环境光照、字符颜色感知亮度以及人体姿势对中国字符在光学透明头戴显示器上阅读性能的影响

《Displays》：Effects of ambient illumination, character color perceptual brightness, and postures on the reading performance of Chinese characters on optical see-through head-mounted displays

本研究探讨环境光照、字符颜色感知亮度和姿势对光学透视头戴显示器（OST-HMD）上中文字符可读性的影响。通过30名参与者的实验，测试了三种光照强度、三种感知亮度和两种姿势，发现三者均显著影响可读性，且光照与感知亮度存在显著交互作用，站立姿势效果最佳。这些 findings 为优化OST-HMD上的中文文本显示提供依据。

　　

庄允嘉|萧志宇|张建治

国立清华大学工业工程与工程管理系，新竹，台湾

摘要

随着光学透明头戴显示器（OST-HMDs）的日益普及，在不同的显示和环境条件下优化阅读性能仍然是一个关键挑战，尤其是对于像中文这样视觉上复杂的语言。然而，大多数先前的研究都集中在字母脚本和基于亮度的对比度上，而基于HSB（色调-饱和度-亮度）的感知亮度对中国字符可读性的影响则几乎没有被探索。鉴于这一空白，本研究考察了环境光照、字符颜色感知亮度以及姿势如何影响OST-HMDs上中文字符的阅读性能。共有30名参与者在三种环境光照水平（200、400和600 lx）、三种字符颜色感知亮度水平（33%、66%和99%）以及两种姿势（站立和行走）下进行了测试，以评估中文字符的阈值、识别时间、识别准确性、阅读敏锐度、最大阅读速度和关键打印尺寸。所有实验均遵循明尼苏达阅读敏锐度图表（MNREAD）协议的指导原则进行。结果表明，环境光照、字符颜色感知亮度以及姿势都会影响阅读性能，并且环境光照与字符颜色感知亮度之间存在显著的交互作用。较高的字符颜色感知亮度进一步改善了阅读性能，其中站立姿势的效果最佳。这些发现为在不同配置和条件下优化OST-HMDs上中文字符的显示提供了宝贵的见解。

引言

光学透明头戴显示器（OST-HMDs）能够在用户真实环境的视野中直接呈现半透明的虚拟文本和图形，从而创造出与传统显示器截然不同的视觉效果[1]。在移动多任务场景中，例如在行走时阅读通知，用户处理数字信息的注意力资源是有限的，因此简洁直观的文本呈现对于快速准确的理解至关重要[2]。因此，文本在AR应用中起着关键作用，它可以标记对象、传达指令并提供关于真实和虚拟元素的上下文信息。显示界面的差异可能导致阅读性能的变化[3]，这突显了完善AR和OST-HMD环境中文本呈现设计指南的重要性。先前的研究表明，可视化设计和人为因素考虑显著影响OST-HMD应用中的系统性能[4]。然而，由于虚拟内容与现实世界背景之间的独特交互作用，从传统显示器或手持设备中得出的设计原则不能直接应用于OST-HMDs。这些特点强调了系统评估OST-HMD环境中文本显示性能的重要性，以支持可靠且易用的AR界面。

文本识别在很大程度上依赖于对细微空间细节的感知[5]。在这方面，中文字符在其内在视觉结构上与字母脚本有根本不同。字母单词主要由沿一维轴排列的字母组成，而中文字符则由在二维空间框架内组织的多个部分构成[6]。此外，中文字符在空间复杂性上存在显著差异，通常通过笔画数量来表示；对于孤立的字符，较高的笔画数量已被证明会使得识别阈值尺寸增加得更快[7]、[8]。因此，中文字符通常具有更高的笔画密度和更紧凑的空间组织，这增加了对高敏锐度、细微细节感知的依赖性。

这些视觉特性在OST-HMD观看中尤为重要，因为虚拟文本是叠加在具有空间变化亮度的真实世界背景上的。在这种条件下，由背景光照或显示亮度变化引起的对比度变化可能会影响笔画级特征的可见性，特别是对于视觉上复杂的表意字符。先前的研究表明，背景干扰会损害OST-HMDs中的文本识别[9]、[10]。此外，行走还会引入运动引起的视网膜图像不稳定（例如，与头部运动相关的视网膜滑动），这在需要精细笔画细节时可能会不成比例地降低识别能力。这些因素表明，对比度变化和运动可能对表意中文字符的阅读性能产生比视觉上更简单的字母脚本更强的或质量上不同的限制。

尽管OST-HMDs的可读性已经得到了广泛研究，但现有研究主要集中在英语或其他字母脚本上，对中文字符所固有的更大视觉复杂性的考虑有限。因此，关于环境光照、字符感知亮度以及用户姿势如何共同影响OST-HMD环境中中文字符的可读性的实证证据仍然很少。

本研究考察了环境光照、字符颜色感知亮度以及姿势（站立与行走）如何影响OST-HMDs上中文字符的阅读性能。我们的结果表明，这三个因素都显著影响了阅读性能，并且环境光照与字符颜色感知亮度之间存在显著的交互作用。较高的字符颜色感知亮度一致地改善了阅读性能，其中站立姿势的效果最佳。这些发现强调了在设计OST-HMDs的可读文本显示时，同时考虑环境光照、显示特性和用户姿势的重要性，并为优化AR应用中的中文字符呈现提供了实际指导。

相关研究

相关工作

与传统的背光显示器不同，AR渲染的虚拟图像会与现实世界的颜色光学融合，使得可读性高度依赖于环境光照、背景特性和显示透明度[11]。Dobres等人[12]发现，强烈的光照会由于瞳孔收缩和视网膜图像质量下降而损害阅读性能。Gattullo等人[10]报告称，高背景光照（> 4000 lx）会显著降低可读性，因为

参与者

共有30名参与者自愿参与了这项研究。他们的年龄在21至30岁之间（平均年龄=23.25岁，标准差=0.44岁）。参与者通过社交媒体平台招募。参与者需要具有正常的色觉能力，最低视觉敏锐度为20/20（无论是否佩戴矫正镜片）。所有参与者都是普通话母语者。实验程序已获得机构审查委员会（IRB）的审查和批准。

结果

CFF测试显示，在C测试过程前后没有显著差异。进行了一系列3 × 3 × 2的方差分析（ANOVA），以评估每个独立变量对OST-HMDs上中文字符阅读性能的影响。所有因变量的MANOVA详细结果见表A。表4(a)～(c)展示了每个因素水平的平均值以及Tukey’s HSD测试结果。

讨论

本研究使用C-READ实验来考察AI、CB和PO如何共同影响OST-HMDs上呈现的中文字符的阅读性能。

在实验中，因变量代表了阅读能力的不同方面。具体来说，TV、RA和CPS与中文字符的识别阈值尺寸相关，表明了对中文字符可见性的感知敏感性。RT和MRS与阅读速度相关，反映了阅读的时间效率

结论

本研究评估了环境光照、字符颜色感知亮度以及姿势对OST-HMDs上显示的中文字符阅读性能的影响。研究结果表明，环境光照、字符颜色感知亮度以及姿势都在影响阅读性能方面起着重要作用。这种影响在关键阅读指标（包括总观看时间（TV）、阅读时间（RT）、阅读准确性）等方面都有量化的差异

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

这项工作部分得到了台湾国家科学技术委员会（NSTC 112-2221-E-007-068-MY3）的资助。

AI在写作过程中的应用

在准备这份手稿的过程中，作者使用了ChatGPT来协助语言润色，并帮助生成图1中的AR眼镜示意图。作者对本文的内容和意图含义负责。