亮度变化下人眼适应性与舒适度的实验研究

张九红，吕坤洁，李田田，韩 臻，李 晋

(1.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168； 2.东北大学，辽宁 沈阳 110189)

引言

光作为人们生活中赖以生存且不可或缺的重要组成部分，它的主要作用不仅使人们能够看清楚非自发光的物体，也使人们不再畏惧黑暗环境带来的压抑感，甚至能给人们创造出积极的心境，很大程度上影响着人们的主观生理状态。创造健康舒适的光环境，提高建筑光环境质量，在经济快速发展的当下已然成为人们对生活品质及工作质量高度追求的必要环节。

建筑不同空间的亮度不同，会导致光环境明暗快速变化，引发人眼的视觉疲劳[1]，这就需要增加一段空间或时间的过渡，满足人眼适应过程。Rechichi等[2]提出了眨眼、畏光等视疲劳的10个主诉症状，当具有其中两个或以上症状时即可判定为视疲劳。普通人从室内走到室外太阳直射空间时，眼睛会有怕光及不舒适感，正常反应会将眼睛眯小或使用其他物品帮忙遮挡阳光的照射，以减轻眼睛不适的现象。由于空间内亮度会一直不断的变化，因此在亮度变化下的空间内提高视觉效能，减少人眼的疲劳感是我们更应关注的重要话题。

1 人眼适应性相关理论

1.1 明适应与暗适应

当人们从较亮的光环境到较暗的光环境时，或从较暗的光环境到较亮的光环境时，由于环境的亮度变化，人眼会有一个适应过程，这段适应过程也就是视觉适应。视觉适应是由于空间中光环境的亮度变化，人们眼睛通过瞳孔变化、视觉细胞的再调节以及人眼在明视觉、暗视觉与中间视觉中的转换来进行适应环境变化的过程，视觉适应通常来说都很短。由于个体差异，以及测定方法的不同，并不能得出明适应与暗适应时间的准确值。

当人们从较暗光环境到较亮光环境的过程中，特别是强光下，人眼会突然感到光线变亮、刺眼发眩，需要一段时间去适应后才能逐渐看清物品，这段适应叫明适应，又称光适应，是视觉适应的一种类型。明适应的时间较短，一般来说在人们进入较亮的光环境或是有较强光线直射时，正常人眼在几秒钟内就可以初步完成明适应，2～3 min内即可达到稳定水平，通常人眼彻底的明适应也不超过8 min。暗适应即是人眼从明亮环境到较暗环境中的适应，是指从明亮光环境下进入较暗处或是照明突然关闭的情况下，人眼的一个适应的过程。在暗适应中，瞳孔直径会扩大为得到更多的入射光线，从视锥细胞的进行工作，转换为视杆细胞的工作；初步的暗适应需要几分钟左右，但彻底的暗适应过程常常需要历经很长的时间，大概需要30～40 min。

1.2 邦森-罗斯科定律

眼睛观察物体时，必须通过在一定亮度下使视觉细胞活跃起来，才能产生视觉感受。在一定条件下，亮度×时间=常数。也就是说，呈现时间越短，越需要更高的亮度才能引起视感觉[3]，如图1所示。它表明物体越亮，识别它的时间可以越短。

图1 邦森—罗斯科定律[3]

2 动态光环境实验测试分析

为研究在建筑空间亮度变化过程中人眼适应的变化规律，需要在实验室环境下模拟出不同组合的亮度变化，并探究这些不同的亮度差对人眼适应性与舒适度造成的影响。

2.1 实验方法

主观评价操作简单、分析方便，适用于稳态光环境，但实验结果受主观因素干扰较大；客观测量数据准确，适用于所有光环境，但测量麻烦、分析复杂。在本实验中，采用主观评价的实验方法对人眼舒适度进行实验，采用客观测量的实验方法对适应性进行实验。

2.1.1 主观评价

主观评价是通过主观评价问卷的方式获得受试者的心理状态，是对于主观情绪以及心理情绪的一种最主要的评价手段、应用极其广泛。通常采用量表制或是打分制的形式来评价。主观评价问卷具体题目的设计需要包含所有需要的指标信息，简洁明确、清晰易懂以便给受访者传达准确的评价标准。主观评价问卷的主要目的是把受访者的心理状态通过问答和打分的形式来展现出来。我们对光环境舒适度的主观评价问卷设置，就是让受访者按照调查者所规定的空间环境及方式去感受，这种感受可以是有针对性的如视觉舒适度，或者有整体性的如人体主观舒适度，不管是哪种感受，空间中的照度、空间尺度、颜色等基础参量都会被人包含在舒适度的感受范围内。

此调查问卷分两大部分：第一部分是对本实验研究的亮度变化下的光环境舒适度的主观评价，采用分级打分的方式，设置五个级别，分为极不舒适、较不舒适、适中、较舒适、极舒适，用数字-2到2表示(见表1)。问卷还包括受访者的个人信息，包括年龄、性别、职业、学历、视力情况等。第二部分包括亮度、照度等物理参数的内容。

表1 舒适度评价表格

主观评价方法直接、简单、容易理解，应用最为广泛，但容易受到受试者自身主观因素的影响，准确率不高，很多时候并不能准确地反映受试者的状态，结合其他客观评价方法，可以作为一种辅助手段应用于实验中。

2.1.2 客观测量

视疲劳研究常用的生理参数有脑电(EEG)、心电(ECG)、皮电(GSR)、脉搏波形(PPG)、体温(SKT)、眼动参数等[4]。通过对一些客观数据的测量，可判定出人体主观感受。人眼作为直接感受光刺激的器官，眼部活动的变化最能直观地反映出视疲劳。赵峰等[5]的研究表明瞳孔直径变化与视疲劳程度呈正相关关系，光环境下人眼瞳孔变化越小，视觉疲劳程度越小，可见度越好，识别时间越短。心率随着观看视疲劳的增大而增加，和视疲劳具有较好的一致性，并且测量简单，可以用来作为视疲劳评估的指标[6]。

本实验选择了无线实时观察功能的可穿戴式眼动仪，确保了被访者佩戴的舒适度和行为自由度。研究人员可通过无线看到受访者的实时眼动轨迹、瞳孔变化和视线停留时间，从而迅速获得数据和识别物体的具体时间。

本文选择了基于适应时间的视觉功效法作为研究人眼适应的实验方法，主要选用了适应时间来表征在亮度变化下人眼的视觉功效，也就是说受试者能够以多快的速度准确探测到下一个目标并作出反应，即包括了人眼的观察时间和身体反应时间。运用视觉功效的实验方法来建立适应时间测试系统之前，必须运用心理物理学的相关理论来设计合理的实验装置、实验参数和实验流程，并清楚分析各种实验参数对视觉功效量的影响。本实验以辨认朗道尔C环的开口方位作为视觉作业，朗道尔环用照象法印在反射比ρ=0.82的无光白纸上，朗道尔环的开口方位随机出现[7]。

2.2 实验方案

2.2.1 实验装置

运用视觉功效的实验方法来建立适应时间测试系统，实验装置主要分为两部分，一部分是测试箱部分，另一部分是控制部分。实验装置设计如图2所示，其中：1—测试箱体；2—无光白纸板；3—转轴；4—联轴器；5—步进电机；6—转换器；7—导线；8—测试按钮；9—直流电源；10—TSC89752型单片机；11—控制按钮。

图2 实验装置设计图

1)测试箱部分。实验装置的测试部分由长方体空箱、LED可调节灯带及印有朗道尔C环的无光白测试板组成，如图3所示。测试板选择了朗道尔环作为视标，标准如下：朗道尔环的开口角度符合人眼一般水平的角分辨力水平阈值，以便于观察者准确地辨别在通用的国际眼科学会朗道尔环测量标准中，规定在5 m视距上能辨别 1′的开口时，人眼视力为1.0，识别 2′的开口时，人眼的视力为0.5，标准的朗道尔环直径为7.5 mm、环粗和开口均为1.5 mm朗道尔环的黑线条宽度与缺口宽度均为直径的1/5，如图4所示。

图3 实验装置主体测试箱部分

图4 视标

测试箱的主体部分是由五块白色雪弗板组成的一个不透光的无盖长方体空箱，空箱内部反射比均匀。长方体无盖一侧正对受试者，在受试者眼睛视线高度处，开出一个正方形洞口，洞口大小要比朗道尔C环所在的无光白纸测试板小。实验过程中，将白纸板与箱体贴紧，不留出任何缝隙。箱体内部安装LED无极调控灯，LED无极遥控调光灯带配有调控遥控器，可实现从远端精准控制。无极调控灯设置的位置不会对人眼产生眩光影响且使空间内亮度分布均匀。该LED灯在实验环境内测试出测试点最高照度可在100～12 000 lx中调节。为弥补低照度的不足，安装四个小灯泡，满足低照度的需求。灯的角度朝向朗道尔C环所在的无光白纸板，形成漫反射光环境，禁止直射入受试者的眼睛，避免产生眩光。

2)控制部分。实验装置的控制部分由TSC89752单片机、步进电机、直流电源、控制按钮及遥控器组成。LED无极调控灯有测试人员使用遥控器在后方进行控制。朗道尔环所在的白纸板粘贴在电机上，通过稳压直流电源输出稳定的电压，连接设置好程序的单片机及电机。单片机连接一个控制按钮，以供受试者识别出开口方向后按下。单片机上有记录从电机停止转动到受试者按下按钮的时间显示板。

实验中，使用TSC89752型单片机作为处理前端。随着受试者在不同环境下对箱体视窗处的“C”字测试板中开口方向做出判断，单片机会将受试者适应时间的数据上载至PC端，按下控制按钮后，将信息反馈给步进电机，以完成测试板的转动。在单人、单组实验结束后，程序将生成一个对应环境条件下仅包含每个测试板所对应的人体适应速度的数据集合。

实验装置中的控制部分如图5所示。

图5 实验装置控制部分照片

2.2.2 参数测试仪器

1)全数字色度计、照度计。具有快速测量、全量程测量、精度高、手持便携的特点，可以实现照度、色温等相关参数的测量。

2)辉度计。辉度计是一种亮度色度计，应用于各种亮度、色度、色温、对比度等项目测定。

2.2.3 实验流程

实验需要在光学暗室条件下进行，确保该实验过程无外界光照的干扰。实验选取测试板照度作为唯一变量，控制其他变量不变。

通过随机化的原则抽样选出50名满足如下要求的受试者参与实验：年龄20～35岁，25男25女，共50人，矫正视力≥5.0，其他视功能正常，身心健康，统计并记录受试者名单，逐一记录受试者的年龄、性别等个人信息。在实验前，需要向受试者传达清楚实验的流程。正式实验时，对每位受试者进行三次实验取平均值，以确保实验数据的准确性。每次实验后需要对受试者进行主观量表评价。

确定某一实验时间，在受试者开始每组实验前，佩戴上生理监测设备，首先测量实验对象初始心率等客观生理参数，并对数据进行记录。为了让受试者适应初始照度下的光环境，在实验开始前，让受试者根据初始照度适应不同的时间，待受试者认为眼睛对此光环境已经完全适应且稳定后开始实验测试工作。实验过程中，受试者的眼睛应一直注视朗道尔环测试板，且实验进行中始终用双眼进行观察。

步骤1：将光源投射至背景，达到提高照度均匀度且不产生眩光的目的。实验时，空间内照度由实验人员按测试表中的数据进行设定，实验人员首先按下复位按钮，完成对上一次数据的清理工作。控制按钮来控制单片机启动，提示受试者手持测试按钮，进而开展实验测试工作。

步骤2：实验人员按下启动按钮，此时电机开始带动测试板一起转动，在转动停止的同时，灯光切换，空间中的照度变成另外一个照度，与此同时，测试板上的朗道尔环固定在某一角度，并且触发单片机进入实验计时程序。

步骤3：亮度切换后，受试者观察测试板中朗道尔环的“C”的开口方向，待受试者眼睛识别出后，眼睛盯住开口方向不动，说出开口方向并按下按键。此时，单片机计时停止，并向PC端上载单次适应时间。

步骤4：将适应时间与眼动仪记录时间进行整合，达到消除个人误差的目的。

步骤5：实验人员确定数据已经录入完成后，需要受试者为本次亮度变化的舒适度进行打分并记录，调整光源亮度让受试者休息10～40 min适应环境后，返回步骤1进行下一组实验。待收集充足的测试数据后，实验测试停止。

步骤6：待实验测试结束后，再次对受试者进行生理参数的测量，并记录下与实验前的进行对比。完成上述工作后，有请下一位实验对象重复此实验过程，直至实验测试结束。实验照片如图6所示。

图6 实验照片

2.3 实验结论

全部实验完成后，在整理的过程中可以手动剔除存在较大误差的数据，然后对所有数据进行整合汇总，采用统计软件进行数据分析。由于照度递增与照度递减的人眼适应机制不同，因此将数据中的照度递增和照度递减状态分开整理分析，部分实验数据如表2所示。

表2 部分实验数据记录表

2.3.1 正态性检验

对于实验所得数据我们需要进行相关性分析，为确定相关性分析的方法，首先要对适应时间与舒适度评分的变量进行正态分布检验。在照度递增条件下，变量的正态性检验，显著性P值均大于0.05，故符合正态分布，如表3所示，因此在照度递增条件下，适应时间和舒适度评分采用皮尔逊相关分析方法。

表3 照度递增条件下正态性检验

而照度递减条件下，适应时间不符合正态分布，如表4所示，因此在照度递减条件下，适应时间和舒适度评分采用斯皮尔曼相关分析方法。

表4 照度递减条件下正态性检验

2.3.2 相关性分析

由表5得知，在照度递增条件下，实验结果显示人眼适应时间与舒适度评分的皮尔逊相关系数r=-0.475，显著性为0.001且满足小于0.05的要求，说明人眼适应时间与舒适度评分的相关性是真实存在的且检验标准较高，呈现中等程度的负相关，即随着适应时间的增加，人眼的舒适度评分降低。

表5 照度递增条件下适应时间与舒适度的皮尔逊相关性

在照度递减的条件下，通过斯皮尔曼相关分析，可以得出适应时间与舒适度评分的相关系数为-0.579，且显著性为0.002，如表6所示，可以得出适应时间与舒适度评分呈中等程度的负相关。

表6 照度递减条件下的斯皮尔曼相关性

综上所述，在照度递增和递减条件下，得到的结论均是：适应时间与舒适度评分呈现中等程度的负相关。

通过对照度递增和照度递减使用不同相关性分析方法得出的结论，我们可以总结发现，虽然使用了不同的相关性分析方法，但得到的结论却是相似的，更加可以证明适应时间与主观舒适度评分呈负相关结论的正确性，即随着适应时间的增加，人眼的舒适度降低，也就是说，人眼的适应性与舒适性是具有负相关的，适应时间可以在客观角度反映出人眼的主观舒适度。

2.3.3 回归分析

通过使用回归分析来进一步确定两种变量的关系趋势，对照度递增中的适应时间与舒适度评分进行曲线回归分析，首先选择出拟合优度最高的分析方式，再通过曲线回归分析得到的函数拟合曲线。曲线与回归方程如图7(a)所示，同时也验证了前文舒适度评分与适应时间呈负相关的结论。在照度递增的情况下，舒适度评分取大于1分(较舒适)为满足人眼舒适的区间，通过回归方程得出满足人眼舒适的适应时间区间为小于0.73 s；舒适度评分-2分为极不舒适，即适应时间超过2.03 s为极不舒适。对于在照度递减的条件下，舒适度评分与适应时间的函数拟合曲线同样也为复合曲线，如图7(b)所示，将舒适度评分也取大于1分的较舒适区间，得出适应时间小于0.75 s为较舒适；适应时间超过3.70 s为极不舒适。

图7 舒适度评分与适应时间的拟合曲线

通过对回归曲线的分析，可以发现，照度递减条件下的适应时间区间要大于照度递增的适应时间区间，且照度递增函数曲线的斜率k值绝对值均要小于照度递减的函数曲线，主要原因是由于人眼的视觉特性不同，人眼暗适应的时间要比明适应的适应时间长。因此，得出照度递增的条件下，人眼的适应时间相对更短的结论。也就是说，人们在由亮度较暗空间向较明亮空间过渡时，更易被人们认为是较舒适。

3 结语

通过亮度变化下人眼适应性与舒适度的实验研究，将主观评价、客观测量两种实验方法相结合灵活运用，可以具有主观评价操作简单、分析方便以及客观测量数据准确的优点，从而获得更为科学准确的研究结果。

通过主客观实验验证了以亮度为单一变量的条件下，人眼适应时间与主观舒适度评分呈负相关结论的正确性，即随着适应时间的增加，人眼的舒适度降低，适应时间可以在客观的角度反映出人眼的主观舒适度，人眼的适应性与舒适度是具有负相关性。

通过对适应时间与舒适度评分的回归曲线的分析，得出在照度递减的条件下，人眼适应时间区间要大于照度递增的适应时间区间，且照度递增函数曲线的斜率k值绝对值均要小于照度递减的函数曲线，也就是说，在照度递增的条件下，人眼的适应时间相对更短，实验结果表明了人们由较暗空间向较亮空间过渡时更易被认为是较舒适的，也为建筑空间光环境的设计及改造提供了新思路，即在设计中，可以按照人流行进方向进行亮度递增的过渡，从而优化建筑空间光环境。