適于健康照明研究的光與情緒實驗方法探討

曾　堃，郝洛西

(同濟大學 建筑與城市規劃學院，上海　200092)

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適于健康照明研究的光與情緒實驗方法探討

曾堃，郝洛西

(同濟大學 建筑與城市規劃學院，上海200092)

本文分析了情緒研究相關理論研究，整理了情緒模型的特點。通過對國內外情緒實驗研究動態的闡述和探討，總結了光與情緒實驗研究設計的要素和特征。以情緒的測量手段為切入點，對光與情緒實驗方法進行了分類探討，分別對自我報告、自主神經系統(ANS)測量、中樞神經系統(CNS)測量及行為測量進行了綜合論述及相互對比，提出了各類實驗方法的可行性、可靠性和準確性。最后,通過對各類情緒測量方法的綜合分析，總結了主客觀結合的未來實驗方法發展趨勢。

情緒；實驗；自我報告；生理測量；行為測量

引言

世界衛生組織(2013)指出，心理行為問題在世界范圍內廣泛存在，應當引起各國政府的高度重視[1]。國家衛生和計劃生育委員會針對精神衛生問題，也頒布了全國精神衛生工作規劃(2015—2020年)[2]。為了解決社會面臨的心理精神問題，各領域學者越來越關注心理健康的相關研究。情緒作為心理狀態的直接反應，已經成為心理學、社會學、認知神經科學等領域的研究熱點。在健康照明領域，國內外學者也在研究光對情緒以及身心健康的影響。Houtman等人(2008)的研究顯示，室內環境與人的身心健康具有一定的相關性，是一些慢性疾病的發病原因之一[3-7]。荷蘭研究人員Bluyssen闡述了壓力源、人體生理平衡機制與疾病之間的聯系，結果表明光環境能作用于人體的應激機制、生理節律及氧化應激機制，與抑郁、心血管疾病、睡眠障礙等疾病相關[8]。郝洛西課題組在CICU光照情感效應的循證實驗研究中，通過客觀數據量化被試情緒，嘗試使用EEG作為實驗手段，并對光與情緒的實驗方法進行了初步探索。

目前國內外對光與情緒的實驗方法缺少系統性的認識和分類，尤其隨著電生理技術和圖像識別技術的發展，在傳統的“問卷設計——自我評價”的方法之外，出現了許多新的情緒研究方法。本文通過整理國內外相關文獻，分析情緒實驗的特點，了解光與情緒在跨領域研究中的特殊要求；對比各類情緒研究方法，總結適用于健康照明研究的光與情緒實驗手段。

1　情緒的理論研究

情緒的定義在心理學界尚未形成統一的認識，目前被廣泛認同的是——情緒是一種包括認知、感覺、動機、軀體、運動的多成分復雜過程[9]。而從學術理論的高度，James-Lange情緒理論認為情緒的產生是植物性神經系統活動的產物[10]，Cannon-Bard理論認為情緒產生于中樞神經系統的丘腦，同時產生生理喚醒(身體)和情緒體驗(大腦)[11]。此外，還有達爾文理論、Papez模型等眾多對情緒的認知定義與理論研究。

隨著研究的深入，情緒的理論模型逐步建立起來。Zajonc(1980)提出了情緒是一個多維的變量，并具有兩極性[12]，Cacioppo等人(1999)通過實驗證明了這一觀點[13-14]。情緒的多維性是指情緒可以由多個維度組成的空間表示，其變化是連續的。而在每個維度上情緒的變化幅度具有極性，即情緒一般都以對立的狀態存在。對此，心理學界有許多學者提出了自己維度理論。Langpj等人(1997)也提出了二維情緒分類模型(圖1)[15]；Plutchik 通過對情緒的類比，提出了西方心理學界最典型的多維量表，即以兩極性、相似性、強度三維構造一個倒立圓錐(圖2)[16]。與維度-極性理論相對的還有離散情緒模型，認為每一種情緒(例如快樂、平靜和思念)都與特定的主觀體驗、生理和行為反應相對應[17]。然而經過學者的研究，離散情緒模型能與維度-極性理論相融合，離散的情緒也能在維度空間中表示出來[18]。

圖1　Langpj情緒二維分類模型Fig.1　Langpj emotion model

圖2　Plutchik三維情緒圓錐Fig.2　Plutchik emotion model

根據情緒的理論模型，我們認為由于情緒的多維性，在情緒的實驗研究中，需要從多個角度、多個層次考慮實驗設計，對每個維度進行探討；在自變量和因變量的分析與設置時，既要獨立的看待各個維度，又要統一的研究情緒這個整體。譬如，對于“緊張-放松”、“愉悅-沮喪”的兩維，可以設計不同側重點的實驗場景，并選取有區別的主客觀數據進行分析，最后進行情緒的綜合評價。而情緒的極性，也是實驗中必須注意的，場景的設置要能引起足夠的情緒波動。情緒變化的幅度能否識別，搜集的數據是否有效，是決定研究成果的關鍵。

2　光與情緒的實驗研究

光是形成視覺作業的必要條件，并且控制生理節律，還影響人的情緒和認知，與身體健康息息相關[19]。光照刺激通過視覺通路(visual forming system)與非視覺通路(non-visual forming system)作用于視網膜[20]，對人體影響表現出多樣性與復雜性，不僅產生視覺現象，還對情緒和行為產生影響[21-22]。

Hilary等(2006)探討了醫院不同空間的光環境，指出光不僅影響患者康復速率，還與醫護人員工作效率呈現相關性[23]。Zimring等(2008)通過對大量實驗的總結，指出明亮的光照條件對于緩解雙向情感障礙及SAD癥患者的抑郁情緒具有顯著作用[24]。Thales技術研究中心與飛利浦(2011)共同進行了光照的非視覺效應研究，探討彩色光對人情緒和生理的影響。實驗結果表明，藍光對于被試的情緒和生理的影響比較顯著[25]。S. H. Wan等(2012)針對光照色彩與動態照明對氛圍感知和放松的影響進行了研究，結果表明特定形式的動態照明能減少壓力[26]。郝洛西課題組(2014)在中國第31次南極科學考察期間，將LED情緒干預模塊通過“雪龍號”科考船運往南極中山站，在站區進行了探索性實踐應用[27]。Bernhofer等(2014)通過對被試的持續跟蹤發現，光照強度與病患的疲勞感和總體情緒障礙相關聯；光照強度越高，疲勞感越低，總體情緒障礙也越低[28]。

綜上可知，在健康照明領域，光與情緒一直以來都是關注熱點。然而眾多的研究雖然實驗方法多種多樣，但是并沒有形成共同的體系與準則，各類實驗方法的準確性、合理性與可靠性缺少科學的認識與總結。因此，我們需要對光與情緒的實驗方法進行分類與比較，結合健康照明的研究需求，分析光與情緒的實驗特點，選擇科學的實驗方法完成課題研究。

表1　實驗研究中的情緒測量方法

3　光與情緒的實驗特點

Cacioppo等(1999)對情緒的實驗研究進行了整理，總結出情緒實驗的主要內容：情緒的誘發手段、情緒的測量方法、情緒的神經通路、實驗場景與真實情境的比較、情緒的語言分析、情緒的跨文化一致性、情緒的大腦不對稱性、情緒與認知的聯系以及情緒的功能等[29]。在實驗情景中研究情緒，可以主要概括為三個層面：情緒誘發、情緒測量和情緒分析。情緒測量是情緒實驗的關鍵環節，實驗數據能否反映出情緒的相關變化，是否準確和有效，都是由測量方法所決定的。情緒的誘發程序，也在一定程度上影響情緒實驗的可行性和結果的可靠性。情緒分析是基于實驗搜集的數據，根據實驗方法采用不同的統計學手段。因此，光與情緒的實驗方法主要指的是情緒測量方法，而情緒誘發是實驗設計的一個重要依據。

情緒研究中常用的誘發程序主要有：①情景誘發(Bandura et al, 1963；Wolf et al, 1962)；②面部肌肉誘發(Ekman et al, 1983)；③催眠或想象誘發(Lang et al, 1979；Damasio et al, 2000；Kimbrell et al, 1999)；④音樂誘發(Blood et al, 1999；Morris et al, 1999)；⑤嗅覺誘發(Sobel et al, 1998；Royet et al, 2001)；⑥影像或照片誘發(Lane et al, 1997—1998；Phillyps et al, 1997)[30]。光與情緒實驗研究的對象是光環境對人的影響，實驗采用的情緒誘發手段必定是情景誘發——通過光環境的改變來設置實驗場景，測量被試情緒。然而由于情緒的極性，光環境的改變對人的影響強弱還需要評估，實驗設計的場景變化能否誘發有效的情緒改變，情緒的改變幅度是否能被檢測，是光與情緒實驗研究在誘發手段上區別于其他情緒實驗的特點。

4　光與情緒的實驗方法

情緒測量在光與情緒的實驗研究中具有關鍵作用，情緒的測量方法從某種意義上來說就是光與情緒的實驗方法，被試的選擇、場景的布置、流程的設計、數據的處理都是由情緒的測量方法所決定。隨著現代生物醫學工程技術的發展，利用電子科學技術實現了生理信號的檢測和分析，我們也有了更多的實驗方法選擇。Eerola 等人(2013)對情緒測量方法進行了綜述，最常用的情緒測量方法有七種：理論研究法，自我報告法，生理測量法，臨床測量法，發展測量法，音樂分析測量法，以及個人與文化差異測量法[31]。其中適用于實驗室的實驗研究方法如表1所示，主要有自我報告和生理測量，生理測量主要包括自主神經系統(ANS)、中樞神經系統(CNS)。此外，行為測量(主要是面部表情識別)也是一種常用的情緒測量方法。

4.1自我報告

自我報告采用量表或問卷的形式進行情緒的評估與測量，是光與情緒既往實驗中最常見的方法。經過長期大量實驗的發展，已經有了多種形式的自陳測量工具，如SAM量表[32-33]、VAS量表[34]、PrEmo(Product Emotion Measurement)[35]、被試口頭報告等。此外，還有心理學及臨床醫學常用的焦慮自評量表(SAS)、抑郁自評量表(SDS)、漢密爾頓焦慮量表(HAMA)、漢密爾頓抑郁量表(HAMD)等，都是常用的情緒測量工具(HAMA和HAMD為他評量表)。

McCloughan等(1999)總結了既往的光與情緒研究，并通過多重情緒形容詞量表(MAACL-R)，探討了照度、色溫等要素對情緒的影響，指出日常室內照明對情緒的影響是多元性、系統性的[36]。Prabu Wardono等人(2012)通過數字情景模擬設置實驗場景，采用主觀問卷評價的方法，以光、色彩和裝飾為變量，針對被試的感知、情緒以及社交行為進行實驗研究。結果表明，光環境對使用者情緒的影響最為顯著[37]。郝洛西課題組(2015)搭建了CICU 模擬空間，設計了不同光照環境實驗場景，通過選詞-打分形式的主觀評價問卷，研究了照度、色溫、照明方式對病患以及醫護人員的情緒作用[38]。

自我報告法沿用至今，已經有了大量的實踐基礎和研究成果，有其科學性及合理性。實驗操作方便，被試任務簡單，數據分析直觀，是自我報告法適用廣泛的主要特點。然而自我報告法有較強的主觀性，測量的情境、個體的差異、問卷的設計、實驗的長短等，都會對情緒測量的結果造成較大的影響。Lane等(1997)提出，社會贊許性(social desirability)高的人對自我報告的意愿更低，而述情障礙者(alexithymia)無法在報告中清楚地將情緒體驗概念化[39]。因此在實驗中自我報告需要與一些客觀的指標結合起來，才能更加準確的評價情緒狀態，問卷與量表的設計也需要更深入的研究以進一步完善自我報告的實驗研究體系。

4.2自主神經系統(ANS)測量

人類情緒的變化能引起自主神經系統的生理反應，如皮膚電阻、心率、血壓、心電圖、呼吸、肌電圖等。Cacioppo等(1997)對前人的近24份研究報告的事后分析發現，心率、呼吸、血壓、皮膚電阻、體溫都會隨著情緒的改變而變化[40-41]。通過測量前述這些生理指標，可以評定情緒狀態的變化，能更客觀的完成情緒的測量。

Palomba等(2000)通過測試被試的心率、呼吸率、T波幅度和皮膚電阻水平，研究了心臟對不愉快電影刺激的自主反應，結果顯示不愉快的影片片段產生了更強的皮膚電活動，心率下降，T波幅度上升[42]。李建平等(2005)以不同的情感電影片段激發5種情感(悲傷、憤怒、恐懼、快樂和厭惡)，測試了被試血壓、呼吸率、指溫、心率及心率變異性[43]。以上研究并沒有量化情緒狀態，只能做定性的研究，而光與情緒的實驗研究往往需要能捕捉情緒的特定變化。蔡菁等(2010)使用皮膚電(GSR)信號在六種情感狀態識別研究中找到了六種情感與皮膚電信號特征的一種對應關系[44]。熊勰等(2011)進行了自主神經生理信號的情緒識別研究，對心電、心率、脈搏、肌電、呼吸、皮膚電阻等都提取了原始特征，并綜合分析了其與情緒的聯系[45]。隨著心理學研究的深入，ANS生理信號與情緒的量化關系也逐漸對應起來，也為光與情緒實驗中使用這一測量方法提供了理論基礎與實踐意義。

上述研究都是醫學和心理學領域的情緒實驗方法，在健康照明領域采用ANS測量情緒的研究目前還不多見。一方面由于跨領域研究難度大，另一方面因為還未有普遍認可的量化關系。但是我們可以將ANS生理測量與自我報告共同使用，既能提高研究的客觀性，又能滿足情緒的量化需求。飛利浦研究中心(2011)設計了病房照明的照度、色溫控制系統，通過檢測心血管病患者住院期間的生理指標，評估光照環境對康復狀況的影響。結果表明，經時變化的光照環境可以改善患者的情緒及滿意度，同時縮短入睡時間[46]。居家奇(2011)根據心理物理學、實驗心理學的相關理論通過實驗研究了光譜和光照強度對生理參數改變的影響，分析了心率、體溫、血壓、視亮度等實驗參數的變化情況[47]。顯然，客觀的情緒評價更具有科學性和嚴謹性，光與情緒的實驗方法迫切需要一套成熟的ANS生理參數評價體系。

4.3中樞神經系統(CNS)測量

人類的情緒產生于大腦皮質(cerebral cortex)的調控，不同情緒是各個大腦皮質區域協同作用的結果[48]。隨著研究技術的發展與革新，CNS的生理信號已經能被讀取，越來越多的被引入到情緒相關的實驗研究中。CNS測量主要包括腦電圖(EEG)，事件相關電位(ERP)，功能性磁共振成像(fMRI)，正電子發射斷層掃描(PET)等。心理學界對EEG測量情緒一直在進行實驗探索。Sokhadze(2007)通過EEG的測量和分析，比較了不同音樂和白噪音對視覺刺激之后生理及心理指標恢復速率的影響，結果表明EEG在不同的背景音環境中有顯著的區別[49]。G. Hajcak等(2009)通過EEG的分析研究了兒童處理情感圖片時的大腦潛能[50]。

國內外光與情緒的實驗研究中，也逐漸開始采用EEG作為研究手段，以獲得客觀的實驗結果。Naoji Matsumoto等(2002)播放城市空間影像的同時記錄被試腦波變化，通過分析腦波數據和心理量表評分的關系，探討了不同城市空間對情緒的影響[51]。B Plitnick等(2010)通過測量記錄被試的睡眠質量、大腦活動、警覺性等生理指標，指出藍光和紅光都能提高被試腦電波中β波段的能量，從而抑制睡眠，并對其警覺性及情緒產生影響[52]。嚴永紅等(2012)在不同色溫和照度下，對學生腦電的α波、β波進行監測。結果表明在不同色溫和照明下，α波、β波指數存在顯著差異性[53]。Yu-Bin Shin等(2015)研究了居住空間中照明方式對情緒和腦波活動的影響，在測量EEG的同時采用了 SAM和VAS量表，結果顯示直接-間接結合的照明方式更受歡迎，而EEG中θ波的變化能有效反映出不同光環境中的情緒狀態[34]。

而CNS測量中的其他生理信號及方法，由于發展較晚、技術較新，在光與情緒的研究中尚未有太多的應用，但是在心理學實驗的探索中已經逐步取得成果。T.M.C. Lee等(2010)使用fMRI對情緒與說謊時的神經關聯進行研究后發現，欺騙的神經活動與愉悅度相關[54]。Choy(2013)通過聆聽帶有一定情緒的音樂，使述情障礙的患者根據情緒效價完成“音樂—音樂”和“音樂—詞語”的對應任務，通過ERP的數據分析來評估腦損傷患者的情緒[55]。劉光亞(2006)通過ERP對抑郁癥患者的情緒圖片認知進行了研究，結果表明抑郁癥患者對情緒圖片刺激進行評價的反應模式與正常人有顯著的區別[56]。

通過眾多的實驗探索和研究成果，可以發現通過各種CNS生理信號測量情緒，能得到情緒評價的客觀結果。但是CNS生理信號的測試設備往往需要專業的操作人員，在光與情緒的研究團隊稀缺，容易在數據搜集時出現誤差；被試需要佩戴各式各樣的儀器，容易產生不適，對被試有一定的抗干擾要求；光環境引起的情緒改變并不是那么明顯，佩戴儀器引起的情緒變化或許是最終情緒測量結果中不可忽視的因素。因此CNS測量往往也需要和其他的方法配合進行，以消除誤差，獲得更科學的情緒評價結果。

4.4行為測量

通過行為測量評價情緒狀態包括面部表情識別、語音語調識別、肢體運動識別。光與情緒的實驗研究中發生的情緒波動平緩，往往不能引起語言行為和肢體運動，適用的行為測量方法主要是面部表情識別。孟昭蘭(1987)通過對面部表情研究的總結，闡述了面部表情作為情緒研究的客觀指標的理論根據，并介紹了面部肌肉活動編碼系統(FACS)、最大限度辨別面部肌肉運動編碼系統(Max)、表情辨別整體判斷系統(Affex)等表情識別的情緒測量方法[57]。其中Ekman所進行的面部表情研究成果的應用最為廣泛，他提出的采用運動單元描述面部表情的FACS幾乎被所有的表情識別方法研究所采用[58]。Mauss等(2005)進行了面部表情與情緒狀態的關系研究，結果顯示二者有很強的相關性[59]。目前面部表情識別多采用圖像識別的方法來實現[60-61]，主要應用于計算機視覺的研究中，使人工智能讀取人類情緒狀態，建立人機互動[62]。

但是在其他領域的情緒實驗研究中，面部表情識別評價情緒狀態的方法應用較少。首先，面部表情雖然可以直觀的顯示情緒狀態，但是許多內在情緒變化未必伴隨視覺可知的面部活動。其次，盡管不同文化背景的人賦予各種表情以相同的情感含義，但由某種刺激所引起的特定情感對不同人和不同文化而言還是有所區別[63]。此外，由于種種原因，實驗中被試也可能掩飾和隱藏他們的情感，傳達錯誤的情緒體驗[64-65]。最后，面部表情識別需要一套計算機程序對面部圖像進行分區域的識別和評分，操作性欠佳，其評價標準也還未達成一致。因此，鮮有采用面部表情識別方法進行實驗的光與情緒研究，目前的面部表情識別技術僅能考慮作為一種參考方法置入實驗設計中。

5　結語

社會發展至今，人類的情緒情感已經成為了關注焦點，光與情緒也成為了健康照明研究中的熱點問題。從以上的分析中，我們已經了解到情緒是一個復雜的系統；光與情緒的實驗由于研究對象的特殊性，選擇合理的情緒評價方法是完成科學研究的關鍵。目前的實驗方法多種多樣，需要形成一套完整的理論體系，以應對不同研究的需求。自我報告操作簡單，發展完善，但是實驗結果容易受主觀因素干擾而產生偏差；生理測量技術先進，結果客觀，然而生理數據與情緒的量化關系并沒有形成共識，需要更加深入的研究；行為測量往往只能作為附加的參考方法。適于健康照明的實驗方法，不應該是相互獨立的，需要將上述方法結合起來，以獲得科學準確的實驗結果。因此，我們認為光與情緒的研究可以同時采用多種方法，既測量生理數據又進行自我報告。一方面可以使情緒實驗的結果更具有可信度與說服力，另一方面可以在研究中探討情緒變化的客觀生理參數；在獲得更加準確研究成果的同時，還能完善光與情緒的實驗方法；而主客觀相結合的情緒評價方法，也是未來健康照明研究發展的方向。

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Experimental Method Exploration on Light and Mood in Health Lighting

ZENG Kun, HAO Luoxi

(College of Architecture & Urban Planning of Tongji University, Shanghai200092, China)

Related theories of emotion research and characteristics of emotion models are analyzed. Through the reviews of dynamic emotion experimental study home and abroad, the elements and features of the design in lighting and emotion experiment are summarized. Based on measurement on emotions, different experimental methods of light and mood to explore experimental methods are classified. Self-reports, autonomic nervous system(ANS) measurement, central nervous system(CNS) measurement and behavioral measures are comprehensively discussed and compared with each other to propose feasibility, reliability and accuracy different methods. Finally, a comprehensive analysis of all kinds of emotions measurement both subjective and objective is summed up for the future development trend of the experimental method.

emotion; experiment; self-report; physiological measurement; behavioral measurement

NC R B. Feeling and thinking: P

need no inferences. American Psychologist, 1980, 35:157-193.

國家自然科學基金資助(項目批準號：51478321)

TU1

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.001