主成分分析方法下的直视照明舒适度研究——以3 000 K静态照明眼部舒适为评估对象

冯 凯，郝洛西,代书剑

(1.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092；2.高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室，上海 200092； 3.上海市城市更新及其空间优化技术重点实验室，上海 200092)

引言

随着我国工业化积累的基本完成，各城市的发展方向开始由以往的生产建设向消费经营过渡，消费主义正逐步成为主导城市开发的价值观之一[1]。在此背景下，地方政府为了提升城市竞争力、获得地区经济利益的进一步发展，多采用“城市再开发”、“城市形象营销”等手段不断寻找新的经济增长点以刺激和拉动消费[2]。过程中夜晚经济发展由于直接与民众生活相连，且具有成效快、见效好、可实施性强等特点已经成为众多城市挖掘消费潜力的主要手段，与之同期LED照明产业的快速发展、与数字技术的结合，以媒体立面、灯光秀为代表的有利于城市形象输出、延长游客游览时间的形式在夜景照明市场迎来发展热潮，并成为舆情热点[3]。

2021年发布的《超高层建筑夜景照明工程技术规程》(T/CECS 859—2021)[4]和《LED夜景照明应用技术要求》(GB/T 39237—2020)[5]中提出了以媒体立面为代表的直视照明(及灯具)相关定义与要求，明确其与传统泛光照明的核心不同在于灯具发出的光线本身即是灯光的表现内容(传统泛光照明则依赖于被照物的表现)。与传统泛光照明方式相比，直视照明(图1)为夜景表现提供了更好的多样性和灵活性。但同时应该认识到此类灯具发出的光线直接进入城市环境与人眼，如不进行综合、有效地评估，极易引起眩光或光污染。

图1 直视照明在城市中的广泛应用Fig.1 Extensive use of lighting for direct viewing

1 以媒体立面为代表的直视照明统计分析

对2021年7月建党一百周年纪念活动中一线、新一线、二线共49座城市的夜景建设情况进行统计分析，其中有29座进行了传统泛光照明建设，47座进行了媒体立面灯光联动建设(其中有37座城市为较大规模)，4座城市进行了山体灯光秀演绎，31座城市进行了临时性灯光(如3D投影、无人机、激光、喷泉水幕秀等)表演，夜景建设的火热程序可见一斑(表1)。特别是49座城市中有47座城市通过不同规模的媒体立面建设(或演绎)，一方面传达了特定节日的主题需求，另一方面也说明此类照明方式在城市中的广泛存在。统计中的49座城市是我国建设发展最为领先的城市，在政治、经济、文化等众多方面对周边城市或地区乃至全国有着重要影响力，其城市夜景表现形式同样在一定时期内会成为更多城市的建设标向，如何在更大范围内实现媒体立面的科学、有序发展与管控，是需要不断思考与探索的工作。

表1 节庆期间一线、新一线、二线城市夜景灯光建设统计表

作为城市夜景表现的重要手段，直视照明类项目在权威平台的获奖情况也可反应其在建设活动中的火热程度。对近3年国内认可度较高的城市夜景照明相关奖项的评选结果进行统计，包括中照照明奖(2018—2020)、亚洲照明设计奖(AALD，2019—2021)、白玉兰照明奖(2018—2019)、金手指奖(2018—2020)(表2)。为便于分析，本次统计以媒体立面为对象，结果显示媒体立面类项目在各奖项中获奖占比均在15%～20%范围周边(其中金手指奖占比较高，均在20%以上)，且各年占比相对比较稳定(除白玉兰奖从2018年26.7%大幅下降至2019年的11.9%)。媒体立面类项目在以上奖项中的获奖情况及占比份额进一步表明其已经成为城市夜景建设的重要组成部分，且现实环境中会有更大量的(未获奖)媒体立面类项目存在。另外，本次统计仅针对彩色、动态主导的媒体立面类项目，未包括静态直视照明，如将直视照明作为统计对象，项目占比仍有上升空间，此结果也间接表明直视照明在现实环境中被广泛运用。

表2 照明奖项中媒体立面类项目及占比统计

2 亮度影响下的城市照明健康问题

过强(以亮度为典型代表)的夜间照明(LAN，Lights at Night)会对人的眼睛、情绪和昼夜节律产生负面影响[6, 7]，夜间灯光的高亮度可能会导致视觉不适，如眼睛疲劳、疼痛、聚焦困难等[8]，成为夜间公众观看和体验的负面来源。长期累积效应可能破坏人体生理功能，导致昼夜节律和神经内分泌系统紊乱，并诱发肥胖、糖尿病、抑郁症和癌症，对身心健康的负面影响可能不会逆转[9, 10]。尽管夜间室外照明对人眼影响的机制尚不清楚，但夜间暴露在明亮环境中会影响人类的视觉、生理和心理[9, 11-14]。研究表明，夜间睡眠时5 lx或更高的亮度会增加眼睛疲劳[8]。Zalesinska(2018)在实验室模拟实验中提出，夜间LED广告牌图像亮度在视野中的位置对驾驶员的视觉性能有重大影响[15]。大量研究证明，LED屏幕的亮度与视觉疲劳程度有关[16, 17]。通过适当的亮度对比设置可以提高视觉舒适度，但当亮度对比超过一定范围时，视觉舒适度会再次降低[18]。

以上研究均表明，针对亮度的管控是面向更舒适城市夜晚环境建设的重要手段。但现行各类标准规范主要针对传统照明方式或产品，对直视照明的要求远远不够，这会直接导致设计过程中缺乏科学标准和运营过程中缺乏有效依据，相关研究应尽早展开。但需要关注的是，城市室外环境中存在众多影响判断的不可控因素对研究造成干扰，因此有必要预先在实验室研究不同灯光变量对人体舒适性的影响，并在研究成熟时，在城市环境中进行完善的验证与修正，这也是本次研究采用的方法。

3 面向直视照明舒适度的实验室研究

实验装置由观察箱和光源组件组成(图2、图3)。光源组件通过在底板(600 mm×600 mm)上等间距固定15条线性灯具(长度500 mm)，背部连接电源和控制器(图4左)；观察箱可通过拼接方式进行尺寸调整，本次实验选择3 m/6 m/9 m共3种观察距离，为受试者提供不同的观察体验(图4右)。实验选用建设活动中广泛应用的线性灯(18 W，出光面配有哑光罩)。实验过程中通过控制光源芯片的色坐标占比(20%/40%/60%/80%/100%)形成5个亮度级别供被试观察(参数见表3)。实验前被试在黑暗环境中观看一段3 min的夜景视频，以利于被试进入(模拟)夜晚实验状态，过程中室内(其他)灯具处于关闭状态，并播放城市背景音频文件(起白噪音作用)。

图2 实验场景示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental scene

图3 实验装置现场图Fig.3 Photos of experimental device

图4 灯光组件(左)与观察箱(右)Fig.4 Light source assembly (left) and observation box (right)

在实验阶段，受试者被要求观看不同的灯光场景1 min，随后闭眼休息并通过问答形式获得眼睛舒适主观评价量表，量表包含7个选项(表4)，采用语义差别量表方式进行评估(表5)。

实验被试共35人参加，因受实验条件限制，首先进行第一批(3 m)实验，共计20人；第二批实验15人(同时参加6 m和9 m)，被试年龄在20～45岁区间。最终获得有效问卷250份，其中3 m实验100份(20人×5亮度等级)，6 m和9 m实验各75份(15人×5亮度等级)。问卷信度分析显示Crobach’s Alpha和基于标准化项的Crobach’s Alpha分别为0.957和0.962，表明问卷信度较高(表6)。

表3 不同亮度等级对应的平均亮度

表4 眼部与情绪舒适评价选项

表5 主观问卷选项及意义

表6 主观问卷信度分析

4 主成分分析方法下的舒适性评估

整理各被试的主观评价数据，通过R语言进行主成分分析。分析7个变量(见前文)的系数矩阵(以6 m实验为例)，发现对角线以外多个数值接近1，表明7个变量之间存在信息重叠(图5)，因此可以通过主成分分析方法进行数据处理。为进一步确认主成分分析方法的可靠性，通过bartlett球形检验得出p值为4.473409e-155(远小于0.05)和更为严格的KMO检验得出MSA值为0.95(大于0.7，说明数据非常适合主成分分析；大于0.5，说明数据可以做主成分但是存有一定误差；小于0.5说明数据不合适采用主成分分析法)，两种检验方法均表明数据非常可靠且高度适用于主成分分析方法(图6)。

图5 系数矩阵分析(6 m观察距离)(图片来源：R语言导出)Fig.5 Coefficient matrix analysis (6 m observation distance)

图6 bartlett球形检验(左)和KMO检验(右)结果(图片来源：R语言分析界面截图)Fig.6 Results of Bartlett spherical test (left) and KMO test (right)

由碎石图(图7)和累计方差(表7)可知前两个主成分解释了90%的信息，考虑到实际问题中可能存在各种误差带来的影响，以及方便后期图形绘制，本次研究选取第一个主成分(Comp.1，可解释79.89%的信息)来描述7个变量代表的信息。

图7 各主成分表征权重碎石图(图片来源：R语言导出)Fig.7 Representation weight diagram of each principal component

表7 各主成分累计方差统计表

图8 主成分中各因子的载荷矩阵(图片来源：R语言导出)Fig.8 Load matrix of each factor in principal component

查看主成分的载荷矩阵(图8)，获得新变量(命名为Ynew)中各因子的系数及数学表达式：

Ynew=0.417V1+0.351V2+0.432V3+
0.352V4+0.343V5+0.340V6+0.399V7

式中，Ynew：用于评价主观舒适的新变量(本次研究选用Comp.1)，其综合了眼部感受的各方面信息，取名为“眼部舒适感受”；

Vx：分别表示“眼部舒适”、“眼部干涩或酸胀”、“不愿直视”、“视物模糊”、“流泪感”、“异物或刺痛感”、“眨眼频繁”；

系数：根据载荷矩阵求得各因子的权重(系数)。

基于上式可知，各因子与舒适度呈现正相关关系，且各自权重分布较为均衡(均在0.4周边)，表明各因子对结果的输出均起到正向(且相近)的作用，同时根据Ynew可获得各被试在此场景下眼部舒适的变化折线图(图9)。

图9 3 000 K(6 m)静态场景下各被试的眼部舒适感受折线图(注：图中不同颜色的折线代表不同被试，后文同；图片来源：R语言导出)Fig.9 Diagram of eye comfort of each subject under 3 000 K (6 m) static scene

由图9可知，随着亮度的提高(从20%～100%)，15位被试者的眼部舒适感受虽然存在较明显的个体差异，但总体上仍呈现下降趋势，说明随着亮度升高会引起被试眼部舒适度的降低。在对各被试进行详细分析时发现，部分被试者的眼部舒适感受降幅较大，将这些被试者称为“眼部敏感群体”；而另外一些被试者的眼部舒适感受变化则相对较平缓，将这些被试者称为“眼部不敏感群体”。针对这两类人群分别绘制折线图，以便去除纵坐标变化范围过大的影响(不敏感人群的折线重叠较多不易判别)，更清晰地查看眼部舒适变化(图10、图11)。

图10 敏感群体眼部舒适折线图(图片来源：R语言导出)Fig.10 Diagram of eye comfort for sensitive groups

图11 不敏感群体眼部舒适折线图(图片来源：R语言导出)Fig.11 Diagram of eye comfort for insensitive groups

通过比对可知，两类人群的舒适度降幅虽然存有较大差异(个体因素引起)，但整体仍呈现亮度升高舒适度降低特征，与前文结论一致。但同时发现少量被试的变化曲线为V形(如图9中浅蓝线，图10中黑线、紫线)，表明某一中间亮度引起了其最大不适，随后会出现舒适度上升现象，而实验过程中也有部分被试反应“舒适度并非持续下降，部分中间场景反而会有所提升”。另一方面个别被试的变化为倒V形(图9中橙色线)，表明该被试认为过低或过高亮度会引起不适，而中间亮度接受度更高。此特征在3 m和9 m实验中也有出现，无论V形或倒V形折线，均表明“中间亮度”对部分人群具有更高的敏感性(更舒适或更不适)。考虑到本次实验各灯光场景的样本量较小(15～20人)，出现以上特征的对象占比较高(4/15人次)，当样本量增大时是否仍有此特征(不显著或更显著)，需要在未来研究中对此类现象进行关注。

采用相同方法分析被试在3 m、6 m、9 m实验中的主观感受结果(表8)：整体层面3次实验均呈现随亮度升高舒适感降低趋势；3组数据的比对中发现，3 m观察距离实验中舒适度的降低幅度较为平缓，而6 m和9 m场景中有更多被试体现出“高落差”特征，即6 m和9 m场景有更多被试在低亮度场景下的舒适度更高(Ynew值更高)，但随着亮度升高会出现快速下降特征，最终在100%辉度时3个观察距离的结论相近，这表明在远距离观察时，被试在低亮度场景中对灯光的可接受程度(舒适度)更高，但在高亮度场景中无论观察距离如何变化，被试的评价结论均较差；3 m和9 m实验中同样有部分被试与6 m实验类似，会出现折线拐点情况，其中3 m场景中出现V形折线有1人，倒V形折线4人，9 m场景中V形3人，倒V形5人，同时发现40%和60%是更容易出现拐点的亮度等级。此结论进一步表明，在大样本(或重复性)实验中，类似人群可能会频繁出现，在未来相关研究中应进行关注。需说明的是，即使出现折线拐点，仍有部分被试(在整体层面)遵循“随亮度升高舒适度降低”结论。

表8 3 m、6 m、9 m观察距离下眼部舒适分析

5 总结

(1)关于研究内容的总结与探讨。

亮度作为人眼对外界环境最为敏感的指标之一，对眼部舒适起到直接影响作用。本次研究通过搭建实验室模型装置，对直视照明场景中不同亮度对人眼舒适的影响进行研究。通过实验方法与流程的设计尽可能为被试提供与城市相近的体验环境，促进有效数据地收集；在数据处理过程中相较于传统的平均数、中位数等分析方法，主成分分析方法能够更好地了解各评估项(因子)对整体感受的影响程度，同时可以更好地解读被试间变化趋势的差异性，对于特殊群体的识别具有积极意义；最终结论验证了亮度等级与眼部舒适的反向关系，并发现了具有特殊性的舒适度变化规律，同时为未来大样本研究提出建议。

受实验条件限制，研究中的被试无法同时参加3个观察距离的实验，会对实验数据有一定影响。虽然现有数据的整体变化趋势仍可得出共性特征，且特殊人群(V形或倒V形折线)均有相似性，表明数据体现了被试的共性特征，但仍应完善实验方法以更好地探究距离变量下的影响；直视照明对视觉舒适的影响变量包括亮度、色彩、动态形式(或速度)等均应作为研究对象，需在下一步研究中引入并作综合性分析；实验结论需在真实城市环境中进行验证与反馈修正，以得出能够适用于城市环境的科学结论，最终为相关研究提供参考与支持。

(2)关于评估方法的讨论。

直视照明被广泛运用于城市夜景建设当中，面对评估标准滞后的现实情况，及时推进相关评估研究是极为重要的。这一过程中视觉作为人类收集外界信息的首要通道，如何评估直视照明对人眼舒适的影响，快速准确地收集视觉疲劳或不适信息，是探讨评估直视照明品质的有效思路。视觉不适(或疲劳)症状可以通过主观感觉和客观指标来识别。早期研究中主观问卷被用来测量疲劳感，其中以卡罗林斯卡嗜睡量表(KSS)的应用最为广泛[19-21]。另外一些研究使用精神运动警觉测试(PVT)反应时间等指标作为嗜睡的客观证据[14]，但研究发现任务绩效和反应时对疲劳的变化不敏感，且这种测试要求受试者花时间完成任务，而且无法准确反映即时疲劳状态[22, 23]。近年来使用的生物测量方法，如心电图、脑电图、皮肤电反应、皮肤温度、PPG(photoplethymography)、眼动数据等[24-26]，可以客观地反映受试者的疲劳程度，但测量结果受到外部环境刺激的影响很大(如温度、湿度、噪声等)，而且复杂的实验装置对实验结果的准确性影响很大。由此可见，关于视觉不适(或疲劳)的评估方法仍应进行不断探索，以更好地服务于研究内容。