主成分分析方法下的直視照明舒適度研究
——以3 000 K靜態(tài)照明眼部舒適為評估對象

馮 凱，郝洛西,代書劍

(1.同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092；2.高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室，上海 200092； 3.上海市城市更新及其空間優(yōu)化技術(shù)重點實驗室，上海 200092)

引言

隨著我國工業(yè)化積累的基本完成，各城市的發(fā)展方向開始由以往的生產(chǎn)建設(shè)向消費經(jīng)營過渡，消費主義正逐步成為主導(dǎo)城市開發(fā)的價值觀之一[1]。在此背景下，地方政府為了提升城市競爭力、獲得地區(qū)經(jīng)濟(jì)利益的進(jìn)一步發(fā)展，多采用“城市再開發(fā)”、“城市形象營銷”等手段不斷尋找新的經(jīng)濟(jì)增長點以刺激和拉動消費[2]。過程中夜晚經(jīng)濟(jì)發(fā)展由于直接與民眾生活相連，且具有成效快、見效好、可實施性強(qiáng)等特點已經(jīng)成為眾多城市挖掘消費潛力的主要手段，與之同期LED照明產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展、與數(shù)字技術(shù)的結(jié)合，以媒體立面、燈光秀為代表的有利于城市形象輸出、延長游客游覽時間的形式在夜景照明市場迎來發(fā)展熱潮，并成為輿情熱點[3]。

2021年發(fā)布的《超高層建筑夜景照明工程技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 859—2021)[4]和《LED夜景照明應(yīng)用技術(shù)要求》(GB/T 39237—2020)[5]中提出了以媒體立面為代表的直視照明(及燈具)相關(guān)定義與要求，明確其與傳統(tǒng)泛光照明的核心不同在于燈具發(fā)出的光線本身即是燈光的表現(xiàn)內(nèi)容(傳統(tǒng)泛光照明則依賴于被照物的表現(xiàn))。與傳統(tǒng)泛光照明方式相比，直視照明(圖1)為夜景表現(xiàn)提供了更好的多樣性和靈活性。但同時應(yīng)該認(rèn)識到此類燈具發(fā)出的光線直接進(jìn)入城市環(huán)境與人眼，如不進(jìn)行綜合、有效地評估，極易引起眩光或光污染。

圖1 直視照明在城市中的廣泛應(yīng)用Fig.1 Extensive use of lighting for direct viewing

1 以媒體立面為代表的直視照明統(tǒng)計分析

對2021年7月建黨一百周年紀(jì)念活動中一線、新一線、二線共49座城市的夜景建設(shè)情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，其中有29座進(jìn)行了傳統(tǒng)泛光照明建設(shè)，47座進(jìn)行了媒體立面燈光聯(lián)動建設(shè)(其中有37座城市為較大規(guī)模)，4座城市進(jìn)行了山體燈光秀演繹，31座城市進(jìn)行了臨時性燈光(如3D投影、無人機(jī)、激光、噴泉水幕秀等)表演，夜景建設(shè)的火熱程序可見一斑(表1)。特別是49座城市中有47座城市通過不同規(guī)模的媒體立面建設(shè)(或演繹)，一方面?zhèn)鬟_(dá)了特定節(jié)日的主題需求，另一方面也說明此類照明方式在城市中的廣泛存在。統(tǒng)計中的49座城市是我國建設(shè)發(fā)展最為領(lǐng)先的城市，在政治、經(jīng)濟(jì)、文化等眾多方面對周邊城市或地區(qū)乃至全國有著重要影響力，其城市夜景表現(xiàn)形式同樣在一定時期內(nèi)會成為更多城市的建設(shè)標(biāo)向，如何在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)媒體立面的科學(xué)、有序發(fā)展與管控，是需要不斷思考與探索的工作。

表1 節(jié)慶期間一線、新一線、二線城市夜景燈光建設(shè)統(tǒng)計表

作為城市夜景表現(xiàn)的重要手段，直視照明類項目在權(quán)威平臺的獲獎情況也可反應(yīng)其在建設(shè)活動中的火熱程度。對近3年國內(nèi)認(rèn)可度較高的城市夜景照明相關(guān)獎項的評選結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，包括中照照明獎(2018—2020)、亞洲照明設(shè)計獎(AALD，2019—2021)、白玉蘭照明獎(2018—2019)、金手指獎(2018—2020)(表2)。為便于分析，本次統(tǒng)計以媒體立面為對象，結(jié)果顯示媒體立面類項目在各獎項中獲獎?wù)急染?5%～20%范圍周邊(其中金手指獎?wù)急容^高，均在20%以上)，且各年占比相對比較穩(wěn)定(除白玉蘭獎從2018年26.7%大幅下降至2019年的11.9%)。媒體立面類項目在以上獎項中的獲獎情況及占比份額進(jìn)一步表明其已經(jīng)成為城市夜景建設(shè)的重要組成部分，且現(xiàn)實環(huán)境中會有更大量的(未獲獎)媒體立面類項目存在。另外，本次統(tǒng)計僅針對彩色、動態(tài)主導(dǎo)的媒體立面類項目，未包括靜態(tài)直視照明，如將直視照明作為統(tǒng)計對象，項目占比仍有上升空間，此結(jié)果也間接表明直視照明在現(xiàn)實環(huán)境中被廣泛運用。

表2 照明獎項中媒體立面類項目及占比統(tǒng)計

2 亮度影響下的城市照明健康問題

過強(qiáng)(以亮度為典型代表)的夜間照明(LAN，Lights at Night)會對人的眼睛、情緒和晝夜節(jié)律產(chǎn)生負(fù)面影響[6, 7]，夜間燈光的高亮度可能會導(dǎo)致視覺不適，如眼睛疲勞、疼痛、聚焦困難等[8]，成為夜間公眾觀看和體驗的負(fù)面來源。長期累積效應(yīng)可能破壞人體生理功能，導(dǎo)致晝夜節(jié)律和神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)紊亂，并誘發(fā)肥胖、糖尿病、抑郁癥和癌癥，對身心健康的負(fù)面影響可能不會逆轉(zhuǎn)[9, 10]。盡管夜間室外照明對人眼影響的機(jī)制尚不清楚，但夜間暴露在明亮環(huán)境中會影響人類的視覺、生理和心理[9, 11-14]。研究表明，夜間睡眠時5 lx或更高的亮度會增加眼睛疲勞[8]。Zalesinska(2018)在實驗室模擬實驗中提出，夜間LED廣告牌圖像亮度在視野中的位置對駕駛員的視覺性能有重大影響[15]。大量研究證明，LED屏幕的亮度與視覺疲勞程度有關(guān)[16, 17]。通過適當(dāng)?shù)牧炼葘Ρ仍O(shè)置可以提高視覺舒適度，但當(dāng)亮度對比超過一定范圍時，視覺舒適度會再次降低[18]。

以上研究均表明，針對亮度的管控是面向更舒適城市夜晚環(huán)境建設(shè)的重要手段。但現(xiàn)行各類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要針對傳統(tǒng)照明方式或產(chǎn)品，對直視照明的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這會直接導(dǎo)致設(shè)計過程中缺乏科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和運營過程中缺乏有效依據(jù)，相關(guān)研究應(yīng)盡早展開。但需要關(guān)注的是，城市室外環(huán)境中存在眾多影響判斷的不可控因素對研究造成干擾，因此有必要預(yù)先在實驗室研究不同燈光變量對人體舒適性的影響，并在研究成熟時，在城市環(huán)境中進(jìn)行完善的驗證與修正，這也是本次研究采用的方法。

3 面向直視照明舒適度的實驗室研究

實驗裝置由觀察箱和光源組件組成(圖2、圖3)。光源組件通過在底板(600 mm×600 mm)上等間距固定15條線性燈具(長度500 mm)，背部連接電源和控制器(圖4左)；觀察箱可通過拼接方式進(jìn)行尺寸調(diào)整，本次實驗選擇3 m/6 m/9 m共3種觀察距離，為受試者提供不同的觀察體驗(圖4右)。實驗選用建設(shè)活動中廣泛應(yīng)用的線性燈(18 W，出光面配有啞光罩)。實驗過程中通過控制光源芯片的色坐標(biāo)占比(20%/40%/60%/80%/100%)形成5個亮度級別供被試觀察(參數(shù)見表3)。實驗前被試在黑暗環(huán)境中觀看一段3 min的夜景視頻，以利于被試進(jìn)入(模擬)夜晚實驗狀態(tài)，過程中室內(nèi)(其他)燈具處于關(guān)閉狀態(tài)，并播放城市背景音頻文件(起白噪音作用)。

圖2 實驗場景示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental scene

圖3 實驗裝置現(xiàn)場圖Fig.3 Photos of experimental device

圖4 燈光組件(左)與觀察箱(右)Fig.4 Light source assembly (left) and observation box (right)

在實驗階段，受試者被要求觀看不同的燈光場景1 min，隨后閉眼休息并通過問答形式獲得眼睛舒適主觀評價量表，量表包含7個選項(表4)，采用語義差別量表方式進(jìn)行評估(表5)。

實驗被試共35人參加，因受實驗條件限制，首先進(jìn)行第一批(3 m)實驗，共計20人；第二批實驗15人(同時參加6 m和9 m)，被試年齡在20～45歲區(qū)間。最終獲得有效問卷250份，其中3 m實驗100份(20人×5亮度等級)，6 m和9 m實驗各75份(15人×5亮度等級)。問卷信度分析顯示Crobach’s Alpha和基于標(biāo)準(zhǔn)化項的Crobach’s Alpha分別為0.957和0.962，表明問卷信度較高(表6)。

表3 不同亮度等級對應(yīng)的平均亮度

表4 眼部與情緒舒適評價選項

表5 主觀問卷選項及意義

表6 主觀問卷信度分析

4 主成分分析方法下的舒適性評估

整理各被試的主觀評價數(shù)據(jù)，通過R語言進(jìn)行主成分分析。分析7個變量(見前文)的系數(shù)矩陣(以6 m實驗為例)，發(fā)現(xiàn)對角線以外多個數(shù)值接近1，表明7個變量之間存在信息重疊(圖5)，因此可以通過主成分分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為進(jìn)一步確認(rèn)主成分分析方法的可靠性，通過bartlett球形檢驗得出p值為4.473409e-155(遠(yuǎn)小于0.05)和更為嚴(yán)格的KMO檢驗得出MSA值為0.95(大于0.7，說明數(shù)據(jù)非常適合主成分分析；大于0.5，說明數(shù)據(jù)可以做主成分但是存有一定誤差；小于0.5說明數(shù)據(jù)不合適采用主成分分析法)，兩種檢驗方法均表明數(shù)據(jù)非常可靠且高度適用于主成分分析方法(圖6)。

圖5 系數(shù)矩陣分析(6 m觀察距離)(圖片來源：R語言導(dǎo)出)Fig.5 Coefficient matrix analysis (6 m observation distance)

圖6 bartlett球形檢驗(左)和KMO檢驗(右)結(jié)果(圖片來源：R語言分析界面截圖)Fig.6 Results of Bartlett spherical test (left) and KMO test (right)

由碎石圖(圖7)和累計方差(表7)可知前兩個主成分解釋了90%的信息，考慮到實際問題中可能存在各種誤差帶來的影響，以及方便后期圖形繪制，本次研究選取第一個主成分(Comp.1，可解釋79.89%的信息)來描述7個變量代表的信息。

圖7 各主成分表征權(quán)重碎石圖(圖片來源：R語言導(dǎo)出)Fig.7 Representation weight diagram of each principal component

表7 各主成分累計方差統(tǒng)計表

圖8 主成分中各因子的載荷矩陣(圖片來源：R語言導(dǎo)出)Fig.8 Load matrix of each factor in principal component

查看主成分的載荷矩陣(圖8)，獲得新變量(命名為Ynew)中各因子的系數(shù)及數(shù)學(xué)表達(dá)式：

Ynew=0.417V1+0.351V2+0.432V3+
0.352V4+0.343V5+0.340V6+0.399V7

式中，Ynew：用于評價主觀舒適的新變量(本次研究選用Comp.1)，其綜合了眼部感受的各方面信息，取名為“眼部舒適感受”；

Vx：分別表示“眼部舒適”、“眼部干澀或酸脹”、“不愿直視”、“視物模糊”、“流淚感”、“異物或刺痛感”、“眨眼頻繁”；

系數(shù)：根據(jù)載荷矩陣求得各因子的權(quán)重(系數(shù))。

基于上式可知，各因子與舒適度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，且各自權(quán)重分布較為均衡(均在0.4周邊)，表明各因子對結(jié)果的輸出均起到正向(且相近)的作用，同時根據(jù)Ynew可獲得各被試在此場景下眼部舒適的變化折線圖(圖9)。

圖9 3 000 K(6 m)靜態(tài)場景下各被試的眼部舒適感受折線圖(注：圖中不同顏色的折線代表不同被試，后文同；圖片來源：R語言導(dǎo)出)Fig.9 Diagram of eye comfort of each subject under 3 000 K (6 m) static scene

由圖9可知，隨著亮度的提高(從20%～100%)，15位被試者的眼部舒適感受雖然存在較明顯的個體差異，但總體上仍呈現(xiàn)下降趨勢，說明隨著亮度升高會引起被試眼部舒適度的降低。在對各被試進(jìn)行詳細(xì)分析時發(fā)現(xiàn)，部分被試者的眼部舒適感受降幅較大，將這些被試者稱為“眼部敏感群體”；而另外一些被試者的眼部舒適感受變化則相對較平緩，將這些被試者稱為“眼部不敏感群體”。針對這兩類人群分別繪制折線圖，以便去除縱坐標(biāo)變化范圍過大的影響(不敏感人群的折線重疊較多不易判別)，更清晰地查看眼部舒適變化(圖10、圖11)。

圖10 敏感群體眼部舒適折線圖(圖片來源：R語言導(dǎo)出)Fig.10 Diagram of eye comfort for sensitive groups

圖11 不敏感群體眼部舒適折線圖(圖片來源：R語言導(dǎo)出)Fig.11 Diagram of eye comfort for insensitive groups

通過比對可知，兩類人群的舒適度降幅雖然存有較大差異(個體因素引起)，但整體仍呈現(xiàn)亮度升高舒適度降低特征，與前文結(jié)論一致。但同時發(fā)現(xiàn)少量被試的變化曲線為V形(如圖9中淺藍(lán)線，圖10中黑線、紫線)，表明某一中間亮度引起了其最大不適，隨后會出現(xiàn)舒適度上升現(xiàn)象，而實驗過程中也有部分被試反應(yīng)“舒適度并非持續(xù)下降，部分中間場景反而會有所提升”。另一方面?zhèn)€別被試的變化為倒V形(圖9中橙色線)，表明該被試認(rèn)為過低或過高亮度會引起不適，而中間亮度接受度更高。此特征在3 m和9 m實驗中也有出現(xiàn)，無論V形或倒V形折線，均表明“中間亮度”對部分人群具有更高的敏感性(更舒適或更不適)。考慮到本次實驗各燈光場景的樣本量較小(15～20人)，出現(xiàn)以上特征的對象占比較高(4/15人次)，當(dāng)樣本量增大時是否仍有此特征(不顯著或更顯著)，需要在未來研究中對此類現(xiàn)象進(jìn)行關(guān)注。

采用相同方法分析被試在3 m、6 m、9 m實驗中的主觀感受結(jié)果(表8)：整體層面3次實驗均呈現(xiàn)隨亮度升高舒適感降低趨勢；3組數(shù)據(jù)的比對中發(fā)現(xiàn)，3 m觀察距離實驗中舒適度的降低幅度較為平緩，而6 m和9 m場景中有更多被試體現(xiàn)出“高落差”特征，即6 m和9 m場景有更多被試在低亮度場景下的舒適度更高(Ynew值更高)，但隨著亮度升高會出現(xiàn)快速下降特征，最終在100%輝度時3個觀察距離的結(jié)論相近，這表明在遠(yuǎn)距離觀察時，被試在低亮度場景中對燈光的可接受程度(舒適度)更高，但在高亮度場景中無論觀察距離如何變化，被試的評價結(jié)論均較差；3 m和9 m實驗中同樣有部分被試與6 m實驗類似，會出現(xiàn)折線拐點情況，其中3 m場景中出現(xiàn)V形折線有1人，倒V形折線4人，9 m場景中V形3人，倒V形5人，同時發(fā)現(xiàn)40%和60%是更容易出現(xiàn)拐點的亮度等級。此結(jié)論進(jìn)一步表明，在大樣本(或重復(fù)性)實驗中，類似人群可能會頻繁出現(xiàn)，在未來相關(guān)研究中應(yīng)進(jìn)行關(guān)注。需說明的是，即使出現(xiàn)折線拐點，仍有部分被試(在整體層面)遵循“隨亮度升高舒適度降低”結(jié)論。

表8 3 m、6 m、9 m觀察距離下眼部舒適分析

5 總結(jié)

(1)關(guān)于研究內(nèi)容的總結(jié)與探討。

亮度作為人眼對外界環(huán)境最為敏感的指標(biāo)之一，對眼部舒適起到直接影響作用。本次研究通過搭建實驗室模型裝置，對直視照明場景中不同亮度對人眼舒適的影響進(jìn)行研究。通過實驗方法與流程的設(shè)計盡可能為被試提供與城市相近的體驗環(huán)境，促進(jìn)有效數(shù)據(jù)地收集；在數(shù)據(jù)處理過程中相較于傳統(tǒng)的平均數(shù)、中位數(shù)等分析方法，主成分分析方法能夠更好地了解各評估項(因子)對整體感受的影響程度，同時可以更好地解讀被試間變化趨勢的差異性，對于特殊群體的識別具有積極意義；最終結(jié)論驗證了亮度等級與眼部舒適的反向關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)了具有特殊性的舒適度變化規(guī)律，同時為未來大樣本研究提出建議。

受實驗條件限制，研究中的被試無法同時參加3個觀察距離的實驗，會對實驗數(shù)據(jù)有一定影響。雖然現(xiàn)有數(shù)據(jù)的整體變化趨勢仍可得出共性特征，且特殊人群(V形或倒V形折線)均有相似性，表明數(shù)據(jù)體現(xiàn)了被試的共性特征，但仍應(yīng)完善實驗方法以更好地探究距離變量下的影響；直視照明對視覺舒適的影響變量包括亮度、色彩、動態(tài)形式(或速度)等均應(yīng)作為研究對象，需在下一步研究中引入并作綜合性分析；實驗結(jié)論需在真實城市環(huán)境中進(jìn)行驗證與反饋修正，以得出能夠適用于城市環(huán)境的科學(xué)結(jié)論，最終為相關(guān)研究提供參考與支持。

(2)關(guān)于評估方法的討論。

直視照明被廣泛運用于城市夜景建設(shè)當(dāng)中，面對評估標(biāo)準(zhǔn)滯后的現(xiàn)實情況，及時推進(jìn)相關(guān)評估研究是極為重要的。這一過程中視覺作為人類收集外界信息的首要通道，如何評估直視照明對人眼舒適的影響，快速準(zhǔn)確地收集視覺疲勞或不適信息，是探討評估直視照明品質(zhì)的有效思路。視覺不適(或疲勞)癥狀可以通過主觀感覺和客觀指標(biāo)來識別。早期研究中主觀問卷被用來測量疲勞感，其中以卡羅林斯卡嗜睡量表(KSS)的應(yīng)用最為廣泛[19-21]。另外一些研究使用精神運動警覺測試(PVT)反應(yīng)時間等指標(biāo)作為嗜睡的客觀證據(jù)[14]，但研究發(fā)現(xiàn)任務(wù)績效和反應(yīng)時對疲勞的變化不敏感，且這種測試要求受試者花時間完成任務(wù)，而且無法準(zhǔn)確反映即時疲勞狀態(tài)[22, 23]。近年來使用的生物測量方法，如心電圖、腦電圖、皮膚電反應(yīng)、皮膚溫度、PPG(photoplethymography)、眼動數(shù)據(jù)等[24-26]，可以客觀地反映受試者的疲勞程度，但測量結(jié)果受到外部環(huán)境刺激的影響很大(如溫度、濕度、噪聲等)，而且復(fù)雜的實驗裝置對實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。由此可見，關(guān)于視覺不適(或疲勞)的評估方法仍應(yīng)進(jìn)行不斷探索，以更好地服務(wù)于研究內(nèi)容。