視覺(jué)誘發(fā)電位在人體視覺(jué)舒適性研究中的應(yīng)用

何夢(mèng)淵， 胡松濤， 馬浩南， 管宏宇， 劉國(guó)丹， 李 珊， 孫建輝

(青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院， 青島 266033)

室內(nèi)光環(huán)境會(huì)顯著影響人員的舒適度、工作效率和健康等[1-2]，營(yíng)造舒適、健康的室內(nèi)光環(huán)境不僅要考慮建筑光環(huán)境節(jié)能和低能耗，室內(nèi)人員的主觀(guān)舒適性也是需要重點(diǎn)關(guān)注的方面。環(huán)境色溫作為光環(huán)境評(píng)價(jià)中的重要指標(biāo)之一，在許多研究和設(shè)計(jì)規(guī)范中都進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]中將室內(nèi)照明光源按相關(guān)色溫分成暖、中性和冷三種，并推薦室內(nèi)辦公環(huán)境的色溫應(yīng)為3 300～5 300 K。Huebner 等[4]對(duì)比了2 700、6 000 K色溫下的舒適度，發(fā)現(xiàn)低色溫下具有更高的舒適度。張?jiān)懙萚5]觀(guān)察到色溫對(duì)受試者的舒適度影響較大，在3 500、4 500 K時(shí)舒適度最高。Manav[6]發(fā)現(xiàn)在4 000 K色溫下要比2 700 K下具有更好的舒適感，而2 700 K下放松感更強(qiáng)。Shamsul等[7]得出4 000 K更被受試者所歡迎，Dangol等[8]也得到了500 lx下，4 000～6 500 K更受歡迎。以上研究雖多在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展，但基本涵蓋了常見(jiàn)的色溫區(qū)間，具有重要的參考價(jià)值。一般認(rèn)為4 000 K左右的中性色溫環(huán)境在大多數(shù)場(chǎng)景下是適用的，且視覺(jué)舒適性較好。

此外，很有研究發(fā)現(xiàn)色溫還會(huì)影響人員的睡眠、注意力以及空間感。Shinomura 等[9]發(fā)現(xiàn)低色溫下人員的睡意更明顯，高色溫則使注意力更集中。這在Tomoaki 等[10]的研究中也得到證實(shí)。郭鐵明[11]在研究低壓環(huán)境下的光環(huán)境舒適性時(shí)發(fā)現(xiàn)相對(duì)色溫會(huì)顯著影響光的明暗和顏色真實(shí)性。Huang 等[12]也發(fā)現(xiàn)5 500 K下，顏色辨識(shí)度會(huì)更好。Yu 等[13]認(rèn)為高色溫與空間亮度有關(guān)，低色溫則會(huì)使安全感更強(qiáng)?？傊^低的色溫下，色彩真實(shí)性、顏色辨識(shí)度和注意力會(huì)有所下降；反之，高色溫則與空間亮度、注意力集中度等密切相關(guān)。

還有許多研究認(rèn)為色溫會(huì)通過(guò)影響熱感覺(jué)進(jìn)而影響人員的舒適性。Fanger等[14]早在1977年就進(jìn)行了色溫對(duì)人體熱舒適的研究，但得出色溫幾乎不會(huì)影響熱感覺(jué)的結(jié)論。之后的Morita等[15]發(fā)現(xiàn)色溫對(duì)熱感覺(jué)是有著明顯但較小的影響。Toftum等[16]在研究發(fā)光二極管臨界色溫與主觀(guān)感知的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在22 ℃時(shí)，當(dāng)臨界色溫從2 700 K上升到6 200 K時(shí)，觀(guān)察到受試者的熱感覺(jué)下降程度相當(dāng)于工作溫度下降1.7 ℃。這方面的研究目前還沒(méi)有得到一致且準(zhǔn)確的結(jié)論，仍是需要探究的重點(diǎn)之一。

以上研究普遍使用了調(diào)查問(wèn)卷的方法來(lái)收集人員的主觀(guān)感受，少有結(jié)合人體客觀(guān)生理指標(biāo)來(lái)研究不同色溫環(huán)境對(duì)人體舒適性的影響。主觀(guān)調(diào)查容易受到受試者意識(shí)和不同時(shí)期感受差異的影響，而人體客觀(guān)生理指標(biāo)是在人體生理機(jī)制的調(diào)節(jié)和控制下變化的，受到主觀(guān)意識(shí)影響很小，能夠更加準(zhǔn)確地反映人員的舒適性和滿(mǎn)意度。

基于此，現(xiàn)測(cè)試采集人員的圖像翻轉(zhuǎn)視覺(jué)誘發(fā)電位(pattern reversal visual evoked potential，PRVEP)信號(hào)，希望引入視覺(jué)誘發(fā)電位這一生理參數(shù)來(lái)研究不同色溫環(huán)境下的人體舒適性。PRVEP是以一定的閃光和圖像刺激視網(wǎng)膜，并在視覺(jué)頭顱骨外記錄腦部電位變化，用以研究人體的感覺(jué)機(jī)能、行為和心理活動(dòng)等，作為一種人體客觀(guān)生理指標(biāo)已在許多研究中被使用。童力等[17]證實(shí)了誘發(fā)電位信號(hào)可被應(yīng)用于聲舒適研究中。

視覺(jué)誘發(fā)電位信號(hào)的分析是此類(lèi)研究中至關(guān)重要的部分。非線(xiàn)性分析方法被認(rèn)為是生理腦電分析中較為準(zhǔn)確的方法之一[18]。而模糊熵(fuzzyEn,fE)被運(yùn)用到非線(xiàn)性分析方法中已十分普遍。模糊熵最早由Shannon[19]提出的信息熵發(fā)展而來(lái)，來(lái)反映事物的不確定性和無(wú)序性。模糊熵值越大，其不確定性和復(fù)雜度就越大。模糊熵現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)故障檢測(cè)[20-22]腦電信號(hào)特征提取[23-26]、圖像處理[27-28]、統(tǒng)計(jì)金融學(xué)[29]和電力輸送故障識(shí)別[30]等領(lǐng)域。Minhas等[20]和Zheng等[21]運(yùn)用模糊熵方法分別提出了軸承故障檢測(cè)和識(shí)別方法。楊孝敬等[24]采用了多尺度轉(zhuǎn)移熵對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行分析。湯偉等[25]提出了基于S變換與樣本熵組合的癲癇腦電信號(hào)分類(lèi)識(shí)別方法。Naidu等[28]利用模糊熵算法進(jìn)行圖像的多級(jí)閾值分割。

基于此，現(xiàn)采用模糊熵對(duì)視覺(jué)誘發(fā)電位生理信號(hào)時(shí)間序列進(jìn)行非線(xiàn)性分析，探究不同色溫下人體視覺(jué)舒適度與PRVEP模糊熵的關(guān)系，利用PRVEP模糊熵衡量人體視覺(jué)舒適程度的大小。最終以色溫為紐帶將客觀(guān)生理參數(shù)和主觀(guān)調(diào)查結(jié)合對(duì)人體視覺(jué)舒適進(jìn)行評(píng)價(jià)，獲得利用客觀(guān)生理指標(biāo)預(yù)測(cè)主觀(guān)感受和視覺(jué)舒適性的新方法。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 受試人員

招募了平均年齡為23.7歲的15名(8名男性，7名女性)身體健康的志愿者作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。受試者應(yīng)在實(shí)驗(yàn)前12 h內(nèi)保持日常生活習(xí)慣，沒(méi)有吸煙飲酒、服用神經(jīng)刺激性飲料或藥物等。為保證體內(nèi)激素、血糖等身體指標(biāo)處于正常范圍內(nèi)，受試者還不應(yīng)進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)。

招募時(shí)對(duì)受試者視力進(jìn)行調(diào)查以排除視覺(jué)疾病者，并選取經(jīng)視力矯正后視力大于5.0的志愿者作為受試者。

1.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)在溫濕度可調(diào)節(jié)的氣候室內(nèi)(4 m×3 m×2.6 m)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)期間保持氣候室空氣溫度為(24 ± 0.5) ℃，相對(duì)濕度為50%±5%。氣候室送風(fēng)氣流均勻，并具有良好的隔音性能。

氣候室均勻安裝了6盞照度和色溫可調(diào)節(jié)的LED(light-emitting diode)燈，無(wú)其他室內(nèi)光源。使用照度計(jì)在實(shí)驗(yàn)區(qū)域0.75 m高度處測(cè)量室內(nèi)環(huán)境照度和色溫，燈具布置和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景如圖1所示。

圖1 燈具布置和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖Fig.1 Lamp layout and scene picture

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

使用NDI-094C型專(zhuān)業(yè)醫(yī)療腦電圖誘發(fā)電位儀對(duì)受試者的視覺(jué)誘發(fā)電位進(jìn)行檢測(cè)。腦電圖誘發(fā)電位儀使用8×6的國(guó)際象棋黑白棋盤(pán)格作為翻轉(zhuǎn)刺激圖形，以1.5 Hz的頻率進(jìn)行黑白交替變化。在數(shù)據(jù)采樣為0.5 ms/次的頻率下，每次腦電圖檢測(cè)采集900個(gè)數(shù)據(jù)。

依據(jù)國(guó)際腦電圖協(xié)會(huì)規(guī)定的10/20標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)電極放置方法[31]，選取Oz作為作用電極，F(xiàn)z作為參考電極，接地電極位于額頭中心。詳細(xì)電極布置如圖2所示。

圖2 電極布置圖Fig.2 Electrode layout

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，涂抹導(dǎo)電膏使電極片與頭皮充分接觸，保證阻抗不大于10 kΩ后開(kāi)始測(cè)試。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，記錄布置于頭皮表面的Pz和Oz兩個(gè)電極腦電波變化的電位差。

照度計(jì)水平放置于實(shí)驗(yàn)區(qū)域0.75 m高的桌上，通過(guò)照度計(jì)的示數(shù)來(lái)調(diào)整室內(nèi)色溫環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)中所使用的儀器如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器Table 1 Experimental test equipments

1.4 主觀(guān)調(diào)查

采用國(guó)際通用的5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[32]設(shè)置主觀(guān)調(diào)查尺度，受試者可根據(jù)視覺(jué)感受做出判斷，并給出一個(gè)精確到小數(shù)點(diǎn)后一位的數(shù)值，評(píng)價(jià)尺度如圖3所示。受試者在完成每個(gè)色溫環(huán)境的PRVEP測(cè)試后，立即填寫(xiě)主觀(guān)調(diào)查問(wèn)卷。主觀(guān)調(diào)查問(wèn)卷詢(xún)問(wèn)了受試者的光環(huán)境感受，包括刺激程度、眼部疲頓度。

圖3 主觀(guān)評(píng)價(jià)尺度Fig.3 Subjective evaluation scale

1.5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

《室內(nèi)工作場(chǎng)所照明》[33]中規(guī)定辦公室平均照度不應(yīng)低于500 lx。本實(shí)驗(yàn)保持室內(nèi)照度為500 lx不變，共進(jìn)行了3 000、4 000、5 700 K三種色溫環(huán)境的實(shí)驗(yàn)，以探究不同色溫下人體視覺(jué)舒適度。

氣候室內(nèi)每次只允許一位受試者進(jìn)行PRVEP數(shù)據(jù)的檢測(cè)和記錄。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前由工作人員為受試者佩戴頭部電極，受試者實(shí)驗(yàn)期間需保持靜坐。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后受試者先進(jìn)行10 min的環(huán)境適應(yīng)，適應(yīng)期結(jié)束后隨即開(kāi)始PRVEP的測(cè)試和記錄。每個(gè)色溫環(huán)境的實(shí)驗(yàn)時(shí)間約為28 min，PRVEP測(cè)試結(jié)束后受試者填寫(xiě)主觀(guān)調(diào)查問(wèn)卷(約3 min)。上個(gè)色溫環(huán)境的實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，受試者可以進(jìn)行視覺(jué)放松并在室內(nèi)活動(dòng)，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)環(huán)境色溫調(diào)節(jié)至下個(gè)色溫環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后工作人員為受試者移除電極，并確認(rèn)受試者身體狀態(tài)無(wú)異常后結(jié)束該受試者的實(shí)驗(yàn)。

2 研究方法

視覺(jué)誘發(fā)電位是一種典型的人體生理信號(hào)，而實(shí)驗(yàn)所能采集到的數(shù)據(jù)屬于時(shí)域的PRVEP信號(hào)，不同于大多數(shù)腦電信號(hào)研究所采用的頻域分析[34-36]或時(shí)頻分析[37-38]等方法，非線(xiàn)性分析不會(huì)受到時(shí)域或頻域分析局限性的限制，可從混亂的腦電信號(hào)中分離得到分辨率較好的潛在本質(zhì)特征。

模糊熵fE是非線(xiàn)性分析方法中的一種。模糊熵指時(shí)間序列中產(chǎn)生新模式的概率的大小，產(chǎn)生新模式的概率越大，序列復(fù)雜度越高，不確定性越大，相應(yīng)的模糊熵也就越大。模糊熵算法[39-40]如下。

(1)一個(gè)N維時(shí)間序列U(i)為{u1,u2,u3,…,un}，定義相空間維數(shù)m(m≤N-2)和相似容限r(nóng)，用于重構(gòu)相空間X(i)：

X(i)={ui,ui+1,…,ui+m-1}-u0(i)=

{xi,xi+1,…,xi+m-1}

(1)

(2)令兩個(gè)不同X(i)與X(j)之間的距離為

d[X(i),X(j)]=max(|xi+k-xj+k|)

(2)

式(2)中：k=0,1,…,m-1；i,j=1,2,…,N-m,i≠j。

(3)取模糊隸屬函數(shù)為

(3)

式(3)中：ε為模糊隸屬函數(shù)自變量。

當(dāng)i=1,2,…,N-m+1時(shí)，有

D[X(i),X(j)]=

(4)

式(4)中：i,j=1,2,…,N-m+1且j≠i。

(4)定義函數(shù)：

(5)

(6)

(6)當(dāng)N可取有限值時(shí)，對(duì)該N維有限時(shí)間序列U(i)的模糊熵為

fE(m,r,N)=lnΦm(r)-lnΦm+1(r)

(7)

關(guān)鍵參數(shù)m和r的選取對(duì)模糊熵的計(jì)算起到至關(guān)重要的作用?？臻g維數(shù)m取決于時(shí)間序列總體長(zhǎng)度的大小，對(duì)于短時(shí)生理信號(hào)推薦值m=1或m=2較為合適[41]。相似容限r(nóng)選取過(guò)小，會(huì)增加噪聲對(duì)結(jié)果的干擾，r選取過(guò)大，導(dǎo)致大部分信息丟失，計(jì)算熵值趨于0，相似容限r(nóng)一般選取時(shí)間序列標(biāo)準(zhǔn)差的0.1～0.25倍較為合適[42]。

3 結(jié)果與分析

3.1 PRVEP模糊熵

選取模糊熵參數(shù)中的相空間維數(shù)m為2，相似容限r(nóng)為0.2，按照模糊熵算法對(duì)15名受試者的45組測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并得到了45組PRVEP模糊熵序列。

為進(jìn)行不同受試個(gè)體間的比較和不同色溫環(huán)境的同一個(gè)體的對(duì)比，對(duì)45組PRVEP模糊熵序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。為模糊熵計(jì)算，選擇如式(8)所示的模糊量化標(biāo)準(zhǔn)模式。

(8)

式(8)中：fE、 fEmax、fEmin和fEs分別為初始PRVEP模糊熵序列、同一色溫環(huán)境下的PRVEP 模糊熵序列最大值、同一色溫環(huán)境下的PRVEP 模糊熵序列最小值和標(biāo)準(zhǔn)化后的 PRVEP 模糊熵。

標(biāo)準(zhǔn)化后的PRVEP模糊熵與色溫的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 色溫與PRVEP模糊熵Fig.4 Color temperature and fuzzy entropy of PRVEP

在環(huán)境色溫發(fā)生變化時(shí)，PRVEP模糊熵會(huì)隨著色溫的增加逐漸增大，但3 000、4 000 K下的模糊熵變化并不明顯，而5 700 K下的模糊熵達(dá)到最大。

使用多項(xiàng)式擬合對(duì)色溫-模糊熵fEs的變化關(guān)系進(jìn)行量化。擬合方程為

fEs=1.54×10-8x2-9.16×10-5x+0.29

(9)

式(9)中：x為色溫(3 000 ≤x≤ 5 700)，K；fEs為PRVEP模糊熵，0.15 ≤ fEs≤ 0.27。

圖4所示的結(jié)果表明，在探究不同色溫環(huán)境下視覺(jué)刺激對(duì)人體視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)的影響時(shí)，色溫的增加會(huì)引起PRVEP模糊熵的增大。在3 000 K下，PRVEP模糊熵最小，無(wú)序性最小，色溫引起的視覺(jué)不適反應(yīng)最弱，而5 700 K下則恰好相反。這也說(shuō)明人體應(yīng)對(duì)視覺(jué)刺激的生理反應(yīng)和視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性在這兩種色溫環(huán)境下呈現(xiàn)出截然相反的表現(xiàn)。而3 000 K與4 000 K下的PRVEP模糊熵十分接近，可能的原因是這兩種色溫環(huán)境帶給受試者的感受相差并不顯著，暖色調(diào)(3 000 K)與中性色調(diào)(4 000 K)環(huán)境帶給人體的視覺(jué)刺激差異不大。當(dāng)色溫增加到5 700 K時(shí)，冷色調(diào)環(huán)境使得PRVEP模糊熵發(fā)生了較大變化，相比其他色調(diào)帶來(lái)的生理震蕩更強(qiáng)烈[43]。

在建筑室內(nèi)照明設(shè)計(jì)推薦的照度環(huán)境(500 lx)下，盡管隨著色溫增加模糊熵會(huì)逐漸增大，但3 000～4 000 K的范圍內(nèi)，模糊熵變化并不大。這說(shuō)明絕大部分辦公場(chǎng)景的設(shè)計(jì)照度下，模糊熵具有一定的穩(wěn)定性，場(chǎng)景色溫的變化帶去的人體生理反應(yīng)變化很小，視覺(jué)舒適性較好。另外，在照度占主導(dǎo)因素的穩(wěn)定的辦公情景中，色溫對(duì)人體視覺(jué)舒適性的貢獻(xiàn)相比于照度因素是較小，并可能與個(gè)體色溫偏好有較大關(guān)系[43]。

3.2 主觀(guān)調(diào)查

主觀(guān)調(diào)查是舒適性研究中十分常用的方法之一，主觀(guān)投票的目的是對(duì)受試者進(jìn)行個(gè)體心理主觀(guān)印象調(diào)查。主觀(guān)調(diào)查中詢(xún)問(wèn)了受試者的主觀(guān)刺激程度和眼部疲頓度，希望通過(guò)這兩個(gè)主觀(guān)指標(biāo)來(lái)表達(dá)人體的視覺(jué)感受。調(diào)查結(jié)果如圖5所示。

圖5 刺激程度和眼部疲頓度投票Fig.5 Voting for stimulation and eye fatigue

從圖5可以看出，刺激程度和眼部疲頓度會(huì)隨色溫的增加而逐漸增大。盡管3 000 K和4 000K下的主觀(guān)投票值差異不大，但3 000 K下的眼部疲頓度要大于4 000 K，而刺激程度投票值恰好相反。在5 700 K色溫下，刺激程度和眼部疲頓度的投票值都達(dá)到了最大。

對(duì)主觀(guān)調(diào)查中的刺激程度和眼部疲頓度投票值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，擬合結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 色溫與刺激程度Fig.6 Color temperature and stimulation

圖7 色溫與眼部疲頓度Fig.7 Color temperature and eye fatigue

擬合方程為

V1=1.25×10-7x2-7.58×10-4x+1.58

(10)

V2=2.84×10-7x2-0.002x+4.24

(11)

式中：V1為主觀(guān)刺激程度，0.43 ≤V1≤ 1.33；V2為眼部疲頓度，0.35 ≤V2≤ 1.49。

上述結(jié)果表明，環(huán)境色溫變化帶來(lái)的人體視覺(jué)感官的影響隨著色溫的增加表現(xiàn)出不同的變化情況。刺激程度隨色溫增加開(kāi)始增大，低色溫的刺激感要比高色溫更小，這是由于高色溫白光帶給人的明亮程度要比低色溫更強(qiáng)烈[44]。盡管3 000 K與4 000 K時(shí)眼部疲頓度相差不大但4 000 K時(shí)達(dá)到了最小，說(shuō)明4 000 K的色溫環(huán)境所引起的視覺(jué)不適感最微弱，是比較舒適且適合辦公環(huán)境的色溫設(shè)置。另外5 700 K的高白光環(huán)境帶給人體的眼部疲頓度十分強(qiáng)烈，視覺(jué)刺激性也最強(qiáng)。

相比于色溫在4 000～5 700 K的主觀(guān)投票值變化率，3 000～4 000 K的投票值變化不大，變化率很小。可能的原因是3 000～4 000 K的色溫變化帶給人體的視覺(jué)感受并不明顯。另外，GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中推薦在辦公室、閱覽室等公共建筑中色溫宜設(shè)置在3 500～5 000 K。也有研究認(rèn)為受試者更傾向于4 000 K 的色溫環(huán)境并且 工作舒適度更高。因此，有理由認(rèn)為在4 000 K下，更易達(dá)到較高的視覺(jué)舒適，刺激程度和眼部疲頓度投票也將會(huì)更小。

3.3 PRVEP模糊熵與主觀(guān)調(diào)查值

在不同色溫環(huán)境下進(jìn)行人體PRVEP的測(cè)試，是為尋找不同色溫下視覺(jué)刺激對(duì)人體視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)的影響，以使用客觀(guān)生理參數(shù)PRVEP衡量人體視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)的活躍度和適應(yīng)性。

為建立PRVEP模糊熵與主觀(guān)投票(刺激程度和眼部疲頓度)之間的關(guān)系，利用Pearson相關(guān)系數(shù)法分別對(duì)PRVEP模糊熵與刺激程度投票和PRVEP模糊熵與眼部疲頓度投票進(jìn)行檢驗(yàn)。Pearson相關(guān)系數(shù)反映兩個(gè)變量之間的相關(guān)程度，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大表明兩個(gè)隨機(jī)變量之間相關(guān)度越高。通常情況下，當(dāng)相關(guān)系數(shù)在0.80～1.00表示相關(guān)性極強(qiáng)；在0.60～0.80表示相關(guān)性強(qiáng)。使用MATLAB2018b進(jìn)行Pearson相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)，刺激程度和眼部疲頓度分別為0.92和0.84。

Pearson相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)顯示，PRVEP模糊熵與刺激程度投票和PRVEP模糊熵與眼部疲頓度投票之間都具有極強(qiáng)的相關(guān)性。因此，建立PRVEP模糊熵和主觀(guān)投票之間的數(shù)理關(guān)系，使用客觀(guān)生理參數(shù)來(lái)表征主觀(guān)情感感受，能更加準(zhǔn)確地挖掘不同色溫環(huán)境下人體的視覺(jué)舒適特性。在尋找PRVEP模糊熵和刺激程度之間的數(shù)理關(guān)系時(shí)，使用Power、Linear Fitting、Fourier、Sum of sine、Polynomial類(lèi)型對(duì)模糊熵fEs和刺激程度進(jìn)行回歸分析。

當(dāng)確定系數(shù)R2越接近1.00, 誤差平方和(SSE)和均方根差(RMSE)越小，回歸性分析結(jié)果越顯著。結(jié)果表明，Linear Fitting型回歸和Fourier型回歸的確定系數(shù)R2為1.00，SSE、RMSE基本相等，回歸效果最佳但其回歸表達(dá)形式復(fù)雜，不便于使用。Polynomial型回歸R2為0.99且形式簡(jiǎn)單、特征清晰最為合適。PRVEP模糊熵和刺激程度的回歸分析結(jié)果如圖8所示，函數(shù)關(guān)系為

圖8 PRVEP模糊熵-刺激程度回歸關(guān)系Fig.8 The regression relationship of fuzzy entropy of PRVEP and stimulation

V1=7.93fEs-0.80

(12)

同樣使用Power、Linear Fitting、Fourier、Exporiential、Polynomial類(lèi)型對(duì)模糊熵fEs和眼部疲頓度進(jìn)行回歸分析。回歸結(jié)果表明：除Fourier型回歸和Polynomial型(確定系數(shù)R2> 0.99)外，其余類(lèi)型的回歸效果相差不大，表達(dá)式系數(shù)項(xiàng)個(gè)數(shù)為3～4項(xiàng)，無(wú)較大差異，因此選用Polynomial型回歸，R2為0.99，PRVEP模糊熵fEs和眼部疲頓度之間的回歸結(jié)果如圖9所示，函數(shù)關(guān)系為

圖9 PRVEP模糊熵-眼部疲頓度的回歸關(guān)系Fig.9 The regression relationship of fuzzy entropy of PRVEP and eye fatigue

V2=-106 2fEs3+730.6fEs2-153.8fEs+10.65

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在不同的色溫環(huán)境下，PRVEP模糊熵和主觀(guān)調(diào)查值之間表現(xiàn)出的極為相似的變化趨勢(shì)證實(shí)了二者之間存在著密切的聯(lián)系。圖8的回歸分析表明，PRVEP模糊熵與刺激程度具有顯著的正相關(guān)線(xiàn)性關(guān)系，刺激程度隨著PRVEP模糊熵的增大而增大。PRVEP模糊熵越小，人體在應(yīng)對(duì)視覺(jué)刺激時(shí)的生理反應(yīng)越小，視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性越強(qiáng)，而主觀(guān)刺激程度也越小。圖9的結(jié)果反映了PRVEP模糊熵和眼部疲頓度的變化關(guān)系，當(dāng)PRVEP模糊熵小于0.165時(shí)，眼部疲頓度隨模糊熵的增大而減弱，而模糊熵大于0.165時(shí)，眼部疲頓度則隨模糊熵的增大而增強(qiáng)。可以確定的是PRVEP模糊熵越小，視覺(jué)舒適性越高。而PRVEP模糊熵最小的色溫環(huán)境為3 800 K，這時(shí)眼部疲頓度感覺(jué)最弱。這也表明PRVEP模糊熵與主觀(guān)調(diào)查值反映著相同的生理變化規(guī)律，具有相似的生理解釋。

從生理機(jī)制角度來(lái)看，人眼在收到一個(gè)視覺(jué)訊號(hào)后，這種經(jīng)視網(wǎng)膜處理的信息沿神經(jīng)節(jié)的視神經(jīng)纖維傳遞至大腦視覺(jué)中樞，并在枕葉區(qū)的視神經(jīng)皮層上形成視覺(jué)。視覺(jué)誘發(fā)電位測(cè)試主要采集大腦枕葉的電位差波動(dòng)，經(jīng)處理后的 PRVEP 模糊熵將反映這一區(qū)域的腦電活動(dòng)特征，而人體主觀(guān)投票恰恰收集的是在視覺(jué)形成后產(chǎn)生的一系列主觀(guān)反應(yīng)。因此，PRVEP 模糊熵和主觀(guān)感受具有明確的連通性，是同一生理機(jī)制或生理反應(yīng)的不同表現(xiàn)方式，二者存在可被相互表征的關(guān)系。

因此，為了補(bǔ)足主觀(guān)調(diào)查的本質(zhì)性不足和人為意識(shí)對(duì)主觀(guān)調(diào)查的干擾，使用客觀(guān)生理指標(biāo)(PRVEP模糊熵)與主觀(guān)調(diào)查間的數(shù)理關(guān)系，從客觀(guān)生理角度去預(yù)測(cè)人體主觀(guān)感受以期望能更合理、有效地揭示人體視覺(jué)舒適性的深層次意義。

4 結(jié) 論

對(duì)不同色溫環(huán)境下的圖像翻轉(zhuǎn)人體視覺(jué)誘發(fā)電位和主觀(guān)感受進(jìn)行測(cè)試和調(diào)查，希望結(jié)合主客觀(guān)指標(biāo)(PRVEP 模糊熵、主觀(guān)刺激程度和眼部疲頓度)對(duì)不同色溫環(huán)境下人體的視覺(jué)舒適性進(jìn)行探究。研究發(fā)現(xiàn)人體PRVEP 模糊熵和刺激程度投票值都隨著色溫的增大而逐漸增大，而眼部疲頓度則呈現(xiàn)出先減小后增加的變化趨勢(shì)。主客觀(guān)指標(biāo)值越小，視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性越強(qiáng)，視覺(jué)舒適性越好。基于PRVEP 模糊熵與主觀(guān)調(diào)查存在的極強(qiáng)相關(guān)性和生理解釋建立PRVEP 模糊熵與主觀(guān)調(diào)查的數(shù)理關(guān)系，以使用客觀(guān)生理指標(biāo)預(yù)測(cè)主觀(guān)感受，更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)人體主觀(guān)視覺(jué)舒適度的預(yù)測(cè)，減少由于人員意識(shí)驅(qū)動(dòng)引起的偏差。引入客觀(guān)生理參數(shù)不僅能增加可靠性和準(zhǔn)確性，也可以與主觀(guān)評(píng)價(jià)方法互相補(bǔ)充、驗(yàn)證。

(1) 高色溫的冷色調(diào)環(huán)境下人體PRVEP 模糊熵和主觀(guān)調(diào)查值最大，刺激感較為強(qiáng)烈，而低色溫的暖色調(diào)環(huán)境下人體PRVEP 模糊熵和刺激程度雖不顯著，但會(huì)使得眼部疲頓感增強(qiáng)。

(2) 中性色溫環(huán)境下PRVEP 模糊熵和刺激程度會(huì)略有增加，但眼部疲頓度會(huì)減小。在4 000 K左右的工作色溫下更適宜用于工作環(huán)境并有助于提升工作效率。