日本东京女子基督教大学，日本理想实验室股份有限公司，日本共同社印刷株式会社，台湾成功大学的研究团队发表在视觉研究期刊的一份文献
摘要
亮度对比度和字符大小都是影响阅读性能的关键因素。先前的研究报道了亮度对比度对阅读速度函数的影响，即阅读速度与字符大小之间的关系。特别是，当对比度降低时，即使最大读取速度和功能形状没有改变，发现临界打印尺寸（CPS）会转移到更大的字符尺寸。在本研究中，定量研究了亮度对比对阅读功能的影响。准备亮度对比度为0.03-0.99的日语短语作为刺激。视力正常的观察者被要求大声朗读几个字符大小的短语。然后，获得每个亮度对比度的读取函数。发现CPS随着亮度对比度的降低而增加。在log-log坐标系中，对比度和CPS之间的关系是线性的，即log-CPS随着字符对数对比度的降低而增加。研究发现，刺激的对比度会系统地影响阅读功能的位置。
关键词：亮度对比度；读取速度；字符尺寸；临界打印尺寸；读取功能
1.介绍
字符大小是影响阅读的关键因素之一。读取函数的形状（读取速度与字符大小）通常符合双边曲线（Mansfield等人，1996，Oda等人，1998）。最大读取速度（MRS）指定了曲线的平台部分，当字符尺寸足够大时，读取速度保持恒定在最大速率。当字符尺寸小于临界打印尺寸（CPS）时，读取速率突然降低，定义了两个分支的交点。
字符的亮度对比是另一个基本因素。Legge、Rubin和Luebker（1987）报告称，在0.1以上的宽对比度范围内，阅读速度亮度仅显示出很小的变化，在0.1以下则迅速下降，他们认为这些方面可能反映了非线性阈值上对比度编码功能。然而，他们还表示，在大约0.2°到2°的一个对数单位范围内，字符大小对读取率的影响很小，而在大约1.0到0.10的一个原木单位范围内则相反。这表明，在一个对数单位的刺激范围内，大小和对比度维度都存在一个平台，如果字符在平台范围之外的任一维度上低于这些临界值，读取速度会迅速下降。亮度对比度和字符大小都可能以非常相似的方式影响读取速度函数。
Fujita、Oda、Watanabe和Yuzawa（2008）观察到，在0.1到1.0的四个不同亮度对比度下，整个阅读速度函数的位置会发生系统性的偏移。换句话说，当刺激对比度降低时，CPS增加，但MRS不受影响。这是因为阅读功能的双臂形状没有改变，但功能的水平位置向更大的字符大小移动。他们讨论了在低视力阅读中，通过增加字符大小来补偿对比度降低的可能性，但只能以定性的方式。
Legge等人（1987）也展示了字符大小、亮度对比度和阅读速度之间的关系。通过将读取阈值设置为35字/分钟，他们测量了读取的对比灵敏度函数，发现该函数与光栅检测相似。35字/分钟的阅读阈值接近阅读敏锐度下的阅读速度（Xiong，Calabrese，Cheong，&Legge，2018）。由于读取阈值接近字母识别阈值，因此可能会出现用于读取的对比度灵敏度函数与用于光栅检测的对比度敏感性函数的相似性。光栅检测的对比度阈值与字母识别阈值非常吻合（Majaj、Pelli、Kurshan和Palomares，2002）。对比灵敏度函数在较高空间频率侧表现出空间频率和亮度对比度之间的倒数关系。似乎很自然地推测这种相互关系，以及通过扩大字符大小来补偿低对比度文本的潜在可能性。
我们研究的目的是定量了解尺寸和对比度之间的相互关系，特别是在CPS尺寸下。临界打印尺寸在低视力服务中具有临床重要性，因为它允许患者以最大速度阅读。如果我们能够确定CPS上大小和对比度之间的系统和定量权衡效应，我们将能够根据高对比度文本的阅读测量来预测对任何低对比度文本放大系数的必要调整。
有许多不同的方法来估计CPS（Mansfield等人，1996，Massof，2003，Nygaard，2008，Yu等人，2010）。在这项研究中，CPS被定义为作为威布尔函数参数估计的函数的位置（读取速度为最大值的64%时的字符大小）。
2.方法
2.1. 刺激
一万三千一百零四个易于阅读的四个字符长的日语短语都是精心准备的。所有短语都由两个汉字组成，后面跟着两个平假名；这是日语中一种非常常见的组合形式（图1）。首先，从一个完善的数据库（Amano&Kondo，1999）中选择了504个两字符长的汉字单词，考虑了两个标准：非常高的熟悉度（七分制为6.24±0.13）和相对较低的结构复杂性（同一分制为3.58±0.38）。其次，三名日本研究生独立选择了两个字符长的平假名后置词，这些后置词非常适合任何汉字。我们选择了三名学生为刺激短语选择的26个常见后置词。在一次实验中，实验程序通过组合504个汉字和26个平假名后置词，准备了一组不同的短语。然后，顺序是随机的，同一短语在一次实验中只出现一次。
图1：以不同对比度呈现的刺激样本。这个四个字符的短语意思是“在学校”。Hiragino Kaku Gothic W3被用作刺激的字体。
刺激短语以Hiragino Kaku Gothic W3字体呈现。表示字符高度的字符大小范围为3.09至61.93弧分，对应于-0.57至0.73 logMAR，步长为0.1 log单位。字符以识别阈值大小在显示器上以大约20个像素呈现。在78.14cd/m2的背景亮度下，迈克尔逊对比度范围为0.03至0.99，分为11个0.15对数单位的台阶。使用显示器的γ值计算每种对比度条件下的灰度值。
2.2. 仪器
刺激物显示在由运行Ubuntu 14.04LTS的苹果Mac迷你计算机控制的EIZO CX241-CN显示器上。显示器的尺寸为27英寸，分辨率为94 ppi。显示器的γ值为2.17。实验会话由一个用GNU Octave语言编写的程序控制，该程序带有心理物理学工具箱扩展（Brainard，1997，Kleiner等人，2007，Pelli，1997）。
2.3. 观察员
六名年龄在21至26岁之间的观察者参加了这项研究。所有人视力正常或矫正至正常，母语为日语。该实验是按照世界医学协会道德规范（赫尔辛基宣言）进行的。所有观察者都了解了实验情况，并提供了书面同意书。
2.4. 程序
实验前使用Landolt C环测量视力。观察者在黑暗的房间里用腮托在300厘米的距离观察刺激。实验会话的流程从最大的字符大小开始，并按如下方式进行。在一项试验中，注视引导被呈现在监视器屏幕的中心，背景被照亮。当实验者按下一个键时，实验程序会呈现刺激短语，并要求观察者尽可能正确、快速地大声朗读。当观察者完成阅读后，实验者再次按下按键测量阅读时间，并将屏幕切换到注视引导。然后，实验继续进行下一次试验，将字符大小缩小一步，并重复该过程。试验一直持续到观察者无法正确阅读刺激短语中的任何一个字符。
这个实验是另一个实验的一部分。为了完成所有实验，观察者需要阅读大约10000个短语。在这项研究中，我们关注的是阅读函数的位置参数。之前的一项研究报告称，计算CPS时不需要计算响应错误（Oda&Nishimura，2002），因此没有记录错误计数。因此，在本研究中，我们仅使用阅读时间来估计阅读功能。
当存在不可读字符时，观察者会跳过它们，因此，即使字符实际上无法阅读，当时的阅读速度也会提高。为了避免这种情况，观察者被指示即使无法阅读，也要大声说出所有四个字符。例如，在四个字符不可读的情况下，“某物，某物，某物”。换句话说，观察者被迫避免跳过不可读的字符，这提高了阅读速度测量的准确性和效率。通过这种方式，我们对阅读时间的衡量考虑了分析困难或不可读字符所花费的时间。并且从未记录到0的读取速度。
通过这种方法获得的阅读函数的下降段可能比考虑错误数量的方法浅。这是因为没有测量读取速度变为零的点。
在一个实验环节中，刺激对比度是固定的，在另一个环节中测试了不同的对比度条件。每个观察者的对比条件顺序是随机的，在一个区块中共有11个疗程。所有观察者重复该程序15次，即他们进行了15个实验块。
2.5. 分析
每次试验的每分钟字符读取速度（cpm）是通过将四个字符除以读取时间（s）并将该值乘以60秒来计算的。通过平均15个块的测量值，为每个观察者的每个字符大小和每个对比度条件确定数据点。该计算提供了读取速度函数，即读取速度与字符大小的函数关系。由于最大字符大小为0.73 logMAR，阅读功能的形状是两足的。
观察者有时不遵守指示，也不把不可读的字符说成“某物”。在这种情况下，记录的阅读时间非常短。对于所有参与者，在本研究的所有条件下，最大阅读速度均不超过300cpm。因此，当字符大小小于0.025logMAR时获得的读取速度为300cpm或更高时，这些数据被排除在测量误差之外。排除的数据数量取决于参与者，但最多约为1%。
使用NLME对阅读功能进行了估计（Pinheiro和Bates，2000，Pinheiro等人，2018）。我们在试验层面分析了数据，以便能够从更多的数据点估计参数。此外，假设个体差异很小的参数被定义为固定效应，随机效应被设置为每个个体都不同的参数。
以下公式用于估算：
阅读速度=m4 +(m3-m4)x(1-exp(-(10x/m1)m2)) 公式1
其中x是以logMAR为单位的字符大小，m1指定读取速度函数在字符大小轴上的位置，m2定义曲线的斜率，m3表示MRS。m1是读取速度为m3的65%时的字符大小。在本研究中，m1被定义为临界打印尺寸（CPS）并进行了分析。
CPS是阅读速度函数的关键参数，在临床环境中具有重要意义。然而，使用CPS存在几个技术困难；基本方法（Mansfield等人，1996）以0.1对数单位提供离散估计，对单个数据点的偏差相当敏感。为了克服这些问题，已经提出了一些方法，所有这些方法都使用理想函数的拟合（Latham&Whitaker，1996；Massof，2003，Nygaard，2008，Yu等人，2010）。这些方法中的大多数都对读取速度设置了任意阈值，例如MRS的80%，以指定CPS。更精细的估计使用固定的时间阈值来定义CPS（Nygaard，2008）。在这项研究中，作为参数m1估计的CPS是字符大小，其读取速度约为MRS的64%，与通过其他方法获得的CPS在性质上没有区别。
如前所述，本研究中的阅读速度并没有变为零。因此，为了拟合读取速度的下限值，我们估计m4为下限值，它更接近所有观察者中的最低读取速度。
使用NLME估计实验中获得的读取函数的参数（图2）。根据Fujita等人（2008）的结果，假设方程1的m2（斜率）和m3（MRS）不随对比度而变化。因此，我们决定将这些参数估计为固定效应。m4（阅读功能地板）也被设置为固定效果。m1值（CPS）被估计为随机效应。
图2：五个观察者的阅读功能。该图被布置为使得对比度从左上面板到右下面板逐渐变高。
平均函数绘制为直线。使用最终模型绘制线条，同时将CPS和对比度之间的关系视为协变量。
对于六名观察员中的一名，无法估计发言权，NLME计算也没有收敛。因此，结果和讨论是根据其余五名观察员的数据进行的。
3.结果
虽然读取功能的形状没有改变，但随着亮度对比度的降低，功能的位置向较大的字符大小移动。与之前的研究相比，由此产生的阅读功能的下降肢体较浅（例如，Fujita等人，2008）。这可能是因为错误率没有用于计算读取速度，如该方法所述。
我们假设参数CPS取决于对比度。图3显示了每种对比度条件下的估计CPS。在log-log量表中，估计的CPS与刺激对比度之间呈线性关系。
CPS=α + βlog(对比度) 公式2
图3：五个观察者的亮度对比度（转换为对数值）和CPS之间的关系。
CPS的单位是logMAR，对比度的单位是百分比。估计的α和β值如表1所示。每个受试者的β值与0有显著差异（subA:t（1722）=-6.96，p<.001，subG:t（2124）=-5.84，p<.01，subJ:t（2023）=-9.07，p<0.001，subM:t（1659）=-7.14，p<.2001，subP:t（1815）=-7.85，p<-001）。
表1：观察者的视力和公式2的估计参数。
作为示例，图4显示了在给定subA对比度值的情况下，读取速度和字符大小之间的平均预测关系。引入方程2作为协变量，以估计对比度下降时CPS系统增加的关系。
图4：给定观察者A的对比度，阅读速度和字符大小之间的平均预测关系。
4.讨论
对于0.99到0.03的对比度，变化的刺激对比度将读取速度函数的位置移向了更大的字符大小。这与之前的一项研究结果一致（Fujita等人，2008）。虽然没有明确说明，但Legge等人（1987）也显示了类似的趋势，他们使用对比度编码模型估计了对比度性能不同的文本阅读速度（Legge&Foley，1980）。从0.25°到6°的字符大小被证明对应于一个单一的非线性模型。
尽管需要进一步考虑才能得出关于它是否对低视力人群具有再现性的任何发现，但阅读功能的形状和最大阅读速度不会随着对比度的降低而改变这一事实在低视力人群的实际解决方案中可能很重要。当阅读材料的对比度降低，或者阅读器的对比度灵敏度恶化时，可以通过放大字符来补偿它来实现最大的阅读速度。
本研究观察了对比度和字符大小的定量相互作用。结果表明，对比度的对数和CPS的对数呈线性关系。并非所有观察者的斜率（β）都为零。这可能表明需要在多大程度上增加字符大小以降低对比度。每个观察者的系数β不同。这些个体差异的原因将在未来详细研究。
这项研究的结果遵循了Ricco Piper关于光阈值的定律，而不是Legge和Foley（1980）的模型，该模型解释了超阈值数据。Ricco Piper定律描述了目标区域（a）和对比度（C）之间的关系，其中检测光的对比度阈值取决于刺激的区域。该规则的对数转换表示为log（A）=k−log（C）。
对比度和字符大小之间的关系是log（S）=k−m×log（C），我们将其作为协变量引入模型。当字符大小S定义为字符的高度，字符区域A定义为S的平方时，log（A）=2k−2m×log（C）。如果我们测量的对比度和字符大小之间的关系适用于Ricco定律，m应该大约为1。然而，m因观察者而异；对于一些人来说，这些值接近1，但其他人的斜率很小。
Strasburger等人（2011）试图将Ricco定律扩展到字符的对比度判别阈值，但他们报告说斜率为3，这与原始Ricco定律不同。使用尺寸（S）公式转换他们的结果，我们得到m=1/3，这比Ricco-Piper定律和我们的结果浅得多。需要进一步讨论以确定斜率的个体差异。
日常生活中的阅读并不局限于对比度高的句子。网站等数字内容有各种设计表达。还有用低对比度文字写的广告和产品包装。为了阅读这些材料，低视力的人很难用高对比度句子测量的CPS来快速阅读。我们的研究和Fujita等人（2008）的共同观点是，当刺激对比度较低时，文本需要更大的字符大小放大。即使文本对比度低，MRS也不会改变。因此，当文本被放大时，读者将能够以高对比度快速阅读。因此，粗略地说，当呈现对比度较低的句子时，需要用较大的字符显示它们。
当刺激对比度降低时，决定需要多大的放大倍数是一个重要的问题。在这项研究中，对比度对CPS（方程式2的系数）的影响因人而异。如果可以预先获得具有不同对比度的多个读取函数，则可以预测对比度对个体的影响程度。或者，如果在未来的研究中确定了影响系数的因素，那么在高对比度句子上测量的MNREAD结果将预测人们阅读低对比度句子需要多大的放大倍数。
视力低的人通常对比敏感度较低。即使使用对比度相对较高的阅读材料，阅读效率也可能会下降。对比度对CPS的影响可能需要考虑个人的对比敏感度来预测。
一些研究表明，特定的空间频率带与字符识别有关（Braje等人，1995，Chung等人，2002，Kwon和Legge，2011，Kwon and Legge，2012，Parish and Sperling，1991，Solomon and Pelli，1994）。因此，这种特定频带（临界频带）的对比灵敏度可能会影响表示尺寸和对比度之间关系的方程的斜率。正如Legge、Pelli、Rubin和Schleske（1985）所提出的，阅读速度可以从对比敏感度的角度来解释。Pelli和Bex（2013）将对比敏感度描述为C×A×T=k，这意味着刺激的对比度（C）、显示区域（A）和呈现时间（T）之间存在权衡关系。此外，他们表示，只有在显示区域较小的情况下才能应用对比灵敏度。当字符大小相对较小并且读取速度逐渐减慢时，此表达式可以解释读取速度。通过将该公式应用于读取，读取速度和字符大小分别假设为1/T和A。当字符大小较大时，CB的分量在较低的视网膜空间频率信道中进行处理。在这个公式中，读取速度随着字符大小的增加而线性增加。然而，人类的阅读行为有一定的速度上限。这种关系应该会导致与之前讨论和先前研究中观察到的双腿阅读功能相同的形状。
在这项研究中，四个字符的日语短语被用作刺激。在许多其他相关研究中，如Fujita等人，2008年，Legge等人，1987年的研究，使用了更长的句子。然而，我们之前的研究报告称，字母的数量只影响MRS，而不影响阅读敏锐度或CPS（Oda等人，2016）。在这项研究中，我们专注于CPS，因此，即使对于较长的句子，结果显然也是可重复的。
我们优先考虑进行大量试验和估计CPS。因此，与传统的MNREAD方法不同，读取速度的计算中不包括读取错误的数量。有报道称，可以在不计算错误数量的情况下估算CPS（Oda&Nishimura，2002）。同时，可能很难将整个函数和一些系数（斜率和最低值）的形状与之前研究中获得的读数函数直接进行比较。此外，人们认为通过计算错误数量可以更准确地计算读取速度，特别是对于小于CPS的小字符，其中会出现许多错误。
5.结论
在这项研究中，我们考察了亮度对比度和字符大小对阅读功能的影响。研究发现，刺激的对比度会系统地影响阅读功能的位置。随着亮度对比度的降低，读取功能向更大的字符大小移动。亮度对比度与CPS在log-log坐标系中呈线性关系。
致谢
本研究由日本共同社有限公司资助。
作者非常感谢编辑Gordon Legge和审稿人对这份手稿的有益和有见地的评论。我们要感谢Editage（www.Editage.com）的英语编辑。
声明：本文并非医学诊断建议也非眼部健康信息建议
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