人工照明環(huán)境下手機(jī)閱讀舒適性的主觀評價

武童瑤，王立雄，于 娟，全孝莉，毛希凱

(天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，技術(shù)進(jìn)步，手機(jī)產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，功能日益全面，手機(jī)行業(yè)整體規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)國家工業(yè)和信息化部的統(tǒng)計，截至2016年3月全國范圍內(nèi)手機(jī)用戶數(shù)已達(dá)12.9億，中國成為全世界手機(jī)用戶最多的國家。

單一的通話功能，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代人對手機(jī)使用的需求。游戲娛樂、信息查詢、閱讀學(xué)習(xí)、便捷支付等豐富的功能，使手機(jī)設(shè)備在辦公室、教室、商場、居室等各個場景中都有不可替代的作用。在大部分生活場景中，手機(jī)閱讀總時間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過紙質(zhì)材料的閱讀時間，但是現(xiàn)在并沒有針對手機(jī)閱讀的光環(huán)境設(shè)計指導(dǎo)和規(guī)范。合理的照明光環(huán)境可以提高閱讀舒適性，提高閱讀效率，保護(hù)視力。

本文以主觀評價實驗的方法，以閱讀面照度、光源色溫、閱讀背景面反射系數(shù)等參數(shù)為實驗變量，被試使用不同屏幕亮度級別的手機(jī)進(jìn)行圖文閱讀，而后對當(dāng)前工況給出1～10分的舒適性主觀評價。

1 主觀評價實驗

1.1 實驗設(shè)置

1)實驗空間搭建。天津大學(xué)歷時5年主持研發(fā)并建成了亞洲規(guī)模最大、性能最為完善的光環(huán)境模擬實驗艙(見圖1)。實驗艙占地面積為800 m2，可通過輕質(zhì)隔墻搭建實驗空間的自由圍合；可通過屋頂升降系統(tǒng)對6 m×6 m的頂板進(jìn)行3～9 m范圍的空間高度調(diào)節(jié)；頂板總共安裝256盞大功率LED燈具，每支燈具能夠無級調(diào)節(jié)色溫、光通量等指標(biāo)，可以模擬生活中大部分的人工照明光環(huán)境。該實驗中，選用4個6 m×6 m的空間，將其中一個頂板的高度設(shè)置為3.3 m，其余3個頂板高度設(shè)置為9 m。在高度為3.3 m頂板的對角線垂直投影到地面的位置上，擺放3張桌子作為閱讀面(見圖2)。閱讀面的照明參數(shù)主要由3.3 m高頂板的燈具進(jìn)行調(diào)節(jié)，其他3個9 m高頂板的燈具對閱讀面照明參數(shù)進(jìn)行微調(diào)以達(dá)到準(zhǔn)確的實驗設(shè)置數(shù)值。

圖1 大空間實驗室外觀Fig.1 Appearance of large space laboratory

圖2 主觀實驗空間Fig.2 Experimental scene space

2)工況設(shè)置。生活中不同的人工照明場景環(huán)境下，閱讀面照度和光源色溫都有較大差異。例如：辦公空間的閱讀面照度在300 lx左右，色溫以5 000～6 500 K的冷白光為主；咖啡廳等強(qiáng)調(diào)格調(diào)的餐飲店的閱讀面照度只有50～100 lx，色溫在2 700～3 300 K；部分便利店的閱讀面照度將近1 000 lx；而臥室、宿舍等居住空間熄燈后全黑環(huán)境下手機(jī)閱讀面照度為0 lx。該實驗全面模擬了生活中常見的人工照明環(huán)境，實驗設(shè)置的色溫范圍為2 700～6 500 K，閱讀面照度范圍為0～1 000 lx。根據(jù)CIE規(guī)定，照度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按0.5，1，2，3，5，10，15，20，30，50，75，100，150，200，300，500，750 lx和1 000 lx分級。在本實驗工況設(shè)置中，參考實際調(diào)研數(shù)據(jù)總結(jié)歸納，最終確定實驗照度值為：0，5，20，50，100，200，300，500，750 lx和1 000 lx。

根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計日常生活中色溫數(shù)值的分布區(qū)段，最終確定將實驗色溫值定為：2 700，3 300，4 200，5 500 K和6 500 K。經(jīng)過統(tǒng)計，生活中閱讀面背景的反射系數(shù)主要分布在0.1～0.5之間。因此實驗中，選用反射系數(shù)為0.47的白色、反射系數(shù)為0.26的灰色、反射系數(shù)為0.11的黑色桌面作為實驗閱讀背景面。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定長時間工作、停留的房間或場所，光源的顯色指數(shù)不應(yīng)小于80，實驗中控制所有環(huán)境中光源的顯色指數(shù)均為85。閱讀面照度、色溫、顯色性均采用分光照度計CL-500A在閱讀面高度平行于閱讀面測量得出。實驗過程中，控制實驗空間噪聲在20 dB以下，實驗空間平均溫度為26℃。

3)手機(jī)屏幕設(shè)置。選用三部使用狀態(tài)相同的華為榮耀6手機(jī)作為實驗閱讀設(shè)備。三部手機(jī)分別擺放在35°斜面上，斜面底端距離白、灰、黑三張桌子邊緣距離均為13 cm?？刂圃谌渴謾C(jī)屏面處測得的照度、色溫值均相同。在手機(jī)屏幕色溫調(diào)節(jié)界面，將三部手機(jī)的色溫均調(diào)為中性光。在亮度調(diào)節(jié)界面中，等距設(shè)置3檔亮度值，使用亮度計BM5在手機(jī)白屏?xí)r測得3個級別亮度值分別為60、100 cd/m2和180 cd/m2。

4)被試選擇。實驗隨機(jī)抽選了12位18～45歲之間的青年作為被試對象參與實驗，其中6名男性、6名女性。實驗前期準(zhǔn)備主要對12位被試者進(jìn)行眼部或視力疾病史調(diào)查，使被試完成心理測評并對被試的心理健康狀況進(jìn)行評價。所有被試均無眼部疾病、均未做過眼部手術(shù)。所有被試者經(jīng)過心理測試均無心理疾病，并且實驗當(dāng)天情緒穩(wěn)定。在實驗開始前給每位被試發(fā)放實驗資料，資料內(nèi)容明確介紹了課題研究背景、實驗?zāi)康暮驮u價目標(biāo)，同時工作人員通過現(xiàn)場講解的方式進(jìn)一步對課題研究背景、實驗?zāi)康暮驮u價目標(biāo)進(jìn)行口頭介紹。

5)閱讀內(nèi)容。所有被試的閱讀文件格式均為PDF文檔，閱讀內(nèi)容為內(nèi)容完全相同的圖文并茂的說明文。文檔底色為白色，字體為黑體。閱讀過程中被試可以根據(jù)各自的閱讀習(xí)慣對文檔進(jìn)行放大或縮小。

1.2 實驗內(nèi)容

1)實驗方法。被試在0 lx環(huán)境下和在9種不同照度、5種不同色溫、3種不同閱讀面反射系數(shù)排列組合形成的共136種工況下對于當(dāng)前閱讀的舒適性進(jìn)行主觀評價，主觀評價的形式為調(diào)查問卷打分法，即在每種工況下對目前閱讀舒適性進(jìn)行打0～10分范圍的打分。打分表如下：

012345678910非常不舒適不舒適輕微不舒適一般較舒適舒適非常舒適

2)實驗流程。實驗開始前，通過實驗?zāi)康奈淖中蚤喿x以及現(xiàn)場詳細(xì)講解充分告知被試實驗意圖和評價目標(biāo)。調(diào)節(jié)工況時，被試佩戴眼罩。工況調(diào)節(jié)之后，被試摘下眼罩，經(jīng)過充分的明適應(yīng)后在手機(jī)屏幕亮度1下進(jìn)行文檔閱讀并進(jìn)行第一次舒適性主觀評價，完成后在休息時間將手機(jī)亮度調(diào)節(jié)為亮度2繼續(xù)進(jìn)行下一次評價，共計6次。

被試每進(jìn)行40 min的實驗休息15 min，一天內(nèi)實驗累計時長最多120 min。

2 數(shù)據(jù)分析

1)影響因素的重要性系數(shù)。本文用XGBoost算法，對實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了重要性計算分析。XGBoost的全稱是 e Xtreme Gradient Boosting，是一種基于梯度 Boosting的集成學(xué)習(xí)算法，XGBoost算法是梯度提升機(jī)器算法(Gradient Boosting Machine)的實現(xiàn)，采用CPU多線程進(jìn)行并行計算，具有高準(zhǔn)確度和可擴(kuò)展性的特點，被廣泛用于商業(yè)銷售預(yù)測、網(wǎng)絡(luò)輿情預(yù)測、電子商務(wù)商品推薦等方面。XGBoost 與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘算法相比，具有準(zhǔn)確度高，可擴(kuò)展的優(yōu)勢。

本文將XGBoost 算法應(yīng)用到手機(jī)閱讀舒適性預(yù)測中，挖掘舒適性評價中的數(shù)據(jù)信息，建立舒適性預(yù)測模型，從而指導(dǎo)照明設(shè)計提高照明質(zhì)量。通過該主觀評價實驗共得到11 352次舒適性評價結(jié)果，通過四分位法去掉異常值，計算得出照度、色溫、手機(jī)屏幕亮度、桌面亮度、手機(jī)屏幕與桌面的亮度對比度、桌面反射系數(shù)幾個因素的重要性系數(shù)分別是0.144，0.060，0.395，0.112，0.228，0.059。由此可知：手機(jī)屏幕亮度和亮度對比度對舒適性影響較大，照度是影響閱讀舒適性的主要照明指標(biāo)。

2)不同因素對舒適性影響規(guī)律。圖3(a)(b)(c)分別表示了手機(jī)亮度為60 cd/m2時，被試以黑色、灰色、白色桌面為閱讀背景面，在不同工況下進(jìn)行手機(jī)屏幕閱讀的舒適性主觀評價結(jié)果。從圖中可得，照度從0 lx增加到20 lx的過程中，閱讀舒適性迅速提高，照度范圍在20～50 lx之間時，舒適性相對最好，當(dāng)照度繼續(xù)升高，舒適性開始不同程度地下降。在照度值在350 lx左右時，以黑色和灰色桌面為閱讀背景面的被試舒適性存在突增現(xiàn)象。色溫對于閱讀舒適性的影響較小，不同色溫的舒適性曲線基本保持一致，當(dāng)照度低于100 lx時，高色溫環(huán)境下的舒適性略高于低色溫環(huán)境，當(dāng)照度高于100 lx時，低色溫環(huán)境下舒適性略高于高色溫環(huán)境。

圖3 照度、色溫對舒適性影響圖Fig.3 Influence of illumination and color temperature

圖4是光源色溫為4 200 K中性光、手機(jī)亮度為60 cd/m2時被試以白色、灰色、黑色桌面為閱讀背景面，在不同工況下進(jìn)行手機(jī)屏幕閱讀的舒適性主觀評價結(jié)果，從中可以得出，手機(jī)亮度為60 cd/m2，照度低于200 lx時，閱讀面反射系數(shù)與舒適性成正相關(guān)；照度高于200 lx時，閱讀面反射系數(shù)與舒適性成負(fù)相關(guān)。

圖4 照度、反射系數(shù)對舒適性影響圖Fig.4 Influence of illumination and reflection coefficient

圖5(a)(b)(c)分別表示了手機(jī)亮度為100 cd/m2時，被試以黑色、灰色、白色桌面為閱讀背景面，在不同工況下進(jìn)行手機(jī)屏幕閱讀的舒適性主觀評價結(jié)果。從圖中可以得出，隨著照度的升高，舒適性評分值先增后減。閱讀面照度從0 lx變化到50 lx，舒適性迅速提高，閱讀面照度為300 lx左右時，舒適性評分最高。當(dāng)照度高于300 lx之后舒適性開始緩慢下降。照度變化過程中，照度達(dá)到300 lx左右時，低色溫環(huán)境下舒適性有較明顯的突然增高現(xiàn)象。色溫對于閱讀舒適性的影響很小，不同色溫的舒適性曲線基本保持一致，當(dāng)照度低于200 lx時，高色溫環(huán)境下的舒適性略高于低色溫環(huán)境，當(dāng)照度高于200 lx時，低色溫環(huán)境下舒適性略高于高色溫環(huán)境。

圖6是光源色溫為4 200 K中性光、手機(jī)亮度為使用頻率最高的100 cd/m2時被試以白色、灰色、黑色桌面為閱讀背景面，在不同工況下進(jìn)行手機(jī)屏幕閱讀的舒適性主觀評價結(jié)果，從圖6中可以得出，當(dāng)手機(jī)屏幕亮度為100 cd/m2時，不同閱讀背景面反射系數(shù)對舒適性影響較小，當(dāng)照度高于200 lx，以反射系數(shù)較高的白色桌面為閱讀背景面的閱讀舒適性略微低于黑色和灰色桌面為背景面的舒適性。

圖6 照度、反射系數(shù)對舒適性影響圖Fig.6 Influence of illumination and reflection coefficient

圖7(a)(b)(c)分別表示了手機(jī)亮度為180 cd/m2時，被試以黑色、灰色、白色桌面為閱讀背景面，在不同工況下進(jìn)行手機(jī)屏幕閱讀的舒適性主觀評價結(jié)果。從中可得，照度從0 lx增加到200 lx的過程中，閱讀舒適性穩(wěn)步提高，照度范圍在200～400 lx之間時，舒適性最好，當(dāng)照度繼續(xù)升高，舒適性略微下降。

圖8為光源色溫為4 200 K中性光、手機(jī)亮度為使用頻率最高的100 cd/m2時被試以白色、灰色、黑色桌面為閱讀背景面，在不同工況下進(jìn)行手機(jī)屏幕閱讀的舒適性主觀評價結(jié)果，從圖8可以得出，手機(jī)亮度為180 cd/m2時，被試以反射系數(shù)較低的黑色桌面為閱讀背景面進(jìn)行閱讀的舒適性最好，以反射系數(shù)較高的白色桌面為閱讀背景面進(jìn)行閱讀的舒適性最差。

圖7 照度、色溫對舒適性影響圖Fig.7 Influence of illumination and color temperature

圖8 照度、反射系數(shù)對舒適性影響圖Fig.8 Influence of illumination and reflection coefficient

3 結(jié)論

手機(jī)閱讀舒適性隨閱讀面照度的不斷增加而先升高后下降。當(dāng)手機(jī)屏幕亮度為60 cd/m2時，閱讀舒適性最好的照度范圍為20～50 lx；當(dāng)手機(jī)屏幕亮度為100 cd/m2時，不同工況下閱讀舒適性普遍較好，照度范圍為50～500 lx，閱讀舒適性均可保持在較好以上水平。當(dāng)手機(jī)屏幕亮度為180 cd/m2時，閱讀舒適性最好的照度范圍為200～400 lx。閱讀面反射系數(shù)對閱讀舒適性有一定影響，在照度較高或手機(jī)屏幕亮度較高的情況下，背景面反射系數(shù)與舒適性成反比。色溫對于手機(jī)閱讀舒適性影響較小。通過XGBoost算法得出照度、色溫、手機(jī)屏幕亮度、桌面亮度、手機(jī)屏幕與桌面的亮度對比度、桌面反射系數(shù)幾個因素的重要性系數(shù)分別是0.144，0.060，0.395，0.112，0.228和0.059。