基于跨學科理論提高博物館參觀者情緒反應的照明設計

孫 智，劉小琳，鄒念育，王志勝

(大連工業大學光子學研究所，遼寧大連 116034)

引言

跨學科創意性人工照明設計以人的視覺因素為核心基礎，研究桿狀細胞與錐狀細胞分別在明暗環境下，對視覺因素造成的影響，通過情緒反應得到體現，情緒反應包含舒適評價、能見度評價、溫熱評價、偏好評價四種體現。在本文中，我們對遼寧省博物館的光環境進行了調研與測試，通過結合跨學科理論的照明設計來優化博物館照明的光環境，以提高博物館參觀者的情緒反應水平。

1 博物館照明設計的創造性

1.1 用視覺因素解決空間因素

視覺對人的沖擊往往可以影響人們對空間結構的第一印象，即使空間結構確定，如對場景內部的顏色、材質、物件搭配稍加處理，給人們以特殊的視覺效果沖擊，則可以解決空間缺陷帶來的一系列問題。在照明領域中，通過控制眩光、調整不同的燈具位置、燈具角度和高度，同樣可以造成不同的視覺沖擊，進而引導人聯系到設計者所要帶給人的感覺，從而解決空間因素。照明的顯色性可直接影響視覺因素。國際照明委員會(CIE)推薦使用的顯色性指數CIE-Ra為100減去8個選定標準色樣在測試光和標準光下的色差。光譜多變的LED照明的廣泛應用使得CIE-Ra及其補充顯色指數[1]R9～R15不再適應工業應用要求，研究人員開始探討新的評價LED照明光源顯色質量的方法，這些評價方法主要分為三種：保真性、色域大小、記憶色。保真性的評價方法與原有的顯色性指數類似，很多研究在CIE-Ra的基礎上擴充了計算使用的樣品集并更換了計算色差的均勻色彩空間和色差公式。對于同樣的彩色物品，光源色域面積、體積越大顯色就越鮮艷，色域大小指數在大部分研究中的計算方法為色樣在測試光源下的色域與在測試光源下的色域的比值百分比，此外，色域的形狀對光源真實的顯色質量也有很大影響。評價這些顯色質量參數和視覺的匹配程度在大量實驗中研究人員使用了很多心理物理詞條來進行主觀評價，例如舒適、自然等。在博物館LED照明應用中可以總結為兩個維度即清晰度、暖度，通過整理這些維度下的視覺實驗數據，我們可測試各個顯色質量參數的優劣。

1.2 融合跨學科的理論元素

Kruithof[2]提出了一種達到“愉悅效果”相關色溫(CCT)的室內照明設計方法。“令人愉悅的區域”由Kruithof定義，實驗中他使用的光源是熒光燈和白熾燈。Royer等[3]發現RGB發光二極管系統顯示明顯較差的顏色歧視能力。吉澤等[4]根據CCT、CRI和照度(高達400 lx)進行了兩個獨立的心理物理學實驗，結果表明這些因素共同影響觀看油畫的視覺感受可見性和紋理。其實驗方法有借鑒意義，即以CCT、CRI和照度為坐標定義一個舒適區域。同時臺灣科技大學的研究者[5]分別在特制燈箱和真實美術館里進行了兩組類似的實驗得到了類似的清晰度和暖度的結論，匈牙利的一個研究組做了大量相關實驗，尋找博物館LED照明的最適宜參數條件，他們發現保證畫作顯色效果的最佳色溫是5 500 K，適宜照度為200 lx，而被試最喜好的色溫為4 200 K。而葡萄牙研究組的結論則為色溫5 700 K。我國的一個研究使用了較多種類的畫作作為樣品發現針對一般日常彩色物品最喜好的色溫約為4 500 K，而針對文物或藝術品則在3 500～4 000 K之間。以上實驗結果證明東西方對色溫喜好性有明顯差異[6]。綜合相關結果[7],博物館LED照明的照度不適合低于200 lx，在不考慮光致損傷的前提下 200～400 lx較為合適，但由于對光致損傷敏感的文物不適宜在過高曝光下展出，因此實際應用中可以犧牲清晰度，降低照度“清晰度”的損失和照度的降低正相關，博物館LED照明的適宜色溫和照度、展品內容、觀眾文化背景等都有關系，根據這個照度和色溫舒適區域的理論照度為200～800 lx，色溫為3 000～6 000 K都是實際可選范圍，綜合考慮到國內大部分藝術展品類型和照度限制，色溫控制在3 000～4 000 K之間較為合理，博物館照明燈具[8]可依文化、區域、畫種不同具有可調性。

1.3 提高參觀者的情感反應水平

商業心理學實驗優化光源的研究得出的結論是產生適合偏好的更大的色域[9]，最合適自然光源產生更多具有更均勻的外觀對稱的色域比偏好的比例高。不同波長的光刺激在兩種亮度范圍內作用于視覺器官而產生的視覺現象。光刺激的亮度在3 cd/m2以上時，由人眼錐體細胞獲得的視覺稱明視覺或錐體細胞視覺；而在暗適應情況下主要由桿體細胞獲得的視覺稱暗視覺或桿體細胞視覺。Kruithof法則[10]指出顯示高(低) CCT的特定區域高(低)照度使觀察者感到愉快，Kruithof聲明低照度下的高CCT已驗證是不愉快的。

2 遼寧博物館照明光環境測試

1)照度測試。照度測試選用中心布點法，將照度測量區域劃分成矩形網格，在網格中心點測量照度。該布點方法適用水平、垂直照度或攝像機方向垂直照度的測量，垂直照度應標明照度的測量面的法線方向，如圖1所示。

圖1 中心測點法Fig.1 Central measuring point method

大堂部分區域依靠自然光進行照明，玻璃頂棚的設計使得日光可以透過玻璃射進場館。大堂及周邊各墻面的反射率取采樣點的平均值為24.2%，大堂內人工光照明色溫為3 094 K。

(1)

其中Eav為平均照度值，單位為勒克斯(lx)，Ei為第i個測點上的照度，M為縱向測點數，N為橫向測點數(圖2)。

圖2 大堂照度測試照度分布及實景圖Fig.2 Illuminance distribution and real scene map of lobby illuminance test

將大堂所測數據代入公式(1)，得水平平均照度為139.30 lx，水平照度均勻度為0.933。二號展廳照度為101.89 lx，照度均勻度為0.491，四號展廳照度為56.42 lx，照度均勻度為0.886，走廊照度為121.21 lx，均勻度為0.866(圖3)。

圖3 大堂服務臺照度分布及實景Fig.3 Illuminance distribution and real scene of lobby service desk

大堂服務臺平均照度為95.53 lx，均勻度為0.879。

同理，代入公式(1)得2號展廳地面平均照度為6.306 lx，均勻度為0.476。

展柜內8幅繪畫作品照度分布(均值為92.9 lx，均勻度為0.321)。

2)色溫和顯色指數測量。從博物館從簡省略的功能出發考慮,一般有三項基本功能需要對照明的光色質量提出較高要求。一是展覽功能,其要求照明對展品達到一個較高的清晰度,這個要求和照明的照度、保真度、色域均有關系；二是對文物或藝術品的保存維護功能,這需要照明對目標物品的光致損傷達到最低，而傳統光源：如鹵素燈、熒光燈中的紫外和紅外光譜成分是危害最大的，相比之下LED光源則可以較方便地調控光譜以減少有害波段；三是研究教育功能，例如修護師或文物研究者在工作臺環境下的照明需求,需要照明達到最大的保真度，影響博物館LED照明顯色質量的光譜特性參數除了上述保真度指數、色域、相關指數以外主要還有照度和色溫。

現場的色溫和顯色指數測量采用光譜輻射計，每個場地測量點的數量不少于9個測點，以其算術平均值作為該被測照明現場的色溫和顯色指數。

每個功能區(室)測量點超過3個點；采用不同種類光源混合照明時分別測量每種光源的顯色指數和色溫，并測量混合后的顯色指數和色溫。

通過對遼寧省博物館進行測試，得出二號展廳光環境(圖4、圖5)Ra為96.6，R9為89.0，Rf為98.0，Rg為97.0，燈具與光源性能方面閃爍指數為0.009，占百分比4%，色容差4.4；四號展廳光環境(圖6)Ra為99.6，R9為99.0，Rf為100，Rg為100，燈具與光源性能方面閃爍指數為0，占百分比0.6%，色容差4.5；大堂光環境Ra為87.0，R9為23.0，Rf為83.0，Rg為100，燈具與光源性能方面閃爍指數為0.011，占百分比5.2%，色容差6.2；走廊光環境Ra為80.3；R9為-7.0；Rf為79.0；Rg為97.0；燈具與光源性能方面閃爍指數為0，占百分比為0.6%，色容差為5.1。

圖4 二號展廳局部地面照度分布及實景Fig.4 Local ground illuminance distribution and real scene of exhibition hall 2

圖5 二號展廳書畫照明實景Fig.5 Painting and calligraphy lighting scene of exhibition hall 2

圖6 四號展廳照度分布及實景Fig.6 Illuminance distribution and real scene of exhibition hall 4

3)亮度與反射比測試。亮度的測量采用亮度計直接測量亮度，對于受條件限制的地方可采用間接方法測量亮度。亮度計的放置高度以觀察者眼睛高度為準，站為1.50 m，坐為1.20 m。

對于博物館內室內工作區亮度測量工作面及主要視野面，選擇有代表性的點，同一代表面上的測點3點以上。

照明現場反射比的測試可采用便攜式反射比測量儀器直接測量，也可采用間接方法，每個被測表面一般選取3～5個測點的測量值，再求其算術平均值，作為該被側面的反射比。

利用亮度計加標準白板的方法測量反射比。將標準白板放置被測表面，用亮度計讀出標準白板的亮度，保持亮度計位置不動，移去標準白板，用亮度計讀出被測表面上的亮度，按照式(2)進行計算：

其中ρ為反射比，L(被測面)為被測表面的亮度，單位為cd/m2，L(白板)為標準白板的亮度，ρ(白板)為標準白板的反射比。

將大堂、二號展廳地面、八幅畫、四號展廳對應數據代入公式求得反射比分別為0.46，0.5，0.72，0.54。對光環境測試得二號展廳亮度為2.83 cd/m2，四號展廳為2.85 cd/m2。

4)溫度測試。測量被測物體表面的溫度，可通過手持式熱電偶計直接測量，將熱電偶一端貼緊被測物體表面，將熱電偶的另一端連接至手持式熱電偶計，關掉被測物照明燈具，待被測物表面溫度穩定后，記錄溫度數據，打開燈具，待溫度穩定后計錄下數據。(當前溫度與15 min前溫度比較波動小于1 ℃，且15 min前的溫度與30 min前的溫度比較波動范圍也在1 ℃內即可認為溫度穩定)。測試環境要求：整體環境溫度穩定且無空氣流動，測量取值時間不少于2 h。經測試得二號展廳表面溫度達到16.4 ℃，四號展廳表面溫度達到20.3 ℃。

3 博物館照明設計的實驗

3.1 展品

照明測試展品(所有藝術展品來自遼寧博物館)如圖7所示。

3.2 情感測試問卷

主觀評測全部采用現場邀請觀眾掃描二維碼進行填寫問卷的方式進行評測，方便高效，便于統計。共采集約20余人次共106組數據，陳列區域為2號廳繪畫作品區域、4號廳刺繡展區域、8號廳墓志展品區域和17號廳立體展品區域，非陳列區為大堂、走廊。根據美術館陳列空間指標采集，設置優秀、良好、一般、較差四檔，其中A+為10分、A-為8分、B+為7分、B-為6分、C+為5分、C-為4分、D+為3分、D-為0分，根據統計記錄分值。指標包含了展品色彩表現、展品細節清晰度、光環境舒適度、整體空間照明藝術表現等，根據對應指標，測試者標記1、2、3……根據每人打分取得平均值×10×權重可換算評分。主觀評估總分=主觀各項評估總分×權重；非陳列空間大堂序廳為實際得分× 0.2 過廊為實際得分×0.1 輔助空間總分為實際得分× 0.1 陳列空間中用光的安全實際得分× 0.4 光環境分布為實際得分× 0.3；臨時展覽評估對于非陳列空間用光的安全得分為實際得分× 0.4 光環境分布實際得分× 0.3；統計指標分類及程序中的客觀數據統計指標分為三級指標系統：一級指標、二級指標、總分值。計分時，首先計算各考察要點分值，然后綜合計算二級指標和一級指標分值和總分值。計算每個考察要點一級指標分值：一級指標實際得分=要點分值×權重值；計算二級指標分值(滿分為100分)二級指標實際得分=考察評估平均分值×10×權重；評估項目分值(各滿分100分)主觀評估總分=100分；客觀評估總分=100分；對光維護總分=100分；根據各項評估分別對應分值為80分以上，70分以上，60分以上，60分以下。分成4個等級優秀、良好、一般、較差。

圖7 照明測試展品(所有藝術展品來自遼寧博物館)Fig.7 Lighting test exhibits (all art exhibits come from Liaoning museum)

博物館內展品色彩真實感程度有17人感到滿意，有2人感覺較好，1人感覺較差，1人感覺很差；光源色喜好程度15人感覺滿意，4人感覺滿意，2人感覺較差；展品細節表現力有14人很滿意，6人感覺一般，1人感覺較差；立體感表現力15人感到滿意，4人感覺一般，2人感覺較差；展品紋理清晰度體驗14人很滿意，5人感覺較好，2人感覺較差；展品外輪廓清晰度有14人很滿意，6人感覺一般，1人感覺較差；展品光亮接受度14人很滿意，6人感覺較好，1人感覺較差；感染力喜好度5人很滿意，15人感覺較好，1人感覺較差。均值最高一項為主觀視覺舒適度達到8.5，均值最低一項為光源色喜好程度評價為7.6。

在對調查問卷中的影響因素用熵權法賦權時，如果某因素的數據信息量越大，其熵值便越小，反而應賦予其更大的權重。經過篩選，選出展品色彩真實感程度、光源色喜好程度、展品細節表現力、立體感表現力、展品紋理清晰度、展品外輪廓的清晰度、展品光亮接受度、視覺適應性、心理愉悅感、用光藝術喜好度等影響博物館光環境照明因素，將測試問卷數據進行處理，組成一個矩陣。為保證數據在使用時不會受到量綱影響，方便建立綜合指數，將數據進行標準化處理，得到規范化矩陣Rnm。根據熵權法理論，由式(3)計算得到第j項指標的熵值，由式(4)計算得到第j項指標的熵權(權重)。

(3)

(4)

最終分別獲得基本陳列主觀評測權重，分析結果如表1所示。

表1 基本陳列主觀評測權重分析表

同理，臨時展覽主觀評測中，展品色彩真實感程度的二級權值占20%，加權×10為16.2，光源色喜好程度對應5%和3.8；展品細節表現力對應10%和8.3；立體感表現力對應5%和4.1；展品紋理清晰度對應5%和4.1；展品外輪廓清晰度對應5%和4.0；展品光亮接受度為5%和4.1；對博物館走廊主觀評價結果進行分析：博物館展品光亮接受度3人很滿意，19人感覺較好；視覺適應性2人感覺很滿意，20人較滿意；主觀視覺舒適度5人很滿意，17人感覺較好；心理愉悅感3人很滿意，17人感覺較好，1人感覺較差，1人感覺很差；用光藝術喜好度3人感覺很滿意，18人感覺較好，1人感覺較差；感染力喜好度2人很滿意，15人較滿意，3人感覺較差，2人感覺很差。均值最高一項為主觀視覺舒適度達到7.5，均值最低一項為感染力喜好度為6.4。

3.3 情緒量化評估計算

通過觀察者內部和觀察者之間的可變性，用情緒量表上的均方根值(RMS)檢驗實驗評定數據的不確定性。觀察者內部的可變性表示在相同的評估條件下，觀察者的反應可以重復的多好。觀察者之間的差異表明觀察者的反應與組內平均值的一致程度。此外，RMS值可以確定兩個數據集的一致性[式(1)]。RMS值越小，兩個數據集之間的一致性越大。RMS值越高，觀察者內部或觀察者之間的一致性越差。均方根值的變化取決于數據集的標度范圍。

對于觀察者內可變性，xi和yi分別表示 第i次刺激的個體觀察者的第一得分和第二得分。對于觀察者間的可變性，yi是個體觀察者對第i次刺激的得分；xi是所有觀察者的平均分數對于第i刺激；n是刺激的總數。

(5)

將所測得數據，加入情緒量化評估，代入公式(5)，與表2中RMS數值量化值具有較高一致性。

3.4 情緒反應模型一致性驗證

本研究的目的之一是開發用于室內照明的ERMS(均方根誤差)以供觀看博物館里的繪畫存檔。基于進行線性回歸分析，能夠準確預測成分博物館照明作為CCT和照度。因此，安裝小尺度和大尺度空間的ERMS表示為可見性模型(VM)和溫暖模型(WM)在式(6)式(7)中給出。

表2 觀察者間和觀察者內可變性的均方根值

VM=1.41logE-3.03(6)

WM=-0.39(Tc/1000)+1.68(7)

以亮度為基礎，推導了小尺度空間和大尺度空間的VM擬合輸入(表示為“E”)。式(6)中E的范圍是50～500 cd/m2。小尺度和大尺度空間的WM擬合是用CCT作為輸入(表示為“Tc”)導出的。式(7)中Tc的范圍為2 700～6 500 K模型表明，VM僅與亮度水平相關，WM僅與CCT相關。將博物館內測量數據代入可得評分與預測日期的相關性分析如圖8所示。

圖8 評級得分與預測日期之間的相關性分析Fig.8 Correlation analysis between rating score and prediction date

根據測量的評分和預測的評分及相關性報告系數(r)可以看出，所有模型都很好地預測了視覺結果，并且在預測得分和評級得分之間具有較高的r值，小、大尺度空間分別為0.94(VM)、0.95(WM)和0.93(VM)、0.86(WM)。這里，評分是指從所有受試者收集的平均評價分數，預測分數是根據建議的ERMS計算的[式(2)、式(3)]。然而大尺度空間WM的r值(0.86)略低于小尺度空間WM的r值(0.95)。

4 結論

通過我們設計的博物館照明實驗，我們發現：基本陳列光的藝術喜好評價較高，有待提升視覺適應性與感染力喜好；臨時陳列主觀視覺舒適度較高，有待提升光源色喜好程度；大廳用光藝術喜好評價較高，感染力喜好度有待提高。走廊主觀視覺舒適度較好，仍有提升空間，而感染力喜好度為一般，存在更大提升空間。

通過分析小尺度空間和大尺度空間的雙光參數(CCT和照度)可知，博物館場景內的觀眾的情緒分別受到照度和CCT參數的影響。根據照度和CCT的輸入，驗證了觀眾情緒狀況與對應數值的一致性。VM和WM模型表明，VM僅與亮度相關，WM僅與CCT相關，所有的ERM模型都很好地預測了視覺效果，且具有很高相關系數的博物館照明中使人感到舒服的區域較為符合克魯索定律。

從遼寧省博物館館照明的展覽照明及工作照明，效果來看，傳統的鹵素光源以其良好的顯色性、配光以及易于調節亮度等優點長期作為展覽照明光源在使用。但是鹵素燈色溫偏低(色溫<2 700 K)，造成亮度視覺較差，需要更大的照度，無形中增加了展品曝光量，所以會相對增加紅外輻射量，尤其是展柜照明。通過本文的研究，我們認為，展品的色彩還原程度、光源色喜好程度、展品細節表現能力、立體感表現能力、展品紋理清晰度、外輪廓的清晰度、光亮度接受度、視覺適應性、心里愉悅感都應作為評價博物館照明重要的因素，且評價需要符合日常測試者對展品顏色的真實判斷，光源色彩與參觀者的心理預期契合度高，展品的立體效果及光色對比相應地好。此外，我們需要注重博物館照明設計中光的藝術表現力及其整體藝術效果。

致謝：感謝遼寧省博物館對課題研究的大力支持。感謝華格照明燈具(上海)有限公司鄭春平和李培、中國美術館顏勁濤等同志的參與。