亮度變化下人眼適應性與舒適度的實驗研究

張九紅，呂坤潔，李田田，韓 臻，李 晉

(1.沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168； 2.東北大學，遼寧 沈陽 110189)

引言

光作為人們生活中賴以生存且不可或缺的重要組成部分，它的主要作用不僅使人們能夠看清楚非自發光的物體，也使人們不再畏懼黑暗環境帶來的壓抑感，甚至能給人們創造出積極的心境，很大程度上影響著人們的主觀生理狀態。創造健康舒適的光環境，提高建筑光環境質量，在經濟快速發展的當下已然成為人們對生活品質及工作質量高度追求的必要環節。

建筑不同空間的亮度不同，會導致光環境明暗快速變化，引發人眼的視覺疲勞[1]，這就需要增加一段空間或時間的過渡，滿足人眼適應過程。Rechichi等[2]提出了眨眼、畏光等視疲勞的10個主訴癥狀，當具有其中兩個或以上癥狀時即可判定為視疲勞。普通人從室內走到室外太陽直射空間時，眼睛會有怕光及不舒適感，正常反應會將眼睛瞇小或使用其他物品幫忙遮擋陽光的照射，以減輕眼睛不適的現象。由于空間內亮度會一直不斷的變化，因此在亮度變化下的空間內提高視覺效能，減少人眼的疲勞感是我們更應關注的重要話題。

1 人眼適應性相關理論

1.1 明適應與暗適應

當人們從較亮的光環境到較暗的光環境時，或從較暗的光環境到較亮的光環境時，由于環境的亮度變化，人眼會有一個適應過程，這段適應過程也就是視覺適應。視覺適應是由于空間中光環境的亮度變化，人們眼睛通過瞳孔變化、視覺細胞的再調節以及人眼在明視覺、暗視覺與中間視覺中的轉換來進行適應環境變化的過程，視覺適應通常來說都很短。由于個體差異，以及測定方法的不同，并不能得出明適應與暗適應時間的準確值。

當人們從較暗光環境到較亮光環境的過程中，特別是強光下，人眼會突然感到光線變亮、刺眼發眩，需要一段時間去適應后才能逐漸看清物品，這段適應叫明適應，又稱光適應，是視覺適應的一種類型。明適應的時間較短，一般來說在人們進入較亮的光環境或是有較強光線直射時，正常人眼在幾秒鐘內就可以初步完成明適應，2～3 min內即可達到穩定水平，通常人眼徹底的明適應也不超過8 min。暗適應即是人眼從明亮環境到較暗環境中的適應，是指從明亮光環境下進入較暗處或是照明突然關閉的情況下，人眼的一個適應的過程。在暗適應中，瞳孔直徑會擴大為得到更多的入射光線，從視錐細胞的進行工作，轉換為視桿細胞的工作；初步的暗適應需要幾分鐘左右，但徹底的暗適應過程常常需要歷經很長的時間，大概需要30～40 min。

1.2 邦森-羅斯科定律

眼睛觀察物體時，必須通過在一定亮度下使視覺細胞活躍起來，才能產生視覺感受。在一定條件下，亮度×時間=常數。也就是說，呈現時間越短，越需要更高的亮度才能引起視感覺[3]，如圖1所示。它表明物體越亮，識別它的時間可以越短。

圖1 邦森—羅斯科定律[3]

2 動態光環境實驗測試分析

為研究在建筑空間亮度變化過程中人眼適應的變化規律，需要在實驗室環境下模擬出不同組合的亮度變化，并探究這些不同的亮度差對人眼適應性與舒適度造成的影響。

2.1 實驗方法

主觀評價操作簡單、分析方便，適用于穩態光環境，但實驗結果受主觀因素干擾較大；客觀測量數據準確，適用于所有光環境，但測量麻煩、分析復雜。在本實驗中，采用主觀評價的實驗方法對人眼舒適度進行實驗，采用客觀測量的實驗方法對適應性進行實驗。

2.1.1 主觀評價

主觀評價是通過主觀評價問卷的方式獲得受試者的心理狀態，是對于主觀情緒以及心理情緒的一種最主要的評價手段、應用極其廣泛。通常采用量表制或是打分制的形式來評價。主觀評價問卷具體題目的設計需要包含所有需要的指標信息，簡潔明確、清晰易懂以便給受訪者傳達準確的評價標準。主觀評價問卷的主要目的是把受訪者的心理狀態通過問答和打分的形式來展現出來。我們對光環境舒適度的主觀評價問卷設置，就是讓受訪者按照調查者所規定的空間環境及方式去感受，這種感受可以是有針對性的如視覺舒適度，或者有整體性的如人體主觀舒適度，不管是哪種感受，空間中的照度、空間尺度、顏色等基礎參量都會被人包含在舒適度的感受范圍內。

此調查問卷分兩大部分：第一部分是對本實驗研究的亮度變化下的光環境舒適度的主觀評價，采用分級打分的方式，設置五個級別，分為極不舒適、較不舒適、適中、較舒適、極舒適，用數字-2到2表示(見表1)。問卷還包括受訪者的個人信息，包括年齡、性別、職業、學歷、視力情況等。第二部分包括亮度、照度等物理參數的內容。

表1 舒適度評價表格

主觀評價方法直接、簡單、容易理解，應用最為廣泛，但容易受到受試者自身主觀因素的影響，準確率不高，很多時候并不能準確地反映受試者的狀態，結合其他客觀評價方法，可以作為一種輔助手段應用于實驗中。

2.1.2 客觀測量

視疲勞研究常用的生理參數有腦電(EEG)、心電(ECG)、皮電(GSR)、脈搏波形(PPG)、體溫(SKT)、眼動參數等[4]。通過對一些客觀數據的測量，可判定出人體主觀感受。人眼作為直接感受光刺激的器官，眼部活動的變化最能直觀地反映出視疲勞。趙峰等[5]的研究表明瞳孔直徑變化與視疲勞程度呈正相關關系，光環境下人眼瞳孔變化越小，視覺疲勞程度越小，可見度越好，識別時間越短。心率隨著觀看視疲勞的增大而增加，和視疲勞具有較好的一致性，并且測量簡單，可以用來作為視疲勞評估的指標[6]。

本實驗選擇了無線實時觀察功能的可穿戴式眼動儀，確保了被訪者佩戴的舒適度和行為自由度。研究人員可通過無線看到受訪者的實時眼動軌跡、瞳孔變化和視線停留時間，從而迅速獲得數據和識別物體的具體時間。

本文選擇了基于適應時間的視覺功效法作為研究人眼適應的實驗方法，主要選用了適應時間來表征在亮度變化下人眼的視覺功效，也就是說受試者能夠以多快的速度準確探測到下一個目標并作出反應，即包括了人眼的觀察時間和身體反應時間。運用視覺功效的實驗方法來建立適應時間測試系統之前，必須運用心理物理學的相關理論來設計合理的實驗裝置、實驗參數和實驗流程，并清楚分析各種實驗參數對視覺功效量的影響。本實驗以辨認朗道爾C環的開口方位作為視覺作業，朗道爾環用照象法印在反射比ρ=0.82的無光白紙上，朗道爾環的開口方位隨機出現[7]。

2.2 實驗方案

2.2.1 實驗裝置

運用視覺功效的實驗方法來建立適應時間測試系統，實驗裝置主要分為兩部分，一部分是測試箱部分，另一部分是控制部分。實驗裝置設計如圖2所示，其中：1—測試箱體；2—無光白紙板；3—轉軸；4—聯軸器；5—步進電機；6—轉換器；7—導線；8—測試按鈕；9—直流電源；10—TSC89752型單片機；11—控制按鈕。

圖2 實驗裝置設計圖

1)測試箱部分。實驗裝置的測試部分由長方體空箱、LED可調節燈帶及印有朗道爾C環的無光白測試板組成，如圖3所示。測試板選擇了朗道爾環作為視標，標準如下：朗道爾環的開口角度符合人眼一般水平的角分辨力水平閾值，以便于觀察者準確地辨別在通用的國際眼科學會朗道爾環測量標準中，規定在5 m視距上能辨別 1′的開口時，人眼視力為1.0，識別 2′的開口時，人眼的視力為0.5，標準的朗道爾環直徑為7.5 mm、環粗和開口均為1.5 mm朗道爾環的黑線條寬度與缺口寬度均為直徑的1/5，如圖4所示。

圖3 實驗裝置主體測試箱部分

圖4 視標

測試箱的主體部分是由五塊白色雪弗板組成的一個不透光的無蓋長方體空箱，空箱內部反射比均勻。長方體無蓋一側正對受試者，在受試者眼睛視線高度處，開出一個正方形洞口，洞口大小要比朗道爾C環所在的無光白紙測試板小。實驗過程中，將白紙板與箱體貼緊，不留出任何縫隙。箱體內部安裝LED無極調控燈，LED無極遙控調光燈帶配有調控遙控器，可實現從遠端精準控制。無極調控燈設置的位置不會對人眼產生眩光影響且使空間內亮度分布均勻。該LED燈在實驗環境內測試出測試點最高照度可在100～12 000 lx中調節。為彌補低照度的不足，安裝四個小燈泡，滿足低照度的需求。燈的角度朝向朗道爾C環所在的無光白紙板，形成漫反射光環境，禁止直射入受試者的眼睛，避免產生眩光。

2)控制部分。實驗裝置的控制部分由TSC89752單片機、步進電機、直流電源、控制按鈕及遙控器組成。LED無極調控燈有測試人員使用遙控器在后方進行控制。朗道爾環所在的白紙板粘貼在電機上，通過穩壓直流電源輸出穩定的電壓，連接設置好程序的單片機及電機。單片機連接一個控制按鈕，以供受試者識別出開口方向后按下。單片機上有記錄從電機停止轉動到受試者按下按鈕的時間顯示板。

實驗中，使用TSC89752型單片機作為處理前端。隨著受試者在不同環境下對箱體視窗處的“C”字測試板中開口方向做出判斷，單片機會將受試者適應時間的數據上載至PC端，按下控制按鈕后，將信息反饋給步進電機，以完成測試板的轉動。在單人、單組實驗結束后，程序將生成一個對應環境條件下僅包含每個測試板所對應的人體適應速度的數據集合。

實驗裝置中的控制部分如圖5所示。

圖5 實驗裝置控制部分照片

2.2.2 參數測試儀器

1)全數字色度計、照度計。具有快速測量、全量程測量、精度高、手持便攜的特點，可以實現照度、色溫等相關參數的測量。

2)輝度計。輝度計是一種亮度色度計，應用于各種亮度、色度、色溫、對比度等項目測定。

2.2.3 實驗流程

實驗需要在光學暗室條件下進行，確保該實驗過程無外界光照的干擾。實驗選取測試板照度作為唯一變量，控制其他變量不變。

通過隨機化的原則抽樣選出50名滿足如下要求的受試者參與實驗：年齡20～35歲，25男25女，共50人，矯正視力≥5.0，其他視功能正常，身心健康，統計并記錄受試者名單，逐一記錄受試者的年齡、性別等個人信息。在實驗前，需要向受試者傳達清楚實驗的流程。正式實驗時，對每位受試者進行三次實驗取平均值，以確保實驗數據的準確性。每次實驗后需要對受試者進行主觀量表評價。

確定某一實驗時間，在受試者開始每組實驗前，佩戴上生理監測設備，首先測量實驗對象初始心率等客觀生理參數，并對數據進行記錄。為了讓受試者適應初始照度下的光環境，在實驗開始前，讓受試者根據初始照度適應不同的時間，待受試者認為眼睛對此光環境已經完全適應且穩定后開始實驗測試工作。實驗過程中，受試者的眼睛應一直注視朗道爾環測試板，且實驗進行中始終用雙眼進行觀察。

步驟1：將光源投射至背景，達到提高照度均勻度且不產生眩光的目的。實驗時，空間內照度由實驗人員按測試表中的數據進行設定，實驗人員首先按下復位按鈕，完成對上一次數據的清理工作。控制按鈕來控制單片機啟動，提示受試者手持測試按鈕，進而開展實驗測試工作。

步驟2：實驗人員按下啟動按鈕，此時電機開始帶動測試板一起轉動，在轉動停止的同時，燈光切換，空間中的照度變成另外一個照度，與此同時，測試板上的朗道爾環固定在某一角度，并且觸發單片機進入實驗計時程序。

步驟3：亮度切換后，受試者觀察測試板中朗道爾環的“C”的開口方向，待受試者眼睛識別出后，眼睛盯住開口方向不動，說出開口方向并按下按鍵。此時，單片機計時停止，并向PC端上載單次適應時間。

步驟4：將適應時間與眼動儀記錄時間進行整合，達到消除個人誤差的目的。

步驟5：實驗人員確定數據已經錄入完成后，需要受試者為本次亮度變化的舒適度進行打分并記錄，調整光源亮度讓受試者休息10～40 min適應環境后，返回步驟1進行下一組實驗。待收集充足的測試數據后，實驗測試停止。

步驟6：待實驗測試結束后，再次對受試者進行生理參數的測量，并記錄下與實驗前的進行對比。完成上述工作后，有請下一位實驗對象重復此實驗過程，直至實驗測試結束。實驗照片如圖6所示。

圖6 實驗照片

2.3 實驗結論

全部實驗完成后，在整理的過程中可以手動剔除存在較大誤差的數據，然后對所有數據進行整合匯總，采用統計軟件進行數據分析。由于照度遞增與照度遞減的人眼適應機制不同，因此將數據中的照度遞增和照度遞減狀態分開整理分析，部分實驗數據如表2所示。

表2 部分實驗數據記錄表

2.3.1 正態性檢驗

對于實驗所得數據我們需要進行相關性分析，為確定相關性分析的方法，首先要對適應時間與舒適度評分的變量進行正態分布檢驗。在照度遞增條件下，變量的正態性檢驗，顯著性P值均大于0.05，故符合正態分布，如表3所示，因此在照度遞增條件下，適應時間和舒適度評分采用皮爾遜相關分析方法。

表3 照度遞增條件下正態性檢驗

而照度遞減條件下，適應時間不符合正態分布，如表4所示，因此在照度遞減條件下，適應時間和舒適度評分采用斯皮爾曼相關分析方法。

表4 照度遞減條件下正態性檢驗

2.3.2 相關性分析

由表5得知，在照度遞增條件下，實驗結果顯示人眼適應時間與舒適度評分的皮爾遜相關系數r=-0.475，顯著性為0.001且滿足小于0.05的要求，說明人眼適應時間與舒適度評分的相關性是真實存在的且檢驗標準較高，呈現中等程度的負相關，即隨著適應時間的增加，人眼的舒適度評分降低。

表5 照度遞增條件下適應時間與舒適度的皮爾遜相關性

在照度遞減的條件下，通過斯皮爾曼相關分析，可以得出適應時間與舒適度評分的相關系數為-0.579，且顯著性為0.002，如表6所示，可以得出適應時間與舒適度評分呈中等程度的負相關。

表6 照度遞減條件下的斯皮爾曼相關性

綜上所述，在照度遞增和遞減條件下，得到的結論均是：適應時間與舒適度評分呈現中等程度的負相關。

通過對照度遞增和照度遞減使用不同相關性分析方法得出的結論，我們可以總結發現，雖然使用了不同的相關性分析方法，但得到的結論卻是相似的，更加可以證明適應時間與主觀舒適度評分呈負相關結論的正確性，即隨著適應時間的增加，人眼的舒適度降低，也就是說，人眼的適應性與舒適性是具有負相關的，適應時間可以在客觀角度反映出人眼的主觀舒適度。

2.3.3 回歸分析

通過使用回歸分析來進一步確定兩種變量的關系趨勢，對照度遞增中的適應時間與舒適度評分進行曲線回歸分析，首先選擇出擬合優度最高的分析方式，再通過曲線回歸分析得到的函數擬合曲線。曲線與回歸方程如圖7(a)所示，同時也驗證了前文舒適度評分與適應時間呈負相關的結論。在照度遞增的情況下，舒適度評分取大于1分(較舒適)為滿足人眼舒適的區間，通過回歸方程得出滿足人眼舒適的適應時間區間為小于0.73 s；舒適度評分-2分為極不舒適，即適應時間超過2.03 s為極不舒適。對于在照度遞減的條件下，舒適度評分與適應時間的函數擬合曲線同樣也為復合曲線，如圖7(b)所示，將舒適度評分也取大于1分的較舒適區間，得出適應時間小于0.75 s為較舒適；適應時間超過3.70 s為極不舒適。

圖7 舒適度評分與適應時間的擬合曲線

通過對回歸曲線的分析，可以發現，照度遞減條件下的適應時間區間要大于照度遞增的適應時間區間，且照度遞增函數曲線的斜率k值絕對值均要小于照度遞減的函數曲線，主要原因是由于人眼的視覺特性不同，人眼暗適應的時間要比明適應的適應時間長。因此，得出照度遞增的條件下，人眼的適應時間相對更短的結論。也就是說，人們在由亮度較暗空間向較明亮空間過渡時，更易被人們認為是較舒適。

3 結語

通過亮度變化下人眼適應性與舒適度的實驗研究，將主觀評價、客觀測量兩種實驗方法相結合靈活運用，可以具有主觀評價操作簡單、分析方便以及客觀測量數據準確的優點，從而獲得更為科學準確的研究結果。

通過主客觀實驗驗證了以亮度為單一變量的條件下，人眼適應時間與主觀舒適度評分呈負相關結論的正確性，即隨著適應時間的增加，人眼的舒適度降低，適應時間可以在客觀的角度反映出人眼的主觀舒適度，人眼的適應性與舒適度是具有負相關性。

通過對適應時間與舒適度評分的回歸曲線的分析，得出在照度遞減的條件下，人眼適應時間區間要大于照度遞增的適應時間區間，且照度遞增函數曲線的斜率k值絕對值均要小于照度遞減的函數曲線，也就是說，在照度遞增的條件下，人眼的適應時間相對更短，實驗結果表明了人們由較暗空間向較亮空間過渡時更易被認為是較舒適的，也為建筑空間光環境的設計及改造提供了新思路，即在設計中，可以按照人流行進方向進行亮度遞增的過渡，從而優化建筑空間光環境。