文字设计和视觉文化

视力表与视标(optotype)设计

虽说早在十三世纪末人们就发明了最原始的眼镜,但在科学的视力检测和验光技术没有成熟之前的很长一段时期,配一副合适的镜片依然要靠运气。如果你是一位十八世纪的近视眼,只能在店里有限的镜片选择中不断试戴,或者在街上找到一位在不同小镇之间卖镜片的商贩,他只会根据你的年龄大约猜测一下近视程度,挑一副镜片给你。

那么,视力检测的系统理论以及它催生的产物——视力表,是何时出现的,视力表上的视标(optotype)设计又有何讲究呢?

前辈的研究与试错

最早的标准化视力检测进行系统论述可追溯至 1623 年——伽利略进行太空探索、人类的目光远达宇宙的年代——一位西班牙修士达扎(Benito Daza de Valdés)撰写了一本小册子,名为《不同水平视力的眼镜使用指南》(Uso de los antojos para todo genero de vistas)。这本短小精悍的作品从不同类型近视患者和专家之间的对话中揭示出不同镜片和眼镜的使用原理、应用对象,以及正确使用方法。他提出了测量视力的方式,包括放置正常大小的物体放在哪个距离就看不见,或者是一排芥末籽放在多远就无法数清楚。尽管被后人誉为「眼科的圣杯」,人们对达扎的了解却不多,只知道他是西班牙宗教法庭的小职员,这本小册子仅出版了一次,也没有产生广泛的影响和实际应用。

Uso 手册的标题页和内页插图。

德国眼科医生海因里希·库西勒(Heinrich Küchler)则是最早将视力表用于临床检测的人之一,他从十九世纪三十年代起就尝试制作了不同形式的测试表,一开始他从日历、报纸、书本里剪出图像,例如枪炮、鸟类、农业用具、骆驼等,按照大小排序拼贴成一张图表。即便如此,同一行的图像仍难免大小各异,易读性不一致,而且让患者描述也很困难。1843 年,经过持续改进,他使用了 12 行从大到小的哥特字体(blackletter),但是这张视力表没有流行起来。考虑到哥特字体的辨识度,这也并不令人惊讶。

库西勒的哥特字体视力表(Heinrich Küchler, Schriftnummerprobe für Gesichtsleidende, Darmstadt, 1843)

奥地利眼科医生爱德华·耶格尔(Eduard Jäger von Jaxtthal)在 1854 年提出了一种在近距离检测视力的方式。他制作了一张卡片,上面排布了不同大小的文字段落,字身高度在 0.37 mm 和 2.5 mm 之间。被测者要举着卡片固定在一个最舒适可以阅读的位置,然后读出可辨认的文字段落。这种测试方式虽然至今仍然存在,但是却一直没有实现标准化,字体大小以及变化级数都没有进行更严格的规范。况且,不识字的人面对这种视力表只能一筹莫展,文化水平高的人即使看不清也可根据上下文和字母形状猜出文字,达不到科学测试的效果。

耶格尔的视力检测文字样张(Eduard Jäger von Jaxtthal, Über Staar und Staaroperationen nebst anderen Beobachtungen und Erfahrungen, Seidel, 1854)

而如今最为流行的几种视力表——中国常见的 E 字视力表、美国常见的多字母视力表、以及二十世纪发展起来的 ETDRS 视力表——从源头上都可以追溯到 1862 年荷兰眼科医生赫尔曼·斯内伦(Herman Snellen)的设计。

Snellen 视力表

赫尔曼·斯内伦和一张典型的 Snellen 视力表。(图:Wikimedia Commons & precision-vision.com

斯内伦出生于 1834 年,父亲也是一位有名望的医生。他读完博士学位后,在眼科诊所就职,在十年的从医生涯中治疗了上万名病人。他是荷兰首位专注研究眼科的副教授,1877 年升任为乌德勒支大学的教授。他在眼科史中的重要地位主要来自于他对视力精度测试的研究,以及全球通用的 Snellen 视力表。它规范了视力检测的标准,包括被测者和视力表的距离,视力表上字体的大小等,从而为军队、医院提供了统一的量化标准。而这些量化标准的设定,则与检测原理有关。

人眼成像的原理,是外界两点发出的光线,通过晶状体等折射,成像于视网膜上,光线入射形成了一定角度,所以测试视力的精度实际就是被测者能够看清楚的最小角度是多少。视力精度包括四个维度:感知(detection)、位移(localization)、分辨率(resolution)、字母或视标辨认(letter or optotype)。斯内伦提出的标准主要用于检测分辨率以及对视标辨认的视力精度。

斯内伦将正常视力下可以看到的两点间的最小距离所形成的视角定为最小可视单位,即 1 角分(1/60 度)。视觉精度越高,能够分辨的视角越精细。在测试时,被测者站在一定距离(一般都是固定的 6 米、5 米、或 20 英尺,取决于不同国家的计算方法),根据被测者能辨认的最小字母的高度,判断被测者的视力精度。字母大小与测试距离的比例关系可以用三角函数表示: tan α = a / d,其中 α 是视角,d 是测试距离,a 是视标高度。视角不变的情况下,字母越大,正常视力能看清字母的设计距离(设为 D)就越大。而视觉精度(设为 V)就是测试距离(d)和设计距离(D)之比,这就是斯内伦的视觉精度公式 V = d/D。根据这个公式,可以通过被测者能看清的最小字母高度,倒推出被测者的视力精度。

例如 Snellen 表读数「20/20」的意思,就是在 20 英尺的测试距离下,能看清设计距离同为 20 英尺的字母(第 8 行),也是斯内伦设定的正常视力精度标准线。而「20/200」的意思就是只能看清设计距离为 200 英尺的字母(第 1 行最大的字母)。这两者也就是我们国内所说的 1.0、0.1 视力。

在此基础上,斯内伦在设计视力表时提出了视标(optotype)的概念,它是将每个字母结构都经过标准化的一套字体。Optotype 不是一套完整的字母表,它只包含专门用于检测视力的特定字母组合。第一版用的字母包括 A、C、E、G、L、N、P、R、T、5、V、Z、B、D、4、F、H、K、O、S、3、U、Y 以及 L。这些字母的设计遵循一定的规则:

  • 所有字母大小对应 5 角分,基于一个 5×5 的网格
  • 字母的笔画宽度对应 1 角分
  • 字母的笔画宽度等于空白区域的宽度

由于正负空间都以 1 角分对应宽度来衡量,且宽度相等,若要分辨出一个对应 5 角分高的视标字母,意味着能够在设计距离下分辨出 1 角分对应的笔画或空隙宽度,即斯内伦定义的正常视觉精度

斯内伦的早期 Optotype 字母绘制标准示意(Herman Snellen, Probebuchstaben zur Bestimmung der Sehschärfe, Utrecht, 1862)

这些字母和平时用于阅读的字母相比,比例会很奇怪。常见的 C 和 D 都会比 Z 要宽,但因为以上标准的限制,在 optotype 里的宽窄关系却反过来了。目前的 Snellen 表主要包括九个字母,C、D、E、F、L、O、P、T、Z。这些字母基本涵盖了垂直、水平以及对角的不同形式,既能测试视力距离,也能测出散光。

Sloan 字母

早期的 Snellen 视力表虽然确定了测试距离和视标规范,但是字母的大小、字母之间的距离以及行距并没有标准化。直到 1868 年,圣路易斯医科学院(St. Louis College of Physicians and Surgeons)的约翰·格林(John Green)设计了一个更结构化的网格,提出按照 25% 的比例缩放字母大小,加上成比例的间距以及行距。当时他还提出,用非衬线字体取代 Snellen 的衬线字体,但也许是超前于时代,他的提议并没有得到认可。

直到一个世纪之后,1959 年,约翰·霍普金斯大学的路易斯·斯隆(Louise Sloan)博士,用无衬线字母创造了十个新的 optotype,包括 C、D、H、K、N、O、R、S、V 以及 Z。和 Snellen 一样,Sloan 的字母也是在正方形网格中构建,字母笔画宽度等于字母高度的五分之一。

Snellen 和 Sloan 的视标字母比较

斯隆也规定,字母之间的间距、行距和字母大小成比例,字母之间的间距等同于字母的高度,行距等同于下一行字母的高度,每行之间按照 25% 缩放。可以留意到,和 Snellen 表一样,Sloan 表所有字母也都是辅音,除了字母 O。这也使得 Sloan 表的无衬线字母更优于 Snellen 表的粗衬线字母,因为不同字母辨识度的差距缩小了。

使用 Sloan 字母的视力表。(图:precision-vision.com

多文字、多形式的 optotype

在欧洲,为了推广到使用不同语言文字的国家,Snellen 视力表还衍生出了不同文字版本的 optotype,比如希腊字母和西里尔字母。但为了能够在多语言、或者受教育程度不均等的地区也推广视力表,斯内伦博士提出了 E 字视力表的方案,在英文里称为「滚动 E 字视力表」(Tumbling E Eye Chart),生动地描述了这个视力表的特点,就是 E 朝不同方向翻转后的样式。类似地,瑞士眼科专家埃德蒙·兰多尔特(Edmund Landolt)提出的 Landolt C 字表,常见于日本、欧洲等国的视力检测。其中 C 字的设计和 Snellen 表类似,C 字的笔画宽度和开口的宽度都是直径的五分之一。

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希腊和西里尔字母的 Snellen 视力表。(图:Cascadilla Press

E 字表和 C 字表(图:precision-vision.com

1907 年,一位旧金山医生乔治·迈耶尔(George Mayerle)制作了一张万用视力表,这个视力表不仅包括 Snellen 风格以及哥特风格的拉丁字母、日文、中文、西里尔文和希伯来文的视标测试,还有给儿童和教育程度低的人专用的图像视标。表格正中间的圆形用于测试散光,两边的四个圆用于测试眼部肌肉,最下方的一排色块用于测试对颜色的感知(尤其是铁路和蒸汽船工作者)。

迈耶尔的万用视力表。(图:U.S. National Library of Medicine

ETDRS 表

有了视标字母、字母之间的间距、行距的标准,一切都有了规范,世界各地又能够根据自己的语言进行定制,似乎已经没有了设计改进的空间。但是到了二十世纪,还出现了一种新的视力表样式。

1976 年,澳洲国立视力中心(National Vision Institute of Australia)的伊恩·贝利(Ian Bailey)和詹·E·洛维–基钦(Jan E Lovie-Kitchin)提出了一种新方案:视力表里的字母按照倒三角形排列,每行都有五个字母,使用 Sloan 无衬线字母。这个方案后来被国际眼科协会(International Council of Ophthalmology)用作视觉准确性测量的标准。随后,美国瑞克·菲利斯(Rick Ferris)博士在贝利和和洛维–基钦的基础上,制作出了 ETDRS 表格,即 Early Treatment Diabetic Retinopathy Study,是用于糖尿病患者视网膜病变筛查的主要图表。

ETDRS 视力表(图:precision-vision.com

研究表明,ETDRS 比 Snellen 和 Sloan 的版本都更加准确:它每行包含同样数目的字母,行和字母都按照对数级进行间隔,同时还有三个版本流通,防止记忆作弊。ETDRS 唯一的限制是使用拉丁字母,无法在欧洲通用。为了解决这个问题,ETDRS 视力表也有全部使用 E、C 字母排列的版本,也有拉丁、希腊、西里尔字母的版本。

Optotype 对字体设计的启发

视标字母的设计,实际是从最基本的人眼成像标准和视力精度检测原理出发,设定字体形态的规范。由于各字母本身的结构差异造成了它们的易认程度各不相同,因此 optotype 通过 5×5 网格和笔画宽度比例设置,使各字母达到尽可能均等的辨识度,并且在不同视力精度的情况下,辨识难度也相应增减。这与平时我们在生活中见到的书籍字体或公共空间导视字体,目的并不相同,但其原理仍能为字体设计带来启发。

近年来,随着字体设计技术和工具的进步,参数化设计的概念愈加受到重视,除了效率上的考量,从设计的角度来说,也有不少设计师在探讨如何用更加规范、可量化的方式来表达字体结构比例、笔画关系、正负空间分布,理解影响字母易认性的深层因素,而不是纯凭感觉或是依赖新的制图技术。而对于视力精度的研究,也许能为设计师提供一个更为科学的检视角度。

参考阅读

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