文字設計和視覺文化

視力表與視標(optotype)設計

雖說早在十三世紀末人們就發明了最原始的眼鏡,但在科學的視力檢測和驗光技術沒有成熟之前的很長一段時期,配一副合適的鏡片依然要靠運氣。如果你是一位十八世紀的近視眼,只能在店裡有限的鏡片選擇中不斷試戴,或者在街上找到一位在不同小鎮之間賣鏡片的商販,他只會根據你的年齡大約猜測一下近視程度,挑一副鏡片給你。

那麼,視力檢測的系統理論以及它催生的產物——視力表,是何時出現的,視力表上的視標(optotype)設計又有何講究呢?

前輩的研究與試錯

最早的標準化視力檢測進行系統論述可追溯至 1623 年——伽利略進行太空探索、人類的目光遠達宇宙的年代——一位西班牙修士達扎(Benito Daza de Valdés)撰寫了一本小冊子,名為《不同水平視力的眼鏡使用指南》(Uso de los antojos para todo genero de vistas)。這本短小精悍的作品從不同類型近視患者和專家之間的對話中揭示出不同鏡片和眼鏡的使用原理、應用對象,以及正確使用方法。他提出了測量視力的方式,包括放置正常大小的物體放在哪個距離就看不見,或者是一排芥末籽放在多遠就無法數清楚。儘管被後人譽為「眼科的聖杯」,人們對達扎的了解卻不多,只知道他是西班牙宗教法庭的小職員,這本小冊子僅出版了一次,也沒有產生廣泛的影響和實際應用。

Uso 手冊的標題頁和內頁插圖。

德國眼科醫生海因里希·庫西勒(Heinrich Küchler)則是最早將視力表用於臨床檢測的人之一,他從十九世紀三十年代起就嘗試製作了不同形式的測試表,一開始他從日曆、報紙、書本里剪出圖像,例如槍炮、鳥類、農業用具、駱駝等,按照大小排序拼貼成一張圖表。即便如此,同一行的圖像仍難免大小各異,易讀性不一致,而且讓患者描述也很困難。1843 年,經過持續改進,他使用了 12 行從大到小的哥特字體(blackletter),但是這張視力表沒有流行起來。考慮到哥特字體的辨識度,這也並不令人驚訝。

庫西勒的哥特字體視力表(Heinrich Küchler, Schriftnummerprobe für Gesichtsleidende, Darmstadt, 1843)

奧地利眼科醫生愛德華·耶格爾(Eduard Jäger von Jaxtthal)在 1854 年提出了一種在近距離檢測視力的方式。他製作了一張卡片,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 之間。被測者要舉着卡片固定在一個最舒適可以閱讀的位置,然後讀出可辨認的文字段落。這種測試方式雖然至今仍然存在,但是卻一直沒有實現標準化,字體大小以及變化級數都沒有進行更嚴格的規範。況且,不識字的人面對這種視力表只能一籌莫展,文化水平高的人即使看不清也可根據上下文和字母形狀猜出文字,達不到科學測試的效果。

耶格爾的視力檢測文字樣張(Eduard Jäger von Jaxtthal, Über Staar und Staaroperationen nebst anderen Beobachtungen und Erfahrungen, Seidel, 1854)

而如今最為流行的幾種視力表——中國常見的 E 字視力表、美國常見的多字母視力表、以及二十世紀發展起來的 ETDRS 視力表——從源頭上都可以追溯到 1862 年荷蘭眼科醫生赫爾曼·斯內倫(Herman Snellen)的設計。

Snellen 視力表

赫爾曼·斯內倫和一張典型的 Snellen 視力表。(圖:Wikimedia Commons & precision-vision.com

斯內倫出生於 1834 年,父親也是一位有名望的醫生。他讀完博士學位後,在眼科診所就職,在十年的從醫生涯中治療了上萬名病人。他是荷蘭首位專註研究眼科的副教授,1877 年升任為烏德勒支大學的教授。他在眼科史中的重要地位主要來自於他對視力精度測試的研究,以及全球通用的 Snellen 視力表。它規範了視力檢測的標準,包括被測者和視力表的距離,視力表上字體的大小等,從而為軍隊、醫院提供了統一的量化標準。而這些量化標準的設定,則與檢測原理有關。

人眼成像的原理,是外界兩點發出的光線,通過晶狀體等折射,成像於視網膜上,光線入射形成了一定角度,所以測試視力的精度實際就是被測者能夠看清楚的最小角度是多少。視力精度包括四個維度:感知(detection)、位移(localization)、分辨率(resolution)、字母或視標辨認(letter or optotype)。斯內倫提出的標準主要用於檢測分辨率以及對視標辨認的視力精度。

斯內倫將正常視力下可以看到的兩點間的最小距離所形成的視角定為最小可視單位,即 1 角分(1/60 度)。視覺精度越高,能夠分辨的視角越精細。在測試時,被測者站在一定距離(一般都是固定的 6 米、5 米、或 20 英尺,取決於不同國家的計算方法),根據被測者能辨認的最小字母的高度,判斷被測者的視力精度。字母大小與測試距離的比例關係可以用三角函數表示: tan α = a / d,其中 α 是視角,d 是測試距離,a 是視標高度。視角不變的情況下,字母越大,正常視力能看清字母的設計距離(設為 D)就越大。而視覺精度(設為 V)就是測試距離(d)和設計距離(D)之比,這就是斯內倫的視覺精度公式 V = d/D。根據這個公式,可以通過被測者能看清的最小字母高度,倒推出被測者的視力精度。

例如 Snellen 表讀數「20/20」的意思,就是在 20 英尺的測試距離下,能看清設計距離同為 20 英尺的字母(第 8 行),也是斯內倫設定的正常視力精度標準線。而「20/200」的意思就是只能看清設計距離為 200 英尺的字母(第 1 行最大的字母)。這兩者也就是我們國內所說的 1.0、0.1 視力。

在此基礎上,斯內倫在設計視力表時提出了視標(optotype)的概念,它是將每個字母結構都經過標準化的一套字體。Optotype 不是一套完整的字母表,它只包含專門用於檢測視力的特定字母組合。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。這些字母的設計遵循一定的規則:

  • 所有字母大小對應 5 角分,基於一個 5×5 的網格
  • 字母的筆畫寬度對應 1 角分
  • 字母的筆畫寬度等於空白區域的寬度

由於正負空間都以 1 角分對應寬度來衡量,且寬度相等,若要分辨出一個對應 5 角分高的視標字母,意味着能夠在設計距離下分辨出 1 角分對應的筆畫或空隙寬度,即斯內倫定義的正常視覺精度

斯內倫的早期 Optotype 字母繪製標準示意(Herman Snellen, Probebuchstaben zur Bestimmung der Sehschärfe, Utrecht, 1862)

這些字母和平時用於閱讀的字母相比,比例會很奇怪。常見的 C 和 D 都會比 Z 要寬,但因為以上標準的限制,在 optotype 里的寬窄關係卻反過來了。目前的 Snellen 表主要包括九個字母,C、D、E、F、L、O、P、T、Z。這些字母基本涵蓋了垂直、水平以及對角的不同形式,既能測試視力距離,也能測出散光。

Sloan 字母

早期的 Snellen 視力表雖然確定了測試距離和視標規範,但是字母的大小、字母之間的距離以及行距並沒有標準化。直到 1868 年,聖路易斯醫科學院(St. Louis College of Physicians and Surgeons)的約翰·格林(John Green)設計了一個更結構化的網格,提出按照 25% 的比例縮放字母大小,加上成比例的間距以及行距。當時他還提出,用非襯線字體取代 Snellen 的襯線字體,但也許是超前於時代,他的提議並沒有得到認可。

直到一個世紀之後,1959 年,約翰·霍普金斯大學的路易斯·斯隆(Louise Sloan)博士,用無襯線字母創造了十個新的 optotype,包括 C、D、H、K、N、O、R、S、V 以及 Z。和 Snellen 一樣,Sloan 的字母也是在正方形網格中構建,字母筆畫寬度等於字母高度的五分之一。

Snellen 和 Sloan 的視標字母比較

斯隆也規定,字母之間的間距、行距和字母大小成比例,字母之間的間距等同於字母的高度,行距等同於下一行字母的高度,每行之間按照 25% 縮放。可以留意到,和 Snellen 表一樣,Sloan 表所有字母也都是輔音,除了字母 O。這也使得 Sloan 表的無襯線字母更優於 Snellen 表的粗襯線字母,因為不同字母辨識度的差距縮小了。

使用 Sloan 字母的視力表。(圖:precision-vision.com

多文字、多形式的 optotype

在歐洲,為了推廣到使用不同語言文字的國家,Snellen 視力表還衍生出了不同文字版本的 optotype,比如希臘字母和西里爾字母。但為了能夠在多語言、或者受教育程度不均等的地區也推廣視力表,斯內倫博士提出了 E 字視力表的方案,在英文里稱為「滾動 E 字視力表」(Tumbling E Eye Chart),生動地描述了這個視力表的特點,就是 E 朝不同方向翻轉後的樣式。類似地,瑞士眼科專家埃德蒙·蘭多爾特(Edmund Landolt)提出的 Landolt C 字表,常見於日本、歐洲等國的視力檢測。其中 C 字的設計和 Snellen 表類似,C 字的筆畫寬度和開口的寬度都是直徑的五分之一。

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希臘和西里爾字母的 Snellen 視力表。(圖:Cascadilla Press

E 字表和 C 字表(圖:precision-vision.com

1907 年,一位舊金山醫生喬治·邁耶爾(George Mayerle)製作了一張萬用視力表,這個視力表不僅包括 Snellen 風格以及哥特風格的拉丁字母、日文、中文、西里爾文和希伯來文的視標測試,還有給兒童和教育程度低的人專用的圖像視標。表格正中間的圓形用於測試散光,兩邊的四個圓用於測試眼部肌肉,最下方的一排色塊用於測試對顏色的感知(尤其是鐵路和蒸汽船工作者)。

邁耶爾的萬用視力表。(圖:U.S. National Library of Medicine

ETDRS 表

有了視標字母、字母之間的間距、行距的標準,一切都有了規範,世界各地又能夠根據自己的語言進行定製,似乎已經沒有了設計改進的空間。但是到了二十世紀,還出現了一種新的視力表樣式。

1976 年,澳洲國立視力中心(National Vision Institute of Australia)的伊恩·貝利(Ian Bailey)和詹·E·洛維–基欽(Jan E Lovie-Kitchin)提出了一種新方案:視力表裡的字母按照倒三角形排列,每行都有五個字母,使用 Sloan 無襯線字母。這個方案後來被國際眼科協會(International Council of Ophthalmology)用作視覺準確性測量的標準。隨後,美國瑞克·菲利斯(Rick Ferris)博士在貝利和和洛維–基欽的基礎上,製作出了 ETDRS 表格,即 Early Treatment Diabetic Retinopathy Study,是用於糖尿病患者視網膜病變篩查的主要圖表。

ETDRS 視力表(圖:precision-vision.com

研究表明,ETDRS 比 Snellen 和 Sloan 的版本都更加準確:它每行包含同樣數目的字母,行和字母都按照對數級進行間隔,同時還有三個版本流通,防止記憶作弊。ETDRS 唯一的限制是使用拉丁字母,無法在歐洲通用。為了解決這個問題,ETDRS 視力表也有全部使用 E、C 字母排列的版本,也有拉丁、希臘、西里爾字母的版本。

Optotype 對字體設計的啟發

視標字母的設計,實際是從最基本的人眼成像標準和視力精度檢測原理出發,設定字體形態的規範。由於各字母本身的結構差異造成了它們的易認程度各不相同,因此 optotype 通過 5×5 網格和筆畫寬度比例設置,使各字母達到儘可能均等的辨識度,並且在不同視力精度的情況下,辨識難度也相應增減。這與平時我們在生活中見到的書籍字體或公共空間導視字體,目的並不相同,但其原理仍能為字體設計帶來啟發。

近年來,隨着字體設計技術和工具的進步,參數化設計的概念愈加受到重視,除了效率上的考量,從設計的角度來說,也有不少設計師在探討如何用更加規範、可量化的方式來表達字體結構比例、筆畫關係、正負空間分布,理解影響字母易認性的深層因素,而不是純憑感覺或是依賴新的製圖技術。而對於視力精度的研究,也許能為設計師提供一個更為科學的檢視角度。

參考閱讀

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