不同背景亮度和色溫下垂直照度與辨x識度關系的實驗研究

張 濱，張武廣，高雅春，張恭銘

(中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

引言

傳統照度標準值和照度均勻度是針對水平面給出的，但是在一些公共場所，人們觀看的對象往往是立體和動態的，在這種情況下水平面的照度沒有很大意義，而是整個空間各個方向都應有良好的照明[1]。視覺空間內的物體和面部識別都需要垂直方向具有足夠的照明，垂直照度、半柱面照度、柱面照度都可以對垂直方向的照度進行規定，通過對比和研究我們建議采用垂直照度，并且結合四個方向(即X+，X-，Y+，Y-)的數值來表征空間照明，這樣再加上水平照度，針對空間的各個方向就都有了表述[2]。

但是垂直照度又與背景亮度有直接關系，例如在日常生活中當側面采光窗口亮度較高，人或者被識別物體背對采光窗，且垂直照明又太低時，會出現面部較暗而難以識別的現象，如圖1所示。

圖1 高亮度、低垂直照度造成的辨識困難Fig.1 Identification difficulties caused by high brightness and low vertical illuminance

目前“LED照明建筑一體化”的設計概念被提出并被逐漸運用到室內照明中，是一種針對建筑功能需求和空間特征，將照明裝置與室內界面和構件有機結合，實現舒適與健康照明的創新性照明方式。實現一體化之后發光面可能會是頂棚、墻面、地面或是房間內的任何一個構件，這樣也對場所內的空間照明提出了新的挑戰，當發光面位于墻面或其他垂直面時(見圖2)，會形成較高的背景亮度，這時如果垂直照度不夠時，就會出現上述提到的問題，但是垂直照度太高又不利于節能，因此針對這一問題我們進行了實驗研究，以確定達到辨識和交流的需求時，不同背景亮度條件下垂直照度的合理取值。

圖2 一體化照明示意圖Fig.2 Diagram of integrated lighting

1 人臉辨識實驗

1.1 實驗目的

1)了解色溫變化對該實驗條件下辨識度的影響及影響程度。

2)通過背景亮度和垂直照度的變化，確定不同背景亮度條件時的垂直照度的合理取值。

1.2 實驗設備與內容

1)實驗的主要試驗設備是全視野動態交互型視野計，該設備為直徑2.4 m的半球形LED顯示屏，可通過軟件對屏體的亮度和色溫進行調節，在本次實驗通過該設備可設置不同模式的背景亮度，實驗設計示意圖見圖3。

圖3 實驗設計示意圖Fig.3 Diagram of experimental design

2)設置全視野動態交互型視野計的亮度為10 cd/m2、20 cd/m2、30 cd/m2、50 cd/m2、75 cd/m2、100 cd/m2、300 cd/m2、500 cd/m2，每種亮度均對應2 200 K、4 000 K、6 000 K三種色溫，共設置24種背景亮度。

3)全視野動態交互型視野計前方為被觀察者，背對設備發光球面，面部距離地面高度為1 500 mm，在屋頂安裝照明燈具，對被觀察者面部進行照明。

4)調整燈具照度，使被觀察者面部垂直照度分別為20 lx、50 lx、100 lx、300 lx、500 lx、1 000 lx、2 000 lx，每種垂直照度分別對應以上每種背景亮度，共計168個實驗場景。在同一背景亮度條件下被觀察者面部照度變化如圖4所示。

圖4 被觀察者面部照度變化Fig.4 The changes of illuminance on observed face

5)相關研究表明，在社會交際中人與人之間的距離以業務交際和公共交際距離最遠，業務交際一般在2 m到3 m為佳；公共交際距離多在3 m以外，如果發生語言交往，也不應該低于2 m[3]。因此在本次實驗中，被試者與被觀察者的距離設置為2.5 m。

6)在上述168個實驗場景下，被試者對被觀察者的面部進行觀察后，對被觀察者面部照明的可辨識程度即清晰度進行主觀打分。

7)使用5級評價量表對被試者辨識度主觀感受進行測定，按清晰程度的強弱排列，每級所代表的感受分別為：1—非常不清晰、2—不清晰、3—可以看清、4—清晰、5—非常清晰。作為社會調查和心理學實驗最常用的一種量表形式[5]，雖然該量表只能反映人們在態度維度上的順序，不能顯示出不同態度之間的距離[4],但是對一定數量被試的測試結果進行統計分析后，可以在一定程度上反映被試總體的態度傾向[5]，因此在本次試驗中可以了解到不同背景亮度模式下，被試者辨識度變化的總體趨勢，從而可以得到不同等級所對應的垂直照度范圍，并可以此進行后續的相關分析。

2 實驗數據分析

實驗共有20名被試人員，16名男性、4名女性，年齡為24歲至40歲，所有被試者的矯正視力均在1.0以上。對每一實驗場景清晰度的平均得分進行回歸分析后，可以得到在某一種背景亮度模式下清晰度感受隨垂直照度變化的規律，圖5和圖6所示分別為背景亮度在4 000 K、100 cd/m2和6 000 K、20 cd/m2時，清晰度感受隨垂直照度變化的規律曲線。

圖5 清晰度與垂直照度的關系曲線圖(4 000 K 100 cd/m2)Fig.5 Relation curves between sharpness and vertical illuminance (4 000 K 100 cd/m2)

圖6 清晰度與垂直照度的關系曲線圖(6 000 K 20 cd/m2)Fig.6 Relation curves between sharpness and vertical illuminance(6 000 K 20 cd/m2)

2.1 色溫的影響

根據不同背景亮度模式下清晰度和垂直照度的關系曲線，可以得到當清晰度達到量級3(可以看清)、量級4(清晰)時，不同色溫、不同背景亮度條件所需的垂直照度值見表1，分別對達到量級3和量級4時所需的垂直照度和色溫進行相關性分析，由表2可知，兩種情況下的垂直照度與色溫的顯著性水平都在0.05以下，具有較顯著的相關性。

表1 垂直照度統計表

表2 相關性分析

由以上分析可知，相同背景亮度條件下，色溫對于垂直照度的需求具有一定的影響。由表1可知，低色溫需要的垂直照度要高于高色溫，且背景亮度越高色溫的影響效果越大。因此對于垂直照度的要求，除應考慮背景亮度外，還應考慮色溫的影響。

2.2 垂直照度的取值

在一般情況下符合《建筑照明設計標準》(GB 50034—2013)的照明場所中，對于物體或人面部的識別都能達到看清或清晰的水平，為驗證本次實驗數據的可靠性和適用性，我們對7間符合GB 50034的辦公室和會議室進行了現場測試，測試結果見表2，測試房間的光源色溫均為4 000 K，將表2與表1中4 000 K條件下的實驗數據進行對比,測試房間的垂直照度值均能達到量級3的水平，且吻合度較高，如果要達到量級4的水平，現有照明水平要進行較大幅度的提升，不利于照明節能。因此，在現有標準條件下，可以量級3的作為參考對垂直照度進行設計和評價，對表1中量級3所對應的不同色溫條件下的背景亮度和垂直照度進行回歸分析，可得背景亮度與垂直照度呈線性關系變化，具體變化規律見圖7～圖9。因此，根據本次實驗結果在照明設計和評價時垂直照度的值應考慮背景照明的色溫及亮度影響。

表3 垂直照度現場測試統計表

圖7 垂直照度與背景亮度的關系曲線圖(2 200 K)Fig.7 Relation curves between vertical illuminance and background luminance(2 200 K)

圖8 垂直照度與背景亮度的關系曲線圖(4 000 K)Fig.8 Relation curves between vertical illuminance and background luminance(4 000 K)

圖9 垂直照度與背景亮度的關系曲線圖(6 000 K)Fig.9 Relation curves between vertical illuminance and background luminance(6 000 K)

3 結論

要使室內照明質量得到提升，“LED照明建筑一體化”設計的照明場所具有優良的光環境質量，必須重視空間照明質量，對垂直照度進行合理的設計。本文所應用的以四個方向垂直照度來表征空間照明的方法，及通過實驗所得到的背景亮度與垂直照度的關系曲線，可以為垂直照度設計和評價提供技術參考。另外，LED技術的進步和智能照明的發展，提升了人們對于健康照明、智能照明的感受和需求，也需要相應的照明設計和評價方法去體現，今后還可以結合天然采光、健康照明的相關內容，對垂直照度進行更全面的分析和研究。