基于虚拟现实技术的室内单色光环境构建方法

郝石盟, 邢毅超

(北京建筑大学 建筑与城市规划学院, 北京 100044)

1 基于虚拟现实技术的光环境研究现状及发展方向

在光环境研究中，通常需要大量的现场试验以确定不同应用场景下光源的最佳照明参数，研究人员一直在积极寻找替代材料以呈现当前的现实光环境。在光环境研究中，应用虚拟现实技术，可以作为一种快速、低成本的试验方法[1-2]。

图1 虚拟现实技术应用于光环境可视化发展Fig.1 Application of virtual reality technology to the development of light environment visualization

虚拟现实是一种发生在虚拟环境中的交互体验，可以提供包括视觉、听觉、嗅觉、触觉在内的多感官综合体验。作为一个新的研究热点，虚拟现实被认为是最有应用前景的现实世界呈现媒介[3]。随着虚拟现实技术的不断发展，教育、心理学、医学和建筑学等不同领域的研究人员已经将虚拟现实技术作为一种成熟手段来测量人在不同环境下的身心反应，包括对极端突发事件(如火灾、地震等)中逃生和疏散行为的观察测量[4]、治疗特殊疾病患者[5]，这些研究也发现，参与者的表现在现实环境与虚拟环境之间没有显著差异。

近年来随着虚拟现实技术的迅速发展，场景沉浸感和真实性不断提高。已有研究表明，虚拟现实技术对光环境的还原程度明显优于图片等二维信息媒介，对现实光环境的还原程度更高[6]116-126。虚拟光环境的构建与模拟从早期的二维图像[7]、3D可视化[8]，发展到虚拟现实技术，在照明设计视觉模拟的精确度方面有显著进步(图1)，并且利用虚拟现实技术模拟室内光环境，可以更为快捷和低成本地更改变量条件，如空间的大小、布局以及室内光环境参数等。

虚拟现实技术在光环境领域的应用包括自然光环境模拟与评价、人工照明研究、光疗法(用于治疗季节性情感障碍、节律失调等)等[9]。CHAMILOTHORI等[10]利用虚拟现实技术代替现实日间照明空间(Daylit Spaces)进行主观评价，包括了空间主观感受的5个方面:愉悦度、趣味性、兴奋性、复杂性和对空间中的视野满意度，结果显示现实光环境与虚拟光环境之间没有显著差异。HEYDARIAN等[11]比较了现实光环境与虚拟光环境之间的存在感和沉浸感差异，使用虚拟现实技术探索人对不同照明场景的感受及对照明的控制行为，在试验中，通过使用自然光或人工照明分析参与者使用偏好和进行日常任务中的表现。

虚拟现实技术可以模拟现实光环境的视觉舒适度、景深感等，当与现实环境进行比较时，应确定合理的搭建方式并对现实光环境与虚拟光环境的参数进行测量，然而这方面研究很少进行。CHEN等[12]使用了3个参考场景，试验在3个相关色温为暖白色(3 000 K)、中性白色(4 000 K)和冷白色(5 500 K)的场景中进行，结果表明，现实光环境与虚拟光环境在属性、存在感和总体满意度方面没有显著差异。然而，在这项研究中，研究者没有对虚拟现实场景使用光学测量仪进行校准。HEYDARIAN等[6]116-126比较在现实与虚拟办公场景下，明亮和黑暗条件之间表现的差异，结果显示，2次比较之间没有统计学上的显著差异。然而，研究没有考虑在现实光环境与虚拟光环境下相同条件之间的评估(如现实环境亮度与虚拟环境亮度的比较)，没有提供虚拟光环境的构建方法，也没有陈述2种环境中的确切发光条件(即亮度或照度)，这些可能会对被试的任务表现产生影响。这些研究或缺乏对现实光环境与虚拟光环境参数的校准，或缺少对发光条件的描述，这可能会影响之后的试验进程进而影响试验结果。因此，需要为室内光环境构建提供更为精确的模拟工具，更详细的参数设置和虚拟光环境的构建方法。

本文基于北京建筑大学室内环境模拟试验室的现实光环境场景，进行了虚拟单色光环境构建，并组织114名在校大学生作为被试对现实光环境与虚拟光环境进行了视觉一致性、愉悦度、唤醒度、视觉舒适度量表评价，研究虚拟光环境的构建方法，为今后现实光环境与虚拟光环境的单色光研究提供支撑。

2 研究方案

2.1 前期准备

试验室可通过顶棚光膜提供照度、色温和色相参数可控的现实光环境。在正式试验开展之前，研究者通过预试验确保模型、仪器、试验程序和问卷设计的合理性和试验流程的稳定性。根据预试验结果，研究确定了被试的数量、修正模型质量(包括改善照明、反射颜色、贴图材质)和问卷内容。

在单色光的选取上，已有研究中多选取红光、蓝光这2类环境，并证实了这2类光在精神压力和情绪影响方面的显著效用[13]。本研究选取光的三基色构建红色、绿色、蓝色3类光环境试验场景，此外考虑到白光在人工照明中应用场景最广泛，试验增加一组白色光环境来进行室内光环境模拟。

2.2 被试与材料

试验招募了114名北京建筑大学的本科生和研究生，年龄分布为22～26岁。试验前对被试进行了安全指导并充分告知试验流程，所有被试均自愿填写了试验知情同意书。

虚拟光环境场景搭建的关键流程包括[14]: 场景构建 (modeling)、光环境模拟 (light simulation)、色调映射 (tone mapping)、呈现方式 (display)，各关键步骤的常用构建工具见表1。试验采用 Sketch up 2018进行室内光环境模拟试验室模型的创建，用Steam VR和渲染引擎Enscape进行室内光环境模拟虚拟场景的搭建，用HTC VIVE Pro头戴式虚拟现实系统作为场景呈现工具(图2)。

表1 虚拟现实场景搭建路径

图2 虚拟光环境搭建软件及硬件Fig.2 Virtual reality light environment construction software and hardware

2.3虚拟光环境构建

试验首先对现实光环境的参数进行测量，结果见表2。研究者使用照度仪和光源色度计对场景的照度、亮度进行测量(表3)，在构建光环境场景时保证光环境照度、亮度基本保持一致。如图3所示，本研究搭建了2个场景，分别为现实光环境(场景1) 和虚拟光环镜(场景2)。场景1为室内的现实光环境2.4 m×2.1 m×2.1 m的场景，顶部有6条LED灯带。场景2为搭建的虚拟光环境2.4 m×2.1 m×2.1 m的场景，使用Steam VR软件搭建并在 HTC VIVE Pro中显示出来。试验对场景1和场景2中的光学参数进行了标定，采用光源色度计测量亮度和CIE 1931色坐标，采用照度仪测量照度值。场景2在设计虚拟光环境时，所有的灯都选用了相同的材质贴图。为尽量避免虚拟光环境参数在测量过程中的偏差，测量时关闭试验室灯光，在虚拟光环境场景中选择对准光源几何中心的视角，将光源色度计对准VR眼镜的镜片[15]，并与渲染器同步进行实时校正。研究设置了对照组试验，基于问卷量表比较现实光环境与虚拟光环境光色和亮度的一致性。

表2 现实光环境参数

表3 参数测量仪器

图3 光环境试验场景Fig.3 Light environment experiment scene

2.4 试验方案

试验征召了114名在校大学生参加了现实光环境与虚拟光环境比较，分为2组试验：试验1中，86名被试比较现实光环境与虚拟光环境的光色和亮度指标；试验2中，28名被试比较在现实光环境与虚拟光环境中光色变换时产生的愉悦度、唤醒度、视觉舒适度差异(图4)。研究团队分别在2020年10月及2020年12月的09：00—17：00进行了试验。

图4 试验流程Fig.4 Experiment process

试验1流程如图4(a)所示，组1是在虚拟现实眼镜中取得接近相同的光学参数组，组2在此基础上对由渲染引擎内置算法导致的光色偏差进行校正，使其在视觉感觉上趋近于现实空间光色组，被试可以在虚拟光环境中实现漫游，借由虚拟现实眼镜的移动可以改变视线，操控手柄移动位置。通过对被试主观问卷评价，比较参加数据效果组与视觉效果组的评价差异。试验过程如下，向被试进行研究简介，填写表格进行色盲色弱筛选，86名同学两两一组，一个被试进入室内光环境试验室，另一个被试为了避免光色干扰先在黑房间内等候。进入光环境试验室后，如图5所示，摘戴虚拟现实眼镜进行现实光环境与虚拟光环境对比试验，试验光色顺序随机，结束后填写光色对比问卷(表4)。

图5 摘戴VR眼镜进行对比Fig.5 Comparison for taking off and wearing virtual reality glasses

表4 问卷图示样例

试验2过程如图4(b)所示，在现实光环境与虚拟光环境中切换光色，比较光色变换时产生的愉悦度、唤醒度、视觉舒适度差异。过程如下，被试在现实(或虚拟)白光环境中，2.5 min后切换到其他光色(红光、蓝光或绿光)的光环境中，同时收集27名被试(除去1名无法戴VR头盔的被试)对于现实光环境与虚拟光环境中光色变换时愉悦度、唤醒度、视觉舒适度评价的问卷。这部分问卷是基于心理学领域信用使用度广的自我评估模型 (SAM) 量表[16]进行的改编，试验开始前使用SAM量表图示语言对愉悦度、唤醒度、视觉舒适度含义向被试进行解释(图6)。

图6 SAM量表Fig.6 Chart of SAM

3 结果分析

在114名被试中，有4名被试无法完全完成试验，其中1名被试无法佩戴VR头盔，3名被试是色盲色弱，因此，本节的讨论是基于110个被试(试验1有83名被试;试验2有27名被试)，通过绘制雷达图、统计图进行比较，现实光环境与虚拟光环境得分采用配对样本t检验，使用SPSS 26.0软件进行相关性分析。

3.1 虚拟光环境搭建进行光色亮度对比分析

表5中R、G、B、W分别代表红、绿、蓝、白4种光色，1代表组1数据效果组，2代表组2视觉效果组。

表5 亮度、光色对比结果

使用雷达图进行评估，在评价光环境分值情况时，雷达图的面积表示虚拟光环境对现实光环境的呈现能力，面积越大表示一致度越高(图7),更加准确清晰的表达出现实光环境与虚拟光环境之间的相关性。如图7所示，对组1和组2得分进行分析。组1光色还原度得分为0.82，亮度还原度得分为0.70，尺度感得分为0.82，清晰度得分为0.82，整体还原度得分为0.78；组2光色还原度得分为0.94，亮度还原度得分为0.94，尺度感得分为0.88，清晰度得分为0.85，整体还原度得分为0.87。说明组2的还原度结果好于组1，分析原因可能是由于光环境是基于视觉效应的研究，而虚拟现实技术本质是显示器，仅采用数据测量得出的场景结果可能与现实光环境存在偏差，因此需要对参数进行偏差校正。

图7 虚拟与现实光环境表现评分雷达图Fig.7 Radar chart of virtual and real light environment performance score

根据雷达图的结果分析还原度较好的组2，由图8可以看出，在组2中超过80%的红光被试认为虚拟光环境的光色和亮度与现实光环境基本一致。

图8 视觉效果组亮度还原度人数统计Fig.8 Statistics of the number of people in the group with consistent visual effects

由图9可以得出，超过90%的绿光、蓝光、白光被试认为虚拟光环境的光色和亮度与现实光环境基本一致。其中，利用虚拟现实技术对于绿色和蓝色光环境模拟效果最好。结果表明，在数据效果组基础上进行光色偏差校正，使其在视觉感觉上趋近于现实空间光色的视觉效果组好于数据效果组，因此虚拟技术在光色、亮度方面可以比较真实的模拟现实光环境。

图9 视觉效果组光色还原度人数统计Fig.9 Statistics of the number of people in the group with consistent visual effects

3.2 光色变换愉悦度、唤醒度、视觉舒适度分析

表6中，R、G、B、W分别代表红、绿、蓝、白4种光色，1表示现实光环境，2表示虚拟光环境。

表6 愉悦度、唤醒度、视觉舒适度问卷分析

在试验1光环境搭建完成后，分析试验2现实光环境组和虚拟光环境组的问卷，27名被试在红光、绿光、蓝光变换时的愉悦度、唤醒度、视觉舒适度评价表现相近，由表6可知，通过比较R-1和R-2，R-1中78%的被试感觉到愉悦度显著减小，唤醒度显著增加感到兴奋，82%的被试认为视觉舒适度显著减小，在R-2中这些数据分别为80%、79%、89%，得出在现实红光环境与虚拟红光环境变换中，大部分被试感觉到了愉悦度显著减小，唤醒度增加感到兴奋，视觉舒适度显著减小。比较B-1和B-2, B-1中52%的被试感觉到愉悦度显著减小，48%的被试唤醒度减小感到沉重，视觉舒适度基本一致。在B-2中这些数据分别为61%、51%、50%，得出被试在现实蓝光环境与虚拟蓝光环境变换中愉悦度减小，唤醒度增加感到沉重，视觉舒适度基本保持一致。而在现实绿光环境与虚拟绿光环境中，被试的愉悦度、视觉舒适度变化都不是很明显。主要原因可能是由于光环境在心理或者生理层面上对被试产生了影响，比如单色光能通过想象传达信息，影响人的警觉性、注意力，从而影响人的情绪状态[17]。

使用SPSS软件对在现实光环境与虚拟光环境中的得分进行相关性分析(表7)。t检验结果显示

表7 红光、蓝光、绿光环境下现实光环境与虚拟光环境的配对样本t检验

在红光、蓝光、绿光光色变换时对场景得分的sig值均大于0.050，现实光环境与虚拟光环境之间没有显著差异。总结发现，虽然使用了不同的方法进行分析，但得到的结论却是相似的，也可以得出单色光愉悦度、唤醒度、视觉舒适度在现实光环境与虚拟光环境中评价表现相近，证明现实光环境与虚拟光环境在愉悦度、唤醒度、视觉舒适度方面表现出较高的一致性，也就是说虚拟光环境在愉悦度、唤醒度、视觉舒适度评价方面与现实光环境的表现相近。

4 结论

通过探讨构建虚拟单色光环境，并使用SPSS软件，对被试在现实光环境与虚拟光环境感受量表进行相关性分析，得到结论如下：

1) 在进行虚拟光环境搭建时，探讨了构建虚拟光环境的流程包括所用到的设备、搭建路径、测量的参数等，通过对主观问卷进行分析，得出虚拟光环境在光环境光色和亮度方面可以比较真实的还原现实光环境。提出了基于数据效果一致的室内单色光环境构建方法，即在数据效果一致的基础上调整，进行光色偏差校正，并设计了光环境表现评分雷达图，从而更加直观的对光环境评分进行表达，提供了一种非视觉与视觉效应共同进行评价的方法。

2) 基于对相关性进行分析，在进行红光、绿光、蓝光单色光环境变换试验时，现实光环境与虚拟光环境没有显著差异，在愉悦度、唤醒度、视觉舒适度方面表现出较高的一致性，因此在有关情绪与光色相关的研究中，应用虚拟现实技术可能是未来一大研究方向。

3) 基于对已有的虚拟现实技术应用于光环境领域的研究，结合文献和被试问卷，探索虚拟现实技术应用于单色光环境构建，得出虚拟现实技术对绿色、蓝色现实光环境的还原度较高，对红色现实光环境还原度较低。试验结果表明，虚拟现实技术可以提供身临其境的室内单色光环境，在评价偏暖、偏冷、偏亮、偏暗等照明属性时，可以将虚拟现实技术应用于室内光环境属性评价。