室內(nèi)光環(huán)境與人體肢體動作的數(shù)值關(guān)系研究

王智德，袁景玉，張 楚，劉曉健

(河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津 300132)

引言

經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，照明產(chǎn)品性能得到提升，建筑光環(huán)境正在向著智能化與人性化發(fā)展[1]，盧倩[2]以此為基礎(chǔ)討論了建筑光環(huán)境從被動到主動的交互方式演變。但是傳統(tǒng)的人工照明會造成照度均勻度差和眩光值偏高等不利影響[3]，在不同的場景下使用不同的燈光設(shè)備，控制系統(tǒng)的智能化成為發(fā)展趨勢[4]。但當(dāng)前交互界面已經(jīng)無法滿足人們生活中的各種需求[5]，而按需照明是時(shí)代發(fā)展趨勢[6]，所以需要人機(jī)交互更加智能的光環(huán)境控制方式。

伴隨著AR和虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)的出現(xiàn)，通過攝像頭捕獲人體活動中的手勢[7]與肢體信息[8]，使得人機(jī)交互方式實(shí)現(xiàn)更加簡單和多樣化[9]。因此，本文將以廚房為例，探討住宅內(nèi)動作與光環(huán)境之間的數(shù)值關(guān)系，并驗(yàn)證將動作識別控制應(yīng)用于光環(huán)境控制的可行性。

1 研究內(nèi)容與方法

1.1 相關(guān)照明規(guī)范

Wirz[10]和Hoof等[11]認(rèn)為，對應(yīng)不同精細(xì)程度工作，亮度水平需提高2～4倍。《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034—2013)[12]中將住宅室內(nèi)空間劃分為8大場所，規(guī)范中起居室、臥室與廚房均做了細(xì)分，額外給出了工作模式所需的照度標(biāo)準(zhǔn)值，其中廚房相關(guān)規(guī)范數(shù)值如表1所示。

表1 住宅建筑廚房照明標(biāo)準(zhǔn)值Table 1 Residential kitchen lighting standards

而廚房操作臺所包含的操作種類可以繼續(xù)細(xì)分，鄭麗鑫[13]將廚房工作流程分為準(zhǔn)備階段、烹飪階段和清洗階段，并將工作區(qū)域分為清洗區(qū)、烹飪區(qū)及制作區(qū)。每種工作對應(yīng)的肢體動作與姿態(tài)也不同，如果要實(shí)現(xiàn)建筑光環(huán)境的智能主動控制，細(xì)化光環(huán)境的參數(shù)分類并建立人體與光環(huán)境參數(shù)間的數(shù)值關(guān)系就尤為重要。本文將以廚房中制作區(qū)的食材準(zhǔn)備操作為例，探究工作面照度與人體姿態(tài)之間的數(shù)值關(guān)系。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)測量儀器為T&D TR74-Ui空氣溫濕度照度紫外強(qiáng)度記錄儀，照度測試精度為0.01 lx，一共4個(gè)測量通道，每個(gè)通道可記錄8 000個(gè)數(shù)據(jù)。照明設(shè)備為JZTL005M可調(diào)光LED臺燈，具有國標(biāo)A級標(biāo)準(zhǔn)照度，中心照度可達(dá)750 lx。

實(shí)驗(yàn)場所為真實(shí)的廚房，為了控制實(shí)驗(yàn)變量，實(shí)驗(yàn)選擇在夜晚沒有自然光線時(shí)進(jìn)行，時(shí)間為日落之后的20：00至21：00內(nèi)。在廚房原有的吸頂燈作為背景光源的基礎(chǔ)上，使用調(diào)光LED臺燈以及照度儀預(yù)先設(shè)置好臺面的照度值，分為五檔，分別為100 lx、200 lx、300 lx、400 lx和500 lx。使用固定機(jī)位的相機(jī)拍攝記錄被實(shí)驗(yàn)者在不同照度下進(jìn)行精細(xì)操作的人體動作姿態(tài)，實(shí)驗(yàn)場所平面圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)場所平面圖Fig.1 Plan of the experimental site

為了使動作變化數(shù)值與工作面照度數(shù)值形成正確的數(shù)值關(guān)系，避免被試者憑借熟練度進(jìn)行操作而不注視工作面，進(jìn)而影響到動作反映，實(shí)驗(yàn)中對被試者的操作精度進(jìn)行了一定要求。被試者需通過自行目測，按1 cm的寬度間隔對土豆進(jìn)行切割，盡量減小所切土豆條與1 cm寬度的誤差，確保被試者認(rèn)真參與實(shí)驗(yàn)。

人體肢體動作的數(shù)值的獲取方式為截取實(shí)驗(yàn)獲得錄像中的代表圖像幀，將每次動作結(jié)果導(dǎo)入至AutoCAD軟件中，分別對人體的A、B、C、D四個(gè)夾角進(jìn)行角度測量。其中A為下半身軸線與上半身軀干軸線的夾角，B為頭部軸線與上半身軀干軸線的夾角，C為上半身軀干軸線與垂直方向的夾角，D為頭部軸線與垂直方向的夾角，如圖2所示。

圖2 人體動作姿勢測量方法示意圖Fig.2 Measurement method of human posture

參與實(shí)驗(yàn)的被試者均無眼部疾病，且裸眼或經(jīng)過佩戴眼鏡修正后的視力水平均在4.8以上，平均年齡為39歲，共有40人參與了實(shí)驗(yàn)，年齡性別構(gòu)成圖如圖3所示。

圖3 性別構(gòu)成圖Fig.3 Diagram of gender composition

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對被試者發(fā)放調(diào)查問卷，詢問每個(gè)實(shí)驗(yàn)被試者對于各個(gè)照度的光環(huán)境的評價(jià)，并結(jié)合肢體動作變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終得出光環(huán)境與人體肢體動作的數(shù)值關(guān)系。本文實(shí)驗(yàn)中光環(huán)境布局受限于實(shí)驗(yàn)中的照明器材，當(dāng)僅使用原有一般照明時(shí)，工作面平均照度約為46 lx，因此空間光分布存在一定的明暗反差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定局限性。

2 測試結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)

調(diào)查問卷數(shù)據(jù)表明，70%的實(shí)驗(yàn)被試者認(rèn)為工作面照度值低于300 lx時(shí)較為昏暗，導(dǎo)致工作效率降低；且有65%的被試者認(rèn)為當(dāng)工作面照度為300 lx時(shí)進(jìn)行精細(xì)操作最舒適，有57.5%的人認(rèn)為500 lx時(shí)操作觀感最清晰，如表2所示。

表2 問卷結(jié)果中各個(gè)照度值的評價(jià)人數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of evaluators in questionnaire results

而統(tǒng)計(jì)所得的肢體數(shù)據(jù)表明，A與B夾角角度值雖然隨著工作面照度增加而有所增加，即工作面照度越高，人的姿態(tài)越舒展；但是角度值變化范圍極小，如圖4所示。

針對身體前傾與低頭的角度值變化幅度進(jìn)行詳細(xì)分析，將每種照度下的C值與D值求出平均值并畫出變化曲線圖，如圖5所示。經(jīng)過計(jì)算，ABCD各夾角數(shù)據(jù)的相對極差分別為0.21、0.22、1.31和0.74。

圖4 A與B夾角平均值曲線圖Fig.4 Curve of average A and B Angle

圖5 C與D夾角平均值曲線圖Fig.5 Curve of average C and D Angle

2.2 肢體動作變化數(shù)值分析

從四個(gè)角的角度值變化曲線可以得出，由于每個(gè)人各自的動作習(xí)慣不同，肢體的變化程度也相應(yīng)有所不同；夾角A與B的兩個(gè)邊均來自于人體本身，受個(gè)人行為習(xí)慣的差異影響更大，不適合作為動作識別的控制條件，而夾角C與D其中一邊為垂直方向，具有更高的參考價(jià)值；且C與D的夾角數(shù)據(jù)相對極差遠(yuǎn)大于A與B，所以C與D肢體角度值相對照度值的變化程度更加明顯。為了建立更加明確的照度與動作之間的數(shù)值關(guān)系，本文最終選取夾角C作為身體前傾的程度數(shù)值，夾角D作為頭部低下的程度數(shù)值。

上述結(jié)果表明，在一定照度值范圍內(nèi)，由于視覺舒適度與清晰度隨著工作面照度值增大而相應(yīng)提高，使得人在操作時(shí)的姿勢舒展程度也隨之提高，肢體彎曲幅度減小。但是過高的照度會使人在操作過程中感到刺眼。以問卷結(jié)果中的300 lx為準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得曲線圖，得出人在足夠的照度下進(jìn)行此類操作時(shí)，低頭傾角C一般不會大于60°，彎腰傾角D一般不會大于20°。對光環(huán)境容忍度較高的人，對高照度較為反感，傾角也會相應(yīng)較小，遠(yuǎn)低于所述的前傾20°和低頭60°，較高的照度反而會引起這類人群的視覺不適。

由于存在部分使用者對環(huán)境照度的寬容度較高，照明控制系統(tǒng)的基準(zhǔn)照度值并不宜過高設(shè)置，基準(zhǔn)可以設(shè)定為200 lx或者300 lx。綜上，可以初步得出基于動作變化的自動光環(huán)境控制策略，當(dāng)上身傾角大于20°即可提升照度水平，頭部傾角大于60°也可提升照度水平，若是兩者均符合，則需要大幅度提升照度水平。

2.3 應(yīng)用驗(yàn)證

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)中所得數(shù)據(jù)與結(jié)論，建立基于動作識別的光環(huán)境智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)算法運(yùn)行過程如下：首先通過Kinect動作傳感器進(jìn)行人體識別，對識別到的關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算得出關(guān)節(jié)夾角；其次通過照度傳感器對當(dāng)前工作面照度進(jìn)行測量并反饋至控制系統(tǒng)；最終將指令發(fā)送至Arduino單片機(jī)控制板，由單片機(jī)按預(yù)設(shè)模式進(jìn)行LED燈光的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Control system structure flow chart

最終完成的程序界面中可以描繪出人體側(cè)面骨骼圖，并同時(shí)顯示程序識別到的關(guān)鍵關(guān)節(jié)夾角角度值，彎腰超過閾值則提高亮度(為了測試方便同時(shí)發(fā)出紅色光)，恢復(fù)直立則燈光恢復(fù)為默認(rèn)狀態(tài)；同時(shí)模擬在炊事過程中因看不清而舉起食材觀察的情景，用手部舉起的方式進(jìn)行條件判斷，并在界面中顯示是否“舉手”，未舉手則顯示“等待”。實(shí)驗(yàn)過程如圖7所示，整個(gè)系統(tǒng)可以在用戶不自覺低頭看操作臺的時(shí)候提高光源亮度。

圖7 系統(tǒng)測試界面圖，當(dāng)彎腰幅度過大時(shí)增大亮度Fig.7 System test interface, increase brightness when bending too far

3 結(jié)語

住宅在裝修設(shè)計(jì)時(shí)室內(nèi)光環(huán)境設(shè)計(jì)通常不夠精細(xì)，用戶對光環(huán)境參數(shù)不重視與不了解加重了這一現(xiàn)象，導(dǎo)致用戶在實(shí)際的居住過程中，住宅內(nèi)的光環(huán)境并不理想。而目前可選的家用可調(diào)光燈具還沒有足夠智能化，控制方式也較為落后和繁瑣，增加了用戶的學(xué)習(xí)成本。經(jīng)過本文實(shí)驗(yàn)可知光環(huán)境與人的動作行為有一定的關(guān)聯(lián)，不合適的光環(huán)境在人不知覺的情況下將對人的動作產(chǎn)生一定影響。過低的工作面照度將使人的肢體傾角增大，對頸椎與脊椎造成更大壓力。

使用新興的智能控制手段，可以簡化用戶的控制步驟，降低老年人的學(xué)習(xí)成本。由智能系統(tǒng)替代用戶調(diào)整光環(huán)境，有助于減少安全隱患，提高生活質(zhì)量。