引入模擬自然照明的室內(nèi)光環(huán)境對情緒的影響作用研究

■ CUI Zhe GUO Yu HATTA Kazuhiro SHI Qingjiang

1 研究背景

近年來，人們對人居環(huán)境品質(zhì)越來越重視，室內(nèi)光環(huán)境是影響人居環(huán)境品質(zhì)的重要因素。良好的光環(huán)境可以改善睡眠，舒緩情緒，降低抑郁癥等精神疾病的發(fā)生概率。2002年，Berson 等人在視網(wǎng)膜上發(fā)現(xiàn)了mRGCs，從細胞層面驗證了光的療愈作用[1]。Kobayashi 等人的研究表明，強光照刺激可以顯著改善老年人的睡眠紊亂[2]；Lieverse 等人采用了漢密爾頓抑郁量表結(jié)合睡眠、褪黑素等生理檢測的方法，發(fā)現(xiàn)了光療能有效改善抑郁癥患者的情緒[3]；Kuijsters 等人的研究表明，積極的光環(huán)境對負面情緒有很明顯的改善作用[4]。但是，以上研究對情緒的量化多停留在定性的層面，近年來Alan Cowen 先后做了語義空間中的情緒維度[5]和跨文化音樂-情緒效應(yīng)[6]的研究，提出了基于27 維情緒理論的量化方法。本研究以該理論為基礎(chǔ)，研究模擬自然照明對被試情緒的影響作用。

2 實驗設(shè)計

（1）實驗場所：實驗空間的布置方法如圖1 所示，分為體驗間與準備間。為了消除自然光對實驗的影響，二者皆為無窗空間。體驗間用于切換不同場景；準備間設(shè)置基礎(chǔ)光環(huán)境，用于消除視覺履歷；兩個房間之間的過渡空間同樣設(shè)置了基礎(chǔ)光環(huán)境。實驗地點為同濟大學(xué)適老光環(huán)境實驗室（上海市楊浦區(qū)四平路1239 號，文遠樓115）。

（2）照明設(shè)備：包括筒燈、洗墻燈、模擬窗、Space Player 四種，其布置如圖2 所示。筒燈和洗墻燈的色溫均為4 000 K，顯色性為Ra90，在每個空間均勻分布，以營造均勻的背景亮度；模擬窗和Space Player 為松下電器研究開發(fā)（蘇州）有限公司提供的模擬自然照明設(shè)備，模擬窗可以模擬7 種自然環(huán)境的動態(tài)場景，Space Player 可以模擬自然光下的動態(tài)樹影。將Space Player 懸掛在通電導(dǎo)軌上，調(diào)整位置，將動態(tài)樹影投射在模擬窗對面的墻面與地面上，與模擬窗共同營造模擬自然光環(huán)境，如圖 3 所示。

（3）照明控制：模擬自然照明設(shè)備用各自的控制器來控制開啟或關(guān)閉。背景亮度由筒燈與洗墻燈提供，采用藍牙MESH 系統(tǒng)統(tǒng)一控制燈具的出光量。圖4 中1～10 為照度測量點，測量設(shè)備為XYI-III 型全數(shù)字照度計，其中3、7 和10 分別為坐臥、在門口站立和在窗邊站立時的眼部位置，測量的是眼部的垂直照度，其他均為水平照度。不同背景亮度下的照度如表1 所示。

（4）情緒量表：采用27 維情緒模型來制定量表（表2），該情緒模型包含了語義空間中的所有情緒。將27 類情緒作為項目，采用SD 評分法（0～100）制定量表，并增加“自然感”項目。在問卷制作時，將此量表制作了四種隨機的排序。

圖1 實驗空間布置圖

圖3 模擬自然光環(huán)境示意圖

圖4 測量點位圖

表1 體驗間環(huán)境光照度值

表2 情緒項目以及編號

（5）實驗場景:為了探索相同光環(huán)境條件下，行為模式對情緒是否具有影響作用，本實驗擬定了3 種日常行為模式，如圖5 所示：A-門口，模擬剛剛進入房間的場景；B-窗邊，模擬站立在窗邊的場景；C-翹起60°的護理床上，模擬小憩場景。實驗場景設(shè)計方面，如表3 所示，通過調(diào)節(jié)背景亮度與模擬自然照明的組合，結(jié)合3 種行為模式，形成60 個場景。其中，背景亮度擬定4檔出光量，分別為0%、10%、50%、100%；模擬窗采用樹林場景（以下用“tr”代替）和藍天白云場景（以下用“sky”代替）兩種；Space Player 有開或關(guān)兩種方式（以下用“pr”代替）。

圖5 3 種行為模式圖

表3 體驗間60 個場景及編號

（6）實驗流程及被試選擇：實驗流程如圖6 所示，主試切換不同的實驗場景，被試進入體驗，體驗結(jié)束后在準備間填寫量表并交給副試；當(dāng)所有被試完成體驗后，切換下一實驗場景，完成所有實驗場景記為一次實驗。實驗進行兩天，每天一次（以下用D1表示第一天，D2表示第二天），每次隨機選擇2～3 個（第一天2個，第二天3 個）實驗場景重復(fù)測量，以此檢驗被試評分的準確性。為了防止被試發(fā)現(xiàn)實驗場景設(shè)置的規(guī)律進而干擾評分，將每一天的所有實驗場景包括重復(fù)場景進行隨機排列。實驗前讓被試在準備間中休息5 min，隨后主試調(diào)整好實驗場景，每個被試單獨進入體驗間，每人每個場景體驗25 s，隨后回到準備間填寫問卷。一次實驗的時間約為5 h，早8:00 開始，結(jié)束后向被試發(fā)放午飯。根據(jù)實驗要求，招募4 男4 女共8 名同濟大學(xué)在讀學(xué)生為被試，年齡區(qū)間為（23±6）歲。所有被試均身體健康，智力正常，無視力障礙、精神障礙等疾病。實驗當(dāng)天1 名男生出現(xiàn)意外狀況沒能參與實驗，故最終有7 名被試參與了本實驗（以下用P1-7表示7名被試）。

圖6 實驗流程圖

3 實驗結(jié)果及有效性檢驗

經(jīng)過兩天的實驗，共獲得了875×28 共24 500 個數(shù)據(jù)點。首先對量表的28 個情緒進行信度檢驗，結(jié)果是：分半信度為0.930，克龍巴赫Alpha 系數(shù)為0.932，量表具有高信度。為了簡化后面的論述，分別用數(shù)字和小寫字母的下標代表特定編號和某個編號，并與大寫字母組合代表相應(yīng)的數(shù)據(jù)群，如：用Ei代表“某個情緒”的數(shù)據(jù)；用EiS3代表“3 號場景-某個情緒”的數(shù)據(jù)。涉及到數(shù)據(jù)的處理時，采用“公式（字母）”的方式，如用mean（EiS12D1）代表“某情緒-12號場景-第一天”的數(shù)據(jù)平均值。

3.1 被試有效性檢驗

用箱型圖檢驗每一組EiSj數(shù)據(jù)的離群值，追蹤產(chǎn)生離群值的被試，結(jié)果是P7的離群值最多。根據(jù)5 個重復(fù)場景的評分差值檢驗被試對場景中情緒認知的準確性。對于每一個被試Pi，將20～30之間的差值記1次異常，將大于30 的差值記2 次異常，結(jié)果為P7的異常次數(shù)最多，其次為P1和P2。

對于任意一個EiSj，mean（EiSjD1）與mean（EiSjD2）的差值不應(yīng)過大，且不應(yīng)相對于情緒的基準值有相反的變化趨勢，否則認為其是異常評分。統(tǒng)計了原始數(shù)據(jù)異常評分的個數(shù)，方法如下：對于每一組Ei，將1～100的評分以10 為距等分成10 個區(qū)間，找 出 包 含 最 多mean（EiSjDk） 及mean（EiSj）的區(qū)間作為Ei的基準值區(qū)間，記為[Ei]；據(jù)此求出Ei的異常評分個數(shù)，記為abn(Ei)；所有abn（Ei）的總和即為原始數(shù)據(jù)異常評分的個數(shù)。abn（Ei）的計算規(guī)則為：對于每一組EiSj數(shù)據(jù)，計算mean（EiSjD1）與mean（EiSjD2）的差值，若差值大于20 則記為異常；小于等于10 記為正常；差異在10～20 之間的，若兩值都不包含在[Ei]范圍內(nèi)且分在[Ei]的兩側(cè)，記為異常，其他記為正常，最終求出原始數(shù)據(jù)的異常評分個數(shù)為170。根據(jù)上一段的結(jié)論，需要對P7、P1和P2進行檢驗，分別統(tǒng)計了原始數(shù)據(jù)，去掉P7、P1、P2后的異常評分個數(shù)，結(jié)果是去掉P7后的異常評分最少。

綜上所述，P7在所設(shè)定的場景中對自我的情緒沒有準確的認知，其數(shù)據(jù)對分析結(jié)果將造成干擾，因此剔除P7的數(shù)據(jù)，對于其他異常不做處理。

3.2 情緒有效性檢驗

根據(jù)Alan Cowen 的情緒理論，量表中的27 種情緒可以代表語義空間中的所有情緒，但在本研究中是否每一個情緒都有效還需要檢驗。評分反映了情緒的激發(fā)程度，原則上評分高的情緒為有效情緒，評分保持很低的情緒為無效情緒，本研究分別從激發(fā)、未激發(fā)和集中趨勢三種角度探討了情緒的有效性。

從情緒激發(fā)角度看，設(shè)定每一個場景中，情緒得分最高的前10 位為激發(fā)情緒，而在60 個場景中都沒有被激發(fā)過的情緒為無效情緒。情緒得分為每個場景中的該情緒得分的平均值（mean（EiSj）），最終篩選出E1、E2、E5、E7、E8、E11、E26、E27共8 個無效情緒。

從情緒未激發(fā)角度看，將每一個場景中評分最低的一小部分定為未激發(fā)情緒，則在60 個場景中都未激發(fā)的情緒為無效情緒。統(tǒng)計仍然使用mean（EiSj），最終篩選出E1、E2、E5、E7、E8、E26、E27共7 個無效情緒。

從數(shù)據(jù)集中趨勢來看，情緒評分在20 以下為較弱的激發(fā)度，若一個情緒的評分幾乎全部都在20分以下，則將該情緒定義為無效情緒。對于每一個情緒Ei，統(tǒng)計其評分小于20 的次數(shù)，若在712（全部數(shù)據(jù)的95%）以上，則將該情緒定義為無效情緒。統(tǒng)計使用的數(shù)據(jù)為全部數(shù)據(jù)，最終篩選 出E1、E2、E5、E7、E8、E26、E27共7 個無效情緒。綜合考慮之后，認為在所設(shè)定的實驗場景中，E1、E2、E5、E7、E8、E26、E27共7 個 情 緒 為無效情緒。

至此，數(shù)據(jù)篩查結(jié)束，將原始數(shù)據(jù)優(yōu)化為750×21 共15 750 個數(shù)據(jù)點。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 因子分析

為了更清晰地描述所設(shè)置的場景對21 種情緒的影響，將情緒數(shù)據(jù)通過因子分析進行降維。有效情緒中的E25描述的“滿意”是對場景的整體描述，故將除E25以外的20 個情緒在SPSS 中進行因子分析。分析結(jié)果為：KMO 取樣適切性量數(shù)為0.894，巴特利特球形度檢驗顯著性為0.000，數(shù)據(jù)適合因子分析。分析獲得了4 個因子：因 子1（F1）描述E17、E6、E14、E18、E13、E24、E15、E11、E9、E12情緒，定義為懼怕感；因子2（F2）描述E22、E10、E28情緒，定義為放松感；因子3（F3）描述E16、E4、E19、E20情緒，定義為興奮感；因子4（F4）描述E3、E23、E21情緒，定義為趣味感。將21 種情緒歸結(jié)為懼怕感、放松感、興奮感、趣味感4 類情緒與整體的滿意度（E25）并進一步分析。

4.2 模擬自然照明對情緒的影響作用分析

將60 個場景根據(jù)模擬自然照明分為無模擬（none）、只有模擬窗（window）、只有動態(tài)樹影（project）、有動態(tài)樹影+模擬窗（project+window）四 類。圖7 描述了模擬自然照明對情緒的影響作用，模擬自然照明能夠降低懼怕感，提高放松感、興奮感、趣味感和滿意度，但在不同的背景亮度下有所差異。每個子圖描述一類情緒，所采用的數(shù)據(jù)為各個實驗場景的情緒平均值，每個點的橫坐標為無模擬自然照明場景的情緒數(shù)據(jù)，縱坐標為相對應(yīng)的增加了模擬自然照明后的情緒數(shù)據(jù)；每個散點圖中包含一條y=x 參考線，通過點與參考線的相對位置來判斷情緒數(shù)據(jù)的增減，例如：某點的橫坐標為A-50 場景的懼怕感分值，縱坐標為A-50-pr 場景的懼怕感分值，該點位于參考線下方，故動態(tài)樹影降低了懼怕感。將不同場景用點的形狀和顏色做區(qū)分：紅色系、綠色系、藍色系分別代表A、B、C 三種行為模式，顏色的由深到淺代表背景光的由低到高，圓形、三角形、正方形分別代表window、project、project+window。通過分析點的分布來判斷情緒變化，例如，在圖7（1）中：最深的紅色點都在參考線下方，說明在A 行為模式及沒有背景亮度時，模擬自然照明可以降低懼怕感，根據(jù)這些點的上下位置可得，模擬自然照明對情緒影響大小的排序是project+window＞project＞window；最淺的紅色點除了圓形點以外都在參考線的下面，故在A 行為模式及沒有背景亮度時，project 和project+window 可以降低懼怕感；從點的分布來看，淺色點分布在低數(shù)值區(qū)，深色點分布在高數(shù)值區(qū)，故較暗的背景亮度會使人產(chǎn)生懼怕感。

4.3 背景亮度對情緒的影響作用分析

圖7 不同模擬自然照明下的情緒數(shù)據(jù)

圖8 不同環(huán)境光出光量下的情緒數(shù)據(jù)

圖8 描述了背景亮度對情緒的影響，背景亮度的增大可以提高興奮感，對懼怕感、放松感、趣味感和滿意度似乎沒有明顯影響。但由于情緒隨光強度的變化曲線經(jīng)常是非線性的，情緒隨背景亮度的變化可能存在極值，故對情緒的影響還需要進一步分析。散點圖所采用的數(shù)據(jù)是每個實驗場景的情緒平均值，每個點的橫坐標為除燈具出光量為100%的某個場景的情緒數(shù)據(jù)，縱坐標為相對應(yīng)的增加一檔背景亮度的情緒數(shù)據(jù)，通過點與y=x 參考線的相對位置來判斷情緒數(shù)據(jù)的增減，例如：若某點的橫坐標為A-10-pr 場景的興奮感分值，則縱坐標為A-50-pr 場景的興奮感分值，該點位于參考線上方，故背景亮度的增大提高了興奮感。將不同場景用點的形狀和顏色做區(qū)分，與圖7 中圖例不同的是：用X 形來代表none，顏色由深到淺分別為0%～10%、10%～50%、50%～100%的背景光變化。通過分析點的分布來判斷情緒變化，例如，在F3-興奮感圖中：紅色點除了最淺色的三角形以外，都在線的上面，故在A 行為模式下，背景光的增加可以提高興奮感；其中將圓形的紅色點連成線，可看出其變化趨勢的斜率大于參考線；從點的分布來看，X 形點和深色點分布在低數(shù)值區(qū)，而淺色的圓形、三角形、方形點分布在高數(shù)值區(qū)，故背景亮度與模擬自然照明可以提高興奮感。

4.4 行為模式對情緒的影響作用分析

圖9 描述了在不同行為模式下模擬自然照明對情緒的影響情況。每個子圖描述一類情緒：對于四個情緒類型以y=0 為基準線，縱坐標的值為模擬自然照明與none 的情緒差值；對于滿意度以y=1 為基準線，縱坐標的值為模擬自然照明與none 的滿意度比值。5 張子圖的變化說明，無論在怎樣的行為模式下，模擬自然照明都使情緒朝同一個方向變化，且變化幅度相似，故行為模式對情緒沒有明顯的影響。

4.5 討論

為了探索背景亮度與模擬自然照明對情緒的綜合影響，將實驗場景歸結(jié)到環(huán)境光-模擬自然照明兩個維度來進行情緒數(shù)據(jù)的對比。

圖10 描述了在不同背景亮度條件下，模擬自然照明對情緒的影響曲線。圖中有以下現(xiàn)象：①模擬自然照明可以降低懼怕感，模擬窗與動態(tài)樹影的共同使用相較于僅使用其中一種可以降低懼怕感；模擬自然照明對懼怕感的影響隨背景亮度的增大而減??；當(dāng)燈具出光量為0%和50%時，由模擬窗變到動態(tài)樹影使懼怕感提高。②模擬自然照明在無背景光時可以提高放松感，在較亮的背景光下提高不明顯；當(dāng)燈具出光量為10% 和50% 時，由動態(tài)樹影變到二者共同使用使放松感有微小降低；當(dāng)燈具出光量為50%時，模擬窗使放松感有所下降。③模擬自然照明使興奮感有微小提高；背景亮度的增大使變化曲線整體上移。④模擬自然照明可以提高趣味感，但模擬窗與動態(tài)樹影的共同使用會降低動態(tài)樹影的趣味感或使其不變；在無模擬自然照明和僅開啟模擬窗時，背景亮度對趣味感不造成影響，在僅有動態(tài)樹影和模擬窗與動態(tài)樹影同時開啟時，背景亮度對趣味感產(chǎn)生影響。⑤模擬自然照明可以提高滿意度，提高幅度在無背景光時比較明顯，在較亮的背景光下不明顯；當(dāng)燈具出光量為10%時，模擬窗的開啟使?jié)M意度有微小下降；當(dāng)燈具出光量為100%時，由模擬窗到動態(tài)樹影的變化使?jié)M意度有微小下降。

圖9 不同行為模式對情緒影響的作用

圖10 不同背景亮度下模擬自然照明對情緒的影響

圖11 不同模擬自然照明下背景亮度對情緒的影響

圖11 描述了不同模擬自然照明情況下，背景亮度對情緒的影響。圖中有以下現(xiàn)象：①懼怕感隨著背景亮度的增大而先減后增，在50%處有最小值，0%～10%的變化最大；當(dāng)存在模擬自然照明時，0%～10%的變化幅度下降，曲線整體下降。②放松感隨背景亮度的增大而先增后減，在10%處有最大值；0%～10%變化最大，開啟模擬自然照明后變化幅度減??；動態(tài)樹影使放松感變化曲線整體上移。③興奮感隨著背景亮度的增大而增大，在0%與10%處變化不明顯，在50%與100%處變化較為明顯；加入模擬自然照明后，變化曲線整體上移，且斜率有所增大。④趣味感隨背景亮度的增大無明顯變化；當(dāng)存在模擬窗時，曲線整體上移；當(dāng)存在動態(tài)樹影時，趣味感隨背景亮度的增大而降低。⑤滿意度隨背景亮度的增大而先增后減，在10%處有最大值；模擬窗使變化曲線在50%與100%處有所增加，動態(tài)樹影使變化曲線整體上移。

5 結(jié)論與探討

懼怕感：人在全暗環(huán)境下會產(chǎn)生一定的懼怕感，此時營造較低的背景亮度，或是加入模擬自然照明都會極大降低懼怕感；背景亮度的提高在一定程度上會降低懼怕感，但過亮的光環(huán)境也會增加人的懼怕感，模擬自然照明可以消解人在過亮環(huán)境中產(chǎn)生的懼怕感。

放松感：全暗環(huán)境下，人的放松感較低，此時營造較低的背景亮度，或是加入模擬自然照明都會極大提高放松感；昏暗的環(huán)境光會使人有較高的放松感，而很亮的環(huán)境光則會降低人的放松感；動態(tài)樹影無論在什么背景亮度下都會提高人的放松感；模擬窗在暗環(huán)境下會提高放松感，在亮環(huán)境下會降低放松感。

興奮感：人的興奮感與背景亮度成非線性正相關(guān)，在背景亮度較低時變化不明顯，較高時變化明顯；模擬窗的存在使興奮感的變化斜率增大，動態(tài)樹影使其變化斜率在環(huán)境光較暗時增大，較亮?xí)r減小。

趣味感：趣味感主要由模擬自然照明營造，與背景亮度相關(guān)性較弱；背景亮度會影響模擬自然照明的效果，背景亮度越低，模擬自然照明營造出的趣味感越強烈。

滿意度：在沒有模擬自然照明時，人對環(huán)境光的滿意度排序為：昏暗的環(huán)境光＞很亮的環(huán)境光＞無環(huán)境光；動態(tài)樹影在較暗的環(huán)境光下可以大大提高滿意度，在較亮的環(huán)境光下對滿意度有微小的提高；模擬窗對滿意度有較小的提高。

6 結(jié)語

本研究采用實景體驗的方式，由于場景數(shù)量、每個場景的體驗人數(shù)和體驗時間的限制，不適宜進行大量被試的實驗，樣本數(shù)量較少。被試年齡集中在18～29 歲之間，結(jié)論僅代表光環(huán)境對該年齡段人群情緒的影響作用。借助現(xiàn)有情緒研究成果，嘗試使用語義情緒量表來量化情緒是本研究的一個創(chuàng)新點，為使用量表全面描述并量化情緒提供了新的可能性，在未來的研究中可能會結(jié)合生理測量來獲得更客觀的結(jié)果。本研究采用的模擬自然照明為不連續(xù)調(diào)光的設(shè)備，對情緒造成影響的原因到底是其動態(tài)場景、亮度，還是對比度等其他特征，其效果與真實自然光是否具有一致性還需要進一步研究。本文設(shè)定的環(huán)境光參數(shù)僅為燈具可達范圍內(nèi)的四個點，未來將在拐點附近設(shè)置更多參照點進行研究。