■胡林辉，刘 涛，李聪聪，罗胜京

(广东工业大学艺术与设计学院，广东广州 510000）

照明设计是博物馆展示设计的重要组成部分[1]。照明是展览呈现不可分割的组成部分，是影响展览效果最重要的因素之一[2]。优秀的照明环境有利于加强展品特性的传达[3]，且优秀的照明环境对提高博物馆的吸引力，实现展陈的价值有着重要作用。但目前对博物馆展品照明环境的研究分析却极为罕见，且很少有研究对博物馆展示照明环境中的色温和照度值进行科学的评测。低照度、低色温的特殊光环境导致目前展陈环境存在沉闷、压抑、乏味、细节辨认不清等问题，光环境舒适度较差[4]。本文借助眼动追踪技术，以广东省博物馆中具有代表性的展品为例，来揭示被试者处于不同光照展陈环境下的视觉特征和规律。

1 研究方法

本研究以博物馆展品照明环境为刺激对象，采用主观与客观、眼动实验与问卷相结合的方法开展研究。整个研究的过程分为四个阶段（图1）。第一阶段，选择广东省博物馆中2组具有代表性的文物作为实验展品，还原其在博物馆实际场景中的展陈方式。使用灯光模拟软件模拟预设15种灯光测试参数，再渲染得到30张实验刺激样本。第二阶段，设置实验程序。共招募40名志愿者作为实验样本进行眼动实验。实验结束后要求被试者填写问卷。第三阶段，整理和分析眼动实验数据和问卷数据。使用SPSS 26对被试者的实验数据进行分析。第四阶段，根据分析结果，提出博物馆展陈照明环境的设计方向。

■图1 测量方法的流程图

1.1 刺激选择

博物馆展陈形式和展品类型有很多种，展台是博物馆中最主要的展陈方式之一，本实验主要针对展台形式进行研究。展台类道具是衬托各种展品实物、模型、沙盘和其他装饰物的器具，可使展品与地面相隔离，从而衬托和保护展品[5]。本实验选择了广东省博物馆的龙门石窟精品文物展的两件佛像作为实验展品样图（图2）。佛像是我国非常有代表性的文物，其常规展陈方式也是通过展台进行展示，符合本研究的展陈形式。

■图2 广东省博物馆展出的两件龙门石窟艺术品图片

研究采用2000 k、3000 k、4000 k、5000 k、6000 k这5种常用的CCT数值，光照强度则采用200 lx、300 lx、400 lx这3种照度值，共生成15种预定义的照明条件，2组30张刺激样本图（表1）。再将单个佛像的所有参数样本图按照相同CCT、相同照度值的方式进行组合，形成同CCT 5组、同照度值的3组对比组，最后将单个佛像的所有参数图同时呈现在一张图上，作为整体对照。两个佛像共18组对比组，48张刺激样本。所有实验样本都是由专业灯光模拟软件进行参数设置，再渲染得到的刺激样本。渲染图的视角角度、尺寸都是依据人体工程学而设定（图3），最大限度模拟人的实际观展状态，减少其他因素的干扰，实验误差均在5%以内。

表1 各灯光参数样本图

■图3 展品与被试者视觉距离与关系

■图4 实验过程中展品刺激图像的序列

1.2 被试者

在此项研究中，我们招募了40名广东工业大学设计学专业的本科生和研究生作为实验样本参加测试（20名男性和20名女性）。被试者的平均年龄分别为23.2岁（标准差1.6）。通过选择具有相同教育水平的被试者，降低被试者在动态视觉认知中受先验知识的影响程度。所有的被试者都有正常或矫正到正常的视力，都是右撇子，并且从未参加过类似的研究。实验前，被试者被告知，他们的眼球运动数据将被记录下来，并在一个科学研究项目中进行分析，所有数据都将被匿名处理，并且获得广东工业大学学术道德与科技伦理专门委员会的批准。

1.3 仪器及实验设计

本次实验使用的仪器是Tobii x2-60眼球跟踪器（采样率为60 Hz，精度为0.4），该设备可以记录被试者观看不同场景时的眼球运动数据样品。刺激呈现由Tobii-Studio专业软件控制，刺激图像呈现在3500 cm×2500 cm的显示屏上（屏幕分辨率1920×1080像素，60 Hz）。实验前，要求被试者签署知情同意书，并进行实验说明，告知尽可能少移动头部，降低对眼动数据的影响。在实验过程中，所有干扰因素（光线、触觉、噪声、气味等）被最小化。实验是在一个42平方米的实验室里进行。窗帘紧闭，人造光用于消除眼睛疲劳。被试者坐在显示器前60 cm左右处，进行校准。校准完成后，使用Tobii-Studio实时记录眼动数据。实验设计分为两组，（图像格式:JPG）（单参数图像：6000 ms；相同色温、光照强度图像：8000 ms；所有参数组合图像；10000 ms）（性别:男女）。实验自变量包括图像CCT、照度值和性别；实验因变量包括主观问卷数据和眼动指标。眼球运动指数包括被试者在感兴趣的区域上的第一次注视时间、总注视时间、总注视次数、感兴趣区域中的总注视时间、瞳孔直径、瞳孔变化率和其他参数。

1.4 实验设置与程序

在实验开始之前，我们向被试者简单介绍实验，并要求他们签署知情同意书。用下巴托固定被试者的头部，以确保眼睛水平高度。为了确保获得高质量的数据，要求被试者在实验过程中尽可能不移动头部。在图像显示之前，校准每个被试者眼睛的注视位置。实验过程要求被试者的视线跟随屏幕白色背景上的移动红点。仪器校准成功后，刺激图像显示在屏幕上，并记录眼球运动轨迹。在实验过程中，会显示指令界面，用于向被试者解释实验的VI（Visual Identity)即视觉识别系统任务。刺激材料按照不同灯光参数的顺序依次呈现。每种刺激材料出现一次。实验的平均时间为10分钟，实验程序分为2个板块（根据两种形态），每个板块包括24个刺激图像（15个参数单张图像、5组相同光照强度图像、3组相同色温、1组所有参数的组合图）。实验结束后，被试者需填写一份关于该实验图像展示的电子问卷，问卷内容是根据李克特七级量表对实验图像的舒适度和偏好度进行评分。

2 结果

通过Ergo-LAB软件对40名被试者眼动指标进行数据预处理。将注视时长、注视次数、平均瞳孔直径和AOI注视时间百分比作为眼动评价指标[6]。并将处理后的眼球运动数据导入SPSS 26进行进一步分析，获得眼球运动指数和视觉数据。使用单向方差分析（ANOVA）对注视计数(N)、总注视时间(s)、瞳孔直径(mm)这些参数进行单独分析。最后使用配对样本t检验和单因素方差进行数据分析，用于确定被试者在观看不同图像时眼球运动指数的差异，以便提取与用户视觉认知体验相关的眼动指标。

2.1 问卷反馈数据

问卷调查结果显示了被试者在观看不同灯光参数展品图像时的主观体验。被试者以7分制（0：非常不满意7：非常满意）对所展示的图像进行评分。他们对不同CCT和照度值的舒适度和偏好度得分如表2所示。调查结果显示，6000 k和300 lx组合的舒适度和偏好度的评分最高。2000 k和200 lx图像组合的舒适度和偏好度的评分最低。在相同照度值条件的比较下，6000 k的舒适度和偏好度的评分最高，其次是5000 k、4000 k、3000 k、2000 k。在相同的CCT条件下比较，300 lx的舒适度和偏好度的评分最高，其次是400 lx，最低的是200 lx。

表2 各灯光参数图像满意度调查结果

2.2 注视数据分析

实验将总注视时长、注视次数、平均瞳孔直径和AOI注视时间百分比作为眼动评价指标[6]，总注视时长是指被试者观看兴趣区时视线停留的时长。注视次数是指兴趣区被注视的总次数。当注视次数多、总注视时间长，说明被试者对该区域更感兴趣。瞳孔大小也是用于数据分析的一个因素。有实验证实，被试者动机越强烈，瞳孔反应越明显。图像表示也是眼动仪的主要呈现方式，热点图也是一种分析工具，它通过使用不同的标识将图像上的区域进行标注（一般使用颜色的深浅、点密度以及呈现比重的形式），来表示被试者对该区域的重视程度和感兴趣程度。

2.2.1 照度值对展品环境呈现的视觉认知

以不同的照度值为影响因素，使用SPSS.26软件对眼动数据进行分析。方差同质性检验结果表明，被试者的感知体验在注视次数、总注视时间和平均瞳孔直径上有显著差异(p<0.05)。图5显示了被试者在观察不同照度值的光照环境图像时眼球运动指数的平均值。在相同的持续时间内，300 lx图像的平均注视次数是最高的，其次是200 lx图像。平均注视次数最低的是400 lx图像。即300lx>200lx>400lx(9.85>9.21>9.17)。总注视时间（2.65>2.45>2.43）平均注视时间也观察到相同的结果。结果表明，将照度值增加到300 lx可以改善展品的观看环境，但是当增加到400 lx时反而减少了有效注视时间。在瞳孔平均直径方面，发现被试者在观看200 lx图像时的瞳孔平均直径最大，在观看400 lx图像时瞳孔平均直径最小。这与总注视时间和平均注视时间方面呈现的结果有点差异。

■图5 不同光照强度图像之间眼球运动指数的平均值（95%置信区间）的比较

为确定男性和女性在不同光照强度下呈现图像的视觉认知表现方面的差异，对40名不同性别的被试者进行相同的眼动实验。使用独立样本t检验分析数据，以确定男性和女性在观看三种光照强度的图像时表现出的差异，以及男性和女性之间在三种光照强度的图像中的注视计数和总注视时间的差异。使用独立样本t检验对实验数据进行分析测试。发现在注视计数方面（t=0.336,p=0.739>0.1。t=0.185,p=0.854>0.1。t=-1.347,p=0.186>0.05）不存在差异，但在总注视时间上（t=-1.957,p=0.048<0.05。t=-2.931,p=0.006<0.01）观察到差异，在400lx照度值的图像的总注视时间（t=-2.931，p=0.006<0.01）上存在显著差异（表3）。

表3 观看不同光照强度图像时性别的影响（4000k)

2.2.2 CCT对展品环境呈现的视觉认知

采用多因素方差分析显著性水平（p>0.05）的眼动指数，以确定不同CCT的光照环境图片之间的显著差异。将6个CCT值作为自变量，被试的眼动指数作为因变量。注视次数、总注视时间和瞳孔平均直径在不同光照强度上存在显著差异（p<0.05)。指数平均值的比较如图6所示。通过分析被试者观看不同CCT图像眼球运动指数的平均值比较发现，随着CCT的增加，注视次数、总注视时间和瞳孔直径变化率相应增加，这表明当CCT数值在2000 k至6000 k范围内时，上述指标与CCT呈正相关。CCT数值为6000 k的光照环境的图像的平均注视时间相对持久（268 ms >267 ms >247 ms>235 ms>241 ms)，平均注视次数6000k也显著多于2000k的光照条件的图像（10.07 >9.78 >9.51 >8.80 >8.58)。瞳孔平均直径（3.99 >3.94 >3.91>3.94>3.84）的数据同样也显示出6000k的光照环境的图像明显优于其他色温环境的图像。根据不同CCT，还对40名不同性别的被试者进行了性别差异探索，以确定男性和女性在观看不同CCT的图像时视觉认知方面的差异。使用独立样本t检验分析数据，确定男性和女性之间在观看不同CCT的图像的注视计数和总注视时间的差异。结果显示性别在4000 k、5000 k、6000 k的注视次数上（t=-2.008,p=0.049 <0.05。t=-2.878，p=0.007<0.05）存在差异，在2000k,4000k,6000k的注视时间上（t=-2.184，p=0.036<0.05）也观察到差异，在6000k的光照环境下的图像的注视次数和总注视时间上（t=-2.878,p=0.007 <0.05）存在显著差异（表4）。

表4 观看不同色温图像时性别的影响（300lx)

■图6 不同CCT图像之间眼球运动指数的平均值（95%置信区间）的比较

2.3 视觉数据分析

视觉扫描路径显示了注视的位置和顺序（图7-图9)。注视刺激图像中的点反映了被试者观看图像时的眼球运动路径。焦点半径的大小是凝视的持续时间，圆圈中的数字代表眼球运动路径的顺序。焦点半径越大，注视时间越长，被试者聚焦于焦点区域刺激材料的注意力就越持久，被试者的注意力就越集中。扫描路径可用于显示单个或多个被试者的眼睛在实验期间的运动模式。热点图显示了被试者在刺激图像上的注意力分布情况（图10-图12)。红色区域表示被试者观看与注视最集中的区域，黄色和绿色表示被试者注视较少的区域。通过将被试者观察图像的注视时间求和，可以获取被试者注意力的视觉数据。不同照度值的图像的扫描路径如图7所示。不同照度值的图像的注视点分别是9.21、9.85、9.17，数据较接近。但点的注视时间和扫描路径方面呈现出差异。低照度值的图像注视时间更稳定，迅速扫视范围也更均匀。照度值更强的区域比照度值弱的区域更能吸引被试者的视线。从扫描路径来看，被试者的首次注视点更倾向于高照度值的区域。不同CCT的图像的扫描路径如图8所示。不同CCT的图像的注视点分别是10.07、9.78、9.51、8.80、8.58，注视点计数随着CCT不断升高而显著增加，注视时间也更长、更稳定。根据不同照度值的CCT组合图发现，低CCT的图像更能第一时间引起被试者的注意。图10显示了不同照度值图像的2D热点图。在不同照度值组合的图像中，位于中间的照度值的图像的热点图明显比两边的图像显著。此外，400 lx的热点图比200 lx热点图的更密集，但并不明显。这一现象与本文上述的数据基本吻合。不同CCT的图像的2D热点图显示如图11所示。可以发现位于中间的图像的热点图明显高于两边的图像，热点相对集中在暖色图像中，且注视点的值普遍较高，持续时间较长。该结果与单个刺激图像呈现的结果相反。此外，通过观察不同照明环境的组合图，发现中心点的焦点半径更大（图12）。

■图7 基于眼球运动数据的照度值展品的扫描路径示例

■图8 基于眼球运动数据的不同CCT展品的扫描路径示例

■图9 基于眼球运动数据的展品的扫描路径示例

■图10 基于眼球运动数据的不同光照强度展品的热点图示例

■图11 基于眼球运动数据的不同色温展品的热点图示例

■图12 基于眼球运动数据的展品的热点图示例

3 研究结论

本研究通过眼动实验发现被试者在观察不同CCT和照度值的图像时，其感知体验存在差异性。提取眼动指标，分析渲染图像的CCT和照度值等因素的影响，并结合相关理论对研究结果进行如下讨论。

3.1 照度值对展品照明环境的影响

单因素方差分析结果显示，被试者对不同照度值的照明环境图像的感知体验存在显著差异。光照强度被广泛认为是影响感知舒适度和偏好的最重要因素之一[7]。本研究中采用的照度水平参照了博物馆实地的照度参数，并设置了一个低值和一个高值。图5展示的所有照明条件下的被试者眼动数据条形图表明，300 lx照度值的总注视时间和注视次数明显高于其他的照度值。较低的照度值对被试者观看展品时的眼睛刺激较小，但相应也会降低展品的清晰度，削弱被试者的观看兴趣。相反，较高的照度值会使展品呈现强烈对比度，这种现象容易引起被试者的注意，有利于增加大脑在执行视觉任务时的兴奋度和注意力水平[8-9]，但同时也会对眼睛造成更大的刺激，严重时会变成光污染，导致眩光，眩光会极大影响观展视觉效果和观展体验，也是引起视觉疲劳的重要原因之一[10]。因此，300 lx左右照度值最利于被试者观展。

3.2 CCT对展品照明环境的影响

使用眼动指数研究了不同CCT的光照环境图像对被试者感知体验的影响。不同CCT的光照环境图像之间的3项指标（例如:总注视次数、总注视时间）存在显著差异，说明被试者感知体验差异显著。沙姆苏尔（B.M.T.Shamsul）等认为较高的CCT可使被试者更有兴趣执行更长时间的任务，刺激被试者的大脑运转[11-12]。本研究结果与以前的研究结果一致。与低CCT相比，被试者在高CCT的展陈照明环境中的凝视时间更长（图6），这说明提高CCT有利于改善被试者的参观体验。这一结果与问卷调查结果一致。

3.3 研究发现

通过分析眼动任务中的视觉数据，评估不同图像设置的照度值对被试者感知体验的影响。研究发现光照较强的区域更能吸引被试者的视线。虽强对比度更能引人注意，但同时会带来强度的视觉刺激，更容易引起视觉疲劳，因此注视的持续时间比低光强度的要短。

根据扫描路径发现低CCT比高CCT更容易吸引被试者的注意力，特别是在首次注视点上，更多被试者的首次注视点往往集中在高CCT的图像上，这可能是由于低色温的图像偏向暖色，色彩倾向更加明显，而人眼更容易捕捉到色彩鲜艳的对象。因此，低色温的图像更能吸引观众的第一注意。不同照度值和CCT的组合图（图12）表明，被试者的首先关注点更倾向于画面中心点。这种现象与人的视觉习惯有关系，因此在进行博物馆展陈设计时，设计师可以考虑将核心的展品布置在展陈空间的中心区域。

本研究得出的结论部分符合kruithof法则[13-14]。通过一系列的实验数据分析发现，300 lx和6000 k营造的照明环境是被试者认可度最高的展品照明环境。光照环境受多种因素制约，本研究仅以CCT和照度的匹配方式为基准进行研究。分析结果，被试者对观展照明环境的偏好受到光照强度和CCT的影响[15]。

4 结语

本研究通过实验和问卷测度体验者观展时的生理和心理指标，探索被试者对于博物馆展示照明环境的视觉偏好。通过分析这两个因素的主效应和交互效应：主效应分析的结果表明，高CCT的光照环境相较于低CCT的光照环境有更好的舒适度，6000 k左右更利于被试者长时间观看。此外，低CCT更容易引起被试者第一时间的注意。结果表明，我们应关注视觉认知效应，并考虑被试者的情绪体验。照度值的设置是影响展陈照明环境呈现效果的重要因素，高照度值更能吸引被试者的关注，而低照度值有助于减缓视觉疲劳，使观众能够更详细地观看展品。因此，在博物馆实际的展陈设计中，可以结合具体的展品类型和场景来营造灯光氛围 。

本研究主要讨论“照明环境”对被试者的影响，以及博物馆展陈照明的CCT和照度值的差异和被试者偏好的区间。未来研究可以结合眼球追踪分析和脑电图分析来检验推理假设，调查认知和情绪体验是否会存在差异，以提升对博物馆展陈形式和展陈场景的研究。