彩色玻璃日光眩光感知研究揭示颜色对视觉舒适度的重要影响

为解决彩色玻璃建筑中光谱变化对视觉舒适度的影响问题，研究人员开展太阳光透过彩色玻璃的眩光感知研究，发现红色和蓝色玻璃导致更高眩光不适感，而绿色和中性玻璃表现最佳。结果表明现有基于V(λ)函数的眩光模型存在局限，需考虑Helmholtz-Kohlrausch效应，这对彩色BIPV玻璃建筑设计和视觉舒适度评估具有重要意义。

　　

随着现代建筑中玻璃幕墙的广泛应用，日光照明在提升室内环境舒适度的同时，也带来了眩光控制的挑战。尽管窗户能够提供自然光和室外景观，已被证明可以增强舒适度、认知意识、减轻压力、改善情绪和睡眠模式，但过度的日光照射会导致视觉不适，特别是在大面积玻璃的商业建筑中。近年来，随着建筑集成光伏（BIPV）玻璃和电致变色（EC）玻璃等智能玻璃技术的发展，建筑师能够通过调节玻璃透光率来降低眩光风险，同时保持室外视野。然而，这些技术往往伴随着光谱特性的改变，尤其是市面上多数EC玻璃在暗化状态下会出现光谱偏移，呈现蓝色外观，可能对空间视觉属性产生负面影响。

虽然已有研究探讨了彩色立面对视觉质量、偏好和接受度的影响，发现暖色调的日光环境通常比冷色调环境更易被接受，但关于彩色玻璃透射日光对不适眩光影响的研究仍然缺乏。与此形成对比的是，人工照明领域特别是LED车灯的光谱功率分布（SPD）对眩光感知的影响已被多次研究。这些研究一致表明，光源光谱对眩光感知有显著影响，短波长（蓝色）LED比其他颜色的LED更容易引起强烈的不适眩光。然而，这些基于人工光源的研究成果能否直接应用于日光环境尚不明确。

为了填补这一知识空白，研究人员开展了一项控制实验，在日光照射的办公室环境中测试了56名参与者对透过彩色玻璃的太阳光盘的眩光感知。研究采用2×4全因子实验设计，包含两个透射率水平（约0.37%和2.5%）和四种玻璃颜色（中性、蓝色、绿色和红色）。实验在瑞士洛桑EPFL校区的办公室式测试室进行，只在晴朗天气条件下进行，确保太阳直接出现在参与者的视野中。

研究团队使用了多种测量设备，包括室内气候仪（Testo 480）、照度传感器（Hagner Special Detector SD2）、绝对校准的亮度相机（LMK 98-4 Color HighRes）、光谱辐射计（CS-1000 A）和眼动追踪眼镜（Pupil Core），以全面记录环境参数和参与者的生理反应。参与者被要求在执行打字任务后评估其眩光感知，通过包含二进制、李克特量表和线性尺度的问卷提供反馈。

主要技术方法包括：1）使用高动态范围（HDR）成像技术测量太阳光盘亮度分布；2）光谱辐射测量分析不同颜色玻璃的光谱特性；3）心理物理学实验设计，采用单盲法和平衡顺序设计；4）眼动追踪技术记录参与者瞳孔大小和注视行为；5）使用Evalglare工具计算眩光指标（DGP和CGI）。

光谱测量和颜色感知

研究发现，通过彩色玻璃过滤后的太阳光盘显示出明显的光谱特性差异。红色玻璃条件下的太阳光谱在长波区域占主导，蓝色玻璃在短波区域占主导，而绿色和中性玻璃的光谱分布相对均衡。测量结果显示，蓝色玻璃条件下的相关色温（CCT）最高，红色玻璃条件下最低，这与玻璃颜色特性一致。

不适眩光评估

光度特性分析表明，所有实验条件在照度、太阳亮度和眩光指标（DGP和CGI）方面都保持相似，确保了颜色是唯一的变量。然而，参与者的主观反应却显示出显著差异。

参与者的眩光评估结果显示，尽管光度条件相似，但颜色对眩光感知有强烈影响。红色和蓝色玻璃条件下，参与者报告眩光的频率明显高于绿色和中性玻璃。在低透射率条件下，红色玻璃被认为是最不舒适的（41%的参与者报告眩光），而绿色玻璃是最舒适的。在高透射率条件下，所有红色玻璃条件下的参与者都报告了眩光，比中性玻璃条件下多52%。

序数评分结果进一步证实了这一趋势。在低透射率条件下，红色玻璃被评为最令人不适（48%的参与者认为干扰性强），绿色玻璃最轻微（仅4%）。在高透射率条件下，红色玻璃仍然是最令人不适的（88%的参与者报告干扰性或难以忍受的眩光），其次是蓝色玻璃（63%），而中性玻璃和绿色玻璃的干扰性最低（分别为22%和23%）。

颜色间眩光感知的统计差异

弗里德曼检验显示，颜色对主观眩光感知有极其显著的影响（χ²=64.60，df=3，p=6.1×10^-14）。事后分析表明，中性-红色和绿色-红色配对之间的差异具有统计显著性（p<0.001），效应量大（Cliff's delta=0.53和0.57）。中性-蓝色和绿色-蓝色配对也有显著差异，但效应量中等（p<0.05，Cliff's delta=0.30）。中性-绿色和蓝色-红色配对之间未发现显著差异。

眩光模型中的光谱加权

研究结果表明，当前基于CIE V^2°(λ)函数的眩光模型存在重要局限。该函数在555nm处的中波区域达到峰值，对短波和长波区域的敏感性较低，但研究发现具有相似亮度但SPD集中在短波或长波区域的眩光源会引起最强的 discomfort，表明V^2°(λ)函数不能准确表示人眼在视野中出现高强度彩色眩光源时的光谱敏感性。

在眩光模型中纳入H-K效应

研究人员测试了三种颜色外观模型（CAM15u、CAM18sl和CIECAM16）和CIE 200:2011补充光度系统作为替代方案。CAM18sl和CIECAM16预测通过红色和蓝色玻璃看到的太阳明显比通过绿色和中性玻璃看到的更亮，这与主观反应一致。然而，CAM15u的预测与主观反应不符，这归因于该模型缺乏 chromatic adaptation。

应用CIE 200:2011补充光度系统计算等效亮度后修改的DGP值更接近参与者的主观眩光反应，特别是对蓝色和红色玻璃条件的预测。然而，该方法仍然略微高估了蓝色相对于红色的眩光，与参与者的反应不完全一致。

研究结论表明，太阳光盘的颜色对不适眩光感知有显著影响，红色和蓝色玻璃比中性玻璃和绿色玻璃引起更强的眩光不适感。这一发现挑战了当前对视觉舒适度的理解，表明驱动眩光感知的机制未被现有模型完全捕捉。颜色外观模型和CIE 200:2011通过纳入Helmholtz-Kohlrausch效应提供了更好的预测，但需要进一步开发以适应日光眩光典型的高亮度水平。

这些发现对建筑实践具有重要意义，建议避免使用饱和的红色和蓝色玻璃以最小化不适眩光。研究为EC玻璃涂层、彩色玻璃和彩色BIPV立面的更精细开发提供了指导，在这些应用中需要平衡颜色和舒适度。随着彩色BIPV玻璃在近零能耗建筑需求推动下预计年增长率达到40%，这些发现对于确保视觉舒适度与能源效率同样得到考虑至关重要。

该研究发表在《Scientific Reports》期刊上，由斯坦福大学和洛桑联邦理工学院的研究团队完成，为彩色建筑玻璃的光舒适性设计提供了重要科学依据。