張 濱，張武廣，高雅春，張恭銘

(中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013)

引言

傳統(tǒng)照度標(biāo)準(zhǔn)值和照度均勻度是針對(duì)水平面給出的，但是在一些公共場(chǎng)所，人們觀看的對(duì)象往往是立體和動(dòng)態(tài)的，在這種情況下水平面的照度沒(méi)有很大意義，而是整個(gè)空間各個(gè)方向都應(yīng)有良好的照明[1]。視覺(jué)空間內(nèi)的物體和面部識(shí)別都需要垂直方向具有足夠的照明，垂直照度、半柱面照度、柱面照度都可以對(duì)垂直方向的照度進(jìn)行規(guī)定，通過(guò)對(duì)比和研究我們建議采用垂直照度，并且結(jié)合四個(gè)方向(即X+，X-，Y+，Y-)的數(shù)值來(lái)表征空間照明，這樣再加上水平照度，針對(duì)空間的各個(gè)方向就都有了表述[2]。

但是垂直照度又與背景亮度有直接關(guān)系，例如在日常生活中當(dāng)側(cè)面采光窗口亮度較高，人或者被識(shí)別物體背對(duì)采光窗，且垂直照明又太低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)面部較暗而難以識(shí)別的現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 高亮度、低垂直照度造成的辨識(shí)困難Fig.1 Identification difficulties caused by high brightness and low vertical illuminance

目前“LED照明建筑一體化”的設(shè)計(jì)概念被提出并被逐漸運(yùn)用到室內(nèi)照明中，是一種針對(duì)建筑功能需求和空間特征，將照明裝置與室內(nèi)界面和構(gòu)件有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)舒適與健康照明的創(chuàng)新性照明方式。實(shí)現(xiàn)一體化之后發(fā)光面可能會(huì)是頂棚、墻面、地面或是房間內(nèi)的任何一個(gè)構(gòu)件，這樣也對(duì)場(chǎng)所內(nèi)的空間照明提出了新的挑戰(zhàn)，當(dāng)發(fā)光面位于墻面或其他垂直面時(shí)(見(jiàn)圖2)，會(huì)形成較高的背景亮度，這時(shí)如果垂直照度不夠時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)上述提到的問(wèn)題，但是垂直照度太高又不利于節(jié)能，因此針對(duì)這一問(wèn)題我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以確定達(dá)到辨識(shí)和交流的需求時(shí)，不同背景亮度條件下垂直照度的合理取值。

圖2 一體化照明示意圖Fig.2 Diagram of integrated lighting

1 人臉辨識(shí)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1)了解色溫變化對(duì)該實(shí)驗(yàn)條件下辨識(shí)度的影響及影響程度。

2)通過(guò)背景亮度和垂直照度的變化，確定不同背景亮度條件時(shí)的垂直照度的合理取值。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與內(nèi)容

1)實(shí)驗(yàn)的主要試驗(yàn)設(shè)備是全視野動(dòng)態(tài)交互型視野計(jì)，該設(shè)備為直徑2.4 m的半球形LED顯示屏，可通過(guò)軟件對(duì)屏體的亮度和色溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，在本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)該設(shè)備可設(shè)置不同模式的背景亮度，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Diagram of experimental design

2)設(shè)置全視野動(dòng)態(tài)交互型視野計(jì)的亮度為10 cd/m2、20 cd/m2、30 cd/m2、50 cd/m2、75 cd/m2、100 cd/m2、300 cd/m2、500 cd/m2，每種亮度均對(duì)應(yīng)2 200 K、4 000 K、6 000 K三種色溫，共設(shè)置24種背景亮度。

3)全視野動(dòng)態(tài)交互型視野計(jì)前方為被觀察者，背對(duì)設(shè)備發(fā)光球面，面部距離地面高度為1 500 mm，在屋頂安裝照明燈具，對(duì)被觀察者面部進(jìn)行照明。

4)調(diào)整燈具照度，使被觀察者面部垂直照度分別為20 lx、50 lx、100 lx、300 lx、500 lx、1 000 lx、2 000 lx，每種垂直照度分別對(duì)應(yīng)以上每種背景亮度，共計(jì)168個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。在同一背景亮度條件下被觀察者面部照度變化如圖4所示。

圖4 被觀察者面部照度變化Fig.4 The changes of illuminance on observed face

5)相關(guān)研究表明，在社會(huì)交際中人與人之間的距離以業(yè)務(wù)交際和公共交際距離最遠(yuǎn)，業(yè)務(wù)交際一般在2 m到3 m為佳；公共交際距離多在3 m以外，如果發(fā)生語(yǔ)言交往，也不應(yīng)該低于2 m[3]。因此在本次實(shí)驗(yàn)中，被試者與被觀察者的距離設(shè)置為2.5 m。

6)在上述168個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下，被試者對(duì)被觀察者的面部進(jìn)行觀察后，對(duì)被觀察者面部照明的可辨識(shí)程度即清晰度進(jìn)行主觀打分。

7)使用5級(jí)評(píng)價(jià)量表對(duì)被試者辨識(shí)度主觀感受進(jìn)行測(cè)定，按清晰程度的強(qiáng)弱排列，每級(jí)所代表的感受分別為：1—非常不清晰、2—不清晰、3—可以看清、4—清晰、5—非常清晰。作為社會(huì)調(diào)查和心理學(xué)實(shí)驗(yàn)最常用的一種量表形式[5]，雖然該量表只能反映人們?cè)趹B(tài)度維度上的順序，不能顯示出不同態(tài)度之間的距離[4],但是對(duì)一定數(shù)量被試的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，可以在一定程度上反映被試總體的態(tài)度傾向[5]，因此在本次試驗(yàn)中可以了解到不同背景亮度模式下，被試者辨識(shí)度變化的總體趨勢(shì)，從而可以得到不同等級(jí)所對(duì)應(yīng)的垂直照度范圍，并可以此進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)分析。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)共有20名被試人員，16名男性、4名女性，年齡為24歲至40歲，所有被試者的矯正視力均在1.0以上。對(duì)每一實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景清晰度的平均得分進(jìn)行回歸分析后，可以得到在某一種背景亮度模式下清晰度感受隨垂直照度變化的規(guī)律，圖5和圖6所示分別為背景亮度在4 000 K、100 cd/m2和6 000 K、20 cd/m2時(shí)，清晰度感受隨垂直照度變化的規(guī)律曲線。

圖5 清晰度與垂直照度的關(guān)系曲線圖(4 000 K 100 cd/m2)Fig.5 Relation curves between sharpness and vertical illuminance (4 000 K 100 cd/m2)

圖6 清晰度與垂直照度的關(guān)系曲線圖(6 000 K 20 cd/m2)Fig.6 Relation curves between sharpness and vertical illuminance(6 000 K 20 cd/m2)

2.1 色溫的影響

根據(jù)不同背景亮度模式下清晰度和垂直照度的關(guān)系曲線，可以得到當(dāng)清晰度達(dá)到量級(jí)3(可以看清)、量級(jí)4(清晰)時(shí)，不同色溫、不同背景亮度條件所需的垂直照度值見(jiàn)表1，分別對(duì)達(dá)到量級(jí)3和量級(jí)4時(shí)所需的垂直照度和色溫進(jìn)行相關(guān)性分析，由表2可知，兩種情況下的垂直照度與色溫的顯著性水平都在0.05以下，具有較顯著的相關(guān)性。

表1 垂直照度統(tǒng)計(jì)表

表2 相關(guān)性分析

由以上分析可知，相同背景亮度條件下，色溫對(duì)于垂直照度的需求具有一定的影響。由表1可知，低色溫需要的垂直照度要高于高色溫，且背景亮度越高色溫的影響效果越大。因此對(duì)于垂直照度的要求，除應(yīng)考慮背景亮度外，還應(yīng)考慮色溫的影響。

2.2 垂直照度的取值

在一般情況下符合《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034—2013)的照明場(chǎng)所中，對(duì)于物體或人面部的識(shí)別都能達(dá)到看清或清晰的水平，為驗(yàn)證本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和適用性，我們對(duì)7間符合GB 50034的辦公室和會(huì)議室進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，測(cè)試房間的光源色溫均為4 000 K，將表2與表1中4 000 K條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,測(cè)試房間的垂直照度值均能達(dá)到量級(jí)3的水平，且吻合度較高，如果要達(dá)到量級(jí)4的水平，現(xiàn)有照明水平要進(jìn)行較大幅度的提升，不利于照明節(jié)能。因此，在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)條件下，可以量級(jí)3的作為參考對(duì)垂直照度進(jìn)行設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)，對(duì)表1中量級(jí)3所對(duì)應(yīng)的不同色溫條件下的背景亮度和垂直照度進(jìn)行回歸分析，可得背景亮度與垂直照度呈線性關(guān)系變化，具體變化規(guī)律見(jiàn)圖7～圖9。因此，根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果在照明設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)時(shí)垂直照度的值應(yīng)考慮背景照明的色溫及亮度影響。

表3 垂直照度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試統(tǒng)計(jì)表

圖7 垂直照度與背景亮度的關(guān)系曲線圖(2 200 K)Fig.7 Relation curves between vertical illuminance and background luminance(2 200 K)

圖8 垂直照度與背景亮度的關(guān)系曲線圖(4 000 K)Fig.8 Relation curves between vertical illuminance and background luminance(4 000 K)

圖9 垂直照度與背景亮度的關(guān)系曲線圖(6 000 K)Fig.9 Relation curves between vertical illuminance and background luminance(6 000 K)

3 結(jié)論

要使室內(nèi)照明質(zhì)量得到提升，“LED照明建筑一體化”設(shè)計(jì)的照明場(chǎng)所具有優(yōu)良的光環(huán)境質(zhì)量，必須重視空間照明質(zhì)量，對(duì)垂直照度進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。本文所應(yīng)用的以四個(gè)方向垂直照度來(lái)表征空間照明的方法，及通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得到的背景亮度與垂直照度的關(guān)系曲線，可以為垂直照度設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)提供技術(shù)參考。另外，LED技術(shù)的進(jìn)步和智能照明的發(fā)展，提升了人們對(duì)于健康照明、智能照明的感受和需求，也需要相應(yīng)的照明設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法去體現(xiàn)，今后還可以結(jié)合天然采光、健康照明的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)垂直照度進(jìn)行更全面的分析和研究。