城市光环境以及其对人的心理和生理的影响如何，是城市规划、建筑设计以及环境心理学等诸多学科共同讨论的课题，但如何科学地量化评估却较为困难。
随着近几年神经生物学及可穿戴生理传感器技术的成熟化，对实验室研究光环境的身心体验提供了理论基础和技术支持。来自同济大学的研究团队就基于可穿戴设备获取生理反馈数据，结合面部表情与自我报告等多模态数据，探究了在复杂的真实城市场景中光环境对情绪的影响 [1]。
城市光环境与情绪感知
城市光环境是指城市空间中对人生理与心理构成影响的视觉环境，依据时间维度可划分为昼间和夜间两类。城市景观照明在亮度、光谱、强度以及变化模式上与自然光截然不同。非自然的人工照明令城市空间呈现了与自然光下的日间或夜间都完全不同的视觉形象，也令身处其中的人们感受不同的情绪体验。研究探索景观照明是如何通过作用于视觉及心理体验，进而对人们的行为活动产生积极或负面影响，将对商业街景观照明设计乃至城市景观照明的规划与设计提供理论指导和技术支持。
环境感受一直是国内外景观学领域的核心问题。环境心理学家认为，情绪需求的背后是人成长时期的经验判断，往往存在文化、性别、生活习惯等的认知差异。加之环境情绪感受常常多为主观而隐晦，难以用言语准确表述。因此，虽然环境情绪感受非常重要，但如何对情绪感受进行量化是一直以来的难题。
城市光环境对人体视觉—情绪的影响机制复杂，可概括为两个层面：（1）光照的本质因素（亮度、光谱、空间分布等），以光的辐射能形式对人体视觉、生理及心理层面产生作用，例如明亮的灯光可以提高安全感(低唤醒的愉快)、兴奋性(愉快的唤醒)和偏好；（2）以人工光为技术手段，对复杂城市景观要素重塑后营造的城市夜间风貌，此夜景观通过视觉系统映射入人脑，经过脑部负责情绪加工的神经系统处理，产生不同的审美感受及情绪体验。例如有研究对比了不同人种对香港昼间及夜间景色的认知差异发现，香港受访者认为同一城市景观中的“夜晚”比“白天”更女性化、神秘、富有想象力，而美国受访者认为“夜晚”更成功、更有魅力；此外有研究发现，黑暗和光照条件(如篝火、手电筒和星光)可以增强人对地方的审美印象。
光环境研究的情绪评测方法
目前，光环境研究的情绪评测方法可分为以下四个类别:
- 主观测评：采用基于语义差异法的量表测量，但存在主观性偏差，难以捕捉瞬时或无意识的情绪变化等问题；
- 生理测量：以神经学测量方法，将原有的难以准确量化的环境感知，经由生理数据建立起与环境体验的关联；
- 行为测量：包括面部表情、语音语调、肢体运动以及眼动追踪等；
- 情感分析法：使用自然语言处理、计算语言学和生物识别等数字技术来对文本进行系统地识别，从而通过对海量网络用户数据的辨析，提取并量化情感状态。
随着认知神经学以及可穿戴传感器技术和生物信号数据分析技术的发展，可以实现实时测量人体在不同环境刺激中的情绪感受。生理数据监测以更客观、更高精度、更减轻被试负担、更生态有效的优势已成为城市景观、环境心理学等领域评价研究的新热点。本研究尝试采用神经生物学研究方法，采集城市景观照明作为刺激源时被试的多源生理反馈数据，结合面部表情与主观评价，以城市商业街为对象探索夜间光环境对情绪感知的影响作用。
基于多模态数据的现场实验
实验共招募同济大学在读研究生被试6名，男女各半，平均年龄为24岁。
本实验利用监测设备的可穿戴性，尝试在城市现场进行实验。实时采集真实场景中被试的皮电(SC)、心电（ECG）和皮温（Temp）为主的生理数据和面部表情数据来拟合在不同光环境中的情感体验（图1），并用主观问卷法和访谈法对生理信号分析结果进行验证。
图1 头戴式&手戴式实验设备
面部表情是面部肌肉的一个或多个动作或状态的结果，是人类在身体外观投射出的情绪指标。Ekman系统地建立了人脸表情图像库，细致地描述了每一种表情所对应的包括眉毛、眼睛、眼睑、嘴唇等的面部变化。其中，人类在试图隐藏某种情感时无意识做出的、短暂的微表情，往往能表达人试图压抑与隐藏的真正情感，其持续时间通常仅为1/25s—1/3s。
本实验使用诺达思的面部表情分析系统（FaceReader）进行面部表情分析。软件通过分析面部图像，可辨析快乐、悲伤、愤怒、惊奇、惧怕、厌恶、中性表情，以及20种微表情分析，亦可基于情绪二维理论对情绪的效价与唤醒度进行分析。软件可以分析实时录制或录制好的面部表情视频，本研究采用实时录制视频待测试结束后统一进行分析的方法。此外，由于夜间城市户外的场景被试面部照度偏低，实验使用红外摄像的方式，软件对人脸的识别率可达到100%。
实验位点选取上海南京东路步行街东拓段外滩起始区域的道路中央。被试的主要视线方向内包括了多个历史保护建筑及当代商业建筑，并由建筑形成较为连续的空间限定。视野内街道元素较明确，夜晚光环境主要由建筑立面照明、路中心的步道灯以及店面逸散光和店招发光面构成。实验场景包括日间与夜间共计四个场景。日间实验在全阴天自然光下的城市环境中进行；夜间实验分为三个场景，即保持照明环境中的其他景观照明元素如路面、店铺照明不变，仅改变被试视野范围内栋主要建筑立面的照明状况，分别为全黑模式、点亮模式和闪烁模式，其中闪烁模式为点亮模式持续、全黑模式持续的交替循环播放。
实验程序主要包括（图2）：（1）准备阶段；（2）实验阶段：被试身体保持静止，视线可以旋转，对整体空间进行观察与感受，之后听从开始指令依次经历照明场景，每个场景持续70s，放映同时对被试的各项指标进行记录；（3）问卷访谈阶段。
图2 实验流程
日间与夜间光环境下的情绪差异
（一）面部表情数据结果
将视频片段依据场景模式裁剪后导入面部表情分析系统（FaceReader）中进行情绪识别分析。结果显示（图3），愉快表情强度在日间显著高于夜间点亮及闪烁模式；惊奇表情强度在日间显著低于夜间三场景；惧怕表情强度日间的表情强度显著高于夜间三场景；厌恶表情强度在日间显著高于全黑和点亮模式。
图3 不同场景下的愉悦、惊奇、惧怕、厌恶表情强度
对情绪效价和唤醒的分析结果显示（图4），被试的效价值在点亮模式下显著低于全黑模式，日间较夜间三个场景的效价值更低；而唤醒度在各场景下均无显著性差异。
图4 不同场景下的情绪效价值、唤醒度值
（二）生理反馈数据结果
皮电和皮温通常认为与情绪唤醒有关。刺激源使人越激动，人汗液分泌越多，皮肤电的水平变化越大，皮电水平与唤醒值呈现正相关关系。本研究中，皮电结果表明日间场景的唤醒度最高，并反映出了刺激值差异相对较低的三个夜间场景间的区别，即闪烁模式、点亮模式、全黑模式的唤醒度依降低。
心电数据的LF/HF值与人的交感神经兴奋相关，LF/HF值越大，唤醒度提升。本次实验的LF/HF及HF值均未能有效反映唤醒度差异，心率及心率变异性在各场景下也均未呈现出显著变化趋势。
（三）主观评价结果
采用分层聚类法分析，结果表明在正面情绪方面，被试评分从高至低依次为闪烁模式和点亮模式、日间场景和全黑模式，且被试在点亮及闪烁模式中的正面情绪得分显著高于全黑模式；在负面情绪方面，被试评分最高的是全黑模式、其次为闪烁模式和点亮模式，最低的是日间场景。
总体来看，被试的皮电、皮温、面部表情信号以及主观量表结果均呈现出日间与夜间光环境下的显著差异。基于可穿戴传感器的情绪体验测量技术，将有助于更好地测量及理解城市夜空间的环境体验，为未来城市景观照明设计提供更有效的理论指导。
光环境测评中多模态方法的优势
近年来我国城市夜景建设呈现数量激增的态势。从情绪感知角度对城市夜景观进行评测，可以避免因审美主观性而导致美学评价的不确定性。实验结果显示，采用可穿戴设备进行生理反馈采集，并结合面部表情与主观问卷的多模态研究，在城市光环境研究领域亦具有一定的可行性。该评测方法可以应于与对建成环境的后评估，有利于城市夜景建设的有序发展。
后续研究可以以本研究为基础，增大被试的数量，提高数据采样的精度；抑或引入虚拟现实技术，替代现场实验，能够有效规避户外实验中环境因素控制及场景多样化设计的局限，为城市步行空间光环境设计策略带来更科学的实验数据支撑。
参考文献
[1]林怡,曾宪宪,陈神飞,肖晓溪,杨秀 & 杜怡婷.(2022).基于多源生理反馈的城市景观照明对情绪影响的实验探索——以上海南京东路步行街东段为例.照明工程学报(05),129-143.
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