基于虛擬現實技術的住宅光環境實驗研究

段涵，馬欣 （北方工業大學 建筑與藝術學院，北京 100144）

1 背景

研究顯示，光環境對人精神健康的影響權重比熱環境及空間更大。但是在現代城市人居空間中不利的室內環境因素中，聲環境與熱環境受到人們的廣泛關注，對人類身心健康影響頗深的光環境卻沒有受到足夠的重視。新冠疫情爆發后，人們在室內的時間更多，雖然疫情得到有效控制，會進一步平緩，但其突發的嚴重性應該得到重視。因此，探討人們喜愛的住宅光環境是勢在必行的。

2 實驗內容及方法

2.1 實驗目的

如今，人們更注重住宅的空間感、美觀性，幾乎沒有人把光環境考慮在內，而光環境對人身心健康有重要影響，因此，研究人們既喜愛又適宜的住宅光環境極為重要。考慮到請志愿者到現場頻繁換燈反復進行試驗的復雜性、經濟性與安全問題，需要尋求新的實驗方法，由于VR技術幾乎繼承了傳統圖像技術的優勢，并提供沉浸式的呈現及多維度的交互，通過VR技術對光環境進行可視化模擬，以替代真實光環境進行相關實驗來解決上述問題。

2.2 選址

住宅選址為北京市房山區一個小區，此戶型為經典“L”型戶型，2000年左右建成的50m2～60m2戶型的住宅較為普遍，具有普適性。此次試驗選取戶型如圖1、圖2所示。

圖1 住宅平面圖

圖2 住宅模型透視圖

2.3 場景模型構建

虛擬世界與現實世界的發光原理存在差異，模型中的照度，眩光等也不夠精確，且模型無法完全還原選定住宅的場景，為了更好地完成實驗，基于VR技術的場景模型構建，墻體、門窗等全部按照此住宅的實際尺寸建模，室內家具，色彩也盡力還原。無法還原的要選擇材料、顏色、表面粗糙度相近的材質替代。為了更好地對比，模型背景分為室內白膜與實際模型2類。室內白膜：墻體為白色，其余為現狀，有窗，無家具。實際模型：對調研的住宅1:1還原，色彩、材質盡量一致。

2.4 變量選擇

白天自然光實驗運用了2個變量，分別為時間和模型背景。為了測試每天的自然光環境是否滿足條件，實驗日期選擇了冬至這天，時間分別為8：00；12:00；16:00。又因房間分有窗和無窗兩種情況，而這兩種情況對白天自然光的影響非常大，所以，有窗的房間是關門做實驗，無窗的房間分開門和關門2種情況。因此，有窗的房間共6組參數，無窗的房間共12組參數。

夜晚人工照明實驗運用了3個變量，分別為照度值、色溫和模型背景。時間為冬至22:00，選擇3種照度值（次臥：75lx、150lx和 200lx；過廳：50lx、100lx和 150lx）和 2組色溫 3000k（暖）和5000k（中），因此每個房間共12組參數。

本實驗選取臥室和過廳2個相連空間進行實驗。其中次臥和過廳的第一個照度值為國家規定住宅的最低標準，第二個為國家規定老年住宅的最低標準，第三個按照照度分級標準在數值二上再上升一個等級。在對比實驗時，應著重感受三個等級的區別，以及同一個房間不同行為的區別。

2.5 實驗流程

①為志愿者介紹本實驗的流程、詳細講解在空間的每個點位要著重體驗的主要行為感受，解釋評價表中喜好、亮度、光色和眩光的意義與區別，說明VR場景中的注意事項，避免發生眩暈或感到其他不適。②根據表格調整光環境參數。③幫志愿者戴上VR頭盔，讓其自己操控設備，逐步了解及適應所有的虛擬場景。④測評空間內各個角落的光環境，要注意每個房間特定的功能，在指定功能下感受舒適度、喜好程度等，同時感受是否產生眩光。⑤及時填寫主觀評分表以表達最真實的感受。⑥重復步驟2～5，直到完成實驗。

2.6 實驗數據分析

選取了10名青年志愿者，分為男女兩類，對次臥和過廳不同參數的光環境進行主觀評價，從喜好、亮度、光色和眩光四個方面進行研究，人工照明男女兩類圖表數據分別為5人平均數。由于自然光沒有最優解，因此選取得分最高參數進行分析。

2.6.1 次臥自然光模擬

次臥白天自然光模擬結果：其他行為和閱讀得分最高的參數是中午12點+現狀背景（如圖3所示）。雖然此時光環境基本滿足所需，但仍有幾項評分不高，若需要更亮的條件，可以增加臺燈。雖然中午12點是其他行為和閱讀得分最高的參數，但這個時間對于休憩這一行為影響較大，評價較低。休憩得分最高的參數是早上8點+現狀背景（如圖4所示）。

圖3 中午12點+現狀背景評分表

圖4 早上8點+現狀背景評分表

2.6.2 過廳自然光模擬

圖5 中午12點+開門+現狀背景評分表

圖6 早上8點+關門+現狀背景評分表

過廳白天自然光模擬結果：其他行為和梳妝得分最高的參數是中午12點+開門+現狀背景。可以發現，在此條件下，各項評分依然不高，其他行為得分基本過關，梳妝的光環境得分較低，需要通過人工照明進行輔助。過廳關門3個時間段得分基本相同，因此選取相同的時間中午12點+關門+現狀背景，梳妝與其他行為得分都很低，需要開燈進行補光。

2.6.3 次臥人工照明模擬

國家規定臥室標準照度是75lx，但在臥室這個空間內，會產生“閱讀”這類對照度需求高的行為，房間只有一盞主燈，如何平衡這兩類行為的需求與喜好，同樣是需要探討的問題。

圖7 次臥光環境喜好主觀評分表（女）

圖8 次臥光環境喜好主觀評分表（男）

圖9 次臥光環境亮度主觀評分表（女）

圖10 次臥光環境亮度主觀評分表（男）

從志愿者對次臥光環境喜好程度的主觀評分來看，在進行閱讀這項活動時，更喜歡200lx的高照度，色溫3000k和5000k區別不大，在僅有75lx的時候，大家都對此非常不滿意，且從75lx當上升到150lx和200lx時，喜好變化趨勢非常大。75lx與150lx和200lx的喜好評分相差較大，但是150lx和200lx滿意度卻相差不大。證明人在閱讀時對照度的要求非常高，有一點昏暗都會感到不適，當照度基本滿足時，喜好度雖有微弱的變化，但在這個范圍內都可以接受。

次臥的其他行為模式對光環境的要求沒有閱讀這么高。尤其是在白膜條件下的測評，兩類色溫，三種照度的區別不大。但相比之下，3000k的暖色光得分較高。在現狀模型的條件下，不同參數對比更加明顯，但相比起還是更喜歡3000k的暖色光，且75lx和150lx足以滿足人們需求，甚至75lx更受人們喜愛。

從亮度主觀評分數據來看，在進行閱讀這項活動時，5000k+200lx和3000k+150lx的組合是評價較高的光環境。進行其他行為模式時5000k+150lx的組合是較好的光環境，且當背景為白色時，人們對亮度的感知受色溫照度的影響不大。

圖11 次臥光環境光色主觀評分表（女）

圖12 次臥光環境光色主觀評分表（男）

圖13 次臥光環境眩光主觀評分表（女）

圖14 次臥光環境眩光主觀評分表（男）

圖15 過廳光環境喜好主觀評分表（女）

圖16 過廳光環境喜好主觀評分表（男）

在2種背景下，閱讀與其他行為模式的情況不同。背景對閱讀的影響不大，但進行其他行為模式時，現狀模型要比白模評分高。推測為：當人們進行閱讀，集中注意力時，背景對人的影響較小。白色背景和現狀背景對于閱讀的變化趨勢基本相同，但是進行其他行為模式時，溫馨的背景對亮度的評價會更高。

從光色主觀評分柱狀圖來看，在進行其他行為模式時，最喜歡5000k+150lx光環境，同時發現，當照度為200lx時，3000k比5000k更受歡迎。閱讀綜合2種背景情況，3000k的光色更令人滿意，75lx的照度達不到標準，要選擇150lx或200lx的照度。

圖17 過廳光環境亮度主觀評分表（女）

圖18 過廳光環境亮度主觀評分表（男）

圖19 過廳光環境光色主觀評分表（女）

從眩光得分來看，基本都是高分，也就是說基本不會產生眩光。進行其他行為模式時，在白色背景下，200lx得分較低。可能是因為白色背景加上無家具的空曠室內，高照度會使人產生眩光，在現狀模型中，這些色溫與照度都基本令人滿意。

2.6.4 過廳人工照明模擬

從過廳光環境喜好主觀評分柱狀圖來看，人們喜歡150lx的照度。3000k和5000k評分相近。在進行其他行為模式時，背景與色溫影響不大，最喜歡100lx的照度。

對于過廳光環境亮度的評分跟喜好的主觀評分基本相似。無論是3000K還是5000k的色溫，都是喜歡150lx的照度。在進行其他行為模式時，只有白色背景下的3000k+50lx的光環境評分稍低，其余基本相同。

同樣的，光色的主觀評分變化趨勢與喜好和亮度的趨勢幾乎一樣。在梳妝的時候，150lx最優，50lx的照度相對較低，滿足不了人們的需求。在進行其他行為模式時，這些條件影響不大，但相比之下，100lx最優。

圖20 過廳光環境光色主觀評分表（男）

圖21 過廳光環境眩光主觀評分表（女）

圖22 過廳光環境眩光主觀評分表（男）

過廳的眩光評分與次臥的表現不同，幾乎都是5分的最高分。只有在150lx的照度時偶爾會感到輕微的眩光，且白色背景比現狀背景更容易產生眩光。

2.7 實驗結論

一個空間會有不同功能，所需光環境不同，可用變頻燈、局部射燈、臺燈滿足要求。

在白天，沒有窗的過廳需要開門借助有窗空間的自然光，或利用人工照明進行補光。有窗的次臥光環境基本滿足需求。

在晚上，次臥其他行為受色溫、照度的影響較小，現狀背景評分較高，綜合比較最優解為3000k+150lx的光環境；閱讀受背景的影響較小，5000k+200lx評分較高。

過廳進行梳妝時，5000k+150lx的參數更受喜愛，其他行為受光環境的影響不大，推測人們的視線在小型過渡空間的落點不多，從一個主要空間出來后視線基本會集中到另一個主要空間，對過廳的光環境感受不深。因此，更應該關注與過廳相連的空間，兩者過渡時光環境差異不應過大，不會讓眼睛感到不適即可。

綜合看來，當人們進行閱讀、梳妝這類需要著重用眼的行為時，更喜歡5000k，高照度；在進行日常其他行為時，3000k的色溫和略低的照度足以滿足需求。

3 總結與展望

為了保護身心健康，對光環境的要求應更加嚴格，又因疫情嚴重，導致在室內的時間更多。白天接收自然光對身心都是有益的，因此要在自然光線滿足的同時結合人工設計照明來輔助和完善，保證缺乏自然光時的照明，同時也應設計好夜晚時的人工照明，減少對人類眼球和其他身體機能的不利影響。本文借助VR技術，參考國內外相關研究成果，設計了住宅光環境的實驗，以2個普適性較大的空間為例，在志愿者的幫助下完成了實驗，得出了人們既喜愛又感到舒適的光環境。

通過數據可以發現，3000k與5000k的色溫模型里差距比較明顯，人眼也很容易感知到其變化，不同照度在VR實驗里也很容易被人們感受其中的變化，雖然10位志愿者對某幾個參數的評價不太一樣，男女兩類的評價也有一些分歧，但志愿者對每組參數評價的變化趨勢基本相同，所以，人的主觀感受在VR模型中是可模擬且相對真實的，借助VR技術研究住宅光環境的實驗可行性較高。實驗沒有完全探究到人們最喜愛的光環境，參數選擇需進一步改善，白天可增加開燈和拉上窗簾+開燈的變量，進行多項對比。晚上需著重評價得分相似的照度并增加更高照度進一步比對，進行深入研究，得出最佳住宅光環境。