空間視亮度模型和實驗評價量化方法

胡治國，戴 奇

(1.復旦大學工程與應(yīng)用技術(shù)研究院超越照明研究所，上海 200433； 2.同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院，上海 200092)

引言

隨著近幾十年科技的進步和工作方式的轉(zhuǎn)變，室內(nèi)空間的視覺作業(yè)平面已從伏案寫作、手工勞作的水平方向逐步擴展至自發(fā)光屏幕所在的垂直方向，人們的視覺需求亦由水平工作面拓展至整體空間的明亮程度體驗[1-8]。目前，越來越多追求舒適、健康的照明設(shè)計和研究開始關(guān)注空間視亮度(spatial brightness perception)，即人們對空間光環(huán)境明亮程度的主觀感受[9]。研究表明，室內(nèi)環(huán)境的視覺舒適性[1-3]、室外出行的安全性[10]均與空間視亮度密切相關(guān)：視覺感受明亮的辦公空間有助于面部識別、視線交流，且整體舒適性更高，更受人們偏愛[11]；較為明亮的道路、停車場等室外空間，可有效地降低交通事故率和室外犯罪率，為人們提供充足的安全感[12，13]。雖然已有許多針對空間視亮度的研究，但尚缺乏可靠的量化指標和實驗方法來對其進行準確描述[9，10,14-19]，而僅通過提高照度/亮度來提升空間的明亮程度將不可避免地造成能耗的迅速增加。因此，研究并量化照明光譜對空間視亮度的影響具有重要的理論意義和應(yīng)用價值，這不僅有利于指導以健康為導向的照明設(shè)計，也能保證在達到所需空間明亮感受的同時極大地降低照明能耗。

1 空間視亮度研究相關(guān)模型概述

傳統(tǒng)的照明設(shè)計旨在通過提高水平工作面照度來提升人們的視覺功效[4]。但隨著自發(fā)光屏幕的普及和紙質(zhì)印刷技術(shù)的提升，需要較高水平照度的視覺任務(wù)已逐漸減少，對整體空間健康、舒適、明亮的光環(huán)境品質(zhì)追求卻日益增加。研究表明，提高水平照度的傳統(tǒng)方式對提升空間明亮感受作用有限，而光的空間分布和光譜能量分布是影響空間視亮度的重要因素[9]：前者關(guān)乎視野范圍內(nèi)的亮度分布和實際達到人眼的光照強度，間接光眼部照度是主要的表征指標；而后者則基于視網(wǎng)膜感光細胞的生理機制關(guān)注光譜組成對空間視亮度感知的影響。

1.1 光的空間分布

近年來，針對室內(nèi)照明過度關(guān)注工作面照度、忽視空間明亮感受的現(xiàn)狀，Cuttle[1]對室內(nèi)空間明亮程度的量化方式進行探索，在光的空間分布層面提出了基于室內(nèi)表面平均出射度MRSE (Mean Room Surface Exitance)的空間視亮度量化指標，并強調(diào)整體空間明亮程度的視覺體驗應(yīng)成為目前照明設(shè)計的關(guān)注重點。盡管Cuttle團隊通過主觀評價實驗驗證了MRSE和人眼實際空間明亮程度感受具有相關(guān)性[2]，但由于該指標公式計算繁瑣，在照明設(shè)計應(yīng)用中存在較大局限。因此，Cuttle[3]進一步提出了MRSE的簡易計算公式和現(xiàn)場測量方法。戴奇等[7]對其合理性進行了檢驗，結(jié)果表明，利用簡易公式獲得的計算結(jié)果與理論數(shù)值較為接近，但現(xiàn)場測量方法獲得的結(jié)果卻存在較大誤差。針對這一問題，戴奇團隊進一步提出了新的MRSE現(xiàn)場測量方法[28]。

此外，相比于傳統(tǒng)的水平面照度指標，間接光眼部照度與空間視亮度的聯(lián)系更為緊密[3-8]。戴奇等[5,8]提出提升室內(nèi)空間表面的反射率是實際應(yīng)用中提高間接光眼部照度的最有效手段之一，并提出了間接光眼部照度計算公式，通過軟件模擬和實體模型測量相結(jié)合的方式對其準確性進行了論證。結(jié)果表明，提高室內(nèi)表面的反射率能夠有效地增加間接光眼部照度，從而提升空間視亮度感受。

1.2 光譜能量分布

照明領(lǐng)域常以相關(guān)色溫作為表征光譜能量分布的主要指標，研究表明，在相同光照強度下，相較于低色溫的光環(huán)境，高色溫的光環(huán)境能提供更高的空間視亮度[9-11,14-19]。然而同一色溫可以由不同的光譜構(gòu)成(即同色異譜)，因此，針對該現(xiàn)象更本質(zhì)的解釋是：光譜能量分布對空間視亮度的感知存在顯著影響[9]。

分布于視網(wǎng)膜中心和周邊區(qū)域的感光細胞是感知光譜能量分布的重要生理結(jié)構(gòu)，它們共同參與了整體空間明亮程度的感知，這不僅涉及2°視場的中央凹視野(foveal vision)，周邊視域(peripheral vision)的作用也同樣重要[20，21]。而視網(wǎng)膜上分布了多種感光細胞(三種錐狀細胞、一種桿狀細胞、一種本征光敏視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(ipRGCs))，它們對不同波長的光譜敏感程度不同，且在中央凹和周圍區(qū)域的分布也并不均勻[20，21]。在明亮環(huán)境下，人眼的光譜響應(yīng)一般通過明視覺光譜光視效率響應(yīng)函數(shù)V(λ)來進行量化，該函數(shù)的建立主要是基于分布在中央凹處的M型和L型視錐細胞的光敏特性(分別對中波和長波的光譜較為敏感)，傳統(tǒng)的光度學指標(如照度、亮度等)也均是根據(jù)V(λ)函數(shù)來定義的。然而，Rea團隊[14]的研究表明，在空間視亮度的感知過程中，主要分布在視網(wǎng)膜周邊區(qū)域且對短波光譜敏感的S型視錐細胞同樣起到了重要作用，基于V(λ)函數(shù)的傳統(tǒng)照明指標不足以準確描述和量化空間視亮度。因此，Rea等[14]提出了一種空間視亮度光譜響應(yīng)函數(shù)B(λ)=V(λ)+g·S(λ)，該函數(shù)考慮了S型視錐細胞的額外貢獻，并給其賦予了增量系數(shù)g。Bullough等[15，16]通過實驗研究對B(λ)函數(shù)進行了修正，并指出與非視覺生物效應(yīng)相關(guān)的第三類感光細胞(ipRGCs)也可能在空間視亮度感知中存在作用，但具體影響機制仍不明確。

此外，研究光譜對空間視亮度影響的人因?qū)嶒瀃14-19]常以被試主觀評分或主觀描述等形式進行，由于忽視個體差異，對刺激較為敏感的被試會影響整體實驗結(jié)果的平均值，因而得到的結(jié)果往往缺乏客觀量化依據(jù)，難以和非線性的人眼視覺感知進行有效匹配[20，21]。雖然有研究建議以相關(guān)色溫(CCT)、S/P值等指標來衡量光譜對空間視亮度的影響[22，23]，但該類研究的一個重要缺陷是，采用的指標均受光譜能量分布的影響，將其中一個變量進行調(diào)節(jié)的同時，其他相關(guān)變量也隨之改變，因而得到的多為定性分析結(jié)果，無法提出相應(yīng)的量化方案。

綜上所述，空間視亮度主要受到光的空間分布與光譜能量分布兩個方面的影響，目前尚缺乏可靠的量化方案來描述照明光譜所產(chǎn)生的影響。本研究基于此背景，主要從光譜的影響機制出發(fā)展開實驗，充分考慮光在空間中的均勻分布，對空間視亮度的人因?qū)嶒炘u價方法和量化方案進行探討。

2 空間視亮度評價實驗及量化方法

2.1 實驗光環(huán)境設(shè)置

如圖1所示，實驗空間長為3.9 m、寬為3.2 m、高為3.0 m，四周墻面和天花板均以高反射率的白色涂料進行粉刷，為均勻性良好的漫反射表面。通過運用位于天花四周的條形LED洗墻燈營造整個空間光環(huán)境，光線經(jīng)過四周墻面反射后可有效地避免直接眩光，同時為被試提供均勻的間接光眼部照度。各個光環(huán)境實驗場景通過本團隊前期開發(fā)的動態(tài)可調(diào)LED光譜優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)[24，25]，基于RGBW四色混光算法，在常用白光色溫范圍(2 700～6 500 K)內(nèi)，篩選出顯色性(Ra)良好的光譜方案，并根據(jù)實驗需求進行光譜設(shè)計與選擇。

本研究以實驗室空間內(nèi)較長一邊的墻面作為主要視看面，視看距離為2.2 m(如圖1(b)、(c)所示)，有效地保證了所有被試在一定空間進深和較大的視野范圍內(nèi)(約為53°×53°)對整體空間視亮度感受作出評價。各實驗場景下的眼部照度、光譜均基于距地面1.2 m(即成年人坐姿的視線高度)進行調(diào)節(jié)和測量(如圖1(c)所示)。此外，為了檢驗每位被試視野范圍內(nèi)的亮度是否均勻分布，如圖1(d)所示，以高度1.2 m處的墻面中心點作為基準點(編號5)，并以1.0 m為間隔對視看墻面的表面亮度進行取點測量(編號分別為1～4、6～9)。根據(jù)表1可知，當眼部照度為100 lx時，視看墻面的表面亮度平均值約為23.70～23.93 cd/m2，并且整體亮度均勻度良好(> 0.70)。以坐姿視線高度為例，沿視線水平方向上的均勻度亦可高達0.90以上，由此可見，本實驗設(shè)置可為每位被試提供較為一致的眼部照度。由于本實驗各光環(huán)境場景均采用相同的RGBW-LED光源，故光的空間分布相同，因此無論實驗空間的光譜構(gòu)成如何變化，墻面的亮度均勻度基本保持一致。本實驗研究所涉及的光度學參數(shù)均通過彩色光譜照度計(EVERFINE SPIC-200)和輻射亮度計(JETI Spectraval-1511)進行測量。

表1 眼部照度為100 lx時視看墻面各測量點 表面亮度統(tǒng)計表Table 1 Statistics of the luminance of measurement points on the observation wall at corneal illuminance of 100 lx

圖1 實驗場景Fig.1 The experimental scene

2.2 實驗設(shè)計及方法

關(guān)于空間視亮度的人因?qū)嶒炘u價方法，國際照明委員會(CIE)于2014年發(fā)布了關(guān)于運用心理物理學模型對空間視亮度進行主觀評價實驗的指導文件[26]，Steve Fotios等[9,27]也對相關(guān)研究進行了綜述性的總結(jié)，主要分為以下四種：辨別(discrimination)、匹配(matching)、類別評級(category rating)、調(diào)節(jié)(adjustment)。前兩種方法是通過相對比較進行，這就需要在對比實驗時具有一定參照，而后兩者則是基于被試的主觀絕對評價，不需要任何參照[26]。本研究是為了對比不同光譜下的光環(huán)境所提供的空間視亮度感受，并對其量化方法進行探討，因此，“辨別”和“匹配”這兩種方法更為適用。

基于“辨別”評價方法的實驗，需要被試對快速交替呈現(xiàn)的兩個場景的空間視亮度進行比較和判斷(實驗場景和對照場景)；而以“匹配”作為評價方法的實驗，則需要被試根據(jù)個人感受調(diào)節(jié)實驗場景的光照水平，使其達到與對照場景的明亮感受相同的程度[26]。盡管這兩種評價方法已在許多研究中應(yīng)用，但二者仍存在自身的局限性[9,26-27]：首先，被試很難在快速切換中記清楚或辨認出哪一個場景更明亮；其次，被試需要充足的時間進行視覺適應(yīng)，燈具也需要一定時間才能達到穩(wěn)定；此外，個體的差異也會對實驗結(jié)果造成很大影響。因此，為了避免這些干擾所帶來的實驗誤差，本研究綜合了兩種評價方法的優(yōu)點，通過“辨別”和“匹配”相結(jié)合的方式進行實驗，具體如下：首先，被試在對實驗場景和對照場景的空間視亮度辨別比較過程中，需進行強制選擇(forced choice)[26，27]，即兩個場景被判斷為一樣明亮是不被允許的；其次，通過固定的對照場景和同一光譜、不同強度的待測實驗場景的成對比較，從而得到各測試光譜與對照光譜的匹配關(guān)系；最后，通過數(shù)據(jù)擬合[29]和統(tǒng)計學方法對實驗結(jié)果進行分析和有效性檢驗。

本研究采用相關(guān)色溫(CCT)為6 500 K(光譜如圖4(b)所示)、間接光眼部照度為100 lx的空間光環(huán)境作為對照場景，一輪實驗中每次比較的實驗場景(同一測試光譜)則采取不同強度的眼部照度數(shù)值，范圍為80～200 lx，共11個強度等級，如圖2(a)所示。在檢驗實驗方法可行性的零條件試驗(null condition trial)時，則采用更大的眼部照度范圍，為50～200 lx。將待測的實驗場景(同一測試光譜、不同強度)分別與對照場景進行比較，可以得到被試判斷各個實驗場景為更明亮時的選擇概率。根據(jù)心理物理學原理[20，21]，當兩個空間光環(huán)境比較時，如果各有50%的被試認為其中一個場景比另一個場景更明亮，我們可以定義此時二者所提供的空間明亮感受相等，所對應(yīng)的眼部照度數(shù)值可作為該測試光譜與對照光譜空間視亮度相匹配時的量化指標。由于本實驗采用了固定的對照場景，通過橫向比較，亦可得到不同光譜之間的影響差異，從而提出有利于指導實際應(yīng)用的定量結(jié)論。

圖2 實驗設(shè)置Fig.2 Experiment setup

此外，為避免在空間視亮度對比時因待測實驗場景的規(guī)律性呈現(xiàn)(如眼部照度由高到低或由低到高)對被試造成心理暗示，從而影響實驗結(jié)果。因此，如圖2(b)～(c)所示，以50～200 lx的眼部照度范圍為例，每組被試視看實驗場景的11個眼部照度強度將通過11×11 Latin Square方陣模型進行亂序處理，共產(chǎn)生11組視看順序，保證了各眼部照度在圖2(c)中的每一行和每一列位置上均只出現(xiàn)一次。由于本研究采用的是前后比較，即一組對比實驗存在先后視看關(guān)系，被試可能在強制選擇時存在先后順序的選擇傾向，為了避免這一干擾因素，本研究設(shè)置顛倒視看次序、重復實驗的步驟，并通過后期分析對此處理方法加以驗證。

2.3 實驗被試及流程

本研究共招募了33名志愿者(17名女性，16名男性)參與實驗，均為年齡介于18～30歲之間的在校大學生，平均年齡為24.1±1.5歲(平均值±標準誤差)。在實驗開始之前，所有被試均經(jīng)過篩選和培訓，篩選標準如下：被試不具備與實驗相關(guān)的專業(yè)背景知識，無相關(guān)眼部疾病及病史且視力或矯正后視力正常，并通過了Ishihara色盲色弱檢測。此外，符合要求的被試均簽署了與實驗有關(guān)的知情同意書。在實驗期間，被試需以慣用的視看方式(如佩戴眼鏡)進行各場景的觀察。待所有實驗結(jié)束后，被試收到相應(yīng)酬金作為獎勵。

根據(jù)實驗設(shè)計的相關(guān)要求，實驗流程如圖3所示，具體內(nèi)容如下：

圖3 實驗流程示意圖Fig.3 A sketch of the experimental procedure

1)經(jīng)篩選并符合要求的被試，被分成11組(每組3人)，分別對應(yīng)同一測試光譜時的11種眼部照度出現(xiàn)順序，如圖2(b)、(c)所示；

2)實驗開始前，1組被試(3人)并排就坐于實驗空間內(nèi)(如圖1(a)、(b)所示)，并在對照場景下(6 500 K, 100 lx)進行視覺適應(yīng)5 min；

3)實驗開始后，被試聽從指揮，戴上眼罩并閉上眼睛20 s；同時，實驗操作者將光環(huán)境調(diào)至場景1，并等待燈具輸出達到穩(wěn)定；

4)被試被要求摘下眼罩并目視前方2 min，感受并記憶場景1整體的空間視亮度感受；

5)待場景1觀察完畢后，被試再次戴上眼罩并閉上眼睛20 s；同時，實驗操作者將光環(huán)境調(diào)至場景2，并等待燈具輸出達到穩(wěn)定；

6)被試被要求摘下眼罩并目視前方2 min，隨后根據(jù)場景1與場景2所提供的空間視亮度感受，在事先準備好的問卷上回答“哪個場景更明亮？”，即完成1組對比實驗；

7)待11組對比實驗均完成后，為1輪實驗結(jié)束，一次實驗共計2輪，中間間隔10 min休息時間，2輪實驗中顛倒對照場景與實驗場景的視看次序；

8)待1組被試2輪視看(每輪11組對比實驗)均完成后，實驗結(jié)束，共計11組被試；

9)被試在實驗全程期間被要求禁止交流和使用相關(guān)電子產(chǎn)品(如手機等)，每組被試實驗總時長約2 h。

3 空間視亮度實驗量化方法驗證

3.1 零條件試驗

為了檢驗本實驗方法的可行性，首先進行零條件試驗(null condition trial)，即通過將對照場景(6 500 K, 100 lx)與相同光譜(6 500 K)、不同眼部照度(范圍為50～200 lx，視看順序如圖2(c)所示)的實驗場景進行比對。各實驗場景的相對光譜能量分布如圖4(b)所示，均與對照場景保持一致；各場景的實測眼部照度值如圖4(c)所示，與目標值的誤差均在±1%以內(nèi)；如圖4(d)所示，相關(guān)色溫(CCT)、顯色性指數(shù)(Ra)、色坐標(Cx,Cy)等參數(shù)的實測平均值均與目標值接近。

零條件試驗的實驗結(jié)果如圖4(a)所示。由于本實驗采用的是前后對比，T配對檢驗結(jié)果表明，兩種視看次序下的實驗數(shù)據(jù)存在顯著差異(P=0.015<0.05)。當實驗場景的眼部照度為100 lx時，理論上與對照場景具有相同的空間視亮度，應(yīng)當各有50%的被試選擇實驗和對照場景為更明亮的場景。但結(jié)果表明，在兩種視看次序下，被試的選擇卻具有傾向性：當對照場景為第一個視看場景時，約有57.6%的被試認為此時實驗場景更為明亮；而當視看次序相反時，僅有42.4%的被試選擇實驗場景更為明亮。從心理物理學角度[20，21]可以說明，當兩個空間光環(huán)境的明亮程度接近時，并不是所有的被試均能做出正確的判斷，先后視看次序會對結(jié)果造成可觀的影響。盡管這一偏差不可避免，但將兩種視看次序下的實驗結(jié)果進行相同權(quán)重的綜合統(tǒng)計，結(jié)果顯示(如圖4(a)中圓點所示)：被試選擇眼部照度為100 lx的實驗場景為更明亮的概率恰好為50%。由此說明，采用顛倒次序、重復實驗的步驟，可有效地平衡因先后視看順序所產(chǎn)生的結(jié)果偏差，而兩種視看次序下的綜合統(tǒng)計數(shù)據(jù)可作為各個實驗場景(不同眼部照度)下的選擇概率，并進行曲線擬合。

圖4 零條件試驗：SPD6500 K作為待測光譜Fig.4 The null-condition trial with SPD6500 K as the test SPD

此外，由于本研究要求被試在辨別判斷時進行強制選擇(forced choice)，即被試基于空間視亮度感受，在對實驗場景和對照場景進行主觀比較時，需要在二者中選擇其一，因此每名被試每次判斷所占權(quán)重完全相同。相較于以主觀評分或主觀描述等形式進行的實驗研究，該方法合理地控制了個體差異所帶來的實驗誤差。參與實驗的33名被試在同一測試光譜下需進行2輪先后視看次序的主觀評價實驗(共計66次判斷)，因此，被試的一次判斷失誤僅對實驗結(jié)果造成1/66≈1.51%的影響。

通過本實驗方法，可以得到不同實驗場景(同一測試光譜、不同強度)的被試選擇概率，并將兩種視看次序下的綜合統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行曲線擬合，從而匹配得到50%選擇概率所對應(yīng)的眼部照度數(shù)值，根據(jù)心理物理學原理[20，21]，該數(shù)值可作為實驗測試光譜與對照光譜所提供的空間視亮度相匹配時的量化指標。本研究中實驗數(shù)據(jù)的曲線擬合基于團隊近期工作成果中提出的模型公式[29]，具體如下：

(1)

式中，Ecor表示實驗場景的眼部照度值，k1表示實驗場景與對照場景空間視亮度相匹配時(即50%的被試選擇概率)所對應(yīng)的眼部照度值，k2表示擬合曲線上升的陡峭趨勢，這與被試對光譜的敏感程度有關(guān)?；谝陨蠈嶒灧椒ê蛿?shù)據(jù)處理，零條件試驗得到的擬合結(jié)果如圖4(a)中實線所示，綜合統(tǒng)計數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果為k1=98.5 lx。由于零條件試驗的測試光譜與對照場景光譜完全相同，這一數(shù)值也充分證明了本實驗方法的可行性和準確性。因此，采用本文提出的實驗方法和量化方案可以將復雜的主觀人因?qū)嶒炘u價，轉(zhuǎn)化為相對客觀的物理指標數(shù)值，從而將光譜對空間視亮度的影響進行定量描述。

3.2 可重復性驗證

為了進一步檢驗基于本實驗方法所得到的實驗結(jié)果的可重復性，我們設(shè)計了相關(guān)色溫為4 000 K的測試光譜SPD-1進行了兩次重復性驗證實驗，結(jié)果如圖5(a)所示。第二次實驗對被試進行了重新招募，15名男性和18名女性(共計33人)參與了該次實驗，平均年齡為23.5±1.4歲(平均值±標準誤差)。由于兩次實驗開展的時間間隔較久(約4個月)，因此對兩次實驗場景的各類實測照明參數(shù)進行比較，由圖5(b)～(d)可知，兩次實驗除被試人員不同外，相關(guān)光度學參數(shù)的實際測量值均基本保持一致。

圖5 實驗結(jié)果的可重復性驗證Fig.5 The repeatability of the experimental results

通過式(1)分別將兩次實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，得到的結(jié)果如圖5(a)所示：二者的擬合曲線幾乎重合，并且與對照場景的空間視亮度相匹配時(50%被試選擇概率)的眼部照度值也幾乎相等，分別為128.6 lx和128.8 lx；此外，兩次實驗數(shù)據(jù)的T配對檢驗結(jié)果顯示，二者不存在顯著性差異(P=0.603>0.05)。以上結(jié)果表明，盡管參與被試不同，但兩次實驗得到的結(jié)果卻基本一致，本實驗方法不僅可行性強，所得的量化結(jié)果具有很好的可重復性，而且個體差異對本方法所得到的實驗結(jié)果影響較小。

3.3 先后視看次序的影響

由于本實驗中存在兩種不同的視看次序：一種為對照場景在先，待測實驗場景在后；另一種則相反。而根據(jù)零條件試驗的結(jié)果可知，場景的視看次序會對實驗結(jié)果造成顯著影響。為了進一步探究這一影響，首先對測試光譜為SPD-1(第一次實驗)時，兩種視看次序下的實驗數(shù)據(jù)進行分析和比較(如圖6所示)：二者擬合曲線在50%選擇概率時所對應(yīng)的眼部照度數(shù)值存在明顯差異，分別為122.5 lx和135.4 lx；同時，T配對檢驗結(jié)果也表明，兩種視看次序下的實驗數(shù)據(jù)存在顯著性差異(P=0.001<0.05)；當對照場景先出現(xiàn)時，被試判斷實驗場景更明亮的概率更高(即圖6中所有菱形數(shù)據(jù)點均位于矩形數(shù)據(jù)點之上)。

圖6 先后視看次序?qū)嶒灲Y(jié)果的影響：SPD-1 (4 000 K)Fig.6 The experimental results of SPD-1 with forth-and-back observation sequence

為了進一步檢驗以上規(guī)律是否具有普遍性，本研究設(shè)計了與SPD-1(4 000 K)為同色異譜關(guān)系的兩個新的測試光譜(SPD-2和SPD-3)進行實驗，得到的結(jié)果分別如圖7(a)和(b)所示，二者各實測光度學參數(shù)分別如圖7(c)和(e)所示。通過比較發(fā)現(xiàn)，當測試光譜分別為SPD-2和SPD-3時，同樣存在因視看次序不同而造成的結(jié)果差異：被試在對空間視亮度感受相近的光環(huán)境場景進行強制選擇時，更傾向選擇后視看的場景為更明亮的場景，該選擇偏好導致對照場景先視看時得到的實驗結(jié)果普遍偏高，而后視看時則偏低(即圖中所有菱形數(shù)據(jù)點均位于矩形數(shù)據(jù)點之上)，這一規(guī)律與測試光譜為SPD-1時完全相同。而T配對檢驗結(jié)果也顯示：同一測試光譜下兩種視看次序所得的實驗結(jié)果均存在顯著性差異(SPD-2:P=0.009<0.05；SPD-3:P=0.009<0.05)，這表明先后視看次序?qū)嶒灲Y(jié)果的影響并非偶然。此外，根據(jù)圖6和圖7(a)和(b)可知，當實驗場景的眼部照度水平相對于對照場景處于過低或過高水平時，兩種視看次序下的選擇概率數(shù)值差異較小(即圖中處于擬合曲線兩端的菱形與矩形數(shù)據(jù)點較為接近)，但隨著眼部照度的改變，實驗場景與對照場景所提供的空間視亮度感受趨近相同時，這一視看順序差異對實驗結(jié)果的影響增大。而根據(jù)零條件試驗的結(jié)果可知，將兩種視看次序下所得的實驗數(shù)據(jù)進行綜合統(tǒng)計，可以有效地平衡這一偏差，得到準確的實驗結(jié)果。

圖7 先后視看次序?qū)嶒灲Y(jié)果的影響, SPD-2和SPD-3Fig.7 The experimental results of SPD-2 and SPD-3 with forth-and-back observation sequence

因此，基于空間視亮度感受進行主觀評價的人因?qū)嶒?，需要充分考慮先后視看次序給實驗結(jié)果帶來的影響，而本實驗方法提供了一種合理的處理方式，可以有效地平衡實驗和對照場景出現(xiàn)順序所帶來的結(jié)果偏差。

3.4 一致性驗證

基于以上結(jié)果，本研究將先后兩種視看次序下的實驗結(jié)果進行相同權(quán)重的綜合統(tǒng)計，以此作為量化測試光譜對空間視亮度影響的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)圖7(a)和(b)可知，實驗場景(測試光譜分別為SPD-2和SPD-3)與對照場景對比得到的結(jié)果如圖中圓點所示，通過運用式(1)將二者的實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到50%選擇概率的眼部照度數(shù)值分別為141.9 lx和124.0 lx。該結(jié)果表明，基于100 lx的對照場景眼部照度水平，SPD-2和SPD-3需要分別額外提供約41.9%和24.0%的眼部照度，才能與對照光譜所提供的空間視亮度相匹配?；谏鲜鰯?shù)據(jù)，將SPD-2與SPD-3進行比較可知：光譜為SPD-2的空間光環(huán)境需額外提供約14.4%(141.9 lx / 124.0 lx-1)的眼部照度才能與光譜為SPD-3時所提供的空間視亮度相匹配。

由于上述實驗和分析均采用了固定的對照場景(6 500 K，100 lx)，為了進一步驗證通過本實驗方法得到的綜合統(tǒng)計結(jié)果具有一致性，將SPD-2與SPD-3進行直接比較：以光譜為SPD-3、眼部照度為100 lx的空間光環(huán)境作為新的對照場景，與光譜為SPD-2、眼部照度范圍為50～200 lx的實驗場景進行主觀評價實驗，得到的結(jié)果如圖8所示。兩種視看次序下的實驗結(jié)果存在顯著性差異(P=0.020<0.05)，且依舊符合“對照場景先視看時，被試判斷實驗場景為更明亮的概率更高”這一規(guī)律。將兩種視看次序下的實驗結(jié)果作相同權(quán)重的綜合統(tǒng)計并擬合曲線，50%選擇概率所對應(yīng)的眼部照度數(shù)值為112.4 lx，該結(jié)果表明：基于100 lx眼部照度水平，光譜為SPD-2的空間光環(huán)境需要額外提供約12.4%的眼部照度，才能與光譜為SPD-3時所提供的空間視亮度感受相等。由此可見，基于不同對照場景的兩種實驗設(shè)置，通過本實驗方法所得到的SPD-2與SPD-3空間視亮度相等時所需的眼部照度比值十分相近，分別為1.124和1.144。這也再次證明了基于本實驗方法所得的量化結(jié)果具有較好的一致性和準確性。

圖8 實驗結(jié)果的一致性Fig.8 Consistency of experimental results

4 結(jié)語

本文針對光譜能量分布對空間視亮度的影響機制展開研究，提出了創(chuàng)新性的實驗方法和量化方案，并驗證了該實驗方法所得結(jié)果具有很好的可重復性、準確性以及一致性。此外，實驗結(jié)果表明，對照、實驗場景的先后視看次序會顯著影響被試的選擇，當一對先后次序出現(xiàn)的光環(huán)境所提供的空間視亮度接近時，被試更傾向選擇后者為更明亮的場景，而顛倒視看次序、重復實驗的步驟設(shè)置以及相同權(quán)重下綜合統(tǒng)計數(shù)據(jù)的方法，能夠有效地平衡先后視看次序帶來的結(jié)果偏差。基于本方法，可將光譜對空間視亮度的影響準確量化為相對客觀的物理指標與對照場景的眼部照度比值。通過橫向比較，可以得到不同光譜所提供的空間視亮度感受差異，從而為今后照明節(jié)能方案的制定和旨在健康的照明設(shè)計應(yīng)用提供有力的數(shù)據(jù)支持。以本文中提到的光譜為SPD-1(4 000 K)的空間光環(huán)境為例，其至少需要額外提供約30%的眼部照度，才能達到與對照光譜(6 500 K)相同的空間視亮度感受。因此，充分利用光譜對空間視亮度的影響機制，可對節(jié)約照明能耗產(chǎn)生積極作用。

綜上所述，光譜能量分布對空間視亮度具有重要影響，本文提供了一種科學的人因?qū)嶒炘u價方法，為今后開展相關(guān)實驗提供了有效的實驗手段?；诒緦嶒灧椒?，針對光譜對空間視亮度的影響機制展開研究，在理論方面，可為相關(guān)實驗研究提供可靠的原始數(shù)據(jù)；在應(yīng)用方面，可量化不同光譜對空間視亮度感受的影響差異，從而指導照明設(shè)計實踐，為室內(nèi)空間提供健康、舒適、高效、節(jié)能的照明方案，為室外空間提供更為安全、明亮的照明環(huán)境。