不同背景亮度和色温下垂直照度与辨x识度关系的实验研究

张 滨，张武广，高雅春，张恭铭

(中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013)

引言

传统照度标准值和照度均匀度是针对水平面给出的，但是在一些公共场所，人们观看的对象往往是立体和动态的，在这种情况下水平面的照度没有很大意义，而是整个空间各个方向都应有良好的照明[1]。视觉空间内的物体和面部识别都需要垂直方向具有足够的照明，垂直照度、半柱面照度、柱面照度都可以对垂直方向的照度进行规定，通过对比和研究我们建议采用垂直照度，并且结合四个方向(即X+，X-，Y+，Y-)的数值来表征空间照明，这样再加上水平照度，针对空间的各个方向就都有了表述[2]。

但是垂直照度又与背景亮度有直接关系，例如在日常生活中当侧面采光窗口亮度较高，人或者被识别物体背对采光窗，且垂直照明又太低时，会出现面部较暗而难以识别的现象，如图1所示。

图1 高亮度、低垂直照度造成的辨识困难Fig.1 Identification difficulties caused by high brightness and low vertical illuminance

目前“LED照明建筑一体化”的设计概念被提出并被逐渐运用到室内照明中，是一种针对建筑功能需求和空间特征，将照明装置与室内界面和构件有机结合，实现舒适与健康照明的创新性照明方式。实现一体化之后发光面可能会是顶棚、墙面、地面或是房间内的任何一个构件，这样也对场所内的空间照明提出了新的挑战，当发光面位于墙面或其他垂直面时(见图2)，会形成较高的背景亮度，这时如果垂直照度不够时，就会出现上述提到的问题，但是垂直照度太高又不利于节能，因此针对这一问题我们进行了实验研究，以确定达到辨识和交流的需求时，不同背景亮度条件下垂直照度的合理取值。

图2 一体化照明示意图Fig.2 Diagram of integrated lighting

1 人脸辨识实验

1.1 实验目的

1)了解色温变化对该实验条件下辨识度的影响及影响程度。

2)通过背景亮度和垂直照度的变化，确定不同背景亮度条件时的垂直照度的合理取值。

1.2 实验设备与内容

1)实验的主要试验设备是全视野动态交互型视野计，该设备为直径2.4 m的半球形LED显示屏，可通过软件对屏体的亮度和色温进行调节，在本次实验通过该设备可设置不同模式的背景亮度，实验设计示意图见图3。

图3 实验设计示意图Fig.3 Diagram of experimental design

2)设置全视野动态交互型视野计的亮度为10 cd/m2、20 cd/m2、30 cd/m2、50 cd/m2、75 cd/m2、100 cd/m2、300 cd/m2、500 cd/m2，每种亮度均对应2 200 K、4 000 K、6 000 K三种色温，共设置24种背景亮度。

3)全视野动态交互型视野计前方为被观察者，背对设备发光球面，面部距离地面高度为1 500 mm，在屋顶安装照明灯具，对被观察者面部进行照明。

4)调整灯具照度，使被观察者面部垂直照度分别为20 lx、50 lx、100 lx、300 lx、500 lx、1 000 lx、2 000 lx，每种垂直照度分别对应以上每种背景亮度，共计168个实验场景。在同一背景亮度条件下被观察者面部照度变化如图4所示。

图4 被观察者面部照度变化Fig.4 The changes of illuminance on observed face

5)相关研究表明，在社会交际中人与人之间的距离以业务交际和公共交际距离最远，业务交际一般在2 m到3 m为佳；公共交际距离多在3 m以外，如果发生语言交往，也不应该低于2 m[3]。因此在本次实验中，被试者与被观察者的距离设置为2.5 m。

6)在上述168个实验场景下，被试者对被观察者的面部进行观察后，对被观察者面部照明的可辨识程度即清晰度进行主观打分。

7)使用5级评价量表对被试者辨识度主观感受进行测定，按清晰程度的强弱排列，每级所代表的感受分别为：1—非常不清晰、2—不清晰、3—可以看清、4—清晰、5—非常清晰。作为社会调查和心理学实验最常用的一种量表形式[5]，虽然该量表只能反映人们在态度维度上的顺序，不能显示出不同态度之间的距离[4],但是对一定数量被试的测试结果进行统计分析后，可以在一定程度上反映被试总体的态度倾向[5]，因此在本次试验中可以了解到不同背景亮度模式下，被试者辨识度变化的总体趋势，从而可以得到不同等级所对应的垂直照度范围，并可以此进行后续的相关分析。

2 实验数据分析

实验共有20名被试人员，16名男性、4名女性，年龄为24岁至40岁，所有被试者的矫正视力均在1.0以上。对每一实验场景清晰度的平均得分进行回归分析后，可以得到在某一种背景亮度模式下清晰度感受随垂直照度变化的规律，图5和图6所示分别为背景亮度在4 000 K、100 cd/m2和6 000 K、20 cd/m2时，清晰度感受随垂直照度变化的规律曲线。

图5 清晰度与垂直照度的关系曲线图(4 000 K 100 cd/m2)Fig.5 Relation curves between sharpness and vertical illuminance (4 000 K 100 cd/m2)

图6 清晰度与垂直照度的关系曲线图(6 000 K 20 cd/m2)Fig.6 Relation curves between sharpness and vertical illuminance(6 000 K 20 cd/m2)

2.1 色温的影响

根据不同背景亮度模式下清晰度和垂直照度的关系曲线，可以得到当清晰度达到量级3(可以看清)、量级4(清晰)时，不同色温、不同背景亮度条件所需的垂直照度值见表1，分别对达到量级3和量级4时所需的垂直照度和色温进行相关性分析，由表2可知，两种情况下的垂直照度与色温的显著性水平都在0.05以下，具有较显著的相关性。

表1 垂直照度统计表

表2 相关性分析

由以上分析可知，相同背景亮度条件下，色温对于垂直照度的需求具有一定的影响。由表1可知，低色温需要的垂直照度要高于高色温，且背景亮度越高色温的影响效果越大。因此对于垂直照度的要求，除应考虑背景亮度外，还应考虑色温的影响。

2.2 垂直照度的取值

在一般情况下符合《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)的照明场所中，对于物体或人面部的识别都能达到看清或清晰的水平，为验证本次实验数据的可靠性和适用性，我们对7间符合GB 50034的办公室和会议室进行了现场测试，测试结果见表2，测试房间的光源色温均为4 000 K，将表2与表1中4 000 K条件下的实验数据进行对比,测试房间的垂直照度值均能达到量级3的水平，且吻合度较高，如果要达到量级4的水平，现有照明水平要进行较大幅度的提升，不利于照明节能。因此，在现有标准条件下，可以量级3的作为参考对垂直照度进行设计和评价，对表1中量级3所对应的不同色温条件下的背景亮度和垂直照度进行回归分析，可得背景亮度与垂直照度呈线性关系变化，具体变化规律见图7～图9。因此，根据本次实验结果在照明设计和评价时垂直照度的值应考虑背景照明的色温及亮度影响。

表3 垂直照度现场测试统计表

图7 垂直照度与背景亮度的关系曲线图(2 200 K)Fig.7 Relation curves between vertical illuminance and background luminance(2 200 K)

图8 垂直照度与背景亮度的关系曲线图(4 000 K)Fig.8 Relation curves between vertical illuminance and background luminance(4 000 K)

图9 垂直照度与背景亮度的关系曲线图(6 000 K)Fig.9 Relation curves between vertical illuminance and background luminance(6 000 K)

3 结论

要使室内照明质量得到提升，“LED照明建筑一体化”设计的照明场所具有优良的光环境质量，必须重视空间照明质量，对垂直照度进行合理的设计。本文所应用的以四个方向垂直照度来表征空间照明的方法，及通过实验所得到的背景亮度与垂直照度的关系曲线，可以为垂直照度设计和评价提供技术参考。另外，LED技术的进步和智能照明的发展，提升了人们对于健康照明、智能照明的感受和需求，也需要相应的照明设计和评价方法去体现，今后还可以结合天然采光、健康照明的相关内容，对垂直照度进行更全面的分析和研究。