标志牌左侧区域在速度为60 km/h、字牌高度比0.05情况下视认时间最短;中间区域在速度为40 km/h、字牌高度比为0.10的情况下视认时间最短;右侧区域视认时间走势与中区相近，在速度为40 km/h、字牌高度比为0.10的情况下视认时间最短。

（2）在50 km/h行驶速度下的视认时间整体最小，驾驶员对于标志版面各区域的视认效果均较好，字牌高度比的变化不会导致视认时间的大幅波动。在版面信息较为复杂时，为优化驾驶员视认效果，缩短视认时间，建议城市干路以50 km/h为设计速度，字牌高度比取0.15。在版面左侧信息更重要或较多时，建议字牌高度比取0.05;在版面中间和右侧信息更重要或较多时，建议字牌高度比取0.10。

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