■陳 璐,張雪青 Chen Lu &Zhang Xueqing
(1.上海工程技術(shù)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,上海 201620;2.同濟(jì)大學(xué)創(chuàng)意學(xué)院,上海 200092)
人口老齡化是現(xiàn)階段世界人口年齡結(jié)構(gòu)變化最重要的趨勢。根據(jù)聯(lián)合國2019年公布的《世界人口展望》報(bào)告,2019年在全球范圍內(nèi),大約9%的人年齡在65歲或以上,預(yù)計(jì)到2030年這一比例將達(dá)到近12%,2050年到達(dá)16%,到2100年可能達(dá)到近23%。到2050年前后,歐洲和北美洲25%以上的人口年齡都處于65歲以上。東亞和東南亞65歲或以上的比例預(yù)計(jì)將從2019年的11%增加到2050年的24%[1]。2019年中共中央國務(wù)院印發(fā)《國家積極應(yīng)對人口老齡化中長期規(guī)劃》中指出我國現(xiàn)階段人口老齡化進(jìn)程正在加速發(fā)展,2013年中國80歲及以上老年人有2260萬人口,到2050年預(yù)計(jì)達(dá)9040萬人口,成為全球最大的高齡老年人群體[2]。本項(xiàng)目旨在從生理學(xué)角度闡明視覺刺激與老年人情緒變化機(jī)制,從而實(shí)現(xiàn)對老年公寓室內(nèi)色彩與光環(huán)境定量評價,為老年公寓室內(nèi)視覺環(huán)境提升優(yōu)化提供理論和技術(shù)支持。
隨著我國教育進(jìn)步、國內(nèi)人口流動和科學(xué)技術(shù)發(fā)展,當(dāng)下老年人不像從前那樣與年輕人共同居住,年輕人由于工作壓力、生活成本以及衛(wèi)生保健等相關(guān)因素,能夠用于照顧父母的時間越來越少,以家庭為基礎(chǔ)的居家養(yǎng)老模式正面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn),以機(jī)構(gòu)養(yǎng)老為主的養(yǎng)老模式必將會成為未來中國養(yǎng)老的主要模式[3]。機(jī)構(gòu)養(yǎng)老模式是我國養(yǎng)老體系的重要支撐,機(jī)構(gòu)養(yǎng)老模式的存在形式通常有敬老院、福利院、養(yǎng)老院、老年公寓等。老年公寓(Apartment for the aged)是專供老年人集中居住,符合老年體能心態(tài)特征的公寓式老年住宅,具備餐飲、清潔衛(wèi)生、文化娛樂、醫(yī)療保健等服務(wù)體系,是綜合管理的住宅類型[4]。老年公寓作為現(xiàn)階段我國機(jī)構(gòu)養(yǎng)老的主要空間載體,在建設(shè)和環(huán)境改善方面都存在諸多亟待解決的問題,成為近年來設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容[5]。
■圖1 人工照明不同光源位置下人眼視覺舒適度以及疲勞度研究
隨著年齡的增加,人眼的晶狀體逐漸硬化失去彈性,睫狀肌的收縮能力降低,會引發(fā)近距離注視困難,對于視覺感應(yīng)信號刺激變得反應(yīng)遲緩[6-7]。老年人視覺衰退主要為視敏度明顯降低,空間視覺能力衰弱,導(dǎo)致老年人對色彩和光的感知能力下降,進(jìn)而對顏色和光區(qū)分能力逐漸降低[8-9]?;谏鲜鲈?,針對視敏度降低方面研究,主要采用問卷調(diào)查的方式對不同光照條件下老年人活動狀況進(jìn)行研究[10-11]。
現(xiàn)階段我國部分老年公寓室內(nèi)視覺設(shè)計(jì)現(xiàn)狀如下:室內(nèi)外視覺設(shè)計(jì)風(fēng)格不統(tǒng)一,僅滿足基本功能需求,缺乏整體色彩規(guī)劃;空間內(nèi)部整體光環(huán)境晦暗,老年人長期在此空間中居住,易引發(fā)抑郁癥、孤獨(dú)癥等心理疾病,危害老年人身心健康;同樣與之對應(yīng)的研究現(xiàn)狀如下:老年公寓色彩環(huán)境研究主要以色彩搭配作為研究的切入點(diǎn),對室內(nèi)光環(huán)境研究偏少。研究多從老年人感官層面進(jìn)行研究,缺乏室內(nèi)視覺環(huán)境與老年人生理疾病關(guān)聯(lián)性研究。綜上所述,現(xiàn)階段我國老年公寓室內(nèi)視覺環(huán)境研究相對較少,空間色彩與光環(huán)境方向研究還較為薄弱。
本項(xiàng)目以色彩心理學(xué)理論、照明設(shè)計(jì)理論作為前期理論基礎(chǔ),同時依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、腦電波信號采集、數(shù)學(xué)算法分析等技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)心理學(xué)、色彩學(xué)、光學(xué)、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科深度交叉融合,在前人研究基礎(chǔ)上歸納總結(jié),旨在打造圍繞“基于腦電波信號分析的老年公寓室內(nèi)色彩與光環(huán)境定量評價研究”,構(gòu)建老年公寓室內(nèi)不同色彩與光環(huán)境變化條件下“室內(nèi)色彩和光環(huán)境動態(tài)調(diào)節(jié)-腦電波信號狀態(tài)特征”的映射關(guān)系模型,最終形成具有高普適性的老年公寓室內(nèi)色彩與光環(huán)境定量評價體系。
近年來國內(nèi)外分別從光學(xué)、色彩學(xué)兩個維度分別開展針對人居環(huán)境視覺舒適度研究,同時伴隨著學(xué)科交叉研究不斷深入,腦電、肌電、心電等人體生理指標(biāo)逐漸作為研究重要參考數(shù)據(jù)被引入到相關(guān)研究之中,從而使研究結(jié)果更加貼近于理性客觀,進(jìn)一步提升了相關(guān)研究的精確度。本章主要對國內(nèi)外前期研究進(jìn)行梳理分析,旨在歸納總結(jié)出目前國內(nèi)外相關(guān)研究的現(xiàn)狀和未來研究趨勢,為日后本方向研究提供前期參考依據(jù)。
前期研究主要針對室內(nèi)外空間光與人居環(huán)境關(guān)系開展相關(guān)研究,室外空間如步行空間,室內(nèi)空間如辦公空間、醫(yī)療空間、居住空間等。
郝洛西利用人工照明條件下光源的光譜能量分布對步行空間顏色識別進(jìn)行研究,研究表明不同亮度環(huán)境條件下,4000K色溫時對顏色識別的準(zhǔn)確率均為最高,且判斷誤差也最小,而2700K和6500K色溫條件下明顯減弱;不同色溫度條件下對顏色的識別度存在明顯差異,其中紅色最易識別,藍(lán)綠色最難識別[12]。
崔哲主要以光環(huán)境與老年人生理疾病關(guān)系開展研究,如老年人居住空間光照環(huán)境對阿爾海默病患者節(jié)律紊亂的緩解作用研究,基于老年人視覺特征的人居空間健康光環(huán)境動態(tài)研究,晝夜節(jié)律生理機(jī)制研究表明自然光季節(jié)變動以及極地地區(qū)季節(jié)變動對人體激素產(chǎn)生影響,可見未來人居空間光環(huán)境研究將成為科研焦點(diǎn)問題[13-15]。
徐俊麗基于視覺舒適的心內(nèi)科重癥監(jiān)護(hù)病房光照實(shí)驗(yàn)研究,研究表明當(dāng)照度在200lx時,病患滿意度最高;在照度一定的情況下,間接照明的比例與病患滿意度成正比;當(dāng)照度100lx、200lx、400lx,照度值與醫(yī)護(hù)的滿意度成正相關(guān);在照度一定的條件下,不同照度方式與醫(yī)護(hù)的滿意度并未呈現(xiàn)顯著線性關(guān)系[16]。
■圖2 不同色彩環(huán)境下腦電波信號與人類情緒狀態(tài)識別研究
Lee(李真淑,李喜元)建構(gòu)不同室內(nèi)光環(huán)境場景以不同年齡階段人群,作為評價對象進(jìn)行空間光環(huán)境舒適度感性評價,研究表明20至30歲青年在不同色溫度和照度條件下,空間光環(huán)境舒適度明顯不同,其中色溫度6000K、照度100lx條件下,人體心率變化和腦電波信號變化平穩(wěn),人體處于最為安穩(wěn)環(huán)境之中此時照明環(huán)境最為舒適[17-19]。
研究者本人所在課題組對室內(nèi)不同光源位置LED照明條件下人體視覺舒適度和視疲勞程度影響進(jìn)行研究如圖1所示(韓國忠南大學(xué)李真淑教授課題組階段性成果),研究表明20至30歲青年人在墻面照明條件下在色溫度3000~6000K、照度300~500lx變化范圍內(nèi)視覺舒適度和視疲勞程度存在明顯差異,其中分別在色溫度3000K、照度200lx和色溫度4500K、照度350lx條件下,人體視覺舒適度到達(dá)最佳狀態(tài),視疲勞程度最低。在天花板照明條件下在色溫度5000K、照度400lx和色溫度6000K、照度400lx條件下,人體視覺舒適度到達(dá)最佳狀態(tài),視疲勞程度最低。綜上所述,前期參考研究的關(guān)注點(diǎn)為分析室內(nèi)外不同光照條件變化對人體生理與心理的影響,找出滿足人體生理與心理需求最佳光環(huán)境條件,并依據(jù)研究結(jié)果完成相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范編制。
前期研究主要針對居住空間、辦公空間與醫(yī)療空間色彩環(huán)境與人體視覺舒適度關(guān)系開展研究。
陳堯東利用感性評價手段對不同色調(diào)和中性色調(diào)起居室下光照環(huán)境開展相關(guān)研究,在150lx照度下,相較于中性(黑、白、灰)色調(diào),被試者對彩色色調(diào)起居室的所有照明場景的滿意度均更高;在中性色調(diào)起居室中,被試者對熒光燈(2700K)的照明場景滿意度更高;在彩色色調(diào)起居室中,被試者對LED(4000K)和熒光燈(2700K)的照明場景滿意度更高[20-21]。
楊翔宇以老年視覺特征為導(dǎo)向?qū)κ覂?nèi)色彩配置進(jìn)行研究,總結(jié)得出避免視覺疲勞和舒適度的原則,并結(jié)合老年視覺特征提出適合多樣性空間表達(dá)的室內(nèi)色彩配置策略[22]。
曹蘭對養(yǎng)老建筑室內(nèi)公共空間的色彩設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,研究表明養(yǎng)老建筑餐飲空間色彩設(shè)計(jì)應(yīng)選取暖色系色彩進(jìn)行色彩搭配,空間內(nèi)可以適當(dāng)布置綠色植被,植物的種類應(yīng)盡量選擇寬闊大葉植物;室內(nèi)公共空間材質(zhì)應(yīng)減少金屬材質(zhì)的運(yùn)用,采用溫暖舒適的天然木材以及質(zhì)感柔軟的合成材料作為主要裝飾材料[23]。
陸逸鳴以環(huán)境心理學(xué)作為研究方法對養(yǎng)老設(shè)施室內(nèi)環(huán)境色彩進(jìn)行研究,研究表明養(yǎng)老設(shè)施康復(fù)空間色彩宜采用溫馨舒適的暖色系明度高的色彩,應(yīng)避免生硬的冷色系色彩使用,整體色彩氛圍應(yīng)為輕松活潑滿足養(yǎng)老設(shè)施整體氛圍的需求[24]。
宋麗娜以知覺體驗(yàn)對老年公寓空間環(huán)境進(jìn)行研究,研究表明老年公寓的居室套間色彩設(shè)計(jì)主要以明亮歡快的色彩基調(diào)為主,裝飾材質(zhì)選取上應(yīng)選擇柔軟的木材織物為止、地面以淺色花紋塑料地板鋪裝,整體風(fēng)格給人以怡靜、休閑感覺[25]。
■圖3 研究技術(shù)路線圖
彭玉琪以色彩心理學(xué)原理對老年康復(fù)醫(yī)院室內(nèi)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,研究表明老年康復(fù)醫(yī)院大廳前臺設(shè)計(jì)宜采用明度適中、純度較高的橙色進(jìn)行導(dǎo)視系統(tǒng)設(shè)計(jì),使老年患者能夠提升對各科室的反應(yīng)速度;病房設(shè)計(jì)整體色調(diào)采用暖色調(diào)風(fēng)格為主,宜采用純度較低明度適中的橙色作為主題色,黃綠色和橙紅色作為點(diǎn)綴色加以修飾,最終使老年患者從視覺到觸覺上都感到溫馨愉悅的氛圍[26]。
單磊以老年人情感體驗(yàn)為切入點(diǎn),通過對老年公寓生活的老人心理和生理的需求分析,對老年公寓空間設(shè)計(jì)的方法策略進(jìn)行解析,分析老年公寓達(dá)到宜人居住環(huán)境的關(guān)鍵要素[27]。
耿涵通過對色彩的研究,探究色彩在眾創(chuàng)空間室內(nèi)設(shè)計(jì)中的作用,希望通過具體的分析,能找到一套科學(xué)的室內(nèi)色彩的設(shè)計(jì)方案[28]。
肖艷潔通過分析人的心理、生理需求,針對需求提出相應(yīng)辦公空間設(shè)計(jì)方法,然后具體通過辦公室空間的布局、材料以及色彩設(shè)計(jì)等方法為使用者創(chuàng)造舒適、和諧的人性化辦公空間以展現(xiàn)企業(yè)的良好形象,提高使用者的工作效率,以期給辦公空間的設(shè)計(jì)者及研究者可參考的資料[29]。
近年來以人體生理信號作為研究切入點(diǎn)的研究日趨增加,人體的生理信號有心電信號,腦電波信號,皮膚信號等,其中腦電波信號是由人體最重要的器官大腦直接產(chǎn)生的,相較其他數(shù)據(jù)采集方式腦電波具有時效性高、靈敏度高、準(zhǔn)確率高等特點(diǎn),可以實(shí)時客觀地直接反映出人類的情感狀態(tài),所產(chǎn)生的情緒會導(dǎo)致大腦發(fā)出不同活動的信號,是大腦活動的一種表現(xiàn)形式[30]。
現(xiàn)階段人體生理信號情緒識別研究主要從以下三個方向開展相關(guān)研究,人體生理信號基礎(chǔ)探索型研究、生理信號情緒識別評價分析型研究、生理信號情緒識別應(yīng)用型研究。
Picard(皮卡德)是較早利用生理信號進(jìn)行情緒分類的研究者。基于用肌電、血壓、皮膚阻抗等生理信號的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征以及對這些特征進(jìn)行變換合作,利用數(shù)學(xué)算法有效從肌電、血壓、皮膚阻抗等生理信號中對憤怒、悲傷、愉悅等情緒進(jìn)行了分類,為之后的相關(guān)研究提供了早期研究基礎(chǔ)和參考依據(jù)[31]。
Kim(金宗元)等人通過皮膚電活動、心臟和血液循環(huán)、呼吸、肌肉活動等多種生理數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對以音樂為誘發(fā)素材的情緒狀態(tài)識別,分別收集不同音樂條件下的人體生理數(shù)據(jù),并結(jié)合K最近鄰算法(K-Nearest Neighbor)算法成功識別高興、憤怒、悲傷、愉悅這四種情緒狀態(tài)并達(dá)到93%高辨識率,為之后相關(guān)研究提供了可供參考的數(shù)學(xué)算法模型[32]。
■圖4 數(shù)據(jù)信息分析與情緒識別實(shí)施流程圖
湯明宏在前人研究的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究不同腦電信號的特征提取,采用雙樹復(fù)小波變換對腦電信號進(jìn)行分解和重構(gòu),并結(jié)合非線性動力學(xué)分析法中分形維數(shù)分析法,作為不同情緒腦電的特征值,運(yùn)用支持向量機(jī)作為分類器,對傳統(tǒng)網(wǎng)格搜索法進(jìn)行改進(jìn),得到分類效果較好的最優(yōu)參數(shù)[33]。
仝來源鑒于傳統(tǒng)EEG信號情緒識別方法中的識別效果不佳和不利于便攜穿戴兩個方面的問題,文章通過對EEG腦電通道進(jìn)行有目的選擇,在保證情感識別準(zhǔn)確率的前提下,最大限度減少腦電通道數(shù)量,以及使情緒識別實(shí)驗(yàn)的采集過程更加簡單易行,為后期便攜式腦電波采集設(shè)備研發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[34]。
王晴針對前期腦電信號的情緒分類算法的相關(guān)研究,本文提出一種基于腦電信號的新型情緒分類算法,并通過其他研究手段對新型算法模型進(jìn)行驗(yàn)證和檢驗(yàn),最終證明了新型情緒分類算法設(shè)計(jì)的合理和有效性[35]。
周暉旨在通過EEG技術(shù),分別從能量、復(fù)雜度和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的角度觀察光誘發(fā)睡眠狀態(tài)下的腦電特征,為探索誘發(fā)睡眠中大腦生理機(jī)制提供指導(dǎo)[36]。
沙文青將計(jì)算機(jī)作曲與以音樂治療為目的的腦電信息處理相結(jié)合,以腦電信號分析為依據(jù),創(chuàng)造出具有針對性的樂曲,為音樂治療和計(jì)算機(jī)作曲的發(fā)展提供了新的思路[37]。
研究者本人所在研究課題組開展LED光源條件下,不同色彩環(huán)境對人體情感變化研究,主要對人體腦電波信號、心電信號、皮膚電信號、肌肉電信號等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集,并結(jié)合數(shù)學(xué)算法進(jìn)行分析,找出不同色彩環(huán)境與人體情感變化之間的關(guān)系如圖2所示(韓國忠南大學(xué)李真淑教授課題組階段性成果),研究表明在不同色彩環(huán)境中所產(chǎn)生的腦電波信號存在較大差異。
通過對前期參考文獻(xiàn)分析可以看出,此方面研究以感性評價為主的定性研究居多,定量研究較少,現(xiàn)階段數(shù)據(jù)收集辦法多采用問卷調(diào)查、現(xiàn)場咨詢等方法進(jìn)行,還是采用較傳統(tǒng)方式進(jìn)行前期數(shù)據(jù)采集工作,并未使用如人體生理信號采集分析、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)手段與相關(guān)研究實(shí)踐相結(jié)合,學(xué)科之間協(xié)同性還處于初級階段,未來學(xué)科間協(xié)同性方面還有待提高[38]。并且定性研究提取過程中存在一定誤差影響研究準(zhǔn)確性,而定量研究主要使用數(shù)學(xué)算法對前期收集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次加工處理,對定性研究結(jié)果進(jìn)行必要補(bǔ)充,并開辟新的研究路徑。其次,前期研究主要采用對人體腦電波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并結(jié)合數(shù)學(xué)算法進(jìn)行定量分析,確定腦電波信號與人類情緒狀態(tài)識別的對應(yīng)關(guān)系,并將研究成果應(yīng)用于日常生產(chǎn)實(shí)踐[39]。
基于對前期研究成果的分析歸納,研究者對與之相對應(yīng)的研究方法和實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行梳理優(yōu)化,構(gòu)建出適用于老年公寓室內(nèi)色彩與光環(huán)境評價研究模型,開展基于腦電波信號分析條件下的老年公寓室內(nèi)空間色彩與光環(huán)境定量評價,主要技術(shù)路線如圖3所示。
Level-1主要構(gòu)建室內(nèi)初始化評價模型,即空間場景還原和情緒識別兩大系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)空間場景變換與主觀評價、腦電波信號采集同步實(shí)時測量,并對兩大系統(tǒng)進(jìn)行前期評價測試,驗(yàn)證兩大系統(tǒng)運(yùn)行的同步性、有效性和準(zhǔn)確性。
Level-2在已完成初始化評價模型中加入LED光環(huán)境變量,通過對色溫度和照度兩個變量變換,實(shí)現(xiàn)光環(huán)境評價模型構(gòu)建,完成對老年公寓室內(nèi)光環(huán)境量化分析。
Level-3依據(jù)得到的最佳光環(huán)境條件作為研究用光源信息進(jìn)行色彩環(huán)境評價,使用NCS色彩體系依據(jù)色彩搭配原理對色相、明度、純度三個物理量進(jìn)行變換,從而對初始化模型進(jìn)行色彩搭配,完成三種空間色彩評價模型構(gòu)建,并實(shí)現(xiàn)對老年公寓室內(nèi)色彩環(huán)境量化分析。
Level-4首先對主觀評價結(jié)果和采集腦電波信號分別進(jìn)行預(yù)處理;其次對主觀評價結(jié)果和腦電波信號進(jìn)行特征提?。辉俅螌χ饔^評價結(jié)果和腦電波信號進(jìn)行特征融合;最后通過對主觀評價結(jié)果和腦電波信號分析進(jìn)行情緒識別,從而確定老年公寓室內(nèi)不同空間最佳色彩與光環(huán)境。
Level-5以上述研究數(shù)據(jù)作為前期研究基礎(chǔ),對評價模型進(jìn)行優(yōu)化重組,構(gòu)建基于“色彩與光環(huán)境變換—情緒識別”評價模型體系,形成具有普適性的老年公寓室內(nèi)色彩與光環(huán)境定量評價體系,為老年公寓室內(nèi)色彩與光環(huán)境設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和評價模型支持。
后期本研究通過分析數(shù)據(jù)信息與情緒識別對應(yīng)關(guān)系,進(jìn)而建構(gòu)老年公寓室內(nèi)色彩與光環(huán)境和老年人情緒一一對應(yīng)關(guān)系,確定老年公寓室內(nèi)最佳色彩與光環(huán)境條件[40]。數(shù)據(jù)信息分析與情緒識別實(shí)施流程如圖4所示,具體步驟如下:首先,進(jìn)行對主觀評價結(jié)果和腦電波信號數(shù)據(jù)預(yù)處理。主觀評價分析主要應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析學(xué)中因子分析、回歸分析對感性評價結(jié)果進(jìn)行分析。對腦電波數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾提純得到可用于研究的腦電波信號;其次,進(jìn)行對數(shù)據(jù)信息特征提取,以多種特征數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)信息特征提取依據(jù);再次,對數(shù)據(jù)進(jìn)行特征融合處理,使用數(shù)學(xué)算法對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理;最后,對評價對象情緒識別進(jìn)行分類,選擇支持向量機(jī)作為算法模型對情緒進(jìn)行識別,同時結(jié)合主觀評價分析結(jié)果,確定最終情緒識別結(jié)果進(jìn)而推測出老年公寓室內(nèi)空間最佳色彩與光環(huán)境條件。
本研究利用腦電波采集設(shè)備并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),模擬人工照明條件下老年公寓室內(nèi)空間色彩與光環(huán)境變化特征,構(gòu)建基于老年公寓室內(nèi)環(huán)境的虛擬現(xiàn)實(shí)模型,360度全景展示人工照明條件下老年公寓室內(nèi)空間色彩與光環(huán)境變化情況。采用腦電波信號情緒識別系統(tǒng),提取老年人在不同色彩與光環(huán)境變化條件下的腦電波信號特征,分析色彩與光環(huán)境改變而產(chǎn)生的情緒變化,實(shí)現(xiàn)老年公寓室內(nèi)空間色彩與光環(huán)境舒適度定量分析,為未來老年公寓室內(nèi)空間色彩與光環(huán)境設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。