林 怡 郝洛西 杨 秀

(同济大学建筑与城市规划学院高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室，上海 200092)

1 引言

近二十年城市照明的快速发展与建设，使得我国城市户外空间的夜间环境品质有了较大提升。人们对于城市照明的需求，也不再仅仅满足于“亮化”，对照明的品质也有了更高的追求。其中，作为城市人夜间生活的重要户外场所的步行空间，由于人员活动的需求，其照明不仅需满足人们障碍物探测、标识识别的视觉需求外，还需实现较好的面部辨识与颜色识别［1，4，5］。后两种视觉需求不仅需要一定的的照度、亮度水平，更受到光照的色表与显色性能的影响［2～3］。

而LED照明技术经过十多年的发展，已逐步从城市景观照明领域拓展到户外功能照明领域［6］。不同于传统光源的发光特性，LED的SPD(spectral power distribution，SPD)具有相对更广的变化范围，因而对步行空间照明中的面部辨识与颜色识别具有不同的影响作用，而在具体的照明应用场所也因此具有不同的视觉效应。

本研究在前期室内模拟实验 (面部辨识、障碍物探测、标识识别、颜色识别等步行空间视觉辨认研究)的基础上，针对三种不同SPD的LED光源在室外真实场景 (以人行步道为例)给人的主观感受，分析不同SPD对于行人视觉主观感受的影响关系，为LED光源在城市步行空间照明中的应用提供参考和依据。

2 实验方法

选取同济大学校园内一条路幅宽度为6m的人车混行小路 (夜间鲜有车辆通行，并确保实验过程中没有车辆通过)，在其一侧安装了间距为7m的三盏不同SPD的LED步道灯 (见图1～2)，灯高3.5m，对应的色温分别为2700K、4000K、6500K。每盏路灯都安装有调光器，调光方式采用脉宽调制 (PWM)调光，即通过改变脉冲宽度的方法，来改变LED的光通量输出，而不产生任何光谱的偏移，具有极高的调光精确度。实验采用开放式问卷及语义差别量表相结合，以了解对不同SPD照明场景的主观感受与评价。

图1 实验场景平面布局图Fig.1 Layout of experimental scene

图2 实验场景实景图Fig.2 The experimental photos

2.1 实验被试

选择建筑与规划相关背景，但不具有照明专业背景的学生参与实验，减少了因知识背景的不同带来的对空间场景理解可能存在的偏差。最终参与室外实验的被试共有21名，其中，男性10名、女性11名，年龄为18～22岁。所有被试经过严格的眼部医学检查，均符合实验的健康要求。被试在参与实验前12小时内被要求不喝咖啡、不饮酒、不抽烟，以减少额外变量的不利影响。

2.2 实验顺序

该实验只有三个实验处理，即三个不同色温的场景，被试在参与实验时，实验场景的顺序可能会影响最终的实验结果，而引起额外变量。因此，通过拉丁方设计来平衡这一实验处理的顺序问题。由于实验有三个实验处理，因此采用抽签法将被试随机分成三组，并采用拉丁方设计来设计实验顺序。

2.3 实验参数

2.3.1 地面平均照度

本次实验的目的是在室外场景条件中，相同地面平均照度条件下，不同SPD光源之间主观评价的差异。因此，根据步道灯的实际功率进行调节，将三个不同色温的步道照明的地面平均照度控制一致，假设步道灯的间距为10m，路宽为5m，采用四角布点法进行测量，最终设定的地面平均照度值约为15lx。

2.3.2 光源色温

实验用光源采用了 Cree公司的 XLamp XP-G LEDS芯片，并在L1和L2光源前分别增设了46.7°和15°的光学透镜。实验选用了三组不同SPD的LED，其具体参数见表1和图3。

表1 实验用LED光源基本参数Table 1 Parameter of the LEDs used

2.4 实验问卷及语义差别量表

图3 实验用LED实没光谱能量分布Fig.3 Spectral power distribution of the LEDs used

实验问卷设计包括两个部分:第一部分是开放式的问题，针对同时开启的三盏不同色温的步道灯，进行对比。感受三个照明环境，选出不同的步行空间类型条件下，更希望采用的照明场景等;第二部分是每盏步道灯单独开启时的语义差别量表的问卷，此部分问卷是将人对照明空间喜好和感受的评价归纳为几个影响因子:因子1——光色适应性;因子2——视觉清晰度;因子 3——空间感受;因子4——总体满意度。采用七级量表进行评分，并对于数据结果进行相关性分析，分析与总体满意度的相关性，以及色温对于每个影响因子的影响。

实验的主观问卷第一部分的问题如下:

(1)哪一盏步道灯的照明场景你感觉更明亮?

(2)哪一盏步道灯的照明场景看上去更舒适?

(3)哪一盏步道灯的照明场景你更有安全感?

(4)哪一盏步道灯的照明场景你最喜欢?

(5)如是绿地 (林间)小路，你更希望是哪一种光色的照明?

(6)如是城市广场 (活动广场、车站广场)，你更希望是哪一种光色的照明?

(7)如是机动车道旁的人行道，你更希望是哪一种光色的照明?

(8)如是住宅区道路，你更希望是哪一种光色的照明?

(9)如是校园或办公区道路，你更希望是哪一种光色的照明?

问题(1)～(4)主要针对明亮感、舒适感、安全感以及总体喜好等方面的进行照明场景的选择。问题(5)～(9)是针对照明应用而设计的，希望被试结合自己的生活体验，针对不同类型的人行步道选择他们最喜欢的照明场景。此部分的数据结果将对实际城市步行空间内的照明应用提供建议和参考。

第二部分是语义差别量表见表2。

表2 人行道路空间照明喜好与感受评价的语义差别量表Table 2 Semantic differential scales of people's preference to outdoor pedestrian lighting

3 实验结果及数据分析

3.1 实验数据

被试对问题1～9的选择情况统计，见表3。

第二部分实验获得三个独立色温照明场景下，语义差别量表中对各感知因子评价的均值及其标准差，见表4。

表3 被试者对问题1～9场景选择的数量统计Table 3 Number statistics of each scene of question 1～9

表4 三个色温照明场景下语义差别量表各影响因子评价的均值及其标准差Table 4 Result from the analysis of semantic differential scales under three lighting scenes with different CCT

3.2 分析方法

实验数据分析采用IBM SPSS Statistics 20对三个场景的语义差别量表问卷分别作信度分析，对每个场景下的13个变量作偏相关分析，对各个变量和色温做Spearman等级相关系数检验。数据分析中，语义差别量表中的每一个变量的评价值“－3、－2、－1、0、1、2、3”分别用 “1、2、3、4、5、6、7”来表示。用变量x1～x13依次表示语义差别量表中的13个变量。

3.3 信度分析

以Cronbach's alpha系数来测量同一理论维度下各项目的一致性，Cronbach's alpha系数介于0.7和0.98之间，可以认为是高信度值;而若低于0.35，必须予以拒绝。

对场景1(2700K)做信度分析，Cronbach's Alpha值为0.798，基于标准化项的Cronbach's Alpha值为0.794，均接近0.8，说明问卷的可信度可以接受。对场景2(4000K)做信度分析，Cronbach's Alpha值为0.913，基于标准化项的Cronbach's Alpha值为0.909，说明问卷有非常高的信度值。对场景3(6500K)做信度分析，Cronbach's Alpha值为0.674，说明问卷有较低的信度。

通过分析影响信度的因素，并依次删除对信度影响最大的x7、x4、x5变量之后，得到对场景3数据量表的Cronbach's Alpha值为0.754，基于标准化项的 Cronbach's Alpha值为 0.762，表明删除 x7、x4、x5之后，量表达到了较高的信度值。在做调查问卷时，x7、x4和x5变量的描述准确性不够高，导致在做这些变量与其他变量的相关性分析时有一定的误差，因此后续的分析中将这三个变量删除。结合2700K和4000K色温照明场景的信度分析，去除x7、x4、x5之后，量表均有高信度值。

3.4 偏相关分析

信度分析中，由于x4、x5、x7三个变量降低了量表的信度，予以删除。对各变量和色温做Spearman等级相关系数检验可知，色温与变量x1、x2、x3、x9、x12有高度显著的负相关性，与 x6、x11有高度显著的正相关性，见表5。

表5 各因子的评价均值以及与色温的Spearman等级相关系数Table 5 Mean evaluation of each factor and Spearman rank correlation coefficient of color temperature

在考虑色温作为控制变量的情况下，对x1、x2、x3、x6、x8、x9、x10、x11、x12变量与 x13做偏相关分析，偏相关分析结果见表6。总体满意度x13与x2、x3、x9、x10、x11、x12有显著的正相关关系，即光色喜好度越高、光色越吸引人、空间的轻松感、安全感、明亮感和舒适感越高，对于照明场景的总体满意度就越高。但总体满意度与其他的因素没有显著的相关性，如路面清晰度、面部辨认清晰感、色彩辨识难易程度、障碍物发现的难易程度以及光源的眩光等。这说明照明场景总体满意度的主观评价与行人的空间感受关系密切，但与照明环境中具体的视觉作业关系不大，即视觉作业能力的好坏对照明场景的总体满意度影响不大。

表6 总体满意度与其他变量之间的偏相关分析Table 6 Partial correlation analysis between overall satisfaction and other variables

3.5 照明场景的喜好

室外真实照明场景主观评价实验的第一部分是三种色温照明场景同时对比，被试对问题1～9进行场景选择的人数柱状图，见图4。

图4 被试者对问题1～9进行场景选择的数量柱状图Fig.4 Histogram:number of each scene of question 1～9

其中，问题(1)～(4)分别对应照明场景的明暗感、舒适感、安全感和偏好度的评价，而问题5～9是分别针对不同的步行道路场景假设情况下，被试对三种色温场景的偏好情况。对于明暗感来说，大多数人认为6500K照明场景更明亮，4000K次之，2700K最少;对于舒适感来说，认为2700K和4000K比6500K照明场景更舒适的人约占80%，而2700K和4000K照明场景相近;对于安全感来说，超过50%的人认为2700K照明场景比起4000K和6500K更安全;对于偏好度来说，52%的人喜欢2700K照明场景，38%的人更喜欢4000K的照明场景，喜欢6500K的仅为10%。被试对问题1～4的场景偏好的结果来看，与语义差别量表中偏相关分析的结果相一致。问题5～9是对不同的步行道路场景假设情况下的三种色温场景的偏好情况来看。如果是绿地 (林间)小路，更多的人喜欢2700K色温场景;如果是城市广场 (活动广场、车站广场)，更多的人喜欢6500K和4000K色温的场景;如果是机动车道旁的人行道，更多人喜欢4000K和6500K色温的场景;如果是住宅区道路，85%以上的人更喜欢2700K照明场景，而且没有一个人选择6500K的高色温场景;如果是校园或办公区道路，选择4000K色温的人最多，其次是2700K，最少的是6500K，但是它们之间的差异不大。

4 结论

室外真实照明场景实验受到很多无法控制的外部因素所制约，使得那些需要严格控制变量的实验无法开展，但是照明场景的主观感受和评价实验是较为可行的，而且具有一定的实际意义。此次室外实验，在室内模拟实验研究的基础上，进一步揭示了三种不同SPD的LED光源给人的主观感受和评价，并获得了以下结论:

1)评价的感知因子中冷的/暖的、厌恶的/喜欢的、不吸引人的/吸引人的、紧张的/轻松的、暗淡的/明亮的等与照明场景的色温呈现负相关;颜色难辨识的/颜色准确辨识的、不舒适的/舒适的等感知因子与照明场景的色温呈现正相关;

2)不同照明场景的总体满意度与光色适应性和空间感受有显著的正相关关系，但与视觉清晰度没有显著的相关性，即光色喜好度越高、光色越吸引人、空间的轻松感、安全感、明亮感和舒适感越高，场景的总体满意度就越高;但总体满意度与路面清晰度、面部辨认清晰感、色彩辨识难易程度、障碍物发现的难易程度等视觉作业以及光源的眩光等关系不大;

3)对于不同类型的步行空间照明场景，人们对于光源色温的喜好具有较大差异。如果是绿地(林间)小路，更多的人喜欢2700K色温;如果是城市广场 (活动广场、车站广场)，更多的人喜欢6500K和4000K色温的场景;如果是机动车道旁的人行道，更多人喜欢4000K和6500K色温的场景;如果是住宅区道路，更喜欢2700K照明场景;如果是校园或办公区道路，选择4000K色温的人最多。

［1］杨秀，郝洛西.光源光谱能量分布 (SPD)对行人视觉作业的影响研究回顾［J］.照明工程学报，2012，23(6):37～42.

［2］Knight C.Field surveys of the effect of lamp spectrum on the perception of safety and comfort at night［J］.Lighting Research and Technology，2010(42):313～329.

［3］Fotios S，ChealC.Lighting forsubsidiary streets:investigation of lamps of different SPD.Part 1—Visual Performance［J］.Lighting Res.Technol，2007，39(3):215～232.

［4］Knight C，Van Kemenade J，Deveci Z.Effect of outdoor lighting on perception and appreciation of end-users［Z］.College Station TX，United States:2007.

［5］Fotios S，Cheal C，Boyce P.Lighting source spectrum，brightness perception and visual performance in pedestian environments:a review［J］.Lighting Res.Technol，2005，37(4):271～294.

［6］林怡.中国2010上海世博会园区半导体照明集成应用研究——以世博园区步行空间及场馆外观照明为例［D］.上海:同济大学，2010.