復雜步行環境中“低頭族”障礙物感知與周邊視覺補償研究

李天宇，劉爽，蘇航，張淞博，楊彪， 謝秉磊

(哈爾濱工業大學(深圳)建筑學院，廣東 深圳 518055)

1 引言

隨著現代科技的發展和智能手機的普及，人們對手機的依賴日益增加，使用手機走路的現象已經隨處可見，由此發生的行人傷害事故也在不斷增加。造成行人傷害數量增長的一個有爭議的原因是越來越多行人在走路時發生打電話、發短信和上網等不安全行為[1-3]。近年來根據美國高速公路安全協會最新報告顯示，全美行人死亡數量在2018年達到近30年來最高，專家猜測智能手機分散行人注意力成為造成行人傷害的可能原因之一。隨著步行環境的復雜程度的提升，看手機等多視覺任務在行人過街時的影響亟待研究[4]，如何基于人因視角改善行人安全和步行環境成為了目前交通領域的重要議題之一[5]。

目前國內外已逐漸重視“低頭族”群體在步行環境中的安全問題[6]，采取了不同措施提高行人視覺感知能力[7-10]。如圖1所示，加利福尼亞州圣何塞市的人行道布置了能夠感應車輛的嵌入式地面閃光燈在人行斑馬線的兩側，在行人通過時持續閃爍提醒行人注意安全并警示司機及時剎車避讓行人(見圖1-a)。荷蘭為了提醒“低頭族”何時可以過橫道，在人行道和十字路口的邊緣處安裝了彩色條狀燈，紅燈狀態時表示禁止通行，綠燈狀態時表示可以通行(見圖1-b)。武漢左嶺新城某社區啟用智慧人行過街系統，該系統中的智能斑馬線可在行人過往時連續閃爍，來提示過往車輛減速(見圖1-c)。上海外灘陳毅廣場附近的人行道設置了與行人信號燈顏色同步變化的發光地磚，通過切換紅綠色的燈警示行人通行，尤其提醒“低頭族”不要闖紅燈(見圖1-d)。上述方式都是基于視覺方面對低頭族、正常行人或者司機的安全問題有警示和補償作用。

圖1 人行過街視覺補償措施案例

現有措施應用在過街道路時會發揮很大的警示作用，但是對于一些夸張設計的環境補償方式，不僅影響建筑公共空間和步行環境的美觀，還會影響行人的視覺舒適度。更為重要的是這些措施沒有統一的管控標準，使其過度使用造成大量的資源浪費。而國內外學者主要通過調查問卷法[11-12]、實地觀察法[13-16]、攝像記錄法[10,17-18]、半虛擬現實實驗法[19-21]和步行體驗的模擬實驗法[22-24]等方法深入研究了手機對行人的分心影響。研究表明手機的分心作用嚴重威脅行人安全，降低行人認知周邊環境的能力，記憶能力以及行人的視聽注意力，尤其在步行狀態下打電話和玩游戲等任務量過重的手機方式嚴重分散行人注意力。但目前研究僅關注手機分心對行人安全的影響作用，而注意力分散后的行人與周邊視覺環境影響作用機制尚不清晰，因此有必要探究對“低頭族”周邊視覺環境提供補償措施的的可行性。

“低頭族”在過街過程中，手機占據了其中央視覺注意力，導致觀察道路環境(臺階，站臺間隙與坑洼等)只能用周邊視覺觀察路況。由于周邊視覺觀察到的環境資源較少且模糊，探測能力弱于中央視覺，容易發生摔倒和碰撞等意外傷害。根據倫敦大學學院Nick Tyler院士的能力模型(Capabilities Model)與廣義的無障礙定義[25]，本文提出“低頭族”步行需求能力模型(見圖2)，指出“低頭族”也因為過度使用手機而導致其產生“視覺認知障礙”。從能力模型分析來看，可以從人和環境這兩個角度解決“低頭族”步行安全問題，本文將基于人因視角，采取周邊視覺環境補償措施，以較小干預影響提高“低頭族”過街步行安全。

(a)從人的角度出發，采取智能手機技術措施和公共管理措施，提高人的供給能力：供給能力>需求能力

本文以改善“低頭族”群體的行人安全和步行環境為目標，以“低頭族”障礙物識別任務為研究對象，探究“低頭族”在不同照明場景下對不同周邊視覺環境補償措施(材質：閃燈、閃粉和涂料；顏色：藍色和黃色)改造后的障礙物的視覺感知能力，并找出有效的視覺環境補償措施。

2 方法

本實驗采取雙重認知任務法和視覺心理實驗法相結合的方法，在實驗室條件下搭建“低頭族”步行模擬平臺，探究“低頭族”在不同照度(2 lx和15 lx)和不同光源類型下(MH和HPS)對不同周邊視覺環境補償措施(閃燈、閃粉和涂料)改造后障礙物的視覺感知能力。

2.1 實驗平臺搭建

在哈爾濱工業大學(深圳)建筑學院的光環境實驗室內搭建低頭族模擬平臺。實驗室是全封閉的暗室房間，其室內環境恒溫26℃。實驗室可以保證實驗免受其他外界光線的干擾繼而方便控制變量。實驗平臺整體主要包括全通路多光譜LED光源調節系統、周邊視覺刺激識別系統、中央視覺刺激物、周邊視覺刺激物和其他輔助設備(圖3)。

圖3 “低頭族”步行模擬平臺示意圖

由于周邊視覺的正常視域范圍在10°以內，所以平臺搭建時跑步機中心位置(行走位置)與視覺刺激自動呈現裝置中心的垂直距離為2 m，并成15°的視角，以此保證周邊視覺刺激物在“低頭族”周邊視覺視野范圍內。為了模擬步行環境中的道路照明環境，一個由中密度纖維板(MDF)搭建的單間(1200 mm*1200 mm*2000 mm)來做燈架，燈架上架設六臺Thouslite LEDCube來模擬道路光源：HPS燈(S/P=0.57)和MH燈(S/P=1.77)。此光源設備可完成0%-100%全程調光，并配合Konica Minolta CL500A光譜測量設備(圖4)能夠在200 K-20 000 K范圍里快速并精準地調控色溫。

圖4 “低頭族”步行模擬周邊視覺刺激識別系統

此外，為了模擬“低頭族”步行環境下以周邊視覺的方式感知環境的狀態，我們設計了一個周邊視覺刺激識別系統。視覺刺激識別系統主要由4部分組成：視覺刺激物、視覺刺激物自動呈現裝置、操作鍵盤和電腦操作系統。視覺刺激物主要包含中央視覺刺激物和周邊視覺刺激物，即手機上的數字屏和視頻內容。實驗期間，手機上隨機出現數字(1、2和3)的形式占據行人中央視覺，數字顯示時間僅有450 ms。輔助的視頻內容是一段不斷循環播放的自然景觀類的紀錄片。周邊視覺刺激物采取黑色高密度海綿塊(反射系數低，尺寸：50 mm*40 mm*30 mm)模擬步行道路上地面障礙物。視覺刺激物自動呈現裝置則由兩部分組成；周邊視覺刺激物的承載圓盤和控制箱。直徑600 mm的承載圓盤，一共可以放置三個方塊海綿磚和一個改造后障礙物。整個過程由電腦操作系統控制裝置上的圓盤以不同速度勻速運行，從而帶動障礙物運動。該平臺可以使障礙物以隨機且均等機會的方式停止在四個方向上：正上方、正下方、正左方和正右方。每種障礙物識別實驗過程中轉盤總共會停12次，每個方向停三次，每次停750 ms，且轉盤下次與上一次停止間的時間間隔為6-12 s之間。圓盤線速度分為三檔：SP1：0.235 m/s，SP2：0.177 m/s，SP3：0.059 m/s，本實驗為提高實驗難度選取0.235 m/s作為轉盤的轉速。操作鍵盤是當被試識別到數字和障礙物位置時下意識做決策時的選擇器。例如當被試看到手機上數字顯示為3，且障礙物停留在圓盤的上邊時，就立即先按下標為“↑”的按鈕，再按下左側標為3的按鈕。被試選擇得方向和響應時間會自動記錄在電腦中。電腦控制系統主要控制視覺刺激物呈現與響應平臺的整個運行過程。它可以控制障礙物隨即停止和勻速轉動，會記錄下障礙物隨機停止的位置與停止時刻，被試推動推桿的時刻。每組實驗結束，電腦自動保存數據，同時對視覺刺激物自動呈現裝置進行復位后即可進行下一組實驗。

2.2 實驗參數選取

實驗將選取6種不同的周邊視覺環境補償措施和4種照明參數作為研究的自變量，障礙物識別準確率和反應時間作為因變量。

六種周邊視覺刺激物包括：動態LED閃光燈(黃色/藍色)、閃粉(黃色/藍色)和涂料(黃色/藍色)，如表1。實驗前采用手持亮度計(Koniac Minolat LS-110)測量，將涂料類和閃粉類障礙物表面的亮度調整到一致，為避免因亮度因素導致的實驗誤差。沒有修改過的原始障礙物作為對照空白障礙物。

表1 不同周邊視覺環境補償措施的障礙物和亮度值

四種道路照明條件：包括2種照度(E1：2.0 lx和E2：15.0 lx)和2種不同s/p值配置的光源：標準高壓鈉燈(T1：HPS：x=0.5122，y=0.4198，CCT=2000 K，S/P=0.57，Ra=33.9)和標準金鹵燈(T2：MH：x=0.3963，y=0.3846，CCT=4200 K，S/P=1.77，Ra=70.1)。所選照度的測量位置為視覺刺激物的正面的垂直照度，采用分光輻射照度計(Konica Minolta CL-500A)測量。

2.3 實驗流程設計

實驗招募被試24名(11名男性和13名女性)，由深圳大學城本科生和研究生(碩士和博士)組成，年齡分布在18-30歲之間，被試者均正常視力或經過佩戴眼鏡后校正視力正常，并且用石原假等色板測試時沒有色彩感知缺陷，無視覺疾病或功能障礙，并且身體健康，心理素質良好。24名被試需要在兩種照度(高照度和低照度)情況下分別完成1 h的障礙物識別實驗。

實驗過程中被試在走步機上行走的同時進行兩項不同強度的視覺任務:(1)利用中央視覺觀看視頻并識別手機上的數字任務(2)用周邊視覺執行認知障礙物位置任務。通過統計被試的反應時間和障礙物探測準確率數據，探究出最佳周邊視覺環境補償措施。

實驗過程中被試均需在兩種照度下各自完成2種不同s/p值光源條件下完成6組實驗(6個障礙物)，共完成12組實驗，每組實驗需要識別12次障礙物，一共識別144(2×6×12)次，花費時間36min(2×6×3 min)，過程中被試可隨時休息保證以最好的狀態完成實驗，實驗場景見圖5。

圖5 實驗場景圖

實驗開始時，手機上的數字屏和視覺刺激物自動呈現裝置同時啟動，承載圓盤會保持勻速轉動，每次實驗圓盤共停止12次，每次障礙物隨機停止在4個方向中的某一個方向，停止時間為750 ms，之后轉盤繼續以先前的速度勻速轉動。圓盤停止同時手機上會隨機出現數字，被試被要求在感知到障礙物所停的方向后以最快的速度先按下障礙物停下的方位再按下手機上顯示的數字，一組實驗將完成12次障礙物識別。實驗整個過程要求被試時刻用中央視覺關注數字和視頻，用周邊視覺探測障礙物，以模擬低頭族步行狀態。被試完成一組實驗后，實驗員停止視覺刺激物自動呈現裝置，儲存實驗數據并重新復原裝置。與此同時要更換障礙物，更換之后進行下一組實驗，直至完成12組后實驗結束，具體流程如圖6所示。

圖6 實驗流程圖

在實驗整個過程中，每組實驗電腦都會記錄下選擇的數字，反應時間(圓盤停下的時刻到被試選擇位置的時刻)和識別障礙物的方向。被試對障礙物的識別結果會以“1分”(正確)和“0分”(錯誤)的方式進行記錄。在一種光環境條件下完成一種障礙物方向識別，全部正確會記12分，全部錯誤會記0分。每次轉盤停止后的1s內被試沒識別出正確的方位和沒有選擇方向均被視為判斷錯誤。當被試數字判斷錯誤時數據被視為無效，被認為沒有用周邊視覺去判斷障礙物位置，因此在剩余次數中計算障礙物判斷準確率。實驗收集的反應時間即為周邊視覺刺激儀器停止時刻至被試按下方向按鈕的時刻間的間隔。

3 結果

3.1 障礙物識別準確率影響因素分析

(1)光源對障礙物準確率的影響

選取統計平均值的方式統計24名被試的實驗數據，獲得4種照明環境下識別不同周邊視覺措施改造的障礙物的識別平均準確率，結果如表2所示。并對相同照度下兩種光源類型(S/P值)(表3)與相同光源類型(S/P值)(表4)下兩種照度的兩組準確率數據分別進行配對樣本T檢驗。

表2 不同照度和S/P值下的障礙物識別的平均準確率

由表3可以看出照度相同的情況下，只有在識別藍色閃粉和藍色涂料材質時，不同光源類型(S/P值)下的準確率結果存在顯著性差異。且相較于HPS光源，MH燈下的準確率水平顯著更高。

表3 相同照度下兩種光源類型(S/P值)的配對檢驗結果

由表4可以看出光源類型相同的情況下，在識別黃色閃粉、藍色閃粉、黃色涂料和藍色涂料這四種材質時，不同照度水平下的準確率結果存在顯著性差異。且相較于低照度2 lux，高照度15 lux下的準確率水平顯著更高。

表4 相同光源類型下兩種照度(2 lx和15 lx)的配對檢驗結果

(2)顏色對障礙物識別準確率的影響

為探究步行環境中障礙物顏色對識別能力的影響，針對每種光源條件下的每種材質的黃色和藍色數據兩兩進行配對樣本t檢驗，結果如表5所示。

表5 四種光源下相同材質周邊視覺環境補償措施的顏色配對檢驗結果

根據表5的結果可以看出在識別閃光燈類的障礙物時，在MH-15LX，HPS-15LX和HPS-2LX光源條件下，黃色和藍色數據具有顯著性差異。結合表2的數據表明，在這三種光條件下，相較于黃色閃燈障礙物，識別藍色閃燈障礙物時的準確率更好。在識別閃粉材質的障礙物時，僅在HPS光源條件下黃色和藍色的識別準確率具有顯著差異，且在識別黃色閃粉障礙物時準確率更高。

在識別涂料材質的障礙物時，在MH-15LX和HPS-15LX光源條件下，黃色和藍色的識別準確率均值具有顯著性差異。在MH-15LX光源條件下，藍色涂料優于黃色涂料。在HPS-15LX光源條件下，結果則相反。

(3)材質對障礙物識別準確率的影響

由圖7可知，不同警示材質對低頭族的障礙物探測率影響不同，且在四種光環境條件下，閃燈的探測準確率均明顯高于閃粉材質和涂料材質，識別準確率均在0.8-0.9之間。閃粉和涂料材質在每種照明條件下的障礙物識別準確率差異不大。在四種照明條件下，閃燈的障礙物探測率基本保持在同一水平線，說明低頭族在探測閃燈障礙物時，其周邊視覺識別能力不受到照度水平和光源S/P值的影響。在同種照度水平條件下，涂料和閃粉障礙物都隨著S/P值的提高其識別準確率明顯提高。在同種光源類型條件下，涂料和閃粉障礙物隨著路面照度水平的提高其識別準確率明顯提高。

圖7 三種類別周邊視覺環境補償措施改造后的障礙物識別平均準確率

3.2 障礙物探測率影響因素分析

Townsend和Ashby提出反效率分數公式(IES:Inverse Efficiency Score)將錯誤率(PE:Proportion of Errors)和反應時間(RT:Reaction Time)集成到一個指標中，適當權衡反應速度和準確性的影響來簡化結果的解釋[26]。IES被認為是一種可觀察的測量方法，測量在一段時間內消耗的平均能量。它由RT除以PC(準確率)組成，見公式(1)：

(1)

式中 PE——識別錯誤率(方向識別錯誤數值占有效選擇的百分比)；

PC——識別準確率(方向識別正確數值占有效選擇的百分比)；

RT——反應時間(s)；

當IES值越低，說明被試的周邊視覺反應速度快，反應能力強。

(1)光源對障礙物探測率的影響

選取統計平均值的方式統計24名被試的實驗數據，獲得4種照明環境下識別不同周邊視覺措施改造的障礙物的識別響應時間，結果如表6所示。

表6 不同照度和S/P值下的識別響應時間

根據反效率分數公式計算24名被試的數據得到IES均值如表7所示：

表7 不同照度和S/P值下的IES均值

由表7可知，同一照度條件下，不同光源類型對障礙物探測率的影響不同。在15 lx條件下， MH燈下除黃色涂料外，其他材質的IES值均低于HPS燈。說明高照度條件下，“低頭族”對MH燈光環境中的障礙物反應速度更快。但在2 lx條件下，在識別黃色閃燈，藍色閃粉和藍色涂料時，MH燈下的IES值低于HPS燈，表明在此種情況下反應速度更快。

由表7可知，同一光源類型條件下，不同照度條件對障礙物探測率的影響不同。在兩種光源條件下，高照度(15 lx)的障礙物探測率IES均值明顯低于低照度(2 lx)，說明在高照度時“低頭族”周邊視覺反應速度快反應速度更快。

(2)顏色對障礙物探測率的影響

就閃燈材質的障礙物而言，根據表7可看出，藍色閃燈在四種燈光條件下的IES值均明顯低于于黃色閃燈，能得出結論：藍色比黃色更快引起“低頭族”周邊視覺注意力，這與障礙物準確率數據分析結果一致。

就閃粉材質的障礙物而言，根據表7可看出，在MH燈光條件下，高照度(15lx)時黃色和藍色的IES值相近，表明顏色對“低頭族”識別障礙物的能力沒有影響。但在低照度時，藍色的IES值偏低，識別能力更強。在HPS燈光條件下，黃色在高照度和低照度情況下的IES值均明顯低于藍色，且在低照度時更明顯，表明黃色閃粉在HPS燈光條件下更容易被識別。

就涂料材質的障礙物而言，根據表7可看出，在MH燈光條件下，藍色的IES均值均比黃色的低，“低頭族”的周邊視覺反應能力更強。但在HPS燈光條件下，結果相反。

綜上所述，閃粉材質和涂料材質情況下的結果發現黃色在黃光環境下更容易識別，藍色在白光環境下更容易識別(但閃粉材質中MH-15lx光環境下的黃藍顏色對識別能力沒有影響)。

(3)材質對障礙物探測率的影響

根據表7可知，不同障礙物材質對障礙物探測率的影響不同。將三類材質得到的數據結果進行平均值計算，發現在四種光環境條件下，閃燈的IES值均明顯低于閃粉材質和涂料材質，進一步驗證了閃燈的警示作用比閃粉和涂料強。且在四種照明環境下其IES均值近似在同一水平線上(0.6-0.7之間)(見圖8)，即閃燈的警示作用不受路面照度水平和光源類型的影響。閃粉和涂料材質在每種照明條件下的IES均值相近，并且受光環境變化條件的影響：在同種照度水平條件下，涂料和閃粉障礙物都隨著S/P值的提高其識別能力明顯提高。在同種光源類型條件下，涂料和閃粉障礙物隨著路面照度水平的提高其識別能力明顯提高。所得結論與障礙物識別準確率所得結果一致。

圖8 三種材質周邊視覺環境措施改造后的IES均值

4 討論

本文針對“低頭族”的步行安全問題從不同的角度提出了多種多樣的補償措施，基于實驗室“低頭族”步行模擬平臺，完成了不同照度、不同光源類型下對不同周邊視覺環境補償后的障礙物的視覺感知能力研究。結果表明，不同照度和光源類型(S/P值)下的障礙物識別的平均準確率和IES值的結果均不同，照度水平、光源類型、材質和顏色均對“低頭族”的視覺感知能力的確有顯著的影響。

照明光源方面 在同一光源類型條件下，高照度(15 lx)時“低頭族”的周邊視覺反應能力優于低照度(2 lx)水平(閃粉和涂料)；在同一照度條件下，高壓鈉燈(HPS：S/P=0.57)和金鹵燈(MH:S/P=1.77)的障礙物探測率只有在藍色閃粉和藍色涂料這兩種障礙物識別時有明顯的差異，且在金鹵燈下的準確率更高。

文獻[27]使用實驗室步行模擬法研究了光環境的視覺補償作用，研究發現光源、照度對周邊視覺障礙物探測能力有一定的影響，并發現光譜和照度等指標對行人周邊視覺有補償作用，光源具有較高的照度和s/p值時，能夠提高行人探測障礙物能力。與本文結論一致，在探測率達到飽和前，應適當提高道路照度，提高“低頭族”安全性。

顏色方面 (1)閃燈材質：藍色在4種燈光條件下的周邊視覺反應能力均明顯高于黃色閃燈，實驗過程中被試也表示發現藍色閃動的物體更加吸視覺注意力。(2)閃粉材質和涂料材質情況下的結果發現黃色在黃光環境下更容易識別，藍色在白光環境下更容易識別(但閃粉材質中MH-15lx光環境下的黃藍顏色對識別能力沒有影響)。

文獻[28]使用半虛擬現實實驗法，利用一種新型的頭戴式虛擬互動現實環境(VIRE)評估“低頭族“分心對過路的影響。結果表明，安裝在馬路交叉口的閃爍和變色 LED 燈能夠有效提醒“低頭族”，緩解手機對行人分心的影響。文獻[29]研究了提醒裝置的圖案和顏色對行人視覺感知的影響，發現相比其他顏色，紅色和黃色對有視覺障礙的人來說作為可探測警告顏色最具顯著性的效果，并提出高亮對比度更能夠有效提高行人警覺度。與本文相比，結論基本相似，可以在黑暗的人行道上(例如柏油路)，使用具有高反射率系數的淺色來形成鮮明對比，同時采用藍色閃爍燈光可以提高“低頭族”驚醒度。

材質方面 通過比較閃燈、閃粉和涂料材質的IES數據值發現閃燈的警示作用不受路面照度水平和光源類型的影響，在四種照明條件下“低頭族”的周邊視覺反應能力均比閃粉和涂料強。但是閃粉和涂料材質在每種照明條件下的IES均值幾乎相同，并且均受照明光源的影響；在同種照度水平條件下，涂料和閃粉障礙物都隨著S/P值的提高其識別準確率明顯提高。在同種光源類型條件下，涂料和閃粉障礙物隨著路面照度水平的提高其識別準確率明顯提高。

5 小結

本文研究了復雜步行環境下，行人過街多視覺任務時，“低頭族”對周邊視覺環境的感知影響，采取雙重認知任務法和視覺心理實驗法相結合的方法，在實驗室條件下搭建“低頭族”步行模擬平臺，探究“低頭族”在不同照度和不同光源類型下對不同周邊視覺環境補償措施改造后的障礙物的視覺感知能力。不同照度和光源類型(S/P值)下的障礙物識別的平均準確率和IES值的結果均顯示，照度水平、光源類型、材質和顏色均對“低頭族”的視覺感知能力的確有顯著的影響。

在照度水平和光源類型方面，在同一光源類型條件下，高照度(15 lx)時“低頭族”的周邊視覺反應能力優于低照度(2 lx)水平(閃粉和涂料)。在同一照度條件下，高壓鈉燈(HPS：S/P=0.57)和金鹵燈(MH:S/P=1.77)的障礙物探測率只有在藍色閃粉和藍色涂料這兩種障礙物識別時有明顯的差異，且在金鹵燈下的準確率更高。在顏色方面，藍色閃燈下的周邊視覺反應能力均明顯高于黃色閃燈，閃粉材質和涂料材質則表現為黃色在黃光環境下更容易識別，藍色在白光環境下更容易識別(但閃粉材質中MH-15lx光環境下的黃藍顏色對識別能力沒有影響)。在材質方面 ，閃燈的警示作用最強，且不受路面照度水平和光源類型的影響。閃粉和涂料材質則區別不大。研究結果為步行環境人因建設提供參考性建議。