基于腦電波信號分析的老年公寓室內空間色彩與光環境定量研究

■陳 璐，張雪青 Chen Lu &Zhang Xueqing

(1.上海工程技術大學藝術設計學院，上海 201620；2.同濟大學創意學院，上海 200092）

人口老齡化是現階段世界人口年齡結構變化最重要的趨勢。根據聯合國2019年公布的《世界人口展望》報告，2019年在全球范圍內，大約9%的人年齡在65歲或以上，預計到2030年這一比例將達到近12%，2050年到達16%，到2100年可能達到近23%。到2050年前后，歐洲和北美洲25%以上的人口年齡都處于65歲以上。東亞和東南亞65歲或以上的比例預計將從2019年的11%增加到2050年的24%[1]。2019年中共中央國務院印發《國家積極應對人口老齡化中長期規劃》中指出我國現階段人口老齡化進程正在加速發展，2013年中國80歲及以上老年人有2260萬人口，到2050年預計達9040萬人口，成為全球最大的高齡老年人群體[2]。本項目旨在從生理學角度闡明視覺刺激與老年人情緒變化機制，從而實現對老年公寓室內色彩與光環境定量評價，為老年公寓室內視覺環境提升優化提供理論和技術支持。

1 研究目的以及意義

隨著我國教育進步、國內人口流動和科學技術發展，當下老年人不像從前那樣與年輕人共同居住，年輕人由于工作壓力、生活成本以及衛生保健等相關因素，能夠用于照顧父母的時間越來越少，以家庭為基礎的居家養老模式正面臨嚴重挑戰，以機構養老為主的養老模式必將會成為未來中國養老的主要模式[3]。機構養老模式是我國養老體系的重要支撐，機構養老模式的存在形式通常有敬老院、福利院、養老院、老年公寓等。老年公寓（Apartment for the aged）是專供老年人集中居住，符合老年體能心態特征的公寓式老年住宅，具備餐飲、清潔衛生、文化娛樂、醫療保健等服務體系，是綜合管理的住宅類型[4]。老年公寓作為現階段我國機構養老的主要空間載體，在建設和環境改善方面都存在諸多亟待解決的問題，成為近年來設計關注的重點內容[5]。

■圖1 人工照明不同光源位置下人眼視覺舒適度以及疲勞度研究

隨著年齡的增加，人眼的晶狀體逐漸硬化失去彈性，睫狀肌的收縮能力降低，會引發近距離注視困難，對于視覺感應信號刺激變得反應遲緩[6-7]。老年人視覺衰退主要為視敏度明顯降低，空間視覺能力衰弱，導致老年人對色彩和光的感知能力下降，進而對顏色和光區分能力逐漸降低[8-9]。基于上述原因，針對視敏度降低方面研究，主要采用問卷調查的方式對不同光照條件下老年人活動狀況進行研究[10-11]。

現階段我國部分老年公寓室內視覺設計現狀如下：室內外視覺設計風格不統一，僅滿足基本功能需求，缺乏整體色彩規劃；空間內部整體光環境晦暗，老年人長期在此空間中居住，易引發抑郁癥、孤獨癥等心理疾病，危害老年人身心健康；同樣與之對應的研究現狀如下：老年公寓色彩環境研究主要以色彩搭配作為研究的切入點，對室內光環境研究偏少。研究多從老年人感官層面進行研究，缺乏室內視覺環境與老年人生理疾病關聯性研究。綜上所述，現階段我國老年公寓室內視覺環境研究相對較少，空間色彩與光環境方向研究還較為薄弱。

本項目以色彩心理學理論、照明設計理論作為前期理論基礎，同時依托虛擬現實技術、腦電波信號采集、數學算法分析等技術手段，實現心理學、色彩學、光學、醫學等多學科深度交叉融合，在前人研究基礎上歸納總結，旨在打造圍繞“基于腦電波信號分析的老年公寓室內色彩與光環境定量評價研究”，構建老年公寓室內不同色彩與光環境變化條件下“室內色彩和光環境動態調節－腦電波信號狀態特征”的映射關系模型，最終形成具有高普適性的老年公寓室內色彩與光環境定量評價體系。

2 國內外研究現狀及發展動態分析

近年來國內外分別從光學、色彩學兩個維度分別開展針對人居環境視覺舒適度研究，同時伴隨著學科交叉研究不斷深入，腦電、肌電、心電等人體生理指標逐漸作為研究重要參考數據被引入到相關研究之中，從而使研究結果更加貼近于理性客觀，進一步提升了相關研究的精確度。本章主要對國內外前期研究進行梳理分析，旨在歸納總結出目前國內外相關研究的現狀和未來研究趨勢，為日后本方向研究提供前期參考依據。

2.1 光與人居環境舒適度研究

前期研究主要針對室內外空間光與人居環境關系開展相關研究，室外空間如步行空間，室內空間如辦公空間、醫療空間、居住空間等。

郝洛西利用人工照明條件下光源的光譜能量分布對步行空間顏色識別進行研究，研究表明不同亮度環境條件下，4000K色溫時對顏色識別的準確率均為最高，且判斷誤差也最小，而2700K和6500K色溫條件下明顯減弱；不同色溫度條件下對顏色的識別度存在明顯差異，其中紅色最易識別，藍綠色最難識別[12]。

崔哲主要以光環境與老年人生理疾病關系開展研究，如老年人居住空間光照環境對阿爾海默病患者節律紊亂的緩解作用研究，基于老年人視覺特征的人居空間健康光環境動態研究，晝夜節律生理機制研究表明自然光季節變動以及極地地區季節變動對人體激素產生影響，可見未來人居空間光環境研究將成為科研焦點問題[13-15]。

徐俊麗基于視覺舒適的心內科重癥監護病房光照實驗研究，研究表明當照度在200lx時，病患滿意度最高；在照度一定的情況下，間接照明的比例與病患滿意度成正比；當照度100lx、200lx、400lx，照度值與醫護的滿意度成正相關；在照度一定的條件下，不同照度方式與醫護的滿意度并未呈現顯著線性關系[16]。

■圖2 不同色彩環境下腦電波信號與人類情緒狀態識別研究

Lee（李真淑，李喜元）建構不同室內光環境場景以不同年齡階段人群，作為評價對象進行空間光環境舒適度感性評價，研究表明20至30歲青年在不同色溫度和照度條件下，空間光環境舒適度明顯不同，其中色溫度6000K、照度100lx條件下，人體心率變化和腦電波信號變化平穩，人體處于最為安穩環境之中此時照明環境最為舒適[17-19]。

研究者本人所在課題組對室內不同光源位置LED照明條件下人體視覺舒適度和視疲勞程度影響進行研究如圖1所示（韓國忠南大學李真淑教授課題組階段性成果），研究表明20至30歲青年人在墻面照明條件下在色溫度3000～6000K、照度300～500lx變化范圍內視覺舒適度和視疲勞程度存在明顯差異，其中分別在色溫度3000K、照度200lx和色溫度4500K、照度350lx條件下，人體視覺舒適度到達最佳狀態，視疲勞程度最低。在天花板照明條件下在色溫度5000K、照度400lx和色溫度6000K、照度400lx條件下，人體視覺舒適度到達最佳狀態，視疲勞程度最低。綜上所述，前期參考研究的關注點為分析室內外不同光照條件變化對人體生理與心理的影響，找出滿足人體生理與心理需求最佳光環境條件，并依據研究結果完成相關設計規范編制。

2.2 室內色彩環境設計實踐研究

前期研究主要針對居住空間、辦公空間與醫療空間色彩環境與人體視覺舒適度關系開展研究。

陳堯東利用感性評價手段對不同色調和中性色調起居室下光照環境開展相關研究，在150lx照度下，相較于中性（黑、白、灰）色調，被試者對彩色色調起居室的所有照明場景的滿意度均更高；在中性色調起居室中，被試者對熒光燈（2700K）的照明場景滿意度更高；在彩色色調起居室中，被試者對LED(4000K）和熒光燈（2700K）的照明場景滿意度更高[20-21]。

楊翔宇以老年視覺特征為導向對室內色彩配置進行研究，總結得出避免視覺疲勞和舒適度的原則，并結合老年視覺特征提出適合多樣性空間表達的室內色彩配置策略[22]。

曹蘭對養老建筑室內公共空間的色彩設計進行研究，研究表明養老建筑餐飲空間色彩設計應選取暖色系色彩進行色彩搭配，空間內可以適當布置綠色植被，植物的種類應盡量選擇寬闊大葉植物；室內公共空間材質應減少金屬材質的運用，采用溫暖舒適的天然木材以及質感柔軟的合成材料作為主要裝飾材料[23]。

陸逸鳴以環境心理學作為研究方法對養老設施室內環境色彩進行研究，研究表明養老設施康復空間色彩宜采用溫馨舒適的暖色系明度高的色彩，應避免生硬的冷色系色彩使用，整體色彩氛圍應為輕松活潑滿足養老設施整體氛圍的需求[24]。

宋麗娜以知覺體驗對老年公寓空間環境進行研究，研究表明老年公寓的居室套間色彩設計主要以明亮歡快的色彩基調為主，裝飾材質選取上應選擇柔軟的木材織物為止、地面以淺色花紋塑料地板鋪裝，整體風格給人以怡靜、休閑感覺[25]。

■圖3 研究技術路線圖

彭玉琪以色彩心理學原理對老年康復醫院室內設計進行研究，研究表明老年康復醫院大廳前臺設計宜采用明度適中、純度較高的橙色進行導視系統設計，使老年患者能夠提升對各科室的反應速度；病房設計整體色調采用暖色調風格為主，宜采用純度較低明度適中的橙色作為主題色，黃綠色和橙紅色作為點綴色加以修飾，最終使老年患者從視覺到觸覺上都感到溫馨愉悅的氛圍[26]。

單磊以老年人情感體驗為切入點，通過對老年公寓生活的老人心理和生理的需求分析，對老年公寓空間設計的方法策略進行解析，分析老年公寓達到宜人居住環境的關鍵要素[27]。

耿涵通過對色彩的研究，探究色彩在眾創空間室內設計中的作用，希望通過具體的分析，能找到一套科學的室內色彩的設計方案[28]。

肖艷潔通過分析人的心理、生理需求，針對需求提出相應辦公空間設計方法，然后具體通過辦公室空間的布局、材料以及色彩設計等方法為使用者創造舒適、和諧的人性化辦公空間以展現企業的良好形象，提高使用者的工作效率，以期給辦公空間的設計者及研究者可參考的資料[29]。

2.3 腦電波信號情緒識別

近年來以人體生理信號作為研究切入點的研究日趨增加，人體的生理信號有心電信號，腦電波信號，皮膚信號等，其中腦電波信號是由人體最重要的器官大腦直接產生的，相較其他數據采集方式腦電波具有時效性高、靈敏度高、準確率高等特點，可以實時客觀地直接反映出人類的情感狀態，所產生的情緒會導致大腦發出不同活動的信號，是大腦活動的一種表現形式[30]。

現階段人體生理信號情緒識別研究主要從以下三個方向開展相關研究，人體生理信號基礎探索型研究、生理信號情緒識別評價分析型研究、生理信號情緒識別應用型研究。

Picard（皮卡德）是較早利用生理信號進行情緒分類的研究者。基于用肌電、血壓、皮膚阻抗等生理信號的統計學特征以及對這些特征進行變換合作，利用數學算法有效從肌電、血壓、皮膚阻抗等生理信號中對憤怒、悲傷、愉悅等情緒進行了分類，為之后的相關研究提供了早期研究基礎和參考依據[31]。

Kim（金宗元）等人通過皮膚電活動、心臟和血液循環、呼吸、肌肉活動等多種生理數據，實現對以音樂為誘發素材的情緒狀態識別，分別收集不同音樂條件下的人體生理數據，并結合K最近鄰算法（K-Nearest Neighbor）算法成功識別高興、憤怒、悲傷、愉悅這四種情緒狀態并達到93%高辨識率，為之后相關研究提供了可供參考的數學算法模型[32]。

■圖4 數據信息分析與情緒識別實施流程圖

湯明宏在前人研究的基礎上，重點研究不同腦電信號的特征提取，采用雙樹復小波變換對腦電信號進行分解和重構，并結合非線性動力學分析法中分形維數分析法，作為不同情緒腦電的特征值，運用支持向量機作為分類器，對傳統網格搜索法進行改進，得到分類效果較好的最優參數[33]。

仝來源鑒于傳統EEG信號情緒識別方法中的識別效果不佳和不利于便攜穿戴兩個方面的問題，文章通過對EEG腦電通道進行有目的選擇，在保證情感識別準確率的前提下，最大限度減少腦電通道數量，以及使情緒識別實驗的采集過程更加簡單易行，為后期便攜式腦電波采集設備研發打下堅實的基礎[34]。

王晴針對前期腦電信號的情緒分類算法的相關研究，本文提出一種基于腦電信號的新型情緒分類算法，并通過其他研究手段對新型算法模型進行驗證和檢驗，最終證明了新型情緒分類算法設計的合理和有效性[35]。

周暉旨在通過EEG技術，分別從能量、復雜度和復雜網絡的角度觀察光誘發睡眠狀態下的腦電特征，為探索誘發睡眠中大腦生理機制提供指導[36]。

沙文青將計算機作曲與以音樂治療為目的的腦電信息處理相結合，以腦電信號分析為依據，創造出具有針對性的樂曲，為音樂治療和計算機作曲的發展提供了新的思路[37]。

研究者本人所在研究課題組開展LED光源條件下，不同色彩環境對人體情感變化研究，主要對人體腦電波信號、心電信號、皮膚電信號、肌肉電信號等相關數據進行收集，并結合數學算法進行分析，找出不同色彩環境與人體情感變化之間的關系如圖2所示（韓國忠南大學李真淑教授課題組階段性成果），研究表明在不同色彩環境中所產生的腦電波信號存在較大差異。

2.4 前期研究分析總結

通過對前期參考文獻分析可以看出，此方面研究以感性評價為主的定性研究居多，定量研究較少，現階段數據收集辦法多采用問卷調查、現場咨詢等方法進行，還是采用較傳統方式進行前期數據采集工作，并未使用如人體生理信號采集分析、虛擬現實技術等先進技術手段與相關研究實踐相結合，學科之間協同性還處于初級階段，未來學科間協同性方面還有待提高[38]。并且定性研究提取過程中存在一定誤差影響研究準確性，而定量研究主要使用數學算法對前期收集的相關數據進行二次加工處理，對定性研究結果進行必要補充，并開辟新的研究路徑。其次，前期研究主要采用對人體腦電波信號進行數據采集并結合數學算法進行定量分析，確定腦電波信號與人類情緒狀態識別的對應關系，并將研究成果應用于日常生產實踐[39]。

3 老年公寓室內空間色彩與光環境定量評價

3.1 研究技術路線圖及數據分析流程

基于對前期研究成果的分析歸納，研究者對與之相對應的研究方法和實驗流程進行梳理優化，構建出適用于老年公寓室內色彩與光環境評價研究模型，開展基于腦電波信號分析條件下的老年公寓室內空間色彩與光環境定量評價，主要技術路線如圖3所示。

Level-1主要構建室內初始化評價模型，即空間場景還原和情緒識別兩大系統，并實現空間場景變換與主觀評價、腦電波信號采集同步實時測量，并對兩大系統進行前期評價測試，驗證兩大系統運行的同步性、有效性和準確性。

Level-2在已完成初始化評價模型中加入LED光環境變量，通過對色溫度和照度兩個變量變換，實現光環境評價模型構建，完成對老年公寓室內光環境量化分析。

Level-3依據得到的最佳光環境條件作為研究用光源信息進行色彩環境評價，使用NCS色彩體系依據色彩搭配原理對色相、明度、純度三個物理量進行變換，從而對初始化模型進行色彩搭配，完成三種空間色彩評價模型構建，并實現對老年公寓室內色彩環境量化分析。

Level-4首先對主觀評價結果和采集腦電波信號分別進行預處理；其次對主觀評價結果和腦電波信號進行特征提取；再次對主觀評價結果和腦電波信號進行特征融合；最后通過對主觀評價結果和腦電波信號分析進行情緒識別，從而確定老年公寓室內不同空間最佳色彩與光環境。

Level-5以上述研究數據作為前期研究基礎，對評價模型進行優化重組，構建基于“色彩與光環境變換—情緒識別”評價模型體系，形成具有普適性的老年公寓室內色彩與光環境定量評價體系，為老年公寓室內色彩與光環境設計提供理論依據和評價模型支持。

后期本研究通過分析數據信息與情緒識別對應關系，進而建構老年公寓室內色彩與光環境和老年人情緒一一對應關系，確定老年公寓室內最佳色彩與光環境條件[40]。數據信息分析與情緒識別實施流程如圖4所示，具體步驟如下：首先，進行對主觀評價結果和腦電波信號數據預處理。主觀評價分析主要應用統計分析學中因子分析、回歸分析對感性評價結果進行分析。對腦電波數據進行過濾提純得到可用于研究的腦電波信號；其次，進行對數據信息特征提取，以多種特征數據作為數據信息特征提取依據；再次，對數據進行特征融合處理，使用數學算法對數據信息進行分析處理；最后，對評價對象情緒識別進行分類，選擇支持向量機作為算法模型對情緒進行識別，同時結合主觀評價分析結果，確定最終情緒識別結果進而推測出老年公寓室內空間最佳色彩與光環境條件。

4 結語

本研究利用腦電波采集設備并結合虛擬現實技術，模擬人工照明條件下老年公寓室內空間色彩與光環境變化特征，構建基于老年公寓室內環境的虛擬現實模型，360度全景展示人工照明條件下老年公寓室內空間色彩與光環境變化情況。采用腦電波信號情緒識別系統，提取老年人在不同色彩與光環境變化條件下的腦電波信號特征，分析色彩與光環境改變而產生的情緒變化，實現老年公寓室內空間色彩與光環境舒適度定量分析，為未來老年公寓室內空間色彩與光環境設計提供理論依據。