基于跨学科理论提高博物馆参观者情绪反应的照明设计

孙 智，刘小琳，邹念育，王志胜

(大连工业大学光子学研究所，辽宁大连 116034)

引言

跨学科创意性人工照明设计以人的视觉因素为核心基础，研究杆状细胞与锥状细胞分别在明暗环境下，对视觉因素造成的影响，通过情绪反应得到体现，情绪反应包含舒适评价、能见度评价、温热评价、偏好评价四种体现。在本文中，我们对辽宁省博物馆的光环境进行了调研与测试，通过结合跨学科理论的照明设计来优化博物馆照明的光环境，以提高博物馆参观者的情绪反应水平。

1 博物馆照明设计的创造性

1.1 用视觉因素解决空间因素

视觉对人的冲击往往可以影响人们对空间结构的第一印象，即使空间结构确定，如对场景内部的颜色、材质、物件搭配稍加处理，给人们以特殊的视觉效果冲击，则可以解决空间缺陷带来的一系列问题。在照明领域中，通过控制眩光、调整不同的灯具位置、灯具角度和高度，同样可以造成不同的视觉冲击，进而引导人联系到设计者所要带给人的感觉，从而解决空间因素。照明的显色性可直接影响视觉因素。国际照明委员会(CIE)推荐使用的显色性指数CIE-Ra为100减去8个选定标准色样在测试光和标准光下的色差。光谱多变的LED照明的广泛应用使得CIE-Ra及其补充显色指数[1]R9～R15不再适应工业应用要求，研究人员开始探讨新的评价LED照明光源显色质量的方法，这些评价方法主要分为三种：保真性、色域大小、记忆色。保真性的评价方法与原有的显色性指数类似，很多研究在CIE-Ra的基础上扩充了计算使用的样品集并更换了计算色差的均匀色彩空间和色差公式。对于同样的彩色物品，光源色域面积、体积越大显色就越鲜艳，色域大小指数在大部分研究中的计算方法为色样在测试光源下的色域与在测试光源下的色域的比值百分比，此外，色域的形状对光源真实的显色质量也有很大影响。评价这些显色质量参数和视觉的匹配程度在大量实验中研究人员使用了很多心理物理词条来进行主观评价，例如舒适、自然等。在博物馆LED照明应用中可以总结为两个维度即清晰度、暖度，通过整理这些维度下的视觉实验数据，我们可测试各个显色质量参数的优劣。

1.2 融合跨学科的理论元素

Kruithof[2]提出了一种达到“愉悦效果”相关色温(CCT)的室内照明设计方法。“令人愉悦的区域”由Kruithof定义，实验中他使用的光源是荧光灯和白炽灯。Royer等[3]发现RGB发光二极管系统显示明显较差的颜色歧视能力。吉泽等[4]根据CCT、CRI和照度(高达400 lx)进行了两个独立的心理物理学实验，结果表明这些因素共同影响观看油画的视觉感受可见性和纹理。其实验方法有借鉴意义，即以CCT、CRI和照度为坐标定义一个舒适区域。同时台湾科技大学的研究者[5]分别在特制灯箱和真实美术馆里进行了两组类似的实验得到了类似的清晰度和暖度的结论，匈牙利的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为4 200 K。而葡萄牙研究组的结论则为色温5 700 K。我国的一个研究使用了较多种类的画作作为样品发现针对一般日常彩色物品最喜好的色温约为4 500 K，而针对文物或艺术品则在3 500～4 000 K之间。以上实验结果证明东西方对色温喜好性有明显差异[6]。综合相关结果[7],博物馆LED照明的照度不适合低于200 lx，在不考虑光致损伤的前提下 200～400 lx较为合适，但由于对光致损伤敏感的文物不适宜在过高曝光下展出，因此实际应用中可以牺牲清晰度，降低照度“清晰度”的损失和照度的降低正相关，博物馆LED照明的适宜色温和照度、展品内容、观众文化背景等都有关系，根据这个照度和色温舒适区域的理论照度为200～800 lx，色温为3 000～6 000 K都是实际可选范围，综合考虑到国内大部分艺术展品类型和照度限制，色温控制在3 000～4 000 K之间较为合理，博物馆照明灯具[8]可依文化、区域、画种不同具有可调性。

1.3 提高参观者的情感反应水平

商业心理学实验优化光源的研究得出的结论是产生适合偏好的更大的色域[9]，最合适自然光源产生更多具有更均匀的外观对称的色域比偏好的比例高。不同波长的光刺激在两种亮度范围内作用于视觉器官而产生的视觉现象。光刺激的亮度在3 cd/m2以上时，由人眼锥体细胞获得的视觉称明视觉或锥体细胞视觉；而在暗适应情况下主要由杆体细胞获得的视觉称暗视觉或杆体细胞视觉。Kruithof法则[10]指出显示高(低) CCT的特定区域高(低)照度使观察者感到愉快，Kruithof声明低照度下的高CCT已验证是不愉快的。

2 辽宁博物馆照明光环境测试

1)照度测试。照度测试选用中心布点法，将照度测量区域划分成矩形网格，在网格中心点测量照度。该布点方法适用水平、垂直照度或摄像机方向垂直照度的测量，垂直照度应标明照度的测量面的法线方向，如图1所示。

图1 中心测点法Fig.1 Central measuring point method

大堂部分区域依靠自然光进行照明，玻璃顶棚的设计使得日光可以透过玻璃射进场馆。大堂及周边各墙面的反射率取采样点的平均值为24.2%，大堂内人工光照明色温为3 094 K。

(1)

其中Eav为平均照度值，单位为勒克斯(lx)，Ei为第i个测点上的照度，M为纵向测点数，N为横向测点数(图2)。

图2 大堂照度测试照度分布及实景图Fig.2 Illuminance distribution and real scene map of lobby illuminance test

将大堂所测数据代入公式(1)，得水平平均照度为139.30 lx，水平照度均匀度为0.933。二号展厅照度为101.89 lx，照度均匀度为0.491，四号展厅照度为56.42 lx，照度均匀度为0.886，走廊照度为121.21 lx，均匀度为0.866(图3)。

图3 大堂服务台照度分布及实景Fig.3 Illuminance distribution and real scene of lobby service desk

大堂服务台平均照度为95.53 lx，均匀度为0.879。

同理，代入公式(1)得2号展厅地面平均照度为6.306 lx，均匀度为0.476。

展柜内8幅绘画作品照度分布(均值为92.9 lx，均匀度为0.321)。

2)色温和显色指数测量。从博物馆从简省略的功能出发考虑,一般有三项基本功能需要对照明的光色质量提出较高要求。一是展览功能,其要求照明对展品达到一个较高的清晰度,这个要求和照明的照度、保真度、色域均有关系；二是对文物或艺术品的保存维护功能,这需要照明对目标物品的光致损伤达到最低，而传统光源：如卤素灯、荧光灯中的紫外和红外光谱成分是危害最大的，相比之下LED光源则可以较方便地调控光谱以减少有害波段；三是研究教育功能，例如修护师或文物研究者在工作台环境下的照明需求,需要照明达到最大的保真度，影响博物馆LED照明显色质量的光谱特性参数除了上述保真度指数、色域、相关指数以外主要还有照度和色温。

现场的色温和显色指数测量采用光谱辐射计，每个场地测量点的数量不少于9个测点，以其算术平均值作为该被测照明现场的色温和显色指数。

每个功能区(室)测量点超过3个点；采用不同种类光源混合照明时分别测量每种光源的显色指数和色温，并测量混合后的显色指数和色温。

通过对辽宁省博物馆进行测试，得出二号展厅光环境(图4、图5)Ra为96.6，R9为89.0，Rf为98.0，Rg为97.0，灯具与光源性能方面闪烁指数为0.009，占百分比4%，色容差4.4；四号展厅光环境(图6)Ra为99.6，R9为99.0，Rf为100，Rg为100，灯具与光源性能方面闪烁指数为0，占百分比0.6%，色容差4.5；大堂光环境Ra为87.0，R9为23.0，Rf为83.0，Rg为100，灯具与光源性能方面闪烁指数为0.011，占百分比5.2%，色容差6.2；走廊光环境Ra为80.3；R9为-7.0；Rf为79.0；Rg为97.0；灯具与光源性能方面闪烁指数为0，占百分比为0.6%，色容差为5.1。

图4 二号展厅局部地面照度分布及实景Fig.4 Local ground illuminance distribution and real scene of exhibition hall 2

图5 二号展厅书画照明实景Fig.5 Painting and calligraphy lighting scene of exhibition hall 2

图6 四号展厅照度分布及实景Fig.6 Illuminance distribution and real scene of exhibition hall 4

3)亮度与反射比测试。亮度的测量采用亮度计直接测量亮度，对于受条件限制的地方可采用间接方法测量亮度。亮度计的放置高度以观察者眼睛高度为准，站为1.50 m，坐为1.20 m。

对于博物馆内室内工作区亮度测量工作面及主要视野面，选择有代表性的点，同一代表面上的测点3点以上。

照明现场反射比的测试可采用便携式反射比测量仪器直接测量，也可采用间接方法，每个被测表面一般选取3～5个测点的测量值，再求其算术平均值，作为该被侧面的反射比。

利用亮度计加标准白板的方法测量反射比。将标准白板放置被测表面，用亮度计读出标准白板的亮度，保持亮度计位置不动，移去标准白板，用亮度计读出被测表面上的亮度，按照式(2)进行计算：

其中ρ为反射比，L(被测面)为被测表面的亮度，单位为cd/m2，L(白板)为标准白板的亮度，ρ(白板)为标准白板的反射比。

将大堂、二号展厅地面、八幅画、四号展厅对应数据代入公式求得反射比分别为0.46，0.5，0.72，0.54。对光环境测试得二号展厅亮度为2.83 cd/m2，四号展厅为2.85 cd/m2。

4)温度测试。测量被测物体表面的温度，可通过手持式热电偶计直接测量，将热电偶一端贴紧被测物体表面，将热电偶的另一端连接至手持式热电偶计，关掉被测物照明灯具，待被测物表面温度稳定后，记录温度数据，打开灯具，待温度稳定后计录下数据。(当前温度与15 min前温度比较波动小于1 ℃，且15 min前的温度与30 min前的温度比较波动范围也在1 ℃内即可认为温度稳定)。测试环境要求：整体环境温度稳定且无空气流动，测量取值时间不少于2 h。经测试得二号展厅表面温度达到16.4 ℃，四号展厅表面温度达到20.3 ℃。

3 博物馆照明设计的实验

3.1 展品

照明测试展品(所有艺术展品来自辽宁博物馆)如图7所示。

3.2 情感测试问卷

主观评测全部采用现场邀请观众扫描二维码进行填写问卷的方式进行评测，方便高效，便于统计。共采集约20余人次共106组数据，陈列区域为2号厅绘画作品区域、4号厅刺绣展区域、8号厅墓志展品区域和17号厅立体展品区域，非陈列区为大堂、走廊。根据美术馆陈列空间指标采集，设置优秀、良好、一般、较差四档，其中A+为10分、A-为8分、B+为7分、B-为6分、C+为5分、C-为4分、D+为3分、D-为0分，根据统计记录分值。指标包含了展品色彩表现、展品细节清晰度、光环境舒适度、整体空间照明艺术表现等，根据对应指标，测试者标记1、2、3……根据每人打分取得平均值×10×权重可换算评分。主观评估总分=主观各项评估总分×权重；非陈列空间大堂序厅为实际得分× 0.2 过廊为实际得分×0.1 辅助空间总分为实际得分× 0.1 陈列空间中用光的安全实际得分× 0.4 光环境分布为实际得分× 0.3；临时展览评估对于非陈列空间用光的安全得分为实际得分× 0.4 光环境分布实际得分× 0.3；统计指标分类及程序中的客观数据统计指标分为三级指标系统：一级指标、二级指标、总分值。计分时，首先计算各考察要点分值，然后综合计算二级指标和一级指标分值和总分值。计算每个考察要点一级指标分值：一级指标实际得分=要点分值×权重值；计算二级指标分值(满分为100分)二级指标实际得分=考察评估平均分值×10×权重；评估项目分值(各满分100分)主观评估总分=100分；客观评估总分=100分；对光维护总分=100分；根据各项评估分别对应分值为80分以上，70分以上，60分以上，60分以下。分成4个等级优秀、良好、一般、较差。

图7 照明测试展品(所有艺术展品来自辽宁博物馆)Fig.7 Lighting test exhibits (all art exhibits come from Liaoning museum)

博物馆内展品色彩真实感程度有17人感到满意，有2人感觉较好，1人感觉较差，1人感觉很差；光源色喜好程度15人感觉满意，4人感觉满意，2人感觉较差；展品细节表现力有14人很满意，6人感觉一般，1人感觉较差；立体感表现力15人感到满意，4人感觉一般，2人感觉较差；展品纹理清晰度体验14人很满意，5人感觉较好，2人感觉较差；展品外轮廓清晰度有14人很满意，6人感觉一般，1人感觉较差；展品光亮接受度14人很满意，6人感觉较好，1人感觉较差；感染力喜好度5人很满意，15人感觉较好，1人感觉较差。均值最高一项为主观视觉舒适度达到8.5，均值最低一项为光源色喜好程度评价为7.6。

在对调查问卷中的影响因素用熵权法赋权时，如果某因素的数据信息量越大，其熵值便越小，反而应赋予其更大的权重。经过筛选，选出展品色彩真实感程度、光源色喜好程度、展品细节表现力、立体感表现力、展品纹理清晰度、展品外轮廓的清晰度、展品光亮接受度、视觉适应性、心理愉悦感、用光艺术喜好度等影响博物馆光环境照明因素，将测试问卷数据进行处理，组成一个矩阵。为保证数据在使用时不会受到量纲影响，方便建立综合指数，将数据进行标准化处理，得到规范化矩阵Rnm。根据熵权法理论，由式(3)计算得到第j项指标的熵值，由式(4)计算得到第j项指标的熵权(权重)。

(3)

(4)

最终分别获得基本陈列主观评测权重，分析结果如表1所示。

表1 基本陈列主观评测权重分析表

同理，临时展览主观评测中，展品色彩真实感程度的二级权值占20%，加权×10为16.2，光源色喜好程度对应5%和3.8；展品细节表现力对应10%和8.3；立体感表现力对应5%和4.1；展品纹理清晰度对应5%和4.1；展品外轮廓清晰度对应5%和4.0；展品光亮接受度为5%和4.1；对博物馆走廊主观评价结果进行分析：博物馆展品光亮接受度3人很满意，19人感觉较好；视觉适应性2人感觉很满意，20人较满意；主观视觉舒适度5人很满意，17人感觉较好；心理愉悦感3人很满意，17人感觉较好，1人感觉较差，1人感觉很差；用光艺术喜好度3人感觉很满意，18人感觉较好，1人感觉较差；感染力喜好度2人很满意，15人较满意，3人感觉较差，2人感觉很差。均值最高一项为主观视觉舒适度达到7.5，均值最低一项为感染力喜好度为6.4。

3.3 情绪量化评估计算

通过观察者内部和观察者之间的可变性，用情绪量表上的均方根值(RMS)检验实验评定数据的不确定性。观察者内部的可变性表示在相同的评估条件下，观察者的反应可以重复的多好。观察者之间的差异表明观察者的反应与组内平均值的一致程度。此外，RMS值可以确定两个数据集的一致性[式(1)]。RMS值越小，两个数据集之间的一致性越大。RMS值越高，观察者内部或观察者之间的一致性越差。均方根值的变化取决于数据集的标度范围。

对于观察者内可变性，xi和yi分别表示 第i次刺激的个体观察者的第一得分和第二得分。对于观察者间的可变性，yi是个体观察者对第i次刺激的得分；xi是所有观察者的平均分数对于第i刺激；n是刺激的总数。

(5)

将所测得数据，加入情绪量化评估，代入公式(5)，与表2中RMS数值量化值具有较高一致性。

3.4 情绪反应模型一致性验证

本研究的目的之一是开发用于室内照明的ERMS(均方根误差)以供观看博物馆里的绘画存档。基于进行线性回归分析，能够准确预测成分博物馆照明作为CCT和照度。因此，安装小尺度和大尺度空间的ERMS表示为可见性模型(VM)和温暖模型(WM)在式(6)式(7)中给出。

表2 观察者间和观察者内可变性的均方根值

VM=1.41logE-3.03(6)

WM=-0.39(Tc/1000)+1.68(7)

以亮度为基础，推导了小尺度空间和大尺度空间的VM拟合输入(表示为“E”)。式(6)中E的范围是50～500 cd/m2。小尺度和大尺度空间的WM拟合是用CCT作为输入(表示为“Tc”)导出的。式(7)中Tc的范围为2 700～6 500 K模型表明，VM仅与亮度水平相关，WM仅与CCT相关。将博物馆内测量数据代入可得评分与预测日期的相关性分析如图8所示。

图8 评级得分与预测日期之间的相关性分析Fig.8 Correlation analysis between rating score and prediction date

根据测量的评分和预测的评分及相关性报告系数(r)可以看出，所有模型都很好地预测了视觉结果，并且在预测得分和评级得分之间具有较高的r值，小、大尺度空间分别为0.94(VM)、0.95(WM)和0.93(VM)、0.86(WM)。这里，评分是指从所有受试者收集的平均评价分数，预测分数是根据建议的ERMS计算的[式(2)、式(3)]。然而大尺度空间WM的r值(0.86)略低于小尺度空间WM的r值(0.95)。

4 结论

通过我们设计的博物馆照明实验，我们发现：基本陈列光的艺术喜好评价较高，有待提升视觉适应性与感染力喜好；临时陈列主观视觉舒适度较高，有待提升光源色喜好程度；大厅用光艺术喜好评价较高，感染力喜好度有待提高。走廊主观视觉舒适度较好，仍有提升空间，而感染力喜好度为一般，存在更大提升空间。

通过分析小尺度空间和大尺度空间的双光参数(CCT和照度)可知，博物馆场景内的观众的情绪分别受到照度和CCT参数的影响。根据照度和CCT的输入，验证了观众情绪状况与对应数值的一致性。VM和WM模型表明，VM仅与亮度相关，WM仅与CCT相关，所有的ERM模型都很好地预测了视觉效果，且具有很高相关系数的博物馆照明中使人感到舒服的区域较为符合克鲁索定律。

从辽宁省博物馆馆照明的展览照明及工作照明，效果来看，传统的卤素光源以其良好的显色性、配光以及易于调节亮度等优点长期作为展览照明光源在使用。但是卤素灯色温偏低(色温<2 700 K)，造成亮度视觉较差，需要更大的照度，无形中增加了展品曝光量，所以会相对增加红外辐射量，尤其是展柜照明。通过本文的研究，我们认为，展品的色彩还原程度、光源色喜好程度、展品细节表现能力、立体感表现能力、展品纹理清晰度、外轮廓的清晰度、光亮度接受度、视觉适应性、心里愉悦感都应作为评价博物馆照明重要的因素，且评价需要符合日常测试者对展品颜色的真实判断，光源色彩与参观者的心理预期契合度高，展品的立体效果及光色对比相应地好。此外，我们需要注重博物馆照明设计中光的艺术表现力及其整体艺术效果。

致谢：感谢辽宁省博物馆对课题研究的大力支持。感谢华格照明灯具(上海)有限公司郑春平和李培、中国美术馆颜劲涛等同志的参与。