基于虚拟现实技术的住宅光环境实验研究

段涵，马欣 （北方工业大学 建筑与艺术学院，北京 100144）

1 背景

研究显示，光环境对人精神健康的影响权重比热环境及空间更大。但是在现代城市人居空间中不利的室内环境因素中，声环境与热环境受到人们的广泛关注，对人类身心健康影响颇深的光环境却没有受到足够的重视。新冠疫情爆发后，人们在室内的时间更多，虽然疫情得到有效控制，会进一步平缓，但其突发的严重性应该得到重视。因此，探讨人们喜爱的住宅光环境是势在必行的。

2 实验内容及方法

2.1 实验目的

如今，人们更注重住宅的空间感、美观性，几乎没有人把光环境考虑在内，而光环境对人身心健康有重要影响，因此，研究人们既喜爱又适宜的住宅光环境极为重要。考虑到请志愿者到现场频繁换灯反复进行试验的复杂性、经济性与安全问题，需要寻求新的实验方法，由于VR技术几乎继承了传统图像技术的优势，并提供沉浸式的呈现及多维度的交互，通过VR技术对光环境进行可视化模拟，以替代真实光环境进行相关实验来解决上述问题。

2.2 选址

住宅选址为北京市房山区一个小区，此户型为经典“L”型户型，2000年左右建成的50m2～60m2户型的住宅较为普遍，具有普适性。此次试验选取户型如图1、图2所示。

图1 住宅平面图

图2 住宅模型透视图

2.3 场景模型构建

虚拟世界与现实世界的发光原理存在差异，模型中的照度，眩光等也不够精确，且模型无法完全还原选定住宅的场景，为了更好地完成实验，基于VR技术的场景模型构建，墙体、门窗等全部按照此住宅的实际尺寸建模，室内家具，色彩也尽力还原。无法还原的要选择材料、颜色、表面粗糙度相近的材质替代。为了更好地对比，模型背景分为室内白膜与实际模型2类。室内白膜：墙体为白色，其余为现状，有窗，无家具。实际模型：对调研的住宅1:1还原，色彩、材质尽量一致。

2.4 变量选择

白天自然光实验运用了2个变量，分别为时间和模型背景。为了测试每天的自然光环境是否满足条件，实验日期选择了冬至这天，时间分别为8：00；12:00；16:00。又因房间分有窗和无窗两种情况，而这两种情况对白天自然光的影响非常大，所以，有窗的房间是关门做实验，无窗的房间分开门和关门2种情况。因此，有窗的房间共6组参数，无窗的房间共12组参数。

夜晚人工照明实验运用了3个变量，分别为照度值、色温和模型背景。时间为冬至22:00，选择3种照度值（次卧：75lx、150lx和 200lx；过厅：50lx、100lx和 150lx）和 2组色温 3000k（暖）和5000k（中），因此每个房间共12组参数。

本实验选取卧室和过厅2个相连空间进行实验。其中次卧和过厅的第一个照度值为国家规定住宅的最低标准，第二个为国家规定老年住宅的最低标准，第三个按照照度分级标准在数值二上再上升一个等级。在对比实验时，应着重感受三个等级的区别，以及同一个房间不同行为的区别。

2.5 实验流程

①为志愿者介绍本实验的流程、详细讲解在空间的每个点位要着重体验的主要行为感受，解释评价表中喜好、亮度、光色和眩光的意义与区别，说明VR场景中的注意事项，避免发生眩晕或感到其他不适。②根据表格调整光环境参数。③帮志愿者戴上VR头盔，让其自己操控设备，逐步了解及适应所有的虚拟场景。④测评空间内各个角落的光环境，要注意每个房间特定的功能，在指定功能下感受舒适度、喜好程度等，同时感受是否产生眩光。⑤及时填写主观评分表以表达最真实的感受。⑥重复步骤2～5，直到完成实验。

2.6 实验数据分析

选取了10名青年志愿者，分为男女两类，对次卧和过厅不同参数的光环境进行主观评价，从喜好、亮度、光色和眩光四个方面进行研究，人工照明男女两类图表数据分别为5人平均数。由于自然光没有最优解，因此选取得分最高参数进行分析。

2.6.1 次卧自然光模拟

次卧白天自然光模拟结果：其他行为和阅读得分最高的参数是中午12点+现状背景（如图3所示）。虽然此时光环境基本满足所需，但仍有几项评分不高，若需要更亮的条件，可以增加台灯。虽然中午12点是其他行为和阅读得分最高的参数，但这个时间对于休憩这一行为影响较大，评价较低。休憩得分最高的参数是早上8点+现状背景（如图4所示）。

图3 中午12点+现状背景评分表

图4 早上8点+现状背景评分表

2.6.2 过厅自然光模拟

图5 中午12点+开门+现状背景评分表

图6 早上8点+关门+现状背景评分表

过厅白天自然光模拟结果：其他行为和梳妆得分最高的参数是中午12点+开门+现状背景。可以发现，在此条件下，各项评分依然不高，其他行为得分基本过关，梳妆的光环境得分较低，需要通过人工照明进行辅助。过厅关门3个时间段得分基本相同，因此选取相同的时间中午12点+关门+现状背景，梳妆与其他行为得分都很低，需要开灯进行补光。

2.6.3 次卧人工照明模拟

国家规定卧室标准照度是75lx，但在卧室这个空间内，会产生“阅读”这类对照度需求高的行为，房间只有一盏主灯，如何平衡这两类行为的需求与喜好，同样是需要探讨的问题。

图7 次卧光环境喜好主观评分表（女）

图8 次卧光环境喜好主观评分表（男）

图9 次卧光环境亮度主观评分表（女）

图10 次卧光环境亮度主观评分表（男）

从志愿者对次卧光环境喜好程度的主观评分来看，在进行阅读这项活动时，更喜欢200lx的高照度，色温3000k和5000k区别不大，在仅有75lx的时候，大家都对此非常不满意，且从75lx当上升到150lx和200lx时，喜好变化趋势非常大。75lx与150lx和200lx的喜好评分相差较大，但是150lx和200lx满意度却相差不大。证明人在阅读时对照度的要求非常高，有一点昏暗都会感到不适，当照度基本满足时，喜好度虽有微弱的变化，但在这个范围内都可以接受。

次卧的其他行为模式对光环境的要求没有阅读这么高。尤其是在白膜条件下的测评，两类色温，三种照度的区别不大。但相比之下，3000k的暖色光得分较高。在现状模型的条件下，不同参数对比更加明显，但相比起还是更喜欢3000k的暖色光，且75lx和150lx足以满足人们需求，甚至75lx更受人们喜爱。

从亮度主观评分数据来看，在进行阅读这项活动时，5000k+200lx和3000k+150lx的组合是评价较高的光环境。进行其他行为模式时5000k+150lx的组合是较好的光环境，且当背景为白色时，人们对亮度的感知受色温照度的影响不大。

图11 次卧光环境光色主观评分表（女）

图12 次卧光环境光色主观评分表（男）

图13 次卧光环境眩光主观评分表（女）

图14 次卧光环境眩光主观评分表（男）

图15 过厅光环境喜好主观评分表（女）

图16 过厅光环境喜好主观评分表（男）

在2种背景下，阅读与其他行为模式的情况不同。背景对阅读的影响不大，但进行其他行为模式时，现状模型要比白模评分高。推测为：当人们进行阅读，集中注意力时，背景对人的影响较小。白色背景和现状背景对于阅读的变化趋势基本相同，但是进行其他行为模式时，温馨的背景对亮度的评价会更高。

从光色主观评分柱状图来看，在进行其他行为模式时，最喜欢5000k+150lx光环境，同时发现，当照度为200lx时，3000k比5000k更受欢迎。阅读综合2种背景情况，3000k的光色更令人满意，75lx的照度达不到标准，要选择150lx或200lx的照度。

图17 过厅光环境亮度主观评分表（女）

图18 过厅光环境亮度主观评分表（男）

图19 过厅光环境光色主观评分表（女）

从眩光得分来看，基本都是高分，也就是说基本不会产生眩光。进行其他行为模式时，在白色背景下，200lx得分较低。可能是因为白色背景加上无家具的空旷室内，高照度会使人产生眩光，在现状模型中，这些色温与照度都基本令人满意。

2.6.4 过厅人工照明模拟

从过厅光环境喜好主观评分柱状图来看，人们喜欢150lx的照度。3000k和5000k评分相近。在进行其他行为模式时，背景与色温影响不大，最喜欢100lx的照度。

对于过厅光环境亮度的评分跟喜好的主观评分基本相似。无论是3000K还是5000k的色温，都是喜欢150lx的照度。在进行其他行为模式时，只有白色背景下的3000k+50lx的光环境评分稍低，其余基本相同。

同样的，光色的主观评分变化趋势与喜好和亮度的趋势几乎一样。在梳妆的时候，150lx最优，50lx的照度相对较低，满足不了人们的需求。在进行其他行为模式时，这些条件影响不大，但相比之下，100lx最优。

图20 过厅光环境光色主观评分表（男）

图21 过厅光环境眩光主观评分表（女）

图22 过厅光环境眩光主观评分表（男）

过厅的眩光评分与次卧的表现不同，几乎都是5分的最高分。只有在150lx的照度时偶尔会感到轻微的眩光，且白色背景比现状背景更容易产生眩光。

2.7 实验结论

一个空间会有不同功能，所需光环境不同，可用变频灯、局部射灯、台灯满足要求。

在白天，没有窗的过厅需要开门借助有窗空间的自然光，或利用人工照明进行补光。有窗的次卧光环境基本满足需求。

在晚上，次卧其他行为受色温、照度的影响较小，现状背景评分较高，综合比较最优解为3000k+150lx的光环境；阅读受背景的影响较小，5000k+200lx评分较高。

过厅进行梳妆时，5000k+150lx的参数更受喜爱，其他行为受光环境的影响不大，推测人们的视线在小型过渡空间的落点不多，从一个主要空间出来后视线基本会集中到另一个主要空间，对过厅的光环境感受不深。因此，更应该关注与过厅相连的空间，两者过渡时光环境差异不应过大，不会让眼睛感到不适即可。

综合看来，当人们进行阅读、梳妆这类需要着重用眼的行为时，更喜欢5000k，高照度；在进行日常其他行为时，3000k的色温和略低的照度足以满足需求。

3 总结与展望

为了保护身心健康，对光环境的要求应更加严格，又因疫情严重，导致在室内的时间更多。白天接收自然光对身心都是有益的，因此要在自然光线满足的同时结合人工设计照明来辅助和完善，保证缺乏自然光时的照明，同时也应设计好夜晚时的人工照明，减少对人类眼球和其他身体机能的不利影响。本文借助VR技术，参考国内外相关研究成果，设计了住宅光环境的实验，以2个普适性较大的空间为例，在志愿者的帮助下完成了实验，得出了人们既喜爱又感到舒适的光环境。

通过数据可以发现，3000k与5000k的色温模型里差距比较明显，人眼也很容易感知到其变化，不同照度在VR实验里也很容易被人们感受其中的变化，虽然10位志愿者对某几个参数的评价不太一样，男女两类的评价也有一些分歧，但志愿者对每组参数评价的变化趋势基本相同，所以，人的主观感受在VR模型中是可模拟且相对真实的，借助VR技术研究住宅光环境的实验可行性较高。实验没有完全探究到人们最喜爱的光环境，参数选择需进一步改善，白天可增加开灯和拉上窗帘+开灯的变量，进行多项对比。晚上需着重评价得分相似的照度并增加更高照度进一步比对，进行深入研究，得出最佳住宅光环境。