沈佳敏，翟其彦，罗 明,2

(1.浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 310027；2.利兹大学设计学院，利兹 LS29JT，英国)

引言

随着LED技术的飞速发展，博物馆照明质量越来越被人重视。为了满足博物馆特殊应用的需求，比如低辐射损伤、高清晰度和高色保真度，博物馆光源的颜色质量得到了广泛的研究。许多研究表明，光源的照度、相关色温(correlated colour temperature，CCT)、色偏差(辐射源到普朗克轨迹在CIE 1964(u,v)坐标上的最小距离定义，简称Duv)以及显色性等，都对博物馆照明的评估存在影响[1-4]。

本研究是2017年度文化行业标准化项目“美术馆照明质量评估方法与体系的研究”的一部分，主要针对国内美术馆进行照明的物理参数测量和主观视觉评价数据收集。测量的物理数据包括亮度、照度、色温、显色指数(Ra、R9、Rf等)、闪烁指数、色容差、均匀度。主观视觉评价则由一般参观者和专家作为被试对展厅内艺术品照明效果进行问卷评价。本文的目标是通过统计学方法，分析了解哪几个视觉主观评价指标在美术馆照明中是最重要的，以及物理参数和主观评价之间的关系。

1 研究背景

1941年，Kruithof最先提出照度-CCT概念，低照度的低色温光源和高照度的高色温光源被认为是舒适的照明[5, 6]。之后，Yoshizawa等[7]、Luo等[8]和Chen等[9]相继提出了不同的照度-CCT范围(称之为comfort zone)。我们的研究表明，3 000～4 000 K是一个比较受喜欢，或者视觉舒适度比较高的色温区间，会让人感觉到画面更加的舒适和明亮[10, 11]。并且结果表明，所有的评价指标可以归结为两个维度：“清晰度”和“暖度”。而在欧洲，匈牙利一个研究组做了大量相关实验，寻找博物馆LED照明的最适宜参数条件，他们发现保证画作显色效果的最佳色温是5 500 K，适宜照度为200 lx，而被试最喜好的色温是4 200 K[12, 13]。另一个葡萄牙研究组的结论则为色温5 700 K[14]。武汉大学的团队则运用更多CCT水平的LED光源，并综合中国字画和熟知记忆色物品(如蔬菜水果)，进行心理物理实验后也发现光源的喜好度在某个色温区间存在峰值，对于不同样品这个峰值的所处CCT不太相同，照明中国字画样品时在3 500 K至4 500 K左右，照明熟知果蔬样品时在4 500 K至5 500 K左右[15]。以上实验结果证明东西方对色温喜好性有明显差异。亚洲较喜好暖色温，欧美喜好偏冷的色温甚至自然日光的色温[16]。总结近年来的研究，主观评价是一种很好的评价照明品质和喜好度的方法，光源的喜好度在某个色温区间存在峰值，过高或过低的色温均降低喜好度或光源照明品质，美术馆照明的照度应该在200 lx以上、CCT的舒适区应该为3 000～6 000 K，最适宜色品可能会为负Duv值。光源亮度和色品以外的因素，如色域大小和形状对色貌和视觉喜好度确有较大影响，而保真度高则会适当提高喜好度。

2 预实验分析

我们针对两所美术馆进行了预实验。被试需要对光源的16个评价指标从-4到4进行打分(没有0)，共8个等级(展品照明的光源色以及光源下展品鲜艳度除外，打分等级为-4，-2，0，2，4)。

1)光源。预实验在两所美术馆进行。美术馆1调研了3个陈列区域，分别为2号厅纺织品区域、3号厅手工艺品展柜以及6号厅画作区域；美术馆2调研了4个陈列区域，分别为4号厅三幅油画区域，6号厅书法区域，8号厅展柜区域以及10号厅蜡像区域。以上7个区域的光源的客观测量结果如表1所示，可以看出绝大部分光源的显色指数都大于80，但是和亮度相差较大。

表1 客观测量结果

图1 美术馆1和2的主观评测结果Fig.1 Subjective evaluation result for museum 1 & 2

2)主观评测结果。共有21名被试当天参与美术馆1的调研。图1上展示了美术馆1的主观评测结果，其中红色圆点是2号展厅，黑色圆点是3号展厅，蓝色圆点是6号展厅。同一指标在不同展厅间的区别不明显，其中光源色喜好程度，用光的艺术表现力以及理念传达的感染力的差距最明显。2号展厅的各项评分之间的差距是3个展厅中最小的。共有20名被试当天参与美术馆2的调研。图1下展示了美术馆2的主观评测结果，其中红色是4号展厅，黑色是6号展厅，粉色是8号展厅，蓝色是10号展厅。表现展品细节清晰度的4个指标以及整体空间照明艺术的2个指标在不同展厅间的评分波动较大。6号展厅的各项评分基本上都高于其他3个展厅，4号展厅的各项评分间的差距最小。

图2 旋转后的空间中的组件图Fig.2 Component plot in rotated space

3)因子分析。为了分析各指标之间的关联性并提取出若干个具有代表性、概括性的指标，我们结合以上主观测评数据进行了因子分析。从图2中可以看出，所有指标可以提炼为2个成分，成分1以感染力、视觉舒适度等指标为主要组成部分，称之为“舒适度”。成分2以展品外轮廓清晰度、明亮度等指标为主要组成部分，称之为“清晰度”。从表2中可以看出，成分1得分越高，除了展品明亮度以外的所有指标都越高，和用光在理念传达上的感染力、视觉舒适度、展品亮度接受程度以及用光的艺术表现力的正相关性很强；成分2得分越高，用光的艺术表现力与理念传达的感染力越差，是整体空间照明艺术的反向指标，和展品细节表现力、展品外轮廓清晰度、展品明亮度、展品纹理清晰度的正相关性很强。

通过计算各主观测评指标和各颜色质量参数之间的相关系数，探究他们之间的相关性，结果如表3所示。亮度视觉适应程度、展品亮度接受程度以及视觉舒适度与亮度具有较强的负相关性，亮度越高，越让人感到不适；展品外轮廓清晰度、展品纹理清晰度以及展品细节表现力与亮度均匀度具有较强的正相关性，亮度均匀度越大，展品的细节越清晰。用光的艺术表现力、用光在理念传达上的感染力、光源色喜好度以及(冷)暖度与Ra、R9、Rf以及具有较强的正相关性，证明我们在标准建议的光品质指标是正确的。同样的分析方法，也将在第3节“大数据分析”中采用。

表2 旋转后的成分矩阵

4)对主观评价数据进行建模。总结之前的研究，欲获得一个喜好性显指，需集合多个颜色质量参数对主观评价指标进行建模。选取的标准为：颜色质量参数与主观评价指标存在较强的相关性；建模使用其他团队发表提议的颜色质量指标，包括Ra+GAI[17]，Rf+Rg+Rcs.h1+RgRcs.h1[18]，Rf+Rcs.h1[19]，并加入3组含CCT的模型。

表3 主观测评指标和颜色质量参数之间的相关系数(粗体表示相关系数高)

使用的模型如下：

M1=C0+C1CCT+C2Rf+C3Rcs.h1(1)

M2=C0+C1Ra+C2GAI(2)

M3=C0+C1Rf+C2Rg+C3Rcs.h1+

C4RgRcs.h1(3)

M4=C0+C1Rf+C2Rcs.h1(4)

M5=C0+C1CCT+C2Ra+C3GAI(5)

M6=C0+C1Rf+C2Rg+C3Rcs.h1+

C4RgRcs.h1+C5CCT(6)

对F1舒适度和F2清晰度建模得到的参数如表4所示。将颜色质量参数代入模型，得到建模后的主观评测数据。计算视觉实验得到的主观评测数据与建模得到的主观评测数据间的相关性，如表5所示，可以看出不同模型间的差距不大。M1，M5，M6包含CCT，M4，M2，M3不包含CCT，从M1与M4，M5与M2，M6与M3的对比中可以发现，模型中加入CCT可以有效提高视觉实验得到的主观评测数据与建模得到的主观评测数据间的相关性。

表4 对F1、F2建模得到的参数

表5 视觉实验得到的主观评测数据与建模得到的主观评测数据间的相关性

3 大数据分析

共有39家美术馆及3家博物馆参与了此次美术馆照明质量评估方法与体系的研究，每个美术馆选取5个光源进行评估，分别为陈列空间的基本陈列和临时展览光源，非陈列空间的大堂序厅、过廊和辅助空间光源。这是有史以来参加美术馆数目最多，收集数据最详尽的研究项目。其中13家进行了多于10名被试(观察者)且有照明光源光谱数据的评价与测量，筛选出近2 800份样本数据进行分析。这13家美术馆分别为北京时代美术馆、何香凝美术馆、木心美术馆、上海美术馆、上海喜马拉雅美术馆、上海油画雕塑院美术馆、深圳市越众历史影像馆、苏州美术馆、烟台美术博物馆、尤伦斯当代艺术中心、中国美术馆、中央美术学院美术馆以及中国美术学院美术馆。在评价时，对陈列空间的2个光源，观察者要从展品色彩鲜艳度、展品细节清晰度、光环境舒适度以及整体空间照明艺术表现4个角度(包含12个指标)进行评估。共8个评估等级，为优秀(A+，A-)、良好(B+，B-)、一般(C+，C-)、较差(D+，D-)。对非陈列空间的3个光源，观察者要从光环境舒适度以及整体空间照明艺术表现2个角度(包含6个指标)进行评估，评估等级同上。8个评估等级对应的分数依次为10，8，7，6，5，4，3，0，计算所有观察者对每个光源、每个指标打分的平均值。

1)颜色质量参数与主观评价指标之间的关系。一般来说，现有的颜色质量参数可以根据其设计意图分为三类，即：基于色保真度的参数，基于色域的参数，以及基于喜好度的参数。在这项研究中，使用14个典型颜色质量参数(包含CCT，Duv[20])来表征主观评价结果，具体包括IES TM-30[Rf，Rg，Rcs,h1(红色方向的彩度偏移)][21]，CIE(Ra，R9)[22]，CQS(Colour Quality Scale，Qa，Qf，Qp，Qg)[23]，FCI(Feeling of Contrast Index)[24]，MCRI(Memory Colour Rendering Index)[25]以及GAI(Gamut Area Index)[26]。它们的表征性能可以通过皮尔逊相关系数来评价，因为它采用了一种不受限制的线性模型，具有截距。表6列出了所有光源的颜色质量参数。

表6 光源参数

表7总结了14个颜色质量参数与主观评价指标之间的皮尔逊相关系数，从中可以看出，这些常用的颜色质量参数确实难以令人满意地表征12个主观评价指标，几乎所有的皮尔逊相关系数都小于0.50，说明这些数据比浙大预实验的数据更加分散。在预实验中，大部分被试是浙江大学颜色工程实验室的学生，具有丰富的评估视觉表现的经验。

在所有的主观评价指标与基于色保真度的参数(IES，Rf，Ra，CQS，Qf)之间的相关系数都为负数，视觉舒适度(主观)，心理愉悦度与以上参数的负相关性最强。此外，基于色域的参数(IESRg，Rcs,h1，CQSQg，FCI，GAI)中，除了GAI以外的四个参数与主观评价指标之间的相关系数均为负数，GAI与这些主观评价指标间的相关性较小，均小于0.30，展品外轮廓清晰度与GAI的相关性最强。因为实验中所选用光源的IES，，CQS 分布的区间较集中，分别为99.05±3.39，-0.06±0.05，98.12±5.28，几乎没有梯度，因此计算出来的相关系数不具有参考意义。基于喜好度的两个参数(CQS，MCRI)之间的相关性较强，为0.79。主观评价指标与均存在一般的负相关性，与MCRI存在较弱的负相关性，其中展品色彩真实感程度与，MCRI的负相关性最强。在所有颜色质量参数中，CCT与主观评价指标之间的相关性最强，且CCT范围在2 000～5 000 K之间，具有参考价值。

2)颜色质量参数与综合主观评价指标之间的关系。为了探究各主观评价指标之间的关系并提取出综合主观评价指标(公因子)，对主观测评数据进行因子分析，旋转后的空间中的组件图如图3所示，旋转成分矩阵如表8所示。

可以看出，公因子1得分越高，所有指标都越高，和立体感表现力、展品细节表现力、展品纹理清晰度以及视觉适应性的正相关性很强；公因子2和光源色喜好程度、视觉舒适度(主观)以及心理愉悦感的正相关性很强；总体而言，公因子1可以解释为“清晰度”，与展品的明亮、立体、细节、纹理等紧密相关；公因子2可以解释为“舒适度”，与整体的舒适感和愉悦感相关。

图3 旋转后的空间中的组件图Fig.3 Component plot in rotated space

评价指标CCTDuvRfRgRcs,h1RaR9展品色彩真实感程度0.50 0.30 -0.39 -0.54 -0.66 -0.40 -0.50 光源色喜好程度0.38 0.11 -0.47 -0.19 -0.26 -0.48 -0.44 展品细节表现力0.38 0.18 -0.46 -0.29 -0.40 -0.47 -0.50 立体感表现力0.45 0.21 -0.37 -0.28 -0.51 -0.30 -0.40 展品纹理清晰度0.32 0.12 -0.36 -0.22 -0.36 -0.34 -0.38 展品外轮廓清晰度0.48 0.22 -0.48 -0.28 -0.42 -0.47 -0.49 展品光亮接受度0.31 0.20 -0.42 -0.24 -0.30 -0.45 -0.47 视觉适应性0.36 0.14 -0.28 -0.15 -0.20 -0.32 -0.33 视觉舒适度(主观)0.32 0.16 -0.52 -0.15 -0.23 -0.57 -0.52 心理愉悦感0.44 0.19 -0.52 -0.21 -0.33 -0.52 -0.52 用光艺术的喜好度0.46 0.24 -0.31 -0.32 -0.35 -0.36 -0.40 感染力的喜好度0.52 0.32 -0.30 -0.29 -0.40 -0.26 -0.37 F10.350.22-0.22-0.25-0.33-0.22-0.30F20.300.07-0.47-0.15-0.25-0.48-0.43评价指标QaQfQpQgFCIGAIMCRI展品色彩真实感程度-0.49 -0.36 -0.63 -0.59 -0.67 0.18 -0.39 光源色喜好程度-0.48 -0.47 -0.41 -0.19 -0.28 0.27 -0.12 展品细节表现力-0.50 -0.44 -0.52 -0.35 -0.41 0.21 -0.24 立体感表现力-0.40 -0.31 -0.48 -0.37 -0.52 0.25 -0.30 展品纹理清晰度-0.40 -0.34 -0.43 -0.29 -0.36 0.19 -0.17 展品外轮廓清晰度-0.51 -0.45 -0.53 -0.34 -0.44 0.29 -0.26 展品光亮接受度-0.45 -0.40 -0.46 -0.28 -0.32 0.15 -0.23 视觉适应性-0.30 -0.27 -0.30 -0.20 -0.27 0.21 -0.12 视觉舒适度(主观)-0.52 -0.52 -0.43 -0.17 -0.23 0.19 -0.18 心理愉悦感-0.53 -0.50 -0.49 -0.25 -0.35 0.27 -0.24 用光艺术的喜好度-0.37 -0.29 -0.44 -0.37 -0.43 0.23 -0.20 感染力的喜好度-0.32 -0.23 -0.44 -0.37 -0.49 0.25 -0.32 F1-0.26-0.18-0.36-0.32-0.380.14-0.23F2-0.48-0.48-0.39-0.15-0.230.22-0.13

表8 旋转后的成分矩阵

此外，也可以将光源色喜好程度和其他指标区分开来，光源色喜好程度与公因子1的相关系数仅为0.11，与公因子2的相关系数高达0.98。因此，公因子2可以解释为“光源色喜好度”，仅与光源色本身相关；公因子1可以解释为“显示效果”，与展品相关。但是，我们主要研究舒适度与愉悦度。

当进行如表7的分析时发觉，各个单一主观评价指标与颜色质量参数间的相关系数均较低(小于0.50)，决定采用提取出的成分计算其与各参数之间的相关性，如表7所示，但是提取出的成分F1、F2与参数的相关性未得到有效提升。Rf，Ra，R9，Qa，Qf勉强对F2的相关性比其他参数的相关性高些。

3)对主观评价数据进行建模。使用上文所用的6个模型，对F1清晰度和F2舒适度建模得到的参数如表9所示。将颜色质量参数代入模型，得到建模后的主观评测数据。计算视觉实验得到的主观评测数据与建模得到的主观评测数据间的相关性，如表10所示。

从表10中可以看出，建模后，客观数据对主观数据的相关性得到提升，基本上达到0.50左右。M1，M5，M6包含CCT，M4，M2，M3不包含CCT，从M1与M4，M5与M2，M6与M3的对比中可以发现，模型中加入CCT可以有效提高视觉实验得到的主观评测数据与建模得到的主观评测数据间的相关性。这是因为在所有颜色质量参数中，CCT与主观评价指标之间的相关性最强，且CCT范围在2 000～5 000 K之间，范围广，梯度多。对于F1清晰度，使用M5、M6建模得到的数据最接近原始数据；对于F2愉悦度，使用M2、M5建模得到的数据最接近原始数据。

表9 对F1、F2建模得到的参数

表10 视觉实验得到的主观评测数据与建模得到的主观评测数据间的相关性

4 结论与展望

在本次研究中，总共收集了近2 800份数据样本，其规模之大前所未有。在如此庞大的数据基础上，我们进行了大数据分析，研究光源的哪些颜色品质指数能够影响观察者对于艺术品的主观评价。经过结果的统计分析，舒适度及清晰度二指标，可代表实验中的所有评价指标。测试了几个混合颜色品质指数模型，模型由色保真度的参数(如Ra，Rf)，色域参数(Rcs.h1，Rg， GAI)所组成，与之前研究结果相似。结果显示客观数据CCT(相关色温)十分重要，它反映着预测主观评价的模型。

综合来看，本次调研得到了大量的视觉主观评价数据，无论是对接下来的标准制定还是对学术研究都非常有参考价值。但是，本次调研评价中的主观量表部分没有完全达到预期的最好效果。评价指标的因子分析中可以看到，除了“光源色喜好”这一项略有独立其它指标的趋势之外，所有评价指标的趋势都非常相似，指标之间没有太多差异性，都反映了被试对展厅照明的整体印象分，而没有十分细致的专项意义。另外，评价的分数与光源本身的关系非常微妙，能够体现出光源质量的信息还不够多。

这里列出本次调研评价对于未来调研和评估提出相关的改进建议：

1)评价分值是价值体现还是客观感受的体现需更明确。两者可以放在同一个问卷里，但是不适合混为一体进行量表设计。如果是价值体现，应该直接对“好坏”程度进行印象打分，并严格统一打分人群；如果是客观感受如“冷暖”“亮暗”等，应将量表难度降低，提出如“鲜艳不鲜艳”、“冷还是暖”、“明亮还是昏暗”、“立体还是平面”等两面对立的简单问题。也就是说在主观评价时，要求被试对相对较好理解的问题进行客观的评价。

2)评价的分值设置需更科学。评价分值之间的定义需明确，导致本次不同的被试在不同的场合下评分的标准不够统一。为了明确分值意义和统一被试之间的评分标准，应减小总体的评分跨度，并对每一个等级进行程度说明；或者对最高和最低的程度进行文字描述的准确定义，再进行评分设置。如“冷暖”这个指标，建议可以设置为简单的四个等级：“非常冷-冷-暖-非常暖”；或明确最低分值-100为“非常冷”，最高分值100为“非常暖”，并分别给出-100和100相当于怎样的光源，再进行打分。

3)环境变量控制应更严格。建议在尽可能的条件下统一所有展厅评价的对象，如统一评价某一个或某一类展品；或者在尽可能的条件下将评价对象分类统计，并统一其它环境变量，如相似的空间大小、相似的展陈题材等。