与显示介质视觉环境中感知色彩和谐性相关的心身生理反应

《Displays》：Psychophysiological responses associated with perceived color harmony in display-mediated visual environments

　　

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  感知色彩和谐度与多维度的主观体验相关。
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  主动评价比被动观看产生了大 0.219 毫米的瞳孔反应。
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  主要混合效应模型未显示与和谐度相关的稳健自主神经效应。
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  线性模型与对数模型均能描述亮度—瞳孔关系。
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  研究结果支持对显示器中介的视觉体验进行多模态评估。

引言

色彩和谐度被定义为色相元素之间的感知平衡与协调，是视觉美学和人机交互（HCI）中的基本原则 [1]、[2]。在我们日益数字化的世界中，用户持续被通过各类显示界面传递的高强度、多色刺激所包围，从智慧城市监控仪表盘到汽车抬头显示以及城市媒体立面。在这些情境下，和谐的色彩排布已不再仅是装饰性的；它们与视觉体验的多个维度密切相关，包括审美评价、舒适度和用户偏好 [3]、[4]。这些维度通常在更广泛的体验质量（QoE）框架内讨论；然而在本研究中，它们被作为主观显示体验相互关联但彼此独立的方面进行分析，而非合并为单一的复合 QoE 度量。一个相关的解释性框架是感知流畅性——即视觉信息被加工的难易程度 [5]。加工流畅性理论提出，更易于加工的视觉构型可能会引发更积极的审美评价 [5]。在夜间显示任务这一具体情境中，高对比度照明器具和复杂色度分离占主导地位，人们提出和谐的色彩搭配有助于促进感知组织并支持视觉舒适度。近期关于受限显示环境中色彩匹配的研究进一步表明，经过良好校准的色相组合与视觉疲劳和心理状态的差异相关，这些差异通过主观评分以及包括脑电图（EEG）和心率变异性（HRV）在内的生理标志加以表征 [6]。因此，显示系统的色相组成可能会影响用户的心理生理状态，通过复杂的感官-神经通路塑造唤醒水平与认知负荷 [7]、[8]。

来自显示科学与环境神经科学的近期证据表明，显示中介场景中的色彩特性与自主神经系统（ANS）的变化相关 [9]。在 LED 显示上操纵色相、饱和度和亮度已被证明可引发自我报告效价与生理特征的显著变化：高饱和、高亮度刺激通常会增加皮肤电导与心率，而无色或和谐的色彩搭配则与 HF-HRV 和 RMSSD 等心率变异性指标的差异相关 [10]、[11]、[12]、[13]。神经影像证据进一步表明，冷色调和低饱和度色彩搭配可能与与视觉加工和舒适度相关的前额叶皮层活动的差异有关 [14]。此外，瞳孔动力学已成为光刺激与任务相关过程的敏感生理指标 [15]；观看场景时的瞳孔直径可随亮度、唤醒水平、注意和认知投入而变化 [16]、[17]、[18]。值得注意的是，在受控的色彩暴露范式下，瞳孔直径被发现比皮肤电指标更敏感地追踪色相唤醒，支持其作为显示研究主要生理终点指标的效用 [19]。然而，瞳孔、HRV 和 EDA 反应受多种感知与认知因素影响，在本研究中不应被解释为特定自主神经或神经机制的直接证据。

尽管具备这些生理学洞见，色彩和谐度与认知表现之间的关系仍然微妙而复杂。在商业智能仪表盘等功能性界面中，较高的和谐度虽与更高的用户愉悦感相关，但认知负荷往往更多由信息密度而非单纯的和谐度水平驱动 [20]。有趣的是，一些研究提出了“感知摩擦”效应：不和谐的配色方案尽管在主观质量评分上较低，却可能通过强迫更深的注意投入来实际提升对内容的内隐记忆。相反，在杂乱的用户界面中，已证实像分裂互补或三角色彩搭配等特定和谐方案，与类似色调或无序色彩集相比能显著优化视觉搜索时间。这些发现表明，和谐度可能与感知组织和认知努力相关，具体取决于任务需求与视觉上下文 [21]。重要的是，在和谐度评价任务期间观察到的生理差异也可能反映了注意、判断和回应视觉内容的额外需求，而非某一种特定的和谐度认知过程。

人造夜间光（ALAN）和多色 LED 系统的技术变迁进一步复杂化了这一格局。夜间环境已从统一照明演变为动态、多色的类显示空间 [22]、[23]。虽然传统照明研究主要聚焦于照度和色温，但这些场景数字化表征中的色相协调性影响往往被忽视 [24]、[25]。现有工作为预测偏好色彩搭配和理解三维空间和谐提供了可量化的模型，然而将自然场景中感知的色彩和谐度与复杂显示中介任务中的自主神经调节和工作负荷联系起来的直接实验仍然稀缺。与此同时，自然场景在亮度、色相组成、对比度、视觉复杂度和语义内容上同时发生变化，使得很难将和谐度作为独立的因果因素加以分离。这留下了一处重要空白，即我们尚不清楚在显示暴露期间感知美学如何与心理生理反应相联系 [26]、[27]。

本研究通过考察自然夜间显示中介场景中感知的色彩和谐度与心理生理反应及主观体验的关联来填补这一空白。通过整合高精度心电图（ECG）、皮肤电活动（EDA）和瞳孔测量记录，并配合多模态实验任务，我们旨在：(1) 检验感知的色彩和谐度是否在个体层面与自主神经指标相关；(2) 刻画被动观看与主动评价之间的瞳孔反应差异；以及 (3) 识别可能为未来自适应显示系统研究提供启示的方法学与生理学模式。由于色彩和谐度是通过评分而非独立操纵得到的，本研究聚焦于与感知和谐度之间的关联，并将其与任务相关的生理差异加以区分。最终，这项工作为表征显示中介视觉环境中的感知与生理反应提供了一个多模态框架。

章节摘要

参与者与人为因素标准

为指导参与者招募，使用 G*Power 3.1 针对双尾配对样本 t 检验（α = 0.05，power = 0.80）进行了先验功效分析，效应量为中等水平（dz = 0.50），分析表明所需最小样本量为 N = 34。为应对潜在的信号伪影并确保高数据保真度，共招募 N = 46 名参与者（21 名男性，25 名女性；平均年龄 = 22.9 ± 2.7 岁）。该功效分析并未绑定单一主要生理终点指标，而是

感知色彩和谐度与主观体验指标

心理物理标尺数据的内部一致性针对不同概念相关的子量表分别进行了评估。场景评价子量表（5 个条目）的汇总 Cronbach's α 为 0.950，参与者聚类自助法 95% 置信区间为 0.940–0.959，参与者间 α 为 0.952。行为意向子量表（3 个条目）的汇总 α 为 0.930，参与者聚类自助法 95% 置信区间为 0.916–0.943，参与者间 α 为 0.908。由于重复

感知色彩和谐度与多维度主观体验

研究结果表明，在数字显示环境中，感知的色彩和谐度与主观体验的多个维度密切相关。除了简单的审美偏好之外，和谐的色彩构成还与更具积极评价的感知渲染质量、心理舒适度和行为意向相关 [26]、[40]。这些发现与更广泛的感知流畅性概念一致，即更为连贯的视觉构型可能会

结论

本研究考察了显示中介环境中感知色彩和谐度、主观体验与心理生理反应之间的关系。感知和谐度始终与多个维度的主观评价相关，而生理学结果则更为分化。通过实施多模态实验框架，我们发现在被动观看与主动评价之间存在明确的、任务相关的瞳孔反应差异，同时

生成式人工智能及 AI 辅助技术在写作过程中使用的声明

在本工作的撰写过程中，作者使用了由 Google 开发的生成式人工智能模型 Gemini，以提升语言质量并增强稿件的可读性。在使用该服务后，作者对内容进行了批判性审阅、编辑和验证，以确保其科学性。作者对已发表作品的完整性和最终内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，此类情况可能被认为会影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了住房和城乡建设部密集居住环境生态与节能研究重点实验室开放研究基金（资助号 20250105）以及国家自然科学基金（资助号 52078357）的支持。

沈飞 陈|曾线线|张冰|林毅