賈世楨，王愛(ài)英

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，北京 100193；2.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072)

引言

隨著我國(guó)對(duì)教育和科研領(lǐng)域的不斷投入，高校多媒體教室和教室內(nèi)多媒體設(shè)施的普及程度不斷提高。然而，多媒體設(shè)備的使用通常會(huì)改變教室室內(nèi)光環(huán)境，又由于我國(guó)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求中[1-3]，未對(duì)多媒體教室中的光環(huán)境做出細(xì)致要求，且早期的規(guī)范要求也滯后于多媒體教室的發(fā)展和學(xué)生健康的需求，暴露出很多與此相關(guān)的學(xué)生身心健康問(wèn)題。

目前對(duì)多媒體教室的光環(huán)境的研究主要有兩大類：一類是從視覺(jué)方面出發(fā)進(jìn)行研究[4-6]。李振霞等[7]對(duì)天津某高校多媒體教室的光環(huán)境進(jìn)行了實(shí)測(cè)調(diào)查，討論了在多媒體教室多媒體設(shè)備使用時(shí)，屏幕亮度、環(huán)境亮度與桌面照度之間的相互影響，并指出多媒體教室決定投影屏幕清晰度的主要原因是室內(nèi)環(huán)境亮度。劉琳等[8]將多目標(biāo)優(yōu)化理論與教室照明相結(jié)合，從照度等多種影響教室光環(huán)境的參數(shù)方面對(duì)教室光環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)教室光源分布提出了優(yōu)化措施。楊彪等[9]將層次分析法進(jìn)行改進(jìn)后，結(jié)合Delphi法確定教室內(nèi)各光環(huán)境指標(biāo)的分配比例，并建立了教室光環(huán)境綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和中小學(xué)教室光環(huán)境模糊綜合評(píng)價(jià)模型。游杰等[10]探討了多媒體教室光環(huán)境評(píng)價(jià)模型，建立了光源、桌面照明質(zhì)量、黑板照明質(zhì)量和投影性能等18項(xiàng)指標(biāo)，但對(duì)于自然光、講臺(tái)、投影幕布亮度與環(huán)境亮度比值、圍合材料反射增量等未涉及。林丹丹[11]通過(guò)對(duì)學(xué)生的主觀評(píng)價(jià)、視覺(jué)工效的效果分析和醫(yī)學(xué)儀器檢測(cè)的方法檢測(cè)被試的視疲勞，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)，編制了與學(xué)生學(xué)習(xí)的照明作業(yè)環(huán)境相對(duì)應(yīng)的光環(huán)境參數(shù)范圍。

第二類是從非視覺(jué)方面(主要是光生物效應(yīng))的角度進(jìn)行研究并得到應(yīng)用[12]。重慶大學(xué)嚴(yán)永紅教授對(duì)光生物效應(yīng)對(duì)教室健康照明的影響進(jìn)行了研究[13]，采用平行組實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行了心理評(píng)價(jià)測(cè)試。證明出光照強(qiáng)度差異與學(xué)生腦波節(jié)律、視覺(jué)疲勞和學(xué)習(xí)效率之間有相互聯(lián)系。并從腦波節(jié)律的角度研究了色溫和照度對(duì)人體產(chǎn)生的光生物效應(yīng)，建立了光譜/光強(qiáng)度—心理物理量—生理節(jié)律—學(xué)習(xí)效率的綜合模型。黃海靜等[14]研究了光生物效應(yīng)下，不同光源色溫和不同照度條件對(duì)學(xué)生視覺(jué)工效、心理/生理健康和學(xué)習(xí)效率的影響。梁樹英等[15]從光譜、光照強(qiáng)度、時(shí)間和周期等方面對(duì)大學(xué)生季節(jié)性抑郁情緒和光照治療進(jìn)行了研究，研究表明，健康照明除了要滿足個(gè)人光環(huán)境需求外還應(yīng)該注意對(duì)社會(huì)節(jié)能環(huán)保方面的因素進(jìn)行考慮。

有關(guān)視覺(jué)適宜性的評(píng)價(jià)國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從視覺(jué)清晰度和視覺(jué)舒適度兩方面出發(fā)進(jìn)行探索，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)與教室光環(huán)境的研究方向和結(jié)論有很多，但仍存在不足之處：以評(píng)價(jià)主體接收到的亮度作為主要評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)多媒體教室光環(huán)境進(jìn)行研究較少。并缺乏同時(shí)對(duì)于學(xué)生本體視覺(jué)清晰度和視覺(jué)舒適度主觀評(píng)價(jià)結(jié)合客觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主觀感受定量化的研究。

本文從高校學(xué)生對(duì)多媒體教室光環(huán)境的主觀使用感受出發(fā)，運(yùn)用高動(dòng)態(tài)圖像(HDRI)技術(shù)并以亮度作為評(píng)價(jià)教室光環(huán)境質(zhì)量的主要參數(shù)。對(duì)多媒體教室光環(huán)境對(duì)學(xué)生視覺(jué)清晰度和視覺(jué)舒適度的影響進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集，然后進(jìn)行定量化分析研究。結(jié)合心理物理學(xué)閾限的操作定義，通過(guò)回歸分析得到符合多媒體教室光環(huán)境中的視覺(jué)清晰度和舒適度與亮度對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，并計(jì)算出閾值和極值點(diǎn)數(shù)據(jù)。最終獲得了可以用于確定多媒體教室光環(huán)境的亮度范圍與視覺(jué)清晰度和視覺(jué)舒適度的閾值和影響趨勢(shì)，探討多媒體教室視覺(jué)清晰度和舒適度與環(huán)境亮度關(guān)系可為日后多媒體教室光環(huán)境設(shè)計(jì)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選取

以往專家學(xué)者對(duì)多媒體教室光環(huán)境的分析和研究多是以桌面、黑板等教學(xué)工作面照度，甚至眼部位置的表面照度作為衡量多媒體教室光環(huán)境的物理參數(shù)，很少以亮度作為衡量光環(huán)境的物理參數(shù)。由于亮度本身就是人對(duì)光的強(qiáng)度的感受，是一個(gè)更能直接反應(yīng)人的主觀感受的量。國(guó)家相關(guān)規(guī)范僅對(duì)建筑室內(nèi)光環(huán)境中的照度做出了相關(guān)規(guī)定，但并未對(duì)環(huán)境亮度及多媒體設(shè)施使用改變的教室室內(nèi)光環(huán)境提出指導(dǎo)性建議。過(guò)去研究時(shí)，通常未使用亮度信息作為主要參考參數(shù)，其最為主要的原因是亮度信息的收集和提取是一個(gè)相對(duì)其他物理參數(shù)困難的方式，但目前測(cè)量技術(shù)和科學(xué)方法的進(jìn)步，已經(jīng)可以通過(guò)亮度參數(shù)的直接提取來(lái)反映建筑室內(nèi)場(chǎng)所的光環(huán)境。

因此，本次實(shí)驗(yàn)以亮度參數(shù)為參考依據(jù)，根據(jù)相關(guān)各點(diǎn)亮度信息如亮度最高值、亮度最低值、場(chǎng)所平均亮度、相關(guān)點(diǎn)的亮度作為主要參考參數(shù)。

1.2 亮度參數(shù)的提取方法

本文采用浮點(diǎn)值存儲(chǔ)的高動(dòng)態(tài)范圍圖像(簡(jiǎn)稱 HDRI，即 High-Dynamic Range image)技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)亮度參數(shù)提取的方法。本次實(shí)驗(yàn)采用佳能5D Mark II，全畫幅CMOS感光元件數(shù)碼單反，配合50 mm標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，提取普通視野范圍內(nèi)亮度參數(shù)信息。首先對(duì)相同光環(huán)境場(chǎng)景下的測(cè)試目標(biāo)進(jìn)行分時(shí)、多次曝光拍攝，獲得曝光度不同的低動(dòng)態(tài)數(shù)字圖像。然后利用專業(yè)的圖像合成軟件Photomatix 5.1及Photoshop cs6，將不同曝光程度的低動(dòng)態(tài)范圍圖像合成高動(dòng)態(tài)范圍圖像。合成高動(dòng)態(tài)范圍圖像后，通過(guò)天津大學(xué)自主研發(fā)的軟件HDR viewer v1.4[16，17]將圖像中的亮度和亮度對(duì)比信息從畫面中精確地提取出來(lái)。

1.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和人員的選取

本次實(shí)驗(yàn)研究前期調(diào)研和資料收集顯示，多媒體教室典型的建筑平面選型多為矩形，采用幕布投影多媒體設(shè)備，單向側(cè)窗采光或另一側(cè)高側(cè)窗采光。因此，本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試選取具備上述典型性的天津大學(xué)具有符合上述特征同時(shí)具有可主動(dòng)控制天然采光和人工照明調(diào)節(jié)光環(huán)境設(shè)施的建筑館A100“建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)室”教室作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。隨機(jī)挑選了天津大學(xué)年齡范圍均在21～28歲之間31人，在校學(xué)生男女各半，且排除嚴(yán)重影響視力和判斷的因素如色盲、色弱等，確保參與測(cè)試的每名被測(cè)試者色彩和視覺(jué)正常。

測(cè)試點(diǎn)的選取根據(jù)《照明測(cè)量方法》(GB/T 5700—2008)，同時(shí)根據(jù)教室實(shí)際使用空間和視覺(jué)識(shí)別材料及國(guó)際視力評(píng)測(cè)表要求的評(píng)測(cè)方法，及多媒體教室座位實(shí)際使用位置排布。同時(shí)，結(jié)合投影屏幕的尺寸位置關(guān)系，分別選取了距離投影屏幕水平距離為3 m、5 m和7 m的三組九個(gè)不同測(cè)試點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距離地面垂直高度為1.2 m(照明測(cè)量方法中的規(guī)定坐高)。教室細(xì)節(jié)與測(cè)點(diǎn)布置如圖1和圖2所示。

圖1 教室剖面細(xì)節(jié)與測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Classroom section details and measuring point layout

圖2 教室平面細(xì)節(jié)與垂直方向測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of classroom plane details and measuring points in vertical direction

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)方法

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)被測(cè)者視覺(jué)清晰程度和視覺(jué)疲勞程度進(jìn)行的測(cè)量，基本上都是測(cè)量與視覺(jué)清晰度和視覺(jué)疲勞度有關(guān)的指標(biāo)，從而間接地對(duì)視覺(jué)清晰度有關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行量化分析。針對(duì)本研究的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和被測(cè)試人員的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以下兩種方法：

1)視覺(jué)清晰度和視覺(jué)舒適度主觀評(píng)價(jià)及反饋評(píng)價(jià)，使用李克特量表下的語(yǔ)義差別量表基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的調(diào)查問(wèn)卷。利用適當(dāng)?shù)囊曈X(jué)主觀評(píng)定方式，將疲勞特征例如困倦，眼部不舒適等描述出來(lái)。針對(duì)不同評(píng)定方式分別設(shè)計(jì)了調(diào)查甄別問(wèn)卷、主觀評(píng)價(jià)問(wèn)卷和回訪問(wèn)卷。

2)視覺(jué)工效的測(cè)定。設(shè)計(jì)根據(jù)其完成作業(yè)的數(shù)量和出錯(cuò)率斷視覺(jué)疲勞狀態(tài)的作業(yè)材料，選擇數(shù)字識(shí)別表、圖形辨識(shí)(蘭道環(huán))等多種作業(yè)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[11,18,19]。

2.2 視覺(jué)識(shí)別對(duì)象

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試采取了多種光氣候條件下教室的光環(huán)境，從黑夜到全陰天，再到晴天無(wú)云時(shí)的室內(nèi)光環(huán)境亮度范圍，因此能從較大的范圍程度反應(yīng)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)自然采光及教室遮光窗簾的遮擋情況，并結(jié)合照明燈具的開(kāi)啟與否，輔助調(diào)節(jié)室內(nèi)光環(huán)境，對(duì)于投影儀的屏幕亮度不做調(diào)整。

①視力測(cè)試表②文字③有豐富顏色和細(xì)節(jié)的圖片④用計(jì)算機(jī)課件制作軟件power point制作具有多種顏色和大小不一數(shù)字的文本文件，方便被測(cè)試者判斷各情景下的視覺(jué)清晰度，也可避免因色相等因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。并采用拉丁方設(shè)計(jì)和循環(huán)法來(lái)抵消參與評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生參與順序、投影播放順序和學(xué)生自身因素等帶來(lái)的結(jié)果誤差。

3 研究過(guò)程

3.1 預(yù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題調(diào)整具體實(shí)驗(yàn)措施并提升實(shí)驗(yàn)方案，并通過(guò)小批次的預(yù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)確定最后實(shí)驗(yàn)流程。每組實(shí)驗(yàn)設(shè)定在指定的時(shí)間和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中進(jìn)行，選取了氣候情況為全陰天和晴天兩種天氣下，分別都做預(yù)實(shí)驗(yàn)中的每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。選取了8:00—12:00、13:30—18:30和19:00—21:00三個(gè)學(xué)生日常使用多媒體教室較為頻繁的時(shí)間段，進(jìn)行多時(shí)間段實(shí)驗(yàn)。預(yù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)屬于小樣本實(shí)驗(yàn)，考慮到本次預(yù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置不同，根據(jù)每部分內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)變化和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容變化，將實(shí)驗(yàn)分為3部分。根據(jù)拉丁方設(shè)計(jì)的要求，選擇6人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)每名參與者進(jìn)行了視覺(jué)測(cè)試，以確保參與測(cè)試的每名參與實(shí)驗(yàn)者視覺(jué)都正常。

3.2 大批次評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)預(yù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)篩除掉了較為極端的影響參數(shù)值，余下的參數(shù)量均有明顯差別，且參數(shù)范圍變小，亮度差值間距合適，進(jìn)而再對(duì)預(yù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)數(shù)據(jù)篩選結(jié)果進(jìn)行再次篩選和優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。再通過(guò)大樣本容量的主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，獲得大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算獲得視覺(jué)清晰度和視覺(jué)舒適度及亮度對(duì)比的變化規(guī)律和閾值。

按照大批次主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的方式，共計(jì)獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1116項(xiàng)。視覺(jué)評(píng)價(jià)作業(yè)材料558份，評(píng)價(jià)問(wèn)卷及反饋問(wèn)卷及訪談問(wèn)卷共1116份。將視覺(jué)清晰度和視覺(jué)舒適度按照預(yù)實(shí)驗(yàn)的評(píng)分方式整理得分平均分，不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下平均分統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 大批次主觀實(shí)驗(yàn)視覺(jué)清晰度與視覺(jué)舒適度平均分統(tǒng)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)分別對(duì)預(yù)實(shí)驗(yàn)和大批次評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)均進(jìn)行了如下分析：

1)信度分析

本文信度分析采用克朗巴哈系數(shù)(Cronbach)的內(nèi)在信度分析，通過(guò)使用計(jì)算機(jī)SPSS軟件對(duì)各個(gè)評(píng)估項(xiàng)目基本描述統(tǒng)計(jì)、計(jì)算得到預(yù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)視覺(jué)舒適度和視覺(jué)清晰度的信度系數(shù)為，0.828和0.882，說(shuō)明內(nèi)部一致性較好。在大批次主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中的信度系數(shù)分別為0.805、0.811、0.832、0.795、0.821和0.756，均接近0.8及以上，說(shuō)明一致性較高。

2)相關(guān)性分析

本次預(yù)實(shí)驗(yàn)相關(guān)性分析，由SPSS分析結(jié)果可知，隨著視野范圍內(nèi)亮度的改變，視覺(jué)清晰度和視覺(jué)舒適度的平均分的Pearson相關(guān)性均程規(guī)律性變化，且絕對(duì)值均在0.8之上。當(dāng)二者亮度數(shù)值分別處于二者最高點(diǎn)即500 cd/m2和400 cd/m2之前均呈現(xiàn)很強(qiáng)的正相關(guān)，相關(guān)性分別為0.826和0.912，在其最高點(diǎn)后均呈現(xiàn)很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，相關(guān)性的絕對(duì)值分別為0.964和0.985。

得到大批次主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)性數(shù)據(jù)其中：①視覺(jué)清晰度，當(dāng)亮度值在500 cd/m2時(shí)達(dá)到評(píng)價(jià)數(shù)值最高點(diǎn)，而在其前后數(shù)值均降低，分析結(jié)果呈現(xiàn)顯著相關(guān)，相關(guān)性數(shù)值的絕對(duì)值為0.92；②視覺(jué)舒適度，當(dāng)亮度值在400 cd/m2時(shí)達(dá)到評(píng)價(jià)數(shù)值最高點(diǎn)，而在其前后數(shù)值均降低，分析結(jié)果顯著相關(guān)，相關(guān)性數(shù)值的絕對(duì)值為0.865。

同時(shí)，亮度對(duì)比的改變量與視覺(jué)清晰度和視覺(jué)舒適度的平均分的Pearson相關(guān)性也均程規(guī)律性變化，且絕對(duì)值均在0.7之上。當(dāng)亮度對(duì)比在接近10∶1時(shí)，視覺(jué)清晰度最高，且視覺(jué)清晰度隨對(duì)比度數(shù)值變化，往兩側(cè)依次遞減；當(dāng)亮度對(duì)比在接近5∶1時(shí)，視覺(jué)舒適度最高，同樣視覺(jué)舒適度隨其兩側(cè)數(shù)值依次遞減。

4 研究結(jié)果及分析

4.1 閾值計(jì)算

本實(shí)驗(yàn)的得出閾值的目的主要包括兩個(gè)方面：一是找到多媒體教室環(huán)境亮度變化與視覺(jué)清晰度和視覺(jué)舒適度主觀感受的變化趨勢(shì)。二是找出引起學(xué)生視覺(jué)主觀感受的變量值。根據(jù)心理物理學(xué)中用于表示心理量與物理量之間數(shù)量關(guān)系的韋伯-費(fèi)希納定律顯示，人的身體與心理之間、刺激與感覺(jué)之間有相互依存的關(guān)系，且這種關(guān)系可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)用數(shù)學(xué)公式加以表示。故本研究使用心理物理學(xué)中的“感覺(jué)閾限”中的“絕對(duì)閾值”(absolute threshold)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理[20]，并利用百分比最接近50%的判斷次數(shù)的兩個(gè)參數(shù)值根據(jù)數(shù)學(xué)上的等比關(guān)系，使用直線內(nèi)插法(linear interpolation)進(jìn)行計(jì)算[21]。

以視覺(jué)舒適度為例(同理可用于視覺(jué)清晰度)，本文擬定主觀評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)大于等于4時(shí)求得的50%閾限值，為多媒體教室光環(huán)境亮度參數(shù)視覺(jué)舒適度較高標(biāo)準(zhǔn)值；而主觀評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)≤2時(shí)，求得的50%閾限值為開(kāi)始引起視覺(jué)不舒適的值。

大批次主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)≥4時(shí)求得的50%閾限值的計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 大批次主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)≥4時(shí)求得的50%閾限值統(tǒng)計(jì)表

視覺(jué)清晰度亮度變化數(shù)據(jù)閾限值計(jì)算如下：

采用直線內(nèi)插法求絕對(duì)閾限值，將50%比例數(shù)的刺激數(shù)值對(duì)應(yīng)的絕對(duì)閾限設(shè)定為X：

同理可求出分?jǐn)?shù)≤2時(shí)求得的50%視覺(jué)清晰度閾限值：

由上述直線內(nèi)插法求絕對(duì)閾限值的計(jì)算結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)≥4時(shí)求得的50%亮度閾限值分別是370.83 cd/m2和575.65 cd/m2；分?jǐn)?shù)≤2時(shí)求得的50%視覺(jué)清晰度閾限值分別是296.44 cd/m2和651.01 cd/m2。

視覺(jué)舒適度亮度變化數(shù)據(jù)閾限值計(jì)算原理同上，結(jié)果為實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)≥4時(shí)求得的50%亮度閾限值分別是290.8 cd/m2和558.47 cd/m2；分?jǐn)?shù)≤2時(shí)求得的50%視覺(jué)清晰度閾限值分別是722.42 cd/m2。在此需說(shuō)明的是由于本次實(shí)驗(yàn)亮度參數(shù)范圍具有局限性，分?jǐn)?shù)≤2時(shí)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，尚未表現(xiàn)出兩個(gè)閾值。根據(jù)閾值的定義和上述計(jì)算結(jié)果規(guī)律可分析出：

1)視覺(jué)清晰度。當(dāng)實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)≥4時(shí)求得的50%亮度閾限值分別是370.83 cd/m2和575.65 cd/m2，即當(dāng)亮度范圍在370.83 cd/m2≤X≤575.65 cd/m2時(shí)具有較好的視覺(jué)清晰度；而分?jǐn)?shù)≤2時(shí)求得的50%視覺(jué)清晰度閾限值為296.44 cd/m2和651.01 cd/m2，即當(dāng)亮度范圍在X≤296.44 cd/m2和X≥651.01 cd/m2時(shí)，視覺(jué)清晰度較差，如圖3所示。

圖3 視覺(jué)清晰度與亮度變化趨勢(shì)圖Fig.3 Variation trend of visual clarity and brightness

2)視覺(jué)舒適度。當(dāng)亮度范圍在290.8 cd/m2≤X≤558.47 cd/m2時(shí)具有較好的視覺(jué)舒適度；當(dāng)亮度范圍在722.42 cd/m2≤X時(shí)，視覺(jué)清晰度較差，如圖4所示。

3)區(qū)間重合部分。從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析出閾值區(qū)間重合部分，即視覺(jué)清晰度和視覺(jué)舒適度較好和較差的區(qū)間。視覺(jué)清晰度和視覺(jué)舒適度實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)≥4時(shí)求得的50%亮度閾限值重合時(shí)，即當(dāng)亮度范圍在370.83 cd/m2≤X≤558.47 cd/m2時(shí)，同時(shí)具有較好的視覺(jué)清晰度和較好的視覺(jué)舒適度。實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)≤2時(shí)求得的50%視覺(jué)清晰度閾限值，即當(dāng)722.42 cd/m2≤X時(shí)，此教室光環(huán)境同時(shí)具有較差的視覺(jué)清晰度和較差的視覺(jué)舒適度，如圖4所示。同時(shí)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)亮度對(duì)比度在接近10∶1時(shí)即當(dāng)亮度范圍處于300 cd/m2≤X≤500 cd/m2時(shí)，視覺(jué)清晰度最高，且視覺(jué)清晰度隨對(duì)比度數(shù)值變化，往兩側(cè)依次遞減；當(dāng)亮度對(duì)比度在接近5:1時(shí)即亮度接近400 cd/m2時(shí)，視覺(jué)舒適度最高，同樣視覺(jué)舒適度隨其兩側(cè)數(shù)值依次遞減，如圖5所示。

圖4 視覺(jué)舒適度與亮度變化趨勢(shì)圖Fig.4 Variation Trend of visual comfort and brightness

圖5 亮度與視覺(jué)清晰度和視覺(jué)舒適度關(guān)系圖Fig.5 Relationship between brightness, visual clarity and visual comfort

4.2 回歸分析

首先，初步判斷曲線類型。初步觀測(cè)自變量與因變量之間的關(guān)系，判定因變量與自變量的散點(diǎn)比較接近于一條曲線，因此可繼續(xù)做回歸分析。

然后，執(zhí)行曲線回歸分析。在完成了曲線回歸分析的計(jì)算機(jī)處理后，根據(jù)計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果，同時(shí)參考判定系數(shù)R2值，選擇最恰當(dāng)?shù)那€回歸類型。最后根據(jù)擬合的曲線回歸類型和各系數(shù)值，得出函數(shù)式。

根據(jù)散點(diǎn)圖的變化趨勢(shì)，初步判斷曲線的形式，選擇二次函數(shù)和三次函數(shù)進(jìn)行擬合。根據(jù)自變量和因變量的定義，確定多媒體教室亮度數(shù)值為自變量，視覺(jué)清晰度或視覺(jué)舒適度評(píng)價(jià)評(píng)分為因變量。如圖6和圖7所示。

圖6 視覺(jué)清晰度二次和三次函數(shù)曲線方程的擬合圖Fig.6 Fitting diagram of quadratic and cubic function curve equation of visual clarity

圖7 視覺(jué)舒適度二次和三次函數(shù)曲線方程的擬合圖Fig.7 Fitting diagram of quadratic and cubic function curve equation of visual comfort

最后，擬合曲線方程。根據(jù)視覺(jué)清晰度與亮度實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，從SPSS軟件模型和參數(shù)評(píng)估的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，二次曲線模型和三次曲線模型的決定系數(shù)R2值分別為0.788和0.962，說(shuō)明兩個(gè)回歸模型的質(zhì)量和模型擬合效果比較良好。

擬合的視覺(jué)清晰度與亮度的二次函數(shù)方程為：

y=-2.566×10-5x2+0.026x-2.546

擬合的視覺(jué)清晰度與亮度的三次函數(shù)方程為：

y=1.121×10-7x3+0.122x-18.087

根據(jù)實(shí)際情況并回顧實(shí)驗(yàn)情況和實(shí)驗(yàn)數(shù)值走勢(shì)趨勢(shì)，在亮度達(dá)到800 cd/m2后應(yīng)該隨著亮度的增加，視覺(jué)清晰度的趨勢(shì)為減少，故結(jié)合上圖及函數(shù)式排除三次函數(shù)。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)范圍界定，自變量和因變量均有實(shí)際范圍區(qū)域，理論上y∈[1，5]。在此區(qū)域內(nèi)，若按照二次函數(shù)方程可以計(jì)算出達(dá)到視覺(jué)清晰度最高點(diǎn)的亮度值約為506.25 cd/m2。

同理，根據(jù)視覺(jué)舒適度與亮度實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，二次曲線模型和三次曲線模型的決定系數(shù)R2值分別為0.771和0.979，說(shuō)明兩個(gè)回歸模型的質(zhì)量和模型擬合效果比較良好。

擬合的視覺(jué)舒適度與亮度的二次函數(shù)方程為：

y=-1.42×10-5x2+0.012x+1.675

擬合的視覺(jué)清晰度與亮度的三次函數(shù)方程為：

y=1.205×10-7x3+0.115x-15.022

根據(jù)實(shí)際情況并回顧實(shí)驗(yàn)情況和實(shí)驗(yàn)數(shù)值走勢(shì)趨勢(shì)，在亮度達(dá)到800 cd/m2后應(yīng)該隨著亮度的增加，視覺(jué)清晰度的趨勢(shì)為減少，故結(jié)合上圖及函數(shù)式排除三次函數(shù)。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)范圍界定，自變量和因變量均有實(shí)際范圍區(qū)域，理論上y∈[1，5]。在此區(qū)域內(nèi)，若按照二次函數(shù)方程可以計(jì)算出達(dá)到視覺(jué)舒適度最高點(diǎn)的亮度值約為422.54 cd/m2。

5 結(jié)論

1)本文以亮度作為主要參數(shù)對(duì)多媒體教室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將學(xué)生的主觀感受評(píng)價(jià)定量化研究，并通過(guò)曲線回歸方式，得到了亮度和亮度對(duì)比與學(xué)生視覺(jué)清晰度和視覺(jué)舒適度的回歸方程、閾值和變化趨勢(shì)。當(dāng)亮度范圍在370.83 cd/m2≤X≤558.47 cd/m2時(shí)，教室光環(huán)境同時(shí)具有較差的視覺(jué)清晰度和較好的視覺(jué)舒適度。當(dāng)X≥722.42 cd/m2時(shí)，此教室光環(huán)境同時(shí)具有較差的視覺(jué)清晰度和較差的視覺(jué)舒適度。將視覺(jué)清晰度與亮度數(shù)值所對(duì)應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行曲線回歸得到二次函數(shù)方程為y=-2.566×10-5x2+0.026x-2.546，并計(jì)算出達(dá)到視覺(jué)清晰度最高時(shí)的亮度值為506.25 cd/m2。將視覺(jué)舒適度與亮度變化所對(duì)應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行曲線回歸得到二次函數(shù)方程為：y=-1.42×10-5x2+0.012x+1.675，達(dá)到視覺(jué)舒適度最高點(diǎn)的亮度值為422.54 cd/m2。

2)本文提出了利用高動(dòng)態(tài)范圍圖像提取多媒體教室光環(huán)境的方法，為測(cè)量光環(huán)境提出新的方法和思路。但目前采用的是多次曝光法獲取高動(dòng)態(tài)范圍圖像，在測(cè)點(diǎn)停留的時(shí)間稍長(zhǎng)，且對(duì)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的信息獲取效果不佳。希望以后的研究可以改進(jìn)獲取高動(dòng)態(tài)范圍圖像的方法，或開(kāi)發(fā)出更能直觀有效的提取更接近人眼視覺(jué)亮度的方法。

3)考慮健康照明和節(jié)能環(huán)保的因素，在多媒體教室的光環(huán)境的處理與選擇中，應(yīng)該充分考慮利用自然采光，采用可調(diào)節(jié)自然光透過(guò)率的窗簾等方式，使進(jìn)入教室的自然光的強(qiáng)度和方向隨需求調(diào)節(jié)，并將這些調(diào)節(jié)方式與光感裝置結(jié)合，自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)進(jìn)光量和照明光量。

4)本研究采用的白塑幕布屬于反射光源類型屏幕，并使用靜止的視覺(jué)識(shí)別對(duì)象，而實(shí)際教學(xué)使用環(huán)境中，還存在具有自發(fā)光且播放不同動(dòng)態(tài)播放頻率的多媒體教學(xué)工具，如液晶顯示屏、電子白板等。這些設(shè)備的具體影響程度和影響規(guī)律還需要進(jìn)一步研究。