LED光源光譜能量分布對(duì)人行步道照明空間主觀評(píng)價(jià)的影響研究

林 怡 郝洛西 楊 秀

(同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

1 引言

近二十年城市照明的快速發(fā)展與建設(shè)，使得我國(guó)城市戶外空間的夜間環(huán)境品質(zhì)有了較大提升。人們對(duì)于城市照明的需求，也不再僅僅滿足于“亮化”，對(duì)照明的品質(zhì)也有了更高的追求。其中，作為城市人夜間生活的重要戶外場(chǎng)所的步行空間，由于人員活動(dòng)的需求，其照明不僅需滿足人們障礙物探測(cè)、標(biāo)識(shí)識(shí)別的視覺需求外，還需實(shí)現(xiàn)較好的面部辨識(shí)與顏色識(shí)別［1，4，5］。后兩種視覺需求不僅需要一定的的照度、亮度水平，更受到光照的色表與顯色性能的影響［2～3］。

而LED照明技術(shù)經(jīng)過十多年的發(fā)展，已逐步從城市景觀照明領(lǐng)域拓展到戶外功能照明領(lǐng)域［6］。不同于傳統(tǒng)光源的發(fā)光特性，LED的SPD(spectral power distribution，SPD)具有相對(duì)更廣的變化范圍，因而對(duì)步行空間照明中的面部辨識(shí)與顏色識(shí)別具有不同的影響作用，而在具體的照明應(yīng)用場(chǎng)所也因此具有不同的視覺效應(yīng)。

本研究在前期室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn) (面部辨識(shí)、障礙物探測(cè)、標(biāo)識(shí)識(shí)別、顏色識(shí)別等步行空間視覺辨認(rèn)研究)的基礎(chǔ)上，針對(duì)三種不同SPD的LED光源在室外真實(shí)場(chǎng)景 (以人行步道為例)給人的主觀感受，分析不同SPD對(duì)于行人視覺主觀感受的影響關(guān)系，為L(zhǎng)ED光源在城市步行空間照明中的應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

選取同濟(jì)大學(xué)校園內(nèi)一條路幅寬度為6m的人車混行小路 (夜間鮮有車輛通行，并確保實(shí)驗(yàn)過程中沒有車輛通過)，在其一側(cè)安裝了間距為7m的三盞不同SPD的LED步道燈 (見圖1～2)，燈高3.5m，對(duì)應(yīng)的色溫分別為2700K、4000K、6500K。每盞路燈都安裝有調(diào)光器，調(diào)光方式采用脈寬調(diào)制 (PWM)調(diào)光，即通過改變脈沖寬度的方法，來改變LED的光通量輸出，而不產(chǎn)生任何光譜的偏移，具有極高的調(diào)光精確度。實(shí)驗(yàn)采用開放式問卷及語義差別量表相結(jié)合，以了解對(duì)不同SPD照明場(chǎng)景的主觀感受與評(píng)價(jià)。

圖1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景平面布局圖Fig.1 Layout of experimental scene

圖2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景實(shí)景圖Fig.2 The experimental photos

2.1 實(shí)驗(yàn)被試

選擇建筑與規(guī)劃相關(guān)背景，但不具有照明專業(yè)背景的學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，減少了因知識(shí)背景的不同帶來的對(duì)空間場(chǎng)景理解可能存在的偏差。最終參與室外實(shí)驗(yàn)的被試共有21名，其中，男性10名、女性11名，年齡為18～22歲。所有被試經(jīng)過嚴(yán)格的眼部醫(yī)學(xué)檢查，均符合實(shí)驗(yàn)的健康要求。被試在參與實(shí)驗(yàn)前12小時(shí)內(nèi)被要求不喝咖啡、不飲酒、不抽煙，以減少額外變量的不利影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)順序

該實(shí)驗(yàn)只有三個(gè)實(shí)驗(yàn)處理，即三個(gè)不同色溫的場(chǎng)景，被試在參與實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的順序可能會(huì)影響最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而引起額外變量。因此，通過拉丁方設(shè)計(jì)來平衡這一實(shí)驗(yàn)處理的順序問題。由于實(shí)驗(yàn)有三個(gè)實(shí)驗(yàn)處理，因此采用抽簽法將被試隨機(jī)分成三組，并采用拉丁方設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)順序。

2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.3.1 地面平均照度

本次實(shí)驗(yàn)的目的是在室外場(chǎng)景條件中，相同地面平均照度條件下，不同SPD光源之間主觀評(píng)價(jià)的差異。因此，根據(jù)步道燈的實(shí)際功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，將三個(gè)不同色溫的步道照明的地面平均照度控制一致，假設(shè)步道燈的間距為10m，路寬為5m，采用四角布點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量，最終設(shè)定的地面平均照度值約為15lx。

2.3.2 光源色溫

實(shí)驗(yàn)用光源采用了 Cree公司的 XLamp XP-G LEDS芯片，并在L1和L2光源前分別增設(shè)了46.7°和15°的光學(xué)透鏡。實(shí)驗(yàn)選用了三組不同SPD的LED，其具體參數(shù)見表1和圖3。

表1 實(shí)驗(yàn)用LED光源基本參數(shù)Table 1 Parameter of the LEDs used

2.4 實(shí)驗(yàn)問卷及語義差別量表

圖3 實(shí)驗(yàn)用LED實(shí)沒光譜能量分布Fig.3 Spectral power distribution of the LEDs used

實(shí)驗(yàn)問卷設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分:第一部分是開放式的問題，針對(duì)同時(shí)開啟的三盞不同色溫的步道燈，進(jìn)行對(duì)比。感受三個(gè)照明環(huán)境，選出不同的步行空間類型條件下，更希望采用的照明場(chǎng)景等;第二部分是每盞步道燈單獨(dú)開啟時(shí)的語義差別量表的問卷，此部分問卷是將人對(duì)照明空間喜好和感受的評(píng)價(jià)歸納為幾個(gè)影響因子:因子1——光色適應(yīng)性;因子2——視覺清晰度;因子 3——空間感受;因子4——總體滿意度。采用七級(jí)量表進(jìn)行評(píng)分，并對(duì)于數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，分析與總體滿意度的相關(guān)性，以及色溫對(duì)于每個(gè)影響因子的影響。

實(shí)驗(yàn)的主觀問卷第一部分的問題如下:

(1)哪一盞步道燈的照明場(chǎng)景你感覺更明亮?

(2)哪一盞步道燈的照明場(chǎng)景看上去更舒適?

(3)哪一盞步道燈的照明場(chǎng)景你更有安全感?

(4)哪一盞步道燈的照明場(chǎng)景你最喜歡?

(5)如是綠地 (林間)小路，你更希望是哪一種光色的照明?

(6)如是城市廣場(chǎng) (活動(dòng)廣場(chǎng)、車站廣場(chǎng))，你更希望是哪一種光色的照明?

(7)如是機(jī)動(dòng)車道旁的人行道，你更希望是哪一種光色的照明?

(8)如是住宅區(qū)道路，你更希望是哪一種光色的照明?

(9)如是校園或辦公區(qū)道路，你更希望是哪一種光色的照明?

問題(1)～(4)主要針對(duì)明亮感、舒適感、安全感以及總體喜好等方面的進(jìn)行照明場(chǎng)景的選擇。問題(5)～(9)是針對(duì)照明應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，希望被試結(jié)合自己的生活體驗(yàn)，針對(duì)不同類型的人行步道選擇他們最喜歡的照明場(chǎng)景。此部分的數(shù)據(jù)結(jié)果將對(duì)實(shí)際城市步行空間內(nèi)的照明應(yīng)用提供建議和參考。

第二部分是語義差別量表見表2。

表2 人行道路空間照明喜好與感受評(píng)價(jià)的語義差別量表Table 2 Semantic differential scales of people's preference to outdoor pedestrian lighting

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

被試對(duì)問題1～9的選擇情況統(tǒng)計(jì)，見表3。

第二部分實(shí)驗(yàn)獲得三個(gè)獨(dú)立色溫照明場(chǎng)景下，語義差別量表中對(duì)各感知因子評(píng)價(jià)的均值及其標(biāo)準(zhǔn)差，見表4。

表3 被試者對(duì)問題1～9場(chǎng)景選擇的數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 3 Number statistics of each scene of question 1～9

表4 三個(gè)色溫照明場(chǎng)景下語義差別量表各影響因子評(píng)價(jià)的均值及其標(biāo)準(zhǔn)差Table 4 Result from the analysis of semantic differential scales under three lighting scenes with different CCT

3.2 分析方法

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析采用IBM SPSS Statistics 20對(duì)三個(gè)場(chǎng)景的語義差別量表問卷分別作信度分析，對(duì)每個(gè)場(chǎng)景下的13個(gè)變量作偏相關(guān)分析，對(duì)各個(gè)變量和色溫做Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)分析中，語義差別量表中的每一個(gè)變量的評(píng)價(jià)值“－3、－2、－1、0、1、2、3”分別用 “1、2、3、4、5、6、7”來表示。用變量x1～x13依次表示語義差別量表中的13個(gè)變量。

3.3 信度分析

以Cronbach's alpha系數(shù)來測(cè)量同一理論維度下各項(xiàng)目的一致性，Cronbach's alpha系數(shù)介于0.7和0.98之間，可以認(rèn)為是高信度值;而若低于0.35，必須予以拒絕。

對(duì)場(chǎng)景1(2700K)做信度分析，Cronbach's Alpha值為0.798，基于標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)的Cronbach's Alpha值為0.794，均接近0.8，說明問卷的可信度可以接受。對(duì)場(chǎng)景2(4000K)做信度分析，Cronbach's Alpha值為0.913，基于標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)的Cronbach's Alpha值為0.909，說明問卷有非常高的信度值。對(duì)場(chǎng)景3(6500K)做信度分析，Cronbach's Alpha值為0.674，說明問卷有較低的信度。

通過分析影響信度的因素，并依次刪除對(duì)信度影響最大的x7、x4、x5變量之后，得到對(duì)場(chǎng)景3數(shù)據(jù)量表的Cronbach's Alpha值為0.754，基于標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)的 Cronbach's Alpha值為 0.762，表明刪除 x7、x4、x5之后，量表達(dá)到了較高的信度值。在做調(diào)查問卷時(shí)，x7、x4和x5變量的描述準(zhǔn)確性不夠高，導(dǎo)致在做這些變量與其他變量的相關(guān)性分析時(shí)有一定的誤差，因此后續(xù)的分析中將這三個(gè)變量刪除。結(jié)合2700K和4000K色溫照明場(chǎng)景的信度分析，去除x7、x4、x5之后，量表均有高信度值。

3.4 偏相關(guān)分析

信度分析中，由于x4、x5、x7三個(gè)變量降低了量表的信度，予以刪除。對(duì)各變量和色溫做Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)可知，色溫與變量x1、x2、x3、x9、x12有高度顯著的負(fù)相關(guān)性，與 x6、x11有高度顯著的正相關(guān)性，見表5。

表5 各因子的評(píng)價(jià)均值以及與色溫的Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)Table 5 Mean evaluation of each factor and Spearman rank correlation coefficient of color temperature

在考慮色溫作為控制變量的情況下，對(duì)x1、x2、x3、x6、x8、x9、x10、x11、x12變量與 x13做偏相關(guān)分析，偏相關(guān)分析結(jié)果見表6。總體滿意度x13與x2、x3、x9、x10、x11、x12有顯著的正相關(guān)關(guān)系，即光色喜好度越高、光色越吸引人、空間的輕松感、安全感、明亮感和舒適感越高，對(duì)于照明場(chǎng)景的總體滿意度就越高。但總體滿意度與其他的因素沒有顯著的相關(guān)性，如路面清晰度、面部辨認(rèn)清晰感、色彩辨識(shí)難易程度、障礙物發(fā)現(xiàn)的難易程度以及光源的眩光等。這說明照明場(chǎng)景總體滿意度的主觀評(píng)價(jià)與行人的空間感受關(guān)系密切，但與照明環(huán)境中具體的視覺作業(yè)關(guān)系不大，即視覺作業(yè)能力的好壞對(duì)照明場(chǎng)景的總體滿意度影響不大。

表6 總體滿意度與其他變量之間的偏相關(guān)分析Table 6 Partial correlation analysis between overall satisfaction and other variables

3.5 照明場(chǎng)景的喜好

室外真實(shí)照明場(chǎng)景主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的第一部分是三種色溫照明場(chǎng)景同時(shí)對(duì)比，被試對(duì)問題1～9進(jìn)行場(chǎng)景選擇的人數(shù)柱狀圖，見圖4。

圖4 被試者對(duì)問題1～9進(jìn)行場(chǎng)景選擇的數(shù)量柱狀圖Fig.4 Histogram:number of each scene of question 1～9

其中，問題(1)～(4)分別對(duì)應(yīng)照明場(chǎng)景的明暗感、舒適感、安全感和偏好度的評(píng)價(jià)，而問題5～9是分別針對(duì)不同的步行道路場(chǎng)景假設(shè)情況下，被試對(duì)三種色溫場(chǎng)景的偏好情況。對(duì)于明暗感來說，大多數(shù)人認(rèn)為6500K照明場(chǎng)景更明亮，4000K次之，2700K最少;對(duì)于舒適感來說，認(rèn)為2700K和4000K比6500K照明場(chǎng)景更舒適的人約占80%，而2700K和4000K照明場(chǎng)景相近;對(duì)于安全感來說，超過50%的人認(rèn)為2700K照明場(chǎng)景比起4000K和6500K更安全;對(duì)于偏好度來說，52%的人喜歡2700K照明場(chǎng)景，38%的人更喜歡4000K的照明場(chǎng)景，喜歡6500K的僅為10%。被試對(duì)問題1～4的場(chǎng)景偏好的結(jié)果來看，與語義差別量表中偏相關(guān)分析的結(jié)果相一致。問題5～9是對(duì)不同的步行道路場(chǎng)景假設(shè)情況下的三種色溫場(chǎng)景的偏好情況來看。如果是綠地 (林間)小路，更多的人喜歡2700K色溫場(chǎng)景;如果是城市廣場(chǎng) (活動(dòng)廣場(chǎng)、車站廣場(chǎng))，更多的人喜歡6500K和4000K色溫的場(chǎng)景;如果是機(jī)動(dòng)車道旁的人行道，更多人喜歡4000K和6500K色溫的場(chǎng)景;如果是住宅區(qū)道路，85%以上的人更喜歡2700K照明場(chǎng)景，而且沒有一個(gè)人選擇6500K的高色溫場(chǎng)景;如果是校園或辦公區(qū)道路，選擇4000K色溫的人最多，其次是2700K，最少的是6500K，但是它們之間的差異不大。

4 結(jié)論

室外真實(shí)照明場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)受到很多無法控制的外部因素所制約，使得那些需要嚴(yán)格控制變量的實(shí)驗(yàn)無法開展，但是照明場(chǎng)景的主觀感受和評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)是較為可行的，而且具有一定的實(shí)際意義。此次室外實(shí)驗(yàn)，在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步揭示了三種不同SPD的LED光源給人的主觀感受和評(píng)價(jià)，并獲得了以下結(jié)論:

1)評(píng)價(jià)的感知因子中冷的/暖的、厭惡的/喜歡的、不吸引人的/吸引人的、緊張的/輕松的、暗淡的/明亮的等與照明場(chǎng)景的色溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān);顏色難辨識(shí)的/顏色準(zhǔn)確辨識(shí)的、不舒適的/舒適的等感知因子與照明場(chǎng)景的色溫呈現(xiàn)正相關(guān);

2)不同照明場(chǎng)景的總體滿意度與光色適應(yīng)性和空間感受有顯著的正相關(guān)關(guān)系，但與視覺清晰度沒有顯著的相關(guān)性，即光色喜好度越高、光色越吸引人、空間的輕松感、安全感、明亮感和舒適感越高，場(chǎng)景的總體滿意度就越高;但總體滿意度與路面清晰度、面部辨認(rèn)清晰感、色彩辨識(shí)難易程度、障礙物發(fā)現(xiàn)的難易程度等視覺作業(yè)以及光源的眩光等關(guān)系不大;

3)對(duì)于不同類型的步行空間照明場(chǎng)景，人們對(duì)于光源色溫的喜好具有較大差異。如果是綠地(林間)小路，更多的人喜歡2700K色溫;如果是城市廣場(chǎng) (活動(dòng)廣場(chǎng)、車站廣場(chǎng))，更多的人喜歡6500K和4000K色溫的場(chǎng)景;如果是機(jī)動(dòng)車道旁的人行道，更多人喜歡4000K和6500K色溫的場(chǎng)景;如果是住宅區(qū)道路，更喜歡2700K照明場(chǎng)景;如果是校園或辦公區(qū)道路，選擇4000K色溫的人最多。

［1］楊秀，郝洛西.光源光譜能量分布 (SPD)對(duì)行人視覺作業(yè)的影響研究回顧［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2012，23(6):37～42.

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［6］林怡.中國(guó)2010上海世博會(huì)園區(qū)半導(dǎo)體照明集成應(yīng)用研究——以世博園區(qū)步行空間及場(chǎng)館外觀照明為例［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2010.