服饰警示用色测评方法与标准研究进展

林瑞冰,黄玉冰,曹竟文,熊枫情,徐平华,b,c

(浙江理工大学, a.服装学院;b.浙江省服装工程技术研究中心;c.丝绸文化传承与产品设计数字化技术文化和旅游部重点实验室,杭州 311106)

警示类服装通过适当的色彩、材料和造型设计,增强着装识别性,起到距离感知和判别作用,对预防事故的发生,保护人们生命安全发挥着重要作用[1-2]。警示服装通常分为职业性和非职业性警示服,前者主要应用于道路交通和救援活动中,如消防、交警、环卫等特殊职业着装;后者广泛用于如登山、夜跑等低辨识性环境下的活动,也用于保护老人、儿童出行安全。有别于军用伪装服饰,警示服的用色更着力于引发视觉刺激,聚焦着装识别性。如何有效测评服装警示功效,服务相关服饰产品设计和性能优化,成为该领域研究关注的重点之一。

当前,国内外有关服饰警示用色的测评主要集中在心理和生理层面,通过主观调查、仪器测量以及图像分析技术,对服饰设色刺激程度进行评估。主观调查法着重研究基于个体受到颜色刺激所产生的记忆联想,根据不同颜色触发的情绪反应及其潜在的动机状态对警示服饰用色进行评估[3];仪器测量法侧重于评估受试者受到视觉刺激后行为和注意力的反馈表现[4];图像分析则主要通过图像、视频等记录载体,计算服饰与背景的颜色差异,评估服饰警示用色刺激程度[5]。主观调查法及仪器测量法受被试者个体反馈差异影响,其结果稳定性差、重现性弱、试验代价高且周期较长。图像分析法虽具有快速、便捷、低成本的优势,但一定程度上脱离了受试者反馈,与主观感受之间的关联性构建尚不完善,测评方法仍有待进一步完善。

为此,本文在梳理、总结当前国内外服装警示用色测评方法和现有标准的基础上,对测评方法中存在的问题进行分析,探讨该研究方向尚需优化之处,为高识别性警示类服饰研发提供参考。

1 服饰警示用色测评方法

当前,服饰警示用色测评方法主要分为主观调查法、仪器测量法以及图像分析法,前两类方法着重对个体心理或生理感受进行测评,图像分析法侧重于以机器视觉重现共性感受,方法研究和应用进展如下。

1.1 主观调查法

主观调查法通过搜集调研对象的主观感受,研究经验认知对颜色感知效果的影响以及产生的知觉刺激程度,与受访者个体意识反馈紧密联系,包括访谈法和观测法。

1.1.1 访谈法

访谈法是一种使用广泛的方法,通过设置针对性问题或选项,分析调研问卷的结果和被访谈者的主观感受,对服饰用色的警示效果进行主观评估。相关研究[6-7]通过设计问卷调研色彩联想与个人经验的关联,探索不同色彩与观念之间的固有印象。Shoji等[8]在问卷调研的基础上加入实地情景观察环节,以一对一访谈的形式了解被调查者的主观感受和偏好,研究不同骑行警示背心的警示相关性和效果。Jeong等[3]结合问卷与开放式问题研究不同警告设计参数的实际风险感知,发现群体对警告设计存在共性认知与个性认知,个性风险认知受个人偏好和经验的影响。Bopape等[9]以论题研讨小组的形式获取个体对警告标签的认知并总结群体共性感受,发现警示性色彩在背景中的可见性能够增加风险感知,提高警告有效性。上述方法仅通过文字描述总结相对性的警示效果,数据精度低,且多从全局出发,对服装细部结构的关注偏少,其结果不能直接用于再设计和生产指导,通常与其他实验结合,作为补充论证的手段之一。

1.1.2 观测法

观测法是指被试者通过观察服饰样本或视频、图像后,在心理反应量表上对其呈色显著性进行评分或排序,根据统计结果对目标的警示性进行评级,如图1所示。沈雷等[10]对户外骑行服道路警示效果进行测评,参与者通过实地观察骑手在道路骑行的可视性表现,按照主观评价量表填写观测效果。Sakamoto等[11]、Karlsen等[12]则采用观察图片的形式对目标色彩的警示性进行打分,评估其能见度。Iizuka等[13]利用改进的感官统计评价法进行色彩警示性测评,融合感官统计评价法和配对比较法,将不同警示颜色的样本两两排列放置进行显著性分级。主观评价量表采用等级制刻画警示效果,但是由于其设计质量对结果准确性的影响较大,一旦偏倚参与者的反应,会导致结果可靠性与客观性的降低[14]。并且,由于主观选择会引入偏见,其结果不能完全代表共性感知。

图1 观测法基本流程Fig.1 Pipelines of observational methods

1.2 仪器测量法

仪器测量法利用仪器记录受试者在特定场景下的生理反馈数据,分析警示色彩的刺激效果,主要分为行为实验法和神经电生理测量法两类。

1.2.1 行为实验法

视觉信息和大脑反应之间的交互机制有效驱动注意力和行动的处理[15-16]。行为实验法从生理学角度出发,采用观察法研究受试者面对警示色时的刺激反馈,评估警示服用色的可视性。现有研究尝试不同行为实验获得更准确的警示色评估结果,表1列举了典型研究的操作流程,并对其优缺点进行了引述。

表1 行为实验研究方法Tab.1 Research methods for behavioral experiments

1.2.2 神经电生理测量法

神经电生理技术的发展,为研究大脑认知活动过程提供了新的方法。生理学测量的进步使得人类神经系统与彩色刺激的关联研究取得了系列进展,借助事件相关电位技术可以感知在不同颜色刺激下的警告信号的神经关联[25-26],方法示意图如图2所示。Guo等[27]在脑机接口上配置不同颜色视觉刺激模式,比较不同色彩刺激范式的准确率。相关研究[28-30]结合神经电生理分析实验与其他补充实验更充分地验证警告色彩效果,验证了警示色导致的危险感知差异与不同ERPs成分的相关性,通过分析诱发的ERPs成分振幅推测色彩的刺激类型和刺激强度。相比于行为实验,神经电生理分析法从人体中直接观测提取生理指标进行分析,其缺陷在于相关实验布置与波形分析需要大量的时间和复杂的操作,实验成本较高,效率较低。除此之外,由于仪器导致难以实现实地实验,研究结果与人们面临危险时的真实反应结果吻合度未知[28]。

图2 事件相关电位技术方法示意Fig.2 Pipelines of event-related potential technique methods

1.3 图像分析法

图像分析法是指在模拟现实环境下,以观察者的视角拍摄警示类服饰照片或视频,对单张图像或视频帧进行分析,侧重于警示用色的共性感知评估,具体方法示意如图3所示。常规的图像分析法以客观成像代替受试者主观感受测评警示材料的可见度,减少个体视觉差异对结果的影响。Li[5]使用图像分析法对中小学生校服道路安全性能进行评估,在黑暗环境下对校服的正面与背面进行拍摄,通过闪光灯测试校服的反光材料和光致发光材料在黑暗环境下的可见程度。类似方法[31]通过图像高可视性颜色的面积占比或轮廓剪影完整性来验证安全警示服的可视性,只能通过图像载体判定高可视性材料展现的形状和亮度,尚未有可视性评级方法研究报道,相关标准也未建立,且在非发光面料和非反光面料上效果不佳。

图3 图像分析法示意Fig.3 Pipelines of image analysis methods

从突出色彩对比的角度出发,相关研究引入了视觉注意力模型[32-33],模拟人眼对服饰呈色注意共性选择机制,计算目标和背景物体的颜色差异。提高服饰警示色彩的视觉显著性有助于缩短人眼视觉捕捉并注意警示色彩的时间。色彩空间距离是视觉显著性的决定因素之一[34],已被广泛应用于图像色彩的解析[35-36]。Mina等[37]以目标和背景的色彩空间距离作为度量评估工人警示服显著性,并引入惩罚系统进行评级。Storsæter等[38]利用直方图可视化地呈现警示目标和背景的对比度水平。Friedrich等[39]在研究目标和背景对比度的基础上加入了与干扰物的色彩对比度度量,通过三者综合估计目标显著性。借助计算机图像处理技术优化常规图像分析法,能够实现警示用色效果的快速评级和比对。然而,色彩空间距离无法完全代表真实的视觉显著性。徐平华等[40]针对眼动追踪实验在评价多用户视觉聚焦差异方面的缺陷,提出一种基于图像融合的共性视觉热区评价方法,以可视化的方式展现受试者共性视觉聚焦程度。孙菲菲等[41]从机器视觉角度检测图像色彩视觉显著性,提出批量评估服饰色彩设计的方法,为快速优选警示色提供了新的思路。此类研究一定程度上弥补了基于形态的图像分析法缺乏量化评级标准的缺陷,为非发光和非反光面料提供了可行的图像分析方案。但在主客观感知一致性论证方面,还存在忽略因经验产生的目标人群群体认知偏见的问题。

2 国内外警示用色标准

警示设色要求视觉刺激性强,与服饰材质、服饰本色、着装环境、人体肤色等形成一定的区别度,便于迅速指示危险。此类设色规范运用于服饰设计,以保障工作人员或行人的安全。当前,针对不同环境的警示色尚未有统一的测评方法,但是各国对警示用色的规范性进行了规定。表2列出了相关国家或地区的警示色规范标准和警示性服饰的设计要求。

表2 警示色彩规范标准与服饰设计要求Tab.2 Color standard and design requirements for warning products

根据表2所列相关标准,以下从色值、方位可视性方位和对比度3个角度进行分析。

a)色值:各国的警示色多采用色彩纯度较高、亮度较高的颜色,如中国GB 20653、美国ANSI/ISEA 107、欧洲EN ISO 20471等各国家和地区的警示服标准都使用了荧光黄、荧光橘红和荧光红作为基底颜色,配合反光面料的使用,使服装起到高可见性的警示作用。以中国GB 20653—2020《防护服装 职业用高可视性警示服》的警示服装用色规定为例,使用Yxy表色系统,基底颜色参数范围如表3所示。此类警示标准均采用测色仪器在规定的实验环境下评估警示色。

b)方位可视性:GB 4303、EN ISO 20471与JATRAS 001中都要求警示产品的360°高可视性,且该类材料应覆盖服装的各个方位。警示服装根据其实际的应用要求形成不同的款式,并且穿着者的身体活动不同,导致服装随着运动被遮挡的部位有所差异,因此有必要根据警示服的款式和具体应用领域深入分析和规划设计高可视性材料的位置。

c)对比度:中国、欧洲和日本的高可视性安全标志色标准都采用黑白对比色提高警示产品可视性,但是未说明不同色彩搭配与实际环境的适配性。美国警示色彩标准规定警示产品的颜色与视觉环境必须形成高对比度的效果。但是缺少评估警示色彩与实际环境对比效果的方法与判断最高对比度的评估标准。

3 存在的问题

3.1 理论依据

现有的警示色标准如ANSI、ISO及国标中均制定了警示色面料的测试标准和警示用品的色度和亮度规范,并且指定标准测试环境和仪器。GB/T 3979—2008《物体色的测量方法》通过光谱光度计、光电积分测色仪器测定三刺激值和色品坐标,或使用目视色度计筛选匹配的滤色片色号。

然而,警示色需要在警示服饰的实际应用环境中具有高安全警示性和有效可识别性,警示服饰的应用场合广泛,时空具有复杂性和多样性。在时间和空间的变化下,不同警示色的效果有所差异,因此警示效果并非简单地通过面料本身的颜色进行评估。此类标准侧重于测评面料本身的亮度和色值,无法代表多变环境下的色彩警示效果。同时,常规的实验方法难以提供复杂、多样的实验环境,不同时间和环境的对比实验次数有限,势必造成测试结果适用性的局限和与客观结果的偏差,从而影响测评结果。研究出能够高效提供多种实验环境并完成不同环境下测评的方法,保证测评的有效性和普适性,存在一定的难度,需要进一步地深入研究。

3.2 研究方法

在三类警示效果测评方法中,主观调查法需要人为设置问卷或访谈的问题,其缺点在于调查结果依赖于问卷质量,而问卷设计依赖于设计者的想法,导致其质量受主观偏好影响。同时,该方法难以对色彩警示效果进行系统性评级。仪器测量法中前期准备和实验过程消耗的时间长,实验次数受限,无法进行大规模实验,因此受试者个体间的反应差异对实验结果影响较大,人为因素也容易导致误差的发生。图像分析法以计算机视觉预测受试者共性视觉认知并量化结果,产生评级标准,人工介入程度较低,但是该方法仅针对图像本身颜色进行评估,忽略了由于不同社会地位和生活环境产生的认知经验对受试者的风险感知产生的影响,即受试者真实反馈。综上,现有方法难以兼顾便捷性和主客观测评结果一致性。为此,结合图像分析法便捷及时的优势和主观调查法与仪器测量法紧密联系受试者的优势,设计可以实现主客观高度一致的客观测评方法尤为重要。

3.3 测评应用

服饰警示用色测评的最终落脚点为警示服饰的设计和应用,而在商业化产品中成本是重要因素,因此测评警示色所需的成本尤为关键。测评仪器的成本主要包括信息采集设备、模拟目标环境所需的配置与实验设计和操作所需的人力成本。现有的不同测评方法中,仪器测量法所需部分信息采集设备如无线电传感器、眼动仪等价格昂贵;主观调查法需要大量的被调查者来保证结果的准确性和代表性,所需人力成本较高;现有的图像分析法缺乏图像数据集,图像搜集耗时较长。

综上,现有的测评方法存在着人力成本、物力成本或时间成本高昂的问题,因此有优化的必要。相比起主观调查法与仪器测量法较高的成本消耗,图像分析法中以计算机视觉预测人眼视觉的思路能够减小时间成本、节约人力、物力成本,其缺陷在于没有大规模的警示色测评图像数据集,无法进行方法之间效果比对。未来可借助深度学习技术进行警示色的定量评价,提高不同应用场景下警示色测评的鲁棒性和效率,减少测评时间和成本。

4 发展方向

警示色评价受到实验环境、时间等多方面因素的制约,测评结果针对性强,难以满足商业高效、批量化的需求。准确、高效的测评方法是合理设计和应用警示色的基本要求,因此需要在方法普适性、准确度、便捷性等方面进行优化,提出有能力高效客观测评出警示色性能的方法。根据本文对服饰警示用色测评的整理和分析,测评方向和技术可在以下几个方面进一步研究发展。

a) 复杂背景下的快速测评技术:警示服装应用场景复杂,单纯地评估服装本体,失去了环境干涉因素的制约,容易导致评测失真。目前的警示色标准的测评是静态的、孤立的,而警示服饰的应用领域是多样的,如何结合空间和时间进行警示色评级尚未有统一的标准。同时,测评速度是衡量测评方法实用性的关键因素之一。现有方法得出的差异性结论大多源于仅包含少数色彩的调研或实验分析,并且分析过程的人工依赖度较高,无法批量快速比对色彩的可视性和警示效果,得出的结果十分有限,因此需要提高测评流程的智能化。随着数字化技术水平的提升,已有研究者将计算机图像处理技术用于测评警示色的可视性来达到高效、高普适性的目的,但是基于图像的测评前提是警示目标的定位,因此目标自动识别和定位技术的提升是研究的关键之一。同时,物体受到视觉关注的程度并非仅受色值这一单因素影响,而是色彩面积、位置等多因素联合产生的结果[42]。因此,简单地叠加前景背景所有像素色值计算对比度所得的结果无法准确代表真实的警示色显著性,其优化方法也是可深入研究的方向之一。

b) 主客观感受一致性:可见性和警示信息的传递效果是影响警示用色效果的重要测评指标[8, 43],受试者的反馈是警示信息的传递效果的重要评估依据,因此需要重视。目前的图像分析法使用数字化技术实时测评警示色的可见性,但是脱离了受试者反馈。传统的实验和调查方法无法实现快速测评,因此需要进行技术革新。随着数字化技术水平的提升,深度学习技术逐渐被引入到色彩测评的研究中,对紧密联系受试者的快速测评具有较大的意义。Fennell等[44]使用神经网络预测人类识别不同环境下不同伪装色的反应时间。以之为参考,可以构建多环境下受试者对不同警示色的反馈数据集,通过神经网络等深度学习技术预测受试者反馈,扩大有限实验数据的效益。

c) 款式造型与色彩的配伍性:色彩的搭配和布局影响警示服饰呈现的效果。警示服装根据其具体用途和美观性衍生出不同的款式设计和色彩搭配。现有的测评大多聚焦于单色,忽略了色彩与服装款式和配色的关联。穿着者运动姿态变化影响款式的设计,进一步影响服装上警示色彩在空间上的可见面积[45-46]。除此之外,警示色与服装其他色彩之间的对比、警示色所处服装位置也会产生视觉注意力的差异,因此需要进一步探讨服饰配色的合理性,以达到服饰配色和色彩区域警示性最大化的同时,满足日常穿着的视觉审美需求。

5 结 语

色彩是传达警示信息的重要符号,本文从警示性色彩的角度出发,对其测评方法进行归纳和梳理,重点对评价机制、方法现状及其相关标准与应用进行了总结和展望,以便更好地将警示性服饰效果最大化并满足商业生产的要求。

综合当前研究,警示色的评价多依据人眼对色彩的感知,与生理和心理均有所关联。测评方法主要从可视性和关联意象的角度出发,二者也可以相辅相成,进行更全面的分析。国内外相关标准从色值、方位可视性和对比度等方面规定了警示色的设色要求,并提出警示性服饰的设计要点。现有的测评方法人工依赖度高,测评效率有待提高。同时,在复杂背景下的批量化处理、主客观感受一致性、款式造型与色彩配伍性等方面还有待进一步研究。深入研究时空变化下不同颜色的警示效果,在现有测评方案的基础上借助机器视觉技术提高测评效率,并结合深度学习机制和受试者反馈数据集,建立主客观感受一致性的系统评价体系,能从根本上为警示色客观评价提供解决方案,为警示服饰设色提供参考依据和更有效、更客观的测评方法。