人工照明环境下手机阅读舒适性的主观评价

武童瑶，王立雄，于 娟，全孝莉，毛希凯

(天津大学建筑学院，天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072)

引言

随着经济发展，技术进步，手机产品不断更新换代，功能日益全面，手机行业整体规模不断扩大。据国家工业和信息化部的统计，截至2016年3月全国范围内手机用户数已达12.9亿，中国成为全世界手机用户最多的国家。

单一的通话功能，已经不能满足现代人对手机使用的需求。游戏娱乐、信息查询、阅读学习、便捷支付等丰富的功能，使手机设备在办公室、教室、商场、居室等各个场景中都有不可替代的作用。在大部分生活场景中，手机阅读总时间已经远远超过纸质材料的阅读时间，但是现在并没有针对手机阅读的光环境设计指导和规范。合理的照明光环境可以提高阅读舒适性，提高阅读效率，保护视力。

本文以主观评价实验的方法，以阅读面照度、光源色温、阅读背景面反射系数等参数为实验变量，被试使用不同屏幕亮度级别的手机进行图文阅读，而后对当前工况给出1～10分的舒适性主观评价。

1 主观评价实验

1.1 实验设置

1)实验空间搭建。天津大学历时5年主持研发并建成了亚洲规模最大、性能最为完善的光环境模拟实验舱(见图1)。实验舱占地面积为800 m2，可通过轻质隔墙搭建实验空间的自由围合；可通过屋顶升降系统对6 m×6 m的顶板进行3～9 m范围的空间高度调节；顶板总共安装256盏大功率LED灯具，每支灯具能够无级调节色温、光通量等指标，可以模拟生活中大部分的人工照明光环境。该实验中，选用4个6 m×6 m的空间，将其中一个顶板的高度设置为3.3 m，其余3个顶板高度设置为9 m。在高度为3.3 m顶板的对角线垂直投影到地面的位置上，摆放3张桌子作为阅读面(见图2)。阅读面的照明参数主要由3.3 m高顶板的灯具进行调节，其他3个9 m高顶板的灯具对阅读面照明参数进行微调以达到准确的实验设置数值。

图1 大空间实验室外观Fig.1 Appearance of large space laboratory

图2 主观实验空间Fig.2 Experimental scene space

2)工况设置。生活中不同的人工照明场景环境下，阅读面照度和光源色温都有较大差异。例如：办公空间的阅读面照度在300 lx左右，色温以5 000～6 500 K的冷白光为主；咖啡厅等强调格调的餐饮店的阅读面照度只有50～100 lx，色温在2 700～3 300 K；部分便利店的阅读面照度将近1 000 lx；而卧室、宿舍等居住空间熄灯后全黑环境下手机阅读面照度为0 lx。该实验全面模拟了生活中常见的人工照明环境，实验设置的色温范围为2 700～6 500 K，阅读面照度范围为0～1 000 lx。根据CIE规定，照度标准值应按0.5，1，2，3，5，10，15，20，30，50，75，100，150，200，300，500，750 lx和1 000 lx分级。在本实验工况设置中，参考实际调研数据总结归纳，最终确定实验照度值为：0，5，20，50，100，200，300，500，750 lx和1 000 lx。

根据调研统计日常生活中色温数值的分布区段，最终确定将实验色温值定为：2 700，3 300，4 200，5 500 K和6 500 K。经过统计，生活中阅读面背景的反射系数主要分布在0.1～0.5之间。因此实验中，选用反射系数为0.47的白色、反射系数为0.26的灰色、反射系数为0.11的黑色桌面作为实验阅读背景面。标准中规定长时间工作、停留的房间或场所，光源的显色指数不应小于80，实验中控制所有环境中光源的显色指数均为85。阅读面照度、色温、显色性均采用分光照度计CL-500A在阅读面高度平行于阅读面测量得出。实验过程中，控制实验空间噪声在20 dB以下，实验空间平均温度为26℃。

3)手机屏幕设置。选用三部使用状态相同的华为荣耀6手机作为实验阅读设备。三部手机分别摆放在35°斜面上，斜面底端距离白、灰、黑三张桌子边缘距离均为13 cm。控制在三部手机屏面处测得的照度、色温值均相同。在手机屏幕色温调节界面，将三部手机的色温均调为中性光。在亮度调节界面中，等距设置3档亮度值，使用亮度计BM5在手机白屏时测得3个级别亮度值分别为60、100 cd/m2和180 cd/m2。

4)被试选择。实验随机抽选了12位18～45岁之间的青年作为被试对象参与实验，其中6名男性、6名女性。实验前期准备主要对12位被试者进行眼部或视力疾病史调查，使被试完成心理测评并对被试的心理健康状况进行评价。所有被试均无眼部疾病、均未做过眼部手术。所有被试者经过心理测试均无心理疾病，并且实验当天情绪稳定。在实验开始前给每位被试发放实验资料，资料内容明确介绍了课题研究背景、实验目的和评价目标，同时工作人员通过现场讲解的方式进一步对课题研究背景、实验目的和评价目标进行口头介绍。

5)阅读内容。所有被试的阅读文件格式均为PDF文档，阅读内容为内容完全相同的图文并茂的说明文。文档底色为白色，字体为黑体。阅读过程中被试可以根据各自的阅读习惯对文档进行放大或缩小。

1.2 实验内容

1)实验方法。被试在0 lx环境下和在9种不同照度、5种不同色温、3种不同阅读面反射系数排列组合形成的共136种工况下对于当前阅读的舒适性进行主观评价，主观评价的形式为调查问卷打分法，即在每种工况下对目前阅读舒适性进行打0～10分范围的打分。打分表如下：

012345678910非常不舒适不舒适轻微不舒适一般较舒适舒适非常舒适

2)实验流程。实验开始前，通过实验目的文字性阅读以及现场详细讲解充分告知被试实验意图和评价目标。调节工况时，被试佩戴眼罩。工况调节之后，被试摘下眼罩，经过充分的明适应后在手机屏幕亮度1下进行文档阅读并进行第一次舒适性主观评价，完成后在休息时间将手机亮度调节为亮度2继续进行下一次评价，共计6次。

被试每进行40 min的实验休息15 min，一天内实验累计时长最多120 min。

2 数据分析

1)影响因素的重要性系数。本文用XGBoost算法，对实验结果数据进行了重要性计算分析。XGBoost的全称是 e Xtreme Gradient Boosting，是一种基于梯度 Boosting的集成学习算法，XGBoost算法是梯度提升机器算法(Gradient Boosting Machine)的实现，采用CPU多线程进行并行计算，具有高准确度和可扩展性的特点，被广泛用于商业销售预测、网络舆情预测、电子商务商品推荐等方面。XGBoost 与传统的数据挖掘算法相比，具有准确度高，可扩展的优势。

本文将XGBoost 算法应用到手机阅读舒适性预测中，挖掘舒适性评价中的数据信息，建立舒适性预测模型，从而指导照明设计提高照明质量。通过该主观评价实验共得到11 352次舒适性评价结果，通过四分位法去掉异常值，计算得出照度、色温、手机屏幕亮度、桌面亮度、手机屏幕与桌面的亮度对比度、桌面反射系数几个因素的重要性系数分别是0.144，0.060，0.395，0.112，0.228，0.059。由此可知：手机屏幕亮度和亮度对比度对舒适性影响较大，照度是影响阅读舒适性的主要照明指标。

2)不同因素对舒适性影响规律。图3(a)(b)(c)分别表示了手机亮度为60 cd/m2时，被试以黑色、灰色、白色桌面为阅读背景面，在不同工况下进行手机屏幕阅读的舒适性主观评价结果。从图中可得，照度从0 lx增加到20 lx的过程中，阅读舒适性迅速提高，照度范围在20～50 lx之间时，舒适性相对最好，当照度继续升高，舒适性开始不同程度地下降。在照度值在350 lx左右时，以黑色和灰色桌面为阅读背景面的被试舒适性存在突增现象。色温对于阅读舒适性的影响较小，不同色温的舒适性曲线基本保持一致，当照度低于100 lx时，高色温环境下的舒适性略高于低色温环境，当照度高于100 lx时，低色温环境下舒适性略高于高色温环境。

图3 照度、色温对舒适性影响图Fig.3 Influence of illumination and color temperature

图4是光源色温为4 200 K中性光、手机亮度为60 cd/m2时被试以白色、灰色、黑色桌面为阅读背景面，在不同工况下进行手机屏幕阅读的舒适性主观评价结果，从中可以得出，手机亮度为60 cd/m2，照度低于200 lx时，阅读面反射系数与舒适性成正相关；照度高于200 lx时，阅读面反射系数与舒适性成负相关。

图4 照度、反射系数对舒适性影响图Fig.4 Influence of illumination and reflection coefficient

图5(a)(b)(c)分别表示了手机亮度为100 cd/m2时，被试以黑色、灰色、白色桌面为阅读背景面，在不同工况下进行手机屏幕阅读的舒适性主观评价结果。从图中可以得出，随着照度的升高，舒适性评分值先增后减。阅读面照度从0 lx变化到50 lx，舒适性迅速提高，阅读面照度为300 lx左右时，舒适性评分最高。当照度高于300 lx之后舒适性开始缓慢下降。照度变化过程中，照度达到300 lx左右时，低色温环境下舒适性有较明显的突然增高现象。色温对于阅读舒适性的影响很小，不同色温的舒适性曲线基本保持一致，当照度低于200 lx时，高色温环境下的舒适性略高于低色温环境，当照度高于200 lx时，低色温环境下舒适性略高于高色温环境。

图6是光源色温为4 200 K中性光、手机亮度为使用频率最高的100 cd/m2时被试以白色、灰色、黑色桌面为阅读背景面，在不同工况下进行手机屏幕阅读的舒适性主观评价结果，从图6中可以得出，当手机屏幕亮度为100 cd/m2时，不同阅读背景面反射系数对舒适性影响较小，当照度高于200 lx，以反射系数较高的白色桌面为阅读背景面的阅读舒适性略微低于黑色和灰色桌面为背景面的舒适性。

图6 照度、反射系数对舒适性影响图Fig.6 Influence of illumination and reflection coefficient

图7(a)(b)(c)分别表示了手机亮度为180 cd/m2时，被试以黑色、灰色、白色桌面为阅读背景面，在不同工况下进行手机屏幕阅读的舒适性主观评价结果。从中可得，照度从0 lx增加到200 lx的过程中，阅读舒适性稳步提高，照度范围在200～400 lx之间时，舒适性最好，当照度继续升高，舒适性略微下降。

图8为光源色温为4 200 K中性光、手机亮度为使用频率最高的100 cd/m2时被试以白色、灰色、黑色桌面为阅读背景面，在不同工况下进行手机屏幕阅读的舒适性主观评价结果，从图8可以得出，手机亮度为180 cd/m2时，被试以反射系数较低的黑色桌面为阅读背景面进行阅读的舒适性最好，以反射系数较高的白色桌面为阅读背景面进行阅读的舒适性最差。

图7 照度、色温对舒适性影响图Fig.7 Influence of illumination and color temperature

图8 照度、反射系数对舒适性影响图Fig.8 Influence of illumination and reflection coefficient

3 结论

手机阅读舒适性随阅读面照度的不断增加而先升高后下降。当手机屏幕亮度为60 cd/m2时，阅读舒适性最好的照度范围为20～50 lx；当手机屏幕亮度为100 cd/m2时，不同工况下阅读舒适性普遍较好，照度范围为50～500 lx，阅读舒适性均可保持在较好以上水平。当手机屏幕亮度为180 cd/m2时，阅读舒适性最好的照度范围为200～400 lx。阅读面反射系数对阅读舒适性有一定影响，在照度较高或手机屏幕亮度较高的情况下，背景面反射系数与舒适性成反比。色温对于手机阅读舒适性影响较小。通过XGBoost算法得出照度、色温、手机屏幕亮度、桌面亮度、手机屏幕与桌面的亮度对比度、桌面反射系数几个因素的重要性系数分别是0.144，0.060，0.395，0.112，0.228和0.059。