建筑空間及照明參數(shù)對視覺敏銳度的影響研究

黨 睿，高子昂，劉夢柳，劉 剛

(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

視覺敏銳度等于眼睛剛好可以辨認(rèn)的最小視角的倒數(shù)，它是建筑照明環(huán)境中的重要指標(biāo)，直接決定著人眼分辨物體細節(jié)的能力[1]，對視覺功效和信息的接受效率有重要影響[2]。有學(xué)者指出照度、光源相關(guān)色溫、建筑空間都是影響光環(huán)境質(zhì)量的因素[3-5]，研究表明視覺敏銳度對光環(huán)境質(zhì)量的影響權(quán)重達17.59%[6]，但缺少這三項參數(shù)對光環(huán)境質(zhì)量中視覺敏銳度方面影響規(guī)律的直觀量化描述。本文采用主觀實驗的方法，選取照度和光源相關(guān)色溫兩項照明參數(shù)作為實驗變量，分別在低矮空間和高大空間兩種空間參數(shù)中進行實驗，探究照明和空間參數(shù)對視覺敏銳度的綜合影響規(guī)律。

1 視覺敏銳度實驗

1.1 實驗場景與參數(shù)測量

在天津大學(xué)全尺寸可調(diào)照明實驗艙中搭建實驗場景。該實驗艙總面積為800 m2，通過移動式分隔系統(tǒng)實現(xiàn)平面上的自由圍合；高度為11 m，可通過升降系統(tǒng)對任意“6 m×6 m”的頂板進行3～9 m 高度調(diào)節(jié)；頂部安裝有 256 盞LED光源，每支光源均能夠連續(xù)對光通量、光譜等參數(shù)進行調(diào)節(jié)。在實驗艙中搭建大、小實驗空間，空間參數(shù)分別為：大空間長為24 m、寬為12 m、高為9 m；小空間長為12 m、寬為12 m、高為3 m(小空間)如圖1所示，實驗人員測試位置如圖2所示。

圖1 空間分割示意圖Fig.1 Spatial segmentation diagram

圖2 被試位置Fig.2 Subject position

實驗空間內(nèi)墻面反射比0.65，被試人所在位置統(tǒng)一眩光值為16，0.75 m水平面照度均勻度值為0.78，顯色指數(shù)值為84，均滿足GB 50034的標(biāo)準(zhǔn)要求。

實驗選取中心布點法，選取3 m×3 m網(wǎng)格，測點布置如圖3和圖4所示。測試點高度選取0.75 m工作面和地面，測量設(shè)備選用分光輻射亮度計CL-500A，測得每個測點的照度、光源的相關(guān)色溫值以及光源的平均顯色指數(shù)(Ra)，照度值的處理采用同一位置測量兩次取平均值，并取同一水平面所有測點照度的算術(shù)平均值，作為該工況下相應(yīng)水平面的平均照度。

圖3 小空間測點布置Fig.3 Small space measuring point arrangement

圖4 大空間測點布置Fig.4 Large space measuring point arrangement

1.2 樣本特征與實驗方案

實驗被試共32人，男女比例為9∶7，年齡范圍在20～30歲，視功能正常。實驗時間為每天19:00—21:30，由于實驗量較大，整個實驗共持續(xù)39天。

視覺敏銳度體現(xiàn)了人通過視覺器官辨認(rèn)外界物體的敏銳程度，是人眼辨認(rèn)物體細節(jié)的一種能力，能辨認(rèn)物體細節(jié)的尺寸越小，視覺敏銳度越高，反之越差。實驗以視覺敏銳度作為評價指標(biāo)，將視力表附于白板上并測試每種工況下白板四角的照度值，計算出垂直面的平均照度。被試人員在距視力表正前方3 m的位置，測試雙眼視力(近視者測試雙眼矯正后視力)，測出被試者所能辨認(rèn)的最小行視標(biāo)，辨認(rèn)正確的視標(biāo)數(shù)應(yīng)超過該行視標(biāo)總數(shù)的一半，測試完成后將數(shù)值填寫問卷，測試現(xiàn)場如圖5和圖6。

圖5 視覺敏銳度測試實驗1Fig.5 Visual acuity test 1

圖6 視覺敏銳度測試實驗2Fig.6 Visual acuity test 2

人在站立時雙眼左右方向識別視區(qū)為20°，視野界限為62°，雙眼自然視線低于水平線10°，雙眼識別視區(qū)為向下35°，向上15°，實驗中由于人員、視力表、空間的限定，小空間自然視線的左右識別視區(qū)為20°，向下15.83°，向上12.23°；大空間自然視線的左右識別視區(qū)為18.45°，向下5.4°，向上15°。

大、小空間實驗工況中光源的相關(guān)色溫值均選取2 700 K、4 100 K、5 300 K、6 000 K四檔，照度值分別選取0～600 lx范圍內(nèi)的十檔，每個檔位的選擇以均勻、接近整數(shù)值為原則，每類空間各有40種照度與光源相關(guān)色溫的組合，共計80種工況。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 照度對視覺敏銳度的影響研究

將該實驗中大、小空間工況測得的視覺敏銳度變化量為縱軸，照度值為橫軸繪制散點圖并用直線按次連接各點從而獲得折線圖7和圖8。

圖7 大空間照度實驗數(shù)據(jù)Fig.7 Large spatial illumination experimental data

圖8 小空間照度實驗數(shù)據(jù)Fig.8 Small spatial illumination experimental data

由圖7和圖8可知，在大、小空間條件下，四種色溫變化總體趨勢基本一致，視覺敏銳度變化量隨照度值增加而減小，且減小的速率逐漸變慢，最終趨于平緩；以150 lx為分界線，在低照度時提升照度值能夠明顯提升視覺敏銳度。

要得到視覺敏銳度與照度間的回歸模型[7]，需要確定擬合公式的系數(shù)；在計算公式擬合系數(shù)前要先對模型擬合度和模型方差進行計算、驗證；在進行模型擬合度計算前需要先對“視覺敏銳度”和“照度”進行相關(guān)性分析并確保滿足顯著性指標(biāo)的要求[8]；只有保證每一步的前提，才能得到最終的回歸模型。

大、小空間照度實驗數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果見表1。

表1 大、小空間照度實驗數(shù)據(jù)相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of experimental data of large and small space illumination

通過表1可知，大、小空間兩組實驗相關(guān)性分析結(jié)果中顯著性分別為0.000、0.000，均小于0.01，根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，差異越不顯著，數(shù)據(jù)相關(guān)性越高，當(dāng)該值低于0.01時,說明數(shù)據(jù)符合在非常高檢驗標(biāo)準(zhǔn)下具備顯著相關(guān)性，符合回歸模型擬合的基本要求；計算模型的擬合度，擬合度用R和R2表示，當(dāng)兩個值均大于0.4則可進行回歸模型擬合，且R2越接近1擬合程度越高。

模型擬合度模擬結(jié)果見表2。

表2 大空間實驗數(shù)據(jù)的模型擬合度模擬結(jié)果Table 2 Model fitness simulation results of large space experimental data

由表2可知，模型擬合度指標(biāo)R為0.963、R2為0.928、R2調(diào)整值為0.926，均大于0.9，說明模型擬合度很高，可進行回歸模型擬合；根據(jù)實驗數(shù)據(jù)散點圖分布和擬合方法比較，選取對數(shù)擬合方法，并在擬合前進行ANOVA模型方差計算，以“視覺敏銳度變化量”為被解釋變量，“平均照度值”為解釋變量的SPSS非線性回歸分析的模型方差結(jié)果與擬合系數(shù)結(jié)果如表3，表3中B代表回歸系數(shù)，t代表對回歸系數(shù)的檢驗結(jié)果，其值越大，sig越小，sig代表t檢驗的顯著性，一般認(rèn)為sig<0.05表明自變量可以有效預(yù)測因變量的變異，圖中兩項擬合系數(shù)的sig值分別為0.000、0.000，均遠小于0.05，故擬合系數(shù)的預(yù)測效果準(zhǔn)確。

表3 大空間模型方差與擬合系數(shù)結(jié)果Table 3 Large space model variance and fitting coefficient results

因此大空間中反映視覺敏銳度變化量與照度間映射關(guān)系的擬合公式為：

(大空間)Y=-0.047lnX+0.347

(1)

其中Y表示視覺敏銳度變化量，X表示照度。

按照上述方法，得到小空間中反映視覺敏銳度變化量與照度間映射關(guān)系的擬合公式為：

(小空間)Y=-0.045lnX+0.339

(2)

其中Y表示視覺敏銳度變化量，X表示照度。

2.2 色溫對視覺敏銳度的影響研究

將該實驗中大、小空間工況測得的視覺敏銳度變化量為縱軸，色溫為橫軸繪制散點圖并用直線按次連接各點從而獲得圖9和圖10。

圖9 大空間光源色溫實驗數(shù)據(jù)Fig.9 Large space light source CCT experimental data

圖10 小空間光源色溫實驗數(shù)據(jù)Fig.10 Small space light source CCT experimental data

如圖9和圖10可知，照度越低視覺敏銳度變化量越大，當(dāng)照度值為100 lx時，明顯比其他照度時變化量大；其他照度時，隨色溫增加視覺敏銳度變化量不明顯；圖9和圖10的區(qū)別在于照度為100 lx時，大空間的視覺敏銳度變化量隨色溫增加而增加，小空間的視覺敏銳度變化量隨色溫增加而減小。

由所繪散點圖與上述規(guī)律分析可知，因變量與自變量間沒有明顯映射規(guī)律，可以初步判定兩者間不存在或者存在微弱的相關(guān)關(guān)系，對大、小空間實驗中因變量“視覺敏銳度變化量”、自變量“相關(guān)色溫值”的相關(guān)性分析驗證結(jié)果如表4所示。

表4 大、小空間光源色溫實驗數(shù)據(jù)相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of color temperature experimental data of large and small space sources

從表4中可知，兩組實驗相關(guān)性分析結(jié)果中大、小空間顯著性分別為0.897和0.705，均遠大于0.05，相關(guān)性極低，不符合回歸模型擬合的要求，即大、小空間中色溫對視覺敏銳度無影響。

2.3 空間對視覺敏銳度的影響研究

箱形圖是一種顯示數(shù)據(jù)分散情況資料的統(tǒng)計圖，可以反映原始數(shù)據(jù)分布的特征，此處用作該實驗大、小空間兩組數(shù)據(jù)分布特征的比較，繪制過程為分別找出兩組實驗視覺敏銳度隨照度值變化量數(shù)據(jù)的上邊緣、下邊緣和兩個四分位數(shù)，然后連接兩個四分位數(shù)畫出箱體，再將上、下邊緣與箱體相連接，中位數(shù)在箱體中間， 圖11表示兩組實驗的數(shù)據(jù)分布特征基本相同，初步判斷空間對視覺敏銳度無影響，該實驗空間參數(shù)有兩種，故選擇兩獨立樣本T檢驗方法進行檢驗性分析，分析過程如前兩節(jié)，最終得出實驗空間對視覺敏銳度的顯著性檢驗值大于0.05，相關(guān)性極低，即空間參數(shù)對視覺敏銳度無影響。

圖11 兩組數(shù)據(jù)箱形圖分析Fig.11 Two sets of data box plot analysis

3 研究結(jié)論

上述研究結(jié)果表明，照度值對視覺敏銳度有明顯影響，且可用回歸模型擬合的方法得出反映兩者間映射關(guān)系的公式；空間大小對視覺敏銳度無影響；光源的相關(guān)色溫值對視覺敏銳度無影響，但是相同的色溫可對應(yīng)不同的光譜組成，為此我們給出各基本色溫的光譜能量分布圖(圖12)并予以簡要闡述。

圖12 四種基本色溫的SPD圖Fig.12 SPD of four basic color temperatures

由圖12可知，四種基本色溫光源的SPD圖均有兩個波峰，這是因為智能照明控制系統(tǒng)色溫調(diào)節(jié)主要是通過調(diào)節(jié)450 nm波段藍光和600 nm波段黃光的比例實現(xiàn)的，這進一步明確了光源相關(guān)色溫值對視覺敏銳度無影響結(jié)論的適用范圍，因現(xiàn)有照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)均只在光源色溫層面進行要求與限定，沒有深入到光譜層面(博物館中對光譜的限定也僅限于無紅無紫)，但由于LED巨大的應(yīng)用前景和其不同于傳統(tǒng)光源的制備原理，客觀上造成了同色異譜現(xiàn)象所導(dǎo)致的研究差異更加受到關(guān)注，同色異譜現(xiàn)象可能導(dǎo)致顯色性的不同；或是在顯色性相同的條件下，視看物品的顏色組成不同也會導(dǎo)致不同的研究結(jié)果，所以，因光譜不同導(dǎo)致研究結(jié)論不同這一現(xiàn)狀，僅從色溫層面進行研究是不能予以解決的，故僅對同色異譜現(xiàn)象所導(dǎo)致的研究差異予適當(dāng)闡釋與說明。為得到建筑空間及照明參數(shù)對視覺敏銳度的綜合影響規(guī)律，進一步探討結(jié)合空間對視覺敏銳度無影響的研究結(jié)果，將大、小空間中照度值對視覺敏銳度影響的關(guān)系統(tǒng)一起來并擬合出反映兩變量間映射規(guī)律的數(shù)學(xué)公式。

表5 大、小空間綜合實驗數(shù)據(jù)的模型擬合度模擬結(jié)果Table 5 Model fitting degree simulation results of comprehensive experimental data of large and small spaces

由表5可知，模型擬合度指標(biāo)R為0.954、R2為0.911、R2調(diào)整值為0.909，均大于0.9，說明模型擬合度很高，可進行回歸模型擬合，仍選取對數(shù)擬合方法同時進行ANOVA模型方差計算，非線性回歸分析的模型方差結(jié)果與擬合系數(shù)結(jié)果如表6。

表6 大、小空間綜合模型方差與擬合系數(shù)結(jié)果Table 6 Large and small space integrated model variance and fitting coefficient results

表6中各項參數(shù)意義與分析方法同前，圖中兩項擬合系數(shù)的sig值分別為0.000、0.000，均小于0.05，故擬合系數(shù)的預(yù)測效果準(zhǔn)確，故空間視覺敏銳度的影響公式為

Y=-0.055lnX+0.4

(3)

其中Y表示視覺敏銳度變化量，X表示照度。

式(3)能夠描述建筑空間及照明參數(shù)與視覺敏銳度間的映射規(guī)律，可為基于視覺敏銳度的建筑照明評價及設(shè)計提供基礎(chǔ)工具。