Как остекление и оконные шторы меняют четкость вида и зрительную приватность?

Аннотация

Окна дают доступ к дневному свету и виду наружу, поэтому влияют на проектирование зданий. Для защиты от бликов, перегрева и нарушения приватности применяют разные виды остекления и оконных затеняющих материалов, которые также влияют на четкость вида. Мы оценили, как на четкость вида воздействуют оконные пленки, электрохромное (ЭХ) стекло и тканевые шторы. В контролируемой лаборатории мы провели эксперимент с 50 участниками: использовали зрительные тесты, адаптированные из клинической практики (острота зрения, контрастная и цветовая чувствительность), и изображения на компьютерном мониторе. Оконные пленки и тонированное ЭХ-стекло обеспечивали лучшие результаты по остроте зрения, контрастной чувствительности и удовлетворенности видом, чем тканевые шторы; исключениями для цветовой чувствительности и удовлетворенности видом стали самое темное состояние ЭХ-стекла и темно-серая штора с VLT 3%. У ЭХ-тонировок возникала проблема внутренних отражений, а для зрительной приватности участники предпочитали тканевые шторы. Оконные пленки и ЭХ-стекло затрудняли различение сине-зеленых оттенков, тогда как тканевые шторы дополнительно ухудшали различение красно-желтых оттенков. Острота зрения предсказывала удовлетворенность видом, а контрастная чувствительность оказалась самым сильным предиктором зрительной приватности. В целом более высокий коэффициент пропускания видимого света и более низкий коэффициент солнечного отражения, то есть более темный цвет, улучшали зрительные показатели человека. Предложенная последовательность действий задает экспериментальную процедуру, определяет основные переменные и формирует прогностическую схему для оценки четкости вида через светопрозрачное ограждение.

Предметные области: гражданское строительство, инженерное дело.

Введение

Остекление и оконные затеняющие материалы применяют, чтобы снизить риск бликов, перегрева1,2 и нарушения приватности3,4. Однако они также могут перекрывать или искажать вид из окна5,6. В исследованиях строительной среды влияние таких решений на восприятие наружного вида пользователями здания изучено недостаточно, хотя вид из окна оказывает на людей положительное воздействие7. Среди возможных эффектов отмечены улучшение здоровья и благополучия8, эмоционального состояния9, когнитивной продуктивности9–11 и восстановления после стресса12.

Качество вида из окна определяют три основные переменные: содержание, доступность и четкость13. Четкость означает, насколько ясно пользователь способен видеть содержание вида. Она охватывает зрительные препятствия перед остеклением, за ним или внутри его слоя либо слоев, а также временные характеристики, на которые влияют внешние воздействия или которые меняются в ответ на них, например прямой солнечный свет13. На четкость непосредственно влияют свойства остекления и оконного затенения, а также временные характеристики, зависящие от внешних воздействий или реагирующие на них, например интенсивность дневного света и углы падения солнечных лучей14. Кроме того, на способность наблюдателя видеть наружное пространство через светопрозрачное ограждение влияют конструкция окна, содержание наружного вида и особенности самого наблюдателя, включая работу глаз и цветовое зрение.

Хотя конструкция светопрозрачного ограждения непосредственно связана с четкостью вида, этой теме посвящено мало стандартов. Стандарты дневного освещения и системы экологической сертификации, включая европейский стандарт EN 17037 и LEED v4, не дают систематических указаний о том, как учитывать четкость остекления и оконных затеняющих материалов в зданиях. Вместо этого они требуют, чтобы окна для обзора были прозрачными, нейтральными по цвету и не имели искажений из-за фритты, волокон, узорчатого стекла или дополнительной тонировки15,16. Аналогично ASHRAE 189.117 определяет обзорное светопрозрачное ограждение как недиффузное остекление с показателем мутности менее 3%18. Европейский стандарт EN 1450119 оценивает влияние жалюзи и ставен на вид наружу по двум параметрам пропускания. Однако этот стандарт нельзя применять для оценки разнообразного зрительного воздействия других затеняющих материалов на людей.

Изменение типа затеняющего материала и его оптических свойств может по-разному влиять на восприятие вида. Некоторые исследователи изучали влияние рулонных штор, например тканевых, на четкость: для оценки четкости вида через солнцезащитные ткани были разработаны индекс четкости вида20 и его пересмотренная версия21. Авторы этих работ показали, что на четкость вида через штору влияют такие оптические свойства ткани, как коэффициент пропускания видимого света (VLT), а также угловое изменение прямого-прямого, то есть направленного излучения в направленное, и прямого-диффузного, то есть направленного излучения в рассеянное, пропускания разных тканей. Есть и сравнительные исследования влияния тканевых штор на блики и точность цветопередачи22, а также на доступность дневного света23. Эти исследования показывают, что более темные ткани могут давать более четкий вид и лучшее восприятие цвета, а при одном и том же цвете больший коэффициент открытости повышает четкость. Зеркальные материалы, включая тонировки, пленки и электрохромное стекло (ЭХ), также широко применяют в проектировании фасадов, но их влияние на восприятие вида требует дальнейшего изучения. Зеркальные материалы в основном меняют яркость, отражающую способность и восприятие цвета, сохраняя прозрачность24–26. Цвет тонировки остекления влияет и на зрительные показатели людей внутри помещения, и на их восприятие наружного содержания. Некоторые исследователи показали, что очки с синей тонировкой ухудшают зрительные показатели, а серые дают некоторое улучшение26. Другая работа обнаружила, что желтая тонировка усиливает контраст между ярким объектом и синим фоном27.

Временные характеристики дневного света и содержания вида трудно контролировать, поэтому они представляют типичную проблему для исследований дневного освещения и окон. Например, условия освещения влияют на четкость вида, а воздействие четкости на восприятие может меняться в зависимости от содержания вида. Предыдущие исследования четкости в основном проводились при дневном освещении у наружного окна, где невозможно контролировать освещение и содержание вида; это могло создавать большой разброс в зарегистрированных данных20–22. Эксперимент в контролируемой лабораторной среде менее реалистичен, но сводит к минимуму смешивающие факторы, связанные с изменением дневного освещения, в том числе влияние уровней света, благоприятных для зрительного восприятия и комфорта, которые, в свою очередь, могут воздействовать на зрительные показатели и удовлетворенность видом. Кроме того, контролируемая лаборатория позволяет исследовательской группе проверить, как четкость через разные виды остекления и затеняющих материалов влияет на восприятие людьми разного содержания вида.

Постановка задачи

Свойства остекления и затеняющих систем, а также параметры их конструкции влияют на четкость вида, но количественно это влияние изучено ограниченно. Кроме того, нет систематического метода оценки, применимого к широкому кругу материалов светопрозрачных ограждений для понимания их влияния на уровни четкости и итоговое качество вида для пользователей. Поэтому цель исследования состояла в том, чтобы разработать экспериментальную процедуру оценки четкости вида, определить основные переменные и предложить прогностическую схему. Мы предлагаем воспроизводимый метод исследования того, как четкость вида через тканевые шторы, оконные пленки и ЭХ-стекло влияет на зрительные показатели пользователей и, вследствие этого, на их удовлетворенность видом. Для достижения этой цели мы провели исследование с участием людей в контролируемой лабораторной среде.

Методы

План эксперимента

Мы провели рандомизированный эксперимент с повторными измерениями у одних и тех же участников. Каждый испытуемый участвовал в трехчасовом сеансе, включавшем 11 вариантов остекления и затеняющих материалов (таблица 1). Для каждого варианта мы регистрировали результаты нескольких оценок зрительных показателей и удовлетворенность видом (рисунок 1). Чтобы исключить влияние порядка предъявления, для каждого участника мы создавали случайную последовательность 11 условий с помощью модифицированной функции рандомизации Microsoft Excel. Эксперименты проходили с апреля по август 2022 года.

Таблица 1. Остекление и оконные затеняющие материалы по типам.

Тип	Описание	Название**	VLT	VLT′	OF*	RS	RS′	Внешний вид
Пленки	Пленка с прозрачным стеклом	Film VLT 5%	9	5.0		58	21
Пленки	Пленка с прозрачным стеклом	Film VLT 3%	6	3.2		55	19
ЭХ-стекло	Уровень тонировки 2	EC-2 VLT 31%	31			10
ЭХ-стекло	Уровень тонировки 3	EC-3 VLT 6%	6			10
ЭХ-стекло	Уровень тонировки 4	EC-4 VLT 1%	1			31
Тканевые шторы	Тканевая штора с прозрачным стеклом	Light Grey VLT 6%	11	5.9	9.6	31	11
Тканевые шторы	Тканевая штора с прозрачным стеклом	Dark Grey VLT 3%	6	3.2	4	9	3.0
Тканевые шторы	Тканевая штора с прозрачным стеклом	Medium Grey VLT 3%	5	2.7	4.5	25	8.5
Тканевые шторы	Тканевая штора с прозрачным стеклом	Black VLT 2%	4	2.2	3.2	5	1.7
Тканевые шторы	Тканевая штора с прозрачным стеклом	Black VLT 1%	2	1.1	1.8	5	1.7
Тканевые шторы	Тканевая штора с прозрачным стеклом	Dark Grey VLT 1%	1	0.5	1	10	3.4

*Измеренные значения OF применимы только к тканевым шторам в пределах допуска 1% от целевого OF производителя. **Названия продуктов приведены в приложении B к дополнительным материалам онлайн.

Участники

В эксперименте участвовали 50 человек: 26 женщин, 22 мужчины и 2 небинарных человека. Исследователи разослали приглашения по электронной почте в несколько подразделений Калифорнийского университета в Беркли и использовали онлайн-платформу набора студентов Беркли для участия в исследованиях. Критериями предварительного отбора были возраст от 18 до 40 лет, отсутствие беременности, отсутствие сообщенных самим участником нарушений зрения, например дальтонизма или заболеваний глаз, и отсутствие синдрома дефицита внимания с гиперактивностью у взрослых. Все участники дали информированное согласие; каждому выплатили 60 долларов за трехчасовой очный лабораторный эксперимент. Медианный возраст составлял 23 года, 52% носили средства коррекции зрения, а медианная субъективная чувствительность к освещению и зрительным условиям равнялась 3 по шкале от 0, «намного ниже», до 5, «намного выше».

Организация экспериментального помещения и оборудование

Эксперименты проводили в лаборатории Калифорнийского университета в Беркли с внутренним окном и компьютерным экраном, изображавшим вид (рисунок 1a). Монитор Apple iMac 27 дюймов, 3,4 ГГц, четырехъядерный i7 установили в 0,6 м за окном размером 0,5 × 0,4 м. С другой стороны поставили стол и офисное кресло так, чтобы глаза сидящего участника находились в 1,2 м от центра стекла. Участники регулировали кресло, совмещая уровень глаз с центром окна на высоте 1,2 м от пола.

Один круглый рассеянный светильник освещал пространство над участником, обозначенное как «внутренняя» зона (рисунок 1a). С другой стороны окна, во «внешней» зоне, над монитором установили шесть прожекторов по 10 000 лм с коррелированной цветовой температурой 6000 K и направили их под углом 45° от потолка к окну, имитируя направленный свет на поверхности окна. Угол выбрали так, чтобы источники не попадали в поле зрения участников, в соответствии с другими исследованиями четкости20,22. Это уменьшало влияние бликов на восприятие четкости и увеличивало вертикальную освещенность. Один рассеянный светильник разместили на потолке между монитором и окном. Светильники не создавали прямых отражений или видимой неоднородности на экране. Вертикальная освещенность в центре стекла со стороны монитора составляла примерно 10 300 лк, что сопоставимо с нижней границей диапазона часовой наружной освещенности. Базовая горизонтальная освещенность на уровне стола, 0,8 м от пола и 0,9 м по горизонтали от окна со стороны участника, составляла примерно 800 лк для проема без остекления до установки материалов. Полные значения освещенности и яркости приведены в приложении A к дополнительным материалам онлайн.

Материалы остекления и оконного затенения

Мы оценивали два широко применяемых типа: зеркальные материалы и тканевые шторы. На четкость вида могут влиять несколько их оптических свойств. Коэффициент пропускания видимого света (VLT) и коэффициент солнечного отражения (RS), то есть отношение всей отраженной материалом солнечной энергии ко всей падающей энергии, являются двумя основными характеристиками, которые производители указывают для обоих типов. Для тканевых штор важны также коэффициент открытости (OF, доля отверстий в ткани) и цвет, связанный с отражающей способностью; эти параметры определяют четкость вида через полупрозрачный материал20. Угловые изменения прямого-прямого и прямого-диффузного пропускания разных тканей также могут быть основными переменными восприятия вида через жалюзи и ставни, как указано в EN 1450119 и исследованиях21. Однако производители часто не сообщают эти значения, а лабораторное измерение дорого. Поэтому мы выбрали пленки, ЭХ-стекло и тканевые шторы с сопоставимыми доступными на рынке оптическими характеристиками, прежде всего VLT, но с различными RS и OF.

В ЭХ-остеклении проводящая пленка нанесена на внутреннюю поверхность стеклопакета и изменяет VLT стекла в зависимости от пропускаемого через пленку тока. Благодаря этому состояние динамически меняется в соответствии с временными и пространственными условиями солнечного освещения или по команде пользователя. Оконные пленки и тканевые шторы необходимо накладывать на прозрачное стекло, поэтому при подборе материалов мы учитывали VLT′. Ее рассчитывали как произведение VLT пленки или ткани и прозрачного стекла. Даже если точные итоговые VLT несколько различаются, сравнивать и подбирать материалы по VLT′ допустимо. RS′ рассчитывали тем же способом.

При выборе материалов мы взяли за основу три уровня тонировки одного продукта из ЭХ-стекла, а также тканевые шторы и пленки с сопоставимыми VLT′: 31%, 5–6%, 2–3% и 1%. Сведения о каждом материале в этих диапазонах приведены в приложении B. Таблица 1 обобщает выбранные материалы по типам. Для тренировки и базового сравнения использовались также проем без стекла и прозрачное стекло, но ради краткости они не включены в результаты и подробнее рассмотрены в приложении B.

Процедура

Комитет Беркли по защите участников исследований рассмотрел и одобрил протокол 2022-02-15020. В каждый момент участвовал один человек. Каждый трехчасовой сеанс проходил с 9:00 до 18:30. Процедура показана на рисунке 1b. После прибытия исследователи рассказывали об исследовании, а участник читал и подписывал форму согласия.

До начала эксперимента участники должны были пройти диагностические тесты цветового зрения и остроты зрения, чтобы подтвердить исходную нормальную работу зрения. Для проверки нормального цветового зрения без остекления проводили тест28 на основе теста Исихары29. Чтобы участвовать, требовалось правильно назвать число на 7 из 12 таблиц Исихары, показанных на мониторе. Затем участники читали строку букв, соответствующую остроте 20/20 при стандартной дистанции. Если им приходилось приближаться к таблице (рисунок 1c), тест считался непройденным. Все участники прошли проверки, никого не исключили. После этого без остекления проводили тесты контрастной чувствительности, сопоставления цветов и упорядочивания цветов (рисунок 1d, f, h), чтобы участники освоили процедуры.

Чтобы познакомить участников с разными типами остекления и затенения, а также с процедурой опроса удовлетворенности, им показывали три сюжетных изображения, серое здание, зеленый пруд и улицу с людьми (рисунок 1e), через прозрачное стекло, тканевую штору и ЭХ-стекло. После этого они заполняли тренировочный опрос об удовлетворенности на предоставленном ноутбуке. Каждый раз, когда исследователь менял остекление или затеняющий материал на протяжении всего экспериментального сеанса, участник поворачивался в кресле к задней части комнаты, спиной к экспериментальной установке. Исследователь просил участника представить, что перед ним вид из окна с его рабочего места, объяснял определения каждого аспекта вида в опросе и отвечал на любые уточняющие вопросы. После завершения диагностических тестов и тренировочного опроса исследователи начинали основной эксперимент.

Для каждого из 11 вариантов участники по порядку выполняли тест остроты зрения, тест контрастной чувствительности, сопоставление цветов, упорядочивание цветов и отвечали на вопросы об удовлетворенности. Порядок материалов был случайным для каждого участника.

Показатели

Тесты зрительных показателей человека

Острота зрения

Острота зрения характеризует способность глаза различать мелкие пространственные детали. Обычно ее проверяют, предлагая человеку распознавать оптотипы, числа или буквы, последовательно уменьшающегося размера, пока он не перестанет надежно их определять. Таблица Снеллена используется для измерения остроты зрения30,31, хотя существуют и более современные варианты. Мы адаптировали этот тест (рисунок 1c) к цифровому формату: с учетом расстояния между экраном и участником показывали оптотипы такого размера, который создавал соответствующий зрительный угол32. Цифровой тест выводил по одному оптотипу. Если участник правильно называл две из трех букв одного размера, размер уменьшали; процедуру повторяли до ошибки. Остроту определял наименьший распознанный оптотип. Размеры соответствовали диапазону от 20/200, юридической слепоты, до 20/10, превосходного зрения; 20/20 считалось нормальной остротой. Показатель Снеллена 20/20 означает, что наблюдатель с 20 футов различает детали размером в 1 угловую минуту. При зрении 20/200 человек с 20 футов видит детали, которые человек с нормальным зрением видит с 200 футов. При зрении 20/10 человек с 20 футов различает детали, которые человек с нормальным зрением видит лишь с 10 футов. На рисунке 2a результаты представлены по шкале LogMAR: 0,0 соответствует нормальному зрению 20/20, 1,0 юридической слепоте 20/200, а −0,3 превосходному зрению 20/10. Эта шкала делает оценки понятнее: 0,0 обозначает нормальную остроту, отрицательные значения выше нормы, положительные ниже нормы.

Контрастная чувствительность

Контрастная чувствительность представляет собой способность обнаруживать небольшие различия уровней яркости33. Она отличается от остроты зрения, которая показывает способность распознавать все более мелкие буквы. Контрастную чувствительность можно измерить таблицей Пелли — Робсона32. Буквы в ней одинакового размера; сверху они самые темные, затем постепенно светлеют почти до полной неразличимости (рисунок 1d). Оценка основана на чтении букв: испытуемый должен правильно назвать не менее двух из трех, чтобы перейти к следующему, более низкому уровню контраста. Как и тест остроты, мы адаптировали таблицу к цифровому формату, показывая по одной букве с уровнем серого, соответствующим оригиналу, тогда как исходная таблица показывает все буквы одновременно32. Показатель изменяется от 2,0, нормальной чувствительности, до 1,5 или ниже при нарушении зрения и 1,0 или ниже при зрительной инвалидности.

Цветовая чувствительность

Оптические свойства материалов светопрозрачного ограждения и цветность дневного или искусственного света могут влиять на субъективную и физиологическую реакцию на вид8,34,35. Неестественный цвет вида, вызванный материалами ограждения и освещением, может отрицательно влиять на удовлетворенность, эмоции и комфорт пользователей, а значит, на восприятие вида. Несколько исследований показывают влияние цветного света, проходящего через такие материалы36,37, но данных о том, как сдвиг восприятия цвета в виде влияет на удовлетворенность, недостаточно. Существует несколько моделей оценки качества цвета, согласующихся с данными человеческого восприятия38. Из разных методов мы адаптировали два: тест сопоставления цветов и тест упорядочивания цветов.

Сопоставление цветов

Участникам давали 30 секунд, чтобы сопоставить каждый образец CIE Test Color Samples (TCS) 9–1439 с помощью веб-инструмента выбора цвета Google (рисунок 1f, g40). Набор включал TCS9 «насыщенный красный», TCS10 «насыщенный желтый», TCS11 «насыщенный зеленый», TCS12 «насыщенный синий», TCS13 «светлый желтовато-розовый» и TCS14 «умеренный оливково-зеленый». Для каждого из 11 материалов участник одновременно рассматривал через него образец TCS слева на мониторе и инструмент выбора цвета справа. Курсор значительно увеличили, чтобы тест можно было выполнять даже при сниженной четкости. Для анализа использовали CAM16-UCS, новое цветовое пространство, устраняющее ограничения действующего стандарта CIE CAM02-UCS41. В CAM16-UCS цвет задается координатами a′, количеством красного-зеленого, b′, количеством синего-желтого, и J′, светлотой от 0, черного, до 100, белого. Цветовое различие рассчитывали как евклидово расстояние ΔE между двумя точками в этом трехмерном пространстве. Входные данные для преобразования RGB в CAM16 приведены в приложении E.

Упорядочивание цветов

Мы использовали Color Challenge and Hue Test42, упрощенную онлайн-версию теста Farnsworth Munsell 100 Hue (рисунок 1h). Тест оценивает способность выделять и упорядочивать малые различия между цветовыми мишенями. За 2 минуты 30 секунд участники должны расположить 40 оттенков при заданных границах: красный-желтый, желтый-зеленый, зеленый-синий и синий-красный. Чем ниже оценка, тем лучше; ноль означает идеальный результат. Итоговая круговая диаграмма (рисунок 1i) показывает оценки по областям спектра; точки ближе к краю круга означают более слабое различение оттенков.

Удовлетворенность видом

Четкость является основной переменной качества вида из окна и может взаимодействовать с другими переменными, например с содержанием, поскольку меняет восприятие содержания пользователем и тем самым влияет на удовлетворенность видом. Чтобы оценить влияние четкости при разных типах остекления и затенения, мы использовали три изображения: серое здание, зеленый пруд и улицу с людьми (рисунок 1e). Их тщательно выбрали так, чтобы представить диапазон типов наружного вида из предыдущего исследования43. Через каждый из 11 материалов участники оценивали семь аспектов изображений по семибалльной шкале Лайкерта от «крайне не удовлетворен» до «крайне удовлетворен» (дополнительные материалы онлайн, приложение C). Оценивались четкость вида, связь с внешним пространством, зрительная приватность, насыщенность и естественность цвета, ощущение расслабления и отражения или зеркальный эффект.

Статистический анализ

При анализе результатов мы сравнивали средние значения для разных условий остекления и оконного затенения. Хотя к номинальным и порядковым измерениям чаще применяют медиану, среднее дает более детальную, в том числе нецелочисленную, информацию о различиях между группами данных.

Пермутационный тест определял статистическую значимость влияния материалов на зрительные показатели и удовлетворенность видом у одних и тех же участников. Это непараметрический тест, опирающийся только на предположение обменности44. Из разных видов таких тестов мы использовали общий тест симметрии из пакета R «coin», который учитывает попарное сравнение повторных измерений одного человека, а затем оценивает различие условий для каждого участника45. Для повышения надежности обнаруженных эффектов к значениям p применяли поправку Бонферрони. Мы оценивали 55 попарных сравнений материалов, поэтому порог значимости составил p = 0,05/55 = 0,0009.

С помощью линейных смешанных моделей (LMM) мы определяли: (1) основные зрительные факторы, предсказывающие удовлетворенность видом; (2) способность оптических свойств материалов предсказывать зрительные показатели и удовлетворенность. LMM расширяет традиционные линейные модели, допуская фиксированные и случайные эффекты, и применяется к зависимым, продольным или коррелированным данным46. Ценность LMM в том, что модель учитывает часть вариабельности входных независимых переменных, которую не нужно включать в прогноз, в нашем случае различия между участниками. Иными словами, вариабельность каждого человека учитывается как случайный эффект, но не входит в прогностическую модель. Визуальная проверка графиков остатков не выявила явных отклонений от гомоскедастичности или нормальности, то есть допущения LMM выполнялись47. Чтобы оценить прогностическую силу каждого результата зрительного теста для удовлетворенности и влияние каждого оптического свойства на четкость, каждый результат и каждое свойство по отдельности задавали как фиксированный эффект. Идентификатор участника задавали как случайный эффект для контроля индивидуальной вариабельности. Использовались пакет R «lmerTest»44, пакет «MuMIn» для расчета маргинального R2, доли дисперсии, объясненной фиксированными эффектами, и условного R2, общей объясняющей силы модели48, а также пакет R «mtcar» для расчета коэффициента инфляции дисперсии VIF и выявления мультиколлинеарности независимых факторов.

Результаты

Зрительные показатели человека

Острота зрения

На рисунке 2a показано влияние остекления и оконных затеняющих материалов на остроту зрения. Тип затенения, зеркальный или тканевый, в целом влиял на остроту. Зеркальные материалы, кроме ЭХ-4 с VLT 1%, обеспечивали нормальную остроту зрения, LogMAR 0,0 и показатель Снеллена 20/20, даже при пониженном VLT. Напротив, тканевые шторы снижали остроту ниже нормы. За исключением темно-серой ткани с VLT 3%, верхнего столбца в серии тканей, при тканевых шторах оценка была хуже LogMAR 0,3, то есть 20/40. При одинаковом VLT 3% и сходном OF различие цвета двух тканей, темно-серой и средне-серой, снижало остроту более чем на 50%, что указывает на потенциально большое самостоятельное влияние цвета тканевой шторы.

Попарные различия между пленкой VLT 5%, пленкой VLT 3%, ЭХ-2 VLT 31% и ЭХ-3 VLT 6%, а также между пленкой VLT и ЭХ-3 VLT 6%, не были статистически значимыми, что указывает на очень сходное влияние на остроту зрения. Аналогично незначимыми были различия между светло-серой тканью VLT 6% и черной тканью VLT 1%, а также между темно-серой тканью VLT 1% и средне-серой тканью VLT 3%. Это показывает, что итоговая острота зависит от взаимодействия OF, VLT и цвета. Все остальные попарные различия между двумя материалами были статистически значимыми, то есть каждый материал по-разному влиял на остроту.

Контрастная чувствительность

На рисунке 2b показано влияние материалов на контрастную чувствительность. Зеркальные материалы обеспечивали нормальный результат, кроме ЭХ-4 VLT 1%. Тканевые шторы, напротив, снижали чувствительность до 1,5 или ниже, кроме темно-серой ткани VLT 3%. При одинаковом VLT 3% и сходном OF различие цвета, темно-серого и средне-серого, снижало контрастную чувствительность более чем на 50%. Если цвет не был очень темным, тканевые шторы с меньшим OF, примерно ниже 5%, давали результат в диапазоне зрительной инвалидности, 1,0 или ниже.

Попарные сравнения между ЭХ-2 VLT 31%, ЭХ-2 VLT 31% и ЭХ-3 VLT 6% не были статистически значимыми, что указывает на очень сходное влияние на контрастную чувствительность. Аналогично различия между светло-серой тканью VLT 6% и черной тканью VLT 1%, а также между темно-серой тканью VLT 1% и средне-серой тканью VLT 3%, не были значимыми. Это показывает, что влияние различия цвета, черного и светло-серого, может превосходить влияние OF и VLT на контрастную чувствительность.

Цветовая чувствительность: сопоставление цветов

Результаты ΔE показывают, что точнее всего участники сопоставляли насыщенный желтый и светлый желтовато-розовый, затем насыщенный красный и насыщенный синий. Наименее точно они сопоставляли насыщенный зеленый и умеренный оливково-зеленый (рисунок 3a). В целом тканевые шторы давали худшие результаты, чем зеркальные материалы.

Мы также оценивали различия воспринимаемой светлоты ΔJ′. Во всех условиях выбранный участниками TCS10 «насыщенный желтый» был темнее фактического цвета монитора, то есть сам образец казался светлее. Для TCS13 «светлый желтовато-розовый» при более высокой остроте сдвиг воспринимаемой светлоты был минимален. Что касается коэффициента открытости, для черной ткани VLT 1% сдвиг светлоты темных цветов, красного, зеленых и синего, был немного больше, чем для черной ткани VLT 2%. Это позволяет предположить, что меньший коэффициент открытости может усиливать влияние шторы на светлоту J′.

Если рассматривать только сдвиг оттенка Δa′b′, насыщенный синий TCS12 во всех условиях кажется немного более красным, иначе говоря, ближе к фиолетовому (рисунок 3b). Зеленые TCS11 и TCS14 кажутся более желтыми.

Цветовая чувствительность: упорядочивание цветов

На рисунке 4a показано влияние материалов на результаты теста упорядочивания цветов. Зеркальные материалы обеспечивали более высокое, то есть более точное, различение цветов, чем тканевые шторы, кроме ЭХ-4 VLT 1%. Результаты большинства зеркальных материалов значимо не различались, за исключением ЭХ-4 VLT 1%. Интересно, что ЭХ-4 VLT 1% и темно-серая ткань VLT 3% дали одинаковый результат, в отличие от остроты зрения и контрастной чувствительности, где темно-серая ткань VLT 3% была немного хуже. Попарные сравнения двух пленок и ЭХ-3 VLT 6% были равными, что указывает на очень сходное влияние на различение цветов. Аналогично различия между светло-серой тканью VLT 6% и черной тканью VLT 1%, а также между темно-серой тканью VLT 1% и средне-серой тканью VLT 3%, не достигали статистической значимости. Следовательно, способность различать цвета зависит от взаимодействия OF, VLT и цвета. У двух тканей с одинаковыми OF и VLT 3% различие цвета, темно-серого и средне-серого, снижало показатель различения цветов более чем на 70%.

На рисунке 4b показана круговая диаграмма результатов по областям цветового спектра; точки ближе к краю круга означают более слабое различение оттенков. В обоих условиях с пленкой участники хуже различали сине-зеленые оттенки, чем другие цвета. Похожая тенденция наблюдалась для ЭХ-3 VLT 6% и ЭХ-4 VLT 1%. При тканевых шторах картина существенно менялась: различение сине-зеленых и красно-желтых оттенков было хуже, чем остальных. Для тканевых штор с самой низкой остротой зрения мы обнаружили сравнительно равномерное воздействие на весь цветовой спектр. Эти результаты согласуются с наличием корреляции между остротой зрения и восприятием цвета49.

Удовлетворенность видом

Для каждого материала оценки «четкости вида», «связи с внешним пространством», «насыщенности цвета», «естественности цвета» и «ощущения расслабления» следовали сходной тенденции, поэтому в следующем графике эти показатели объединили (рисунок 5a). В целом по этим аспектам люди были больше всего удовлетворены пленками, затем электрохромным стеклом и меньше всего тканевыми шторами. Исключением было ЭХ-2 VLT 31%, которое показало немного лучший результат, чем тонированные пленки. Из пяти аспектов сильнее всего от типа сюжета зависело «ощущение расслабления» (дополнительные материалы онлайн, приложение F). Более подробные закономерности между показателями удовлетворенности и типами сюжета приведены в приложении G.

Для «зрительной приватности» и «отражений/зеркального эффекта» оценки следовали иным тенденциям. При оценке приватности варианты с меньшей четкостью обычно получали более благоприятные оценки (рисунок 5b). Уличный сюжет с людьми вызывал большее недовольство, чем два других сюжета, кроме двух вариантов с наименьшей четкостью, средне-серой ткани VLT 3% и темно-серой ткани VLT 1%. По аспекту отражений ЭХ-3 VLT 6% и ЭХ-4 VLT 1% вызывали большее недовольство (рисунок 5c). Для всех остальных вариантов медианные оценки находились между нейтральной и удовлетворительной.

Влияние зрительных показателей на удовлетворенность видом

Анализ линейной смешанной моделью (LMM) показал, что острота зрения и результат сопоставления цветов, сумма шести значений ΔE, были двумя основными предикторами суммы пяти оценок удовлетворенности видом (рисунок 5a) и удовлетворенности отражениями. В таблице 2a показано влияние зрительных показателей на прогноз удовлетворенности через значения R2, усредненные по трем сюжетам внутри каждой зависимой переменной. Хотя влияние контрастной чувствительности и результатов упорядочивания цветов на удовлетворенность было статистически значимым, эти показатели проявили мультиколлинеарность с остротой зрения. Поэтому в таблице приведены только результаты LMM для самых сильных независимых друг от друга предикторов. Модель описывается уравнением (1):

Переменные определены следующим образом:

Yᵢ: удовлетворенность пользователя видом, то есть сумма пяти оценок удовлетворенности или оценка отражений.

X₁: острота зрения.

X₂: сопоставление цветов.

X₃: взаимодействие остроты зрения и сопоставления цветов.

Aᵢ: случайный свободный член, обусловленный различиями между участниками.

aᵢ: свободный член.

εᵢ: ошибка.

Для удовлетворенности зрительной приватностью двумя основными предикторами были контрастная чувствительность и сопоставление цветов. При прогнозировании удовлетворенности приватностью и отражениями мы получили меньшие R2: влияние предикторов на оценки было статистически значимым, но их практическая полезность оставалась весьма низкой.

Четкость вида и оптические свойства материалов светопрозрачных ограждений

Оптические свойства светопрозрачных систем влияют на четкость вида и тем самым на его восприятие пользователями. На основе эмпирических результатов мы разработали LMM для оценки того, насколько оптические свойства материалов предсказывают зрительные показатели и удовлетворенность видом; для удовлетворенности использовали только четкость вида из-за ее высокой корреляции с другими факторами. При построении модели на полном наборе данных оказалось, что тип ограждения, зеркальный или тканевый, значимо влияет на результаты и маскирует влияние оптических свойств. Поэтому для каждого типа построили отдельную модель. Модель зеркальных материалов показала низкую прогностическую силу оптических свойств, возможно, потому что их воздействие на пользователей было минимальным или статистически незначимым. Ради краткости в таблице 2b приведена только модель тканевых штор. Полный набор данных и модель зеркальных материалов представлены в приложении H.

Тканевые шторы

В таблице 2b показано влияние оптических свойств тканевых штор на зависимые переменные. Среди характеристик производителей двумя основными предикторами были коэффициент пропускания видимого света VLT и коэффициент солнечного отражения RS. Коэффициент открытости OF был еще одним свойством, которое мы учитывали в эксперименте и которое предыдущее исследование20 включило в индекс четкости вида. Однако при построении LMM выяснилось, что OF сильно коррелировал с VLT, но имел меньшую прогностическую силу. Чтобы избежать мультиколлинеарности и ненадежных прогнозов, OF исключили из окончательных моделей, то есть VIF был меньше 4;50,51. Konstantzos и соавт.20 использовали долю прямого пропускания в полном пропускании OF/VLT, также связанную с отражающей способностью ткани. В наших данных OF/VLT не был связан с RS и не оказывал статистически значимого влияния на параметр. Поэтому мы включили RS вместо OF/VLT. Расхождение может объясняться более широким диапазоном OF/VLT в исследовании Konstantzos, от 0,11 до 0,95, по сравнению с 0,67–0,90 в настоящей работе, либо различиями условий, дневной свет против контролируемого искусственного освещения. Причиной могло быть и различие размера выборки, 18 против 50 участников. Несмотря на расхождение в основных переменных, общая тенденция предыдущей работы подтверждается: более высокий VLT и более темный цвет, то есть более низкое солнечное отражение, обычно связаны с лучшими зрительными показателями и большей удовлетворенностью видом.

VLT и RS лучше предсказывали зрительные показатели, R2 от 0,19 до 0,68, чем удовлетворенность видом, R2 от 0,00 до 0,26. Это означает, что прямой прогноз удовлетворенности по оптическим свойствам может не работать, поскольку на удовлетворенность влияет больше факторов, чем на зрительные показатели: цвет, контраст, тип сюжета (дополнительные материалы онлайн, приложение F) и размер вида, связанные с условиями исследования. Эти ограничения подробнее обсуждаются далее. Если предиктором удовлетворенности служат зрительные показатели, прогностическая сила возрастает. Поэтому мы рекомендуем включать зрительные тесты в процедуру анализа для более точного прогноза или интерпретации удовлетворенности. На рисунке 6 показана предложенная прогностическая схема с основными предикторами каждой LMM и последовательностью анализа. Модель описывается уравнением (2):

Переменные определены следующим образом:

Yᵢ: зависимая переменная.

Xₙ: переменная-предиктор.

Aᵢ: случайный свободный член, обусловленный различиями между участниками.

aᵢ: свободный член.

εᵢ: ошибка.

Обсуждение

Практическое значение

Разработанная нами процедура оценки четкости вида дополняет эту область тем, что рассматривает несколько сторон четкости для разных затеняющих материалов: остроту зрения, контрастную и цветовую чувствительность и удовлетворенность видом. Результаты показывают, что острота зрения и контрастная чувствительность являются ключевыми показателями в экспериментах по четкости вида. Острота зрения хорошо предсказывает удовлетворенность видом, а контрастная чувствительность служит главным предиктором зрительной приватности. Из двух тестов цветовой чувствительности сопоставление цветов оказалось более подходящим методом, чем упорядочивание. Тест упорядочивания дает общее представление о влиянии остекления и затенения на разные области спектра, но его результат сильно коррелирует с остротой зрения, что может смешивать эффекты. Сопоставление цветов, напротив, не зависит от остроты. Поэтому его можно применять как один из основных методов оценки наряду с остротой и контрастной чувствительностью. Анализ главных компонент показал, что среди шести образцов CIE в тесте 92% результатов объясняют четыре цвета: насыщенный синий, красный, желтый и светлый желтовато-розовый. Следовательно, время эксперимента можно сократить, сосредоточившись на этих четырех цветах.

Пять вопросов об удовлетворенности, касавшихся четкости вида, связи с внешним пространством, естественности и насыщенности цвета и ощущения расслабления, показывали сходные тенденции. Анализ главных компонент показал, что три вопроса, об ощущении расслабления, естественности цвета и четкости вида, охватывали 99,5% результатов по всем пяти вопросам. Зрительная приватность и отражения следовали иным тенденциям, поэтому при оценке влияния материалов на удовлетворенность их необходимо рассматривать отдельно.

Результаты исследования с участием людей, в котором оценивалось влияние четкости через тканевые шторы, пленки и ЭХ-стекло на зрительные показатели и восприятие, помогают проектировщикам выбирать материалы для светопрозрачных систем. Следует учитывать оптические свойства, включая VLT и RS, и характер вида в конкретном проекте (дополнительные материалы онлайн, приложение F). На практике материалы выбирают по VLT, чтобы получить нужный уровень дневного света и зрительный комфорт. Однако наше исследование показывает, что нужно комплексно учитывать тип затенения, RS, цвет и главную задачу помещения, например четкость, приватность или естественность цвета. Для максимальной четкости и контрастной чувствительности обычно предпочтительны зеркальные материалы, хотя при очень низком VLT, например 1%, они могут сильнее влиять на цветовую чувствительность, чем тканевые шторы. Порог VLT для защиты от бликов при прямом солнце зависит от состояния неба и положения солнца в конкретной местности24,52. Поэтому в пространствах, где важно сохранить естественный цвет вида при бликах, требуется особая осторожность. При выборе тканевой шторы более высокий VLT и более низкий RS, то есть более темный цвет, улучшают зрительные показатели и удовлетворенность, если не учитывать задачу зрительной приватности.

Ограничения исследования

Контролируемая лаборатория позволила управлять внешними переменными, но могла неточно воспроизводить реальные условия. Во-первых, вместо солнечного света использовались прожекторы, а бликов намеренно избегали ради четкости для участников. Это ограничивает выводы, поскольку блики, зависящие от движения солнца, остекления и затенения, могут влиять на зрительный комфорт, остроту, контрастную и цветовую чувствительность22. Мы разрабатывали процедуру оценки четкости, а не проверяли реальные эффекты материалов при разных условиях дневного света, от непереносимых до незаметных бликов. Во-вторых, изображения вида показывали на мониторе, что могло иначе влиять на удовлетворенность и другие реакции, чем настоящий наружный вид. Преимущество состояло в возможности проверить несколько сюжетов при одинаковом освещении, чего нельзя было бы сделать в реальном здании. В-третьих, яркость, создаваемая экраном и потолочными светильниками, была ниже реальных уровней у наружного окна. По климатическим данным ближайшей местности наши 10 300 лк соответствовали нижней границе часовой наружной освещенности. Мы пытались учесть это, регулируя рассеянный светильник и уравновешивая отношение наружного и внутреннего света. Тем не менее условия не охватывают весь диапазон освещения у настоящих окон. Более низкая яркость могла повлиять на цветовую чувствительность: воспринимаемая насыщенность уменьшается при снижении яркости, что известно как эффект Ханта53. Цветопередача дисплея также могла отличаться от реального объекта. Мы откалибровали встроенными средствами iMac монитор с опорным источником D65, но спектрорадиометр обеспечил бы более точные условия и мог изменить результаты цветовой чувствительности. Наконец, ограничением были небольшие размеры окна и экрана. Хотя доступность вида, то есть доля пространства, видимая из положения наблюдателя, не была основной темой, это важная переменная качества13. Наш образец меньше обычного офисного окна, но доступность могла быть сопоставима с ситуацией, когда человек сидит дальше от большого окна. С учетом этих ограничений будущие исследования следует проводить при дневном свете.

Из-за ограниченного времени мы проверили только 11 вариантов оконных пленок, ЭХ-стекла и рулонных штор. Сегодня применяется гораздо больше материалов и оконных решений, влияющих на четкость, например стекло с фриттой, москитные сетки и занавески. Кроме того, тесты предполагали равномерное воздействие материала на весь вид и не охватывали бинарные решения, такие как горизонтальные жалюзи, дающие либо полную четкость, либо полное перекрытие, частично поднятые тканевые шторы, материалы с разным цветом внутренней и наружной стороны или с меняющейся по площади окна тонировкой.

Наконец, участвовали 50 человек. Это больше, чем в других исследованиях, 18 в20 и 32 в22, но все же довольно мало. Большинство были студентами. Поэтому результаты могут не распространяться на людей другого возраста, культуры или страны и на нейроотличных людей. Некоторые аспекты, например зрительная приватность, могут зависеть от культуры54, вызывая противоположные оценки одних и тех же условий. Учет возможного модерирующего влияния культурных различий помог бы создать более надежные стандарты и рекомендации.

С учетом сложности светопрозрачных систем и связанных с ними зрительных параметров дальнейшие совместные исследования позволят собирать и обмениваться данными для создания более надежных и применимых прогностических моделей.

Заключение

В исследовании оценивалось влияние оконных пленок, электрохромного стекла и тканевых штор на зрительные показатели и удовлетворенность видом. Насколько нам известно, это первое контролируемое исследование, сравнившее зеркальные и тканевые материалы сразу по нескольким сторонам четкости: остроте зрения, контрастной и цветовой чувствительности и удовлетворенности. Искусственное освещение и компьютерный экран для тестов и изображений позволили проверять каждый материал при одинаковом освещении и имитированном наружном виде, устранив распространенный смешивающий фактор исследований дневного света.

Мы заключили, что тип затенения, зеркальный или тканевый, в большинстве случаев значимо влияет на зрительные показатели. Зеркальные материалы обеспечивали нормальные остроту и контрастную чувствительность даже при снижении VLT. Самое темное состояние ЭХ-стекла давало более низкие показатели, чем другие зеркальные материалы, и статистически не отличалось от лучшей тканевой шторы по остроте и контрастной чувствительности. У пары тканей с одинаковым VLT 3% и сходным OF 5 различие цвета, темно-серого и средне-серого, при разнице солнечного отражения 16% снижало остроту и контрастную чувствительность более чем на 50%, а различение цветов более чем на 70%. Тест упорядочивания показал, что через зеркальные материалы сине-зеленые оттенки различаются хуже других. Для тканевых штор, кроме вариантов с самой низкой остротой, различение зелено-синих и красно-желтых оттенков было хуже, чем остальных цветов.

В целом люди были больше всего удовлетворены пленками, затем ЭХ-стеклом и меньше всего тканевыми шторами. Зеркальные материалы были предпочтительнее для большинства аспектов, но самое темное состояние ЭХ-стекла создавало проблему отражений. Тканевые шторы лучше обеспечивали зрительную приватность, однако снижали удовлетворенность другими аспектами вида.

Анализ LMM показал, что острота зрения, контрастная чувствительность и сопоставление цветов являются основными показателями для оценки влияния материалов на удовлетворенность видом. VLT и RS служат основными оптическими свойствами для прогноза зрительных показателей через тканевые шторы. По маргинальному R2 точность моделей находилась в диапазоне от 0,19 до 0,69.

Результаты поддерживают дальнейшее развитие основанной на исследованиях оценки четкости светопрозрачных систем. Мы предлагаем процедуру, включающую остроту зрения, контрастную и цветовую чувствительность и соответствующую удовлетворенность видом. Полученные оценки оконных пленок, электрохромного стекла и тканевых штор помогут проектировщикам выбирать затеняющие материалы и совершенствовать конструкцию окон.

Дополнительная информация

Дополнительная информация.

Благодарности

Исследование поддержали View Inc. и Center for the Built Environment. Мы благодарим доктора Kevin Houser, доктора Jae Yong Suk, Steve Selkowitz, Brendon Levitt, доктора Michael Kent и доктора Austin Rooda за рекомендации по плану эксперимента; доктора Giorgia Chinazzo за опыт ее эксперимента с оконными пленками, расчеты цветовых расстояний и модули визуализации; Dong Huk Park за разработку модуля зрительных тестов. Mechoshade, Inc., 3M и PG&E Tool Lending Library предоставили поддержку в натуральной форме, затеняющие материалы и приборы для измерения освещения. Мы также благодарим участников Undergraduate Research Apprentice в UC Berkeley, Qingquan Chen, Joanne Chuang, Betty Chen, Seojin Choi, Elizabeth Lee, Arhan Vohra, Zoe Luke, Pace Bongiovanni и Angela Chung, и приглашенного исследователя Ying Li за помощь в проведении экспериментов. Авторы признательны и 50 участникам исследования.

Вклад авторов

W.K.: концепция, методология, формальный анализ, визуализация, написание первоначального текста, привлечение финансирования. I.B.: методология, проведение исследования, формальный анализ, визуализация, написание первоначального текста. S.S.: методология, рецензирование и редактирование текста, руководство, управление проектом, привлечение финансирования. S.C.: методология, рецензирование и редактирование, руководство. P.M.: методология, рецензирование и редактирование, руководство. C.U.: проведение исследования, рецензирование и редактирование.

Доступность данных

Данные и код доступны по адресам: https://doi.org/10.5061/dryad.sn02v6xbc (ожидалось в 2024 году) и https://github.com/windowviewquality/view-clarity-experiment.

Конфликт интересов

Center for the Built Environment (CBE) Калифорнийского университета в Беркли, с которым связаны некоторые авторы, получает консультации и частичное финансирование от множества партнеров, представляющих разные организации строительной отрасли, включая производителей, владельцев зданий, управляющих объектами, подрядчиков, архитекторов, инженеров, государственные учреждения и коммунальные предприятия. Stefano Schiavon входит в совет консультантов по экологическому здоровью View Inc. Piers MacNaughton занимает должность директора по стратегии здоровья в View Inc.

Сноски

Примечание издателя

Springer Nature сохраняет нейтралитет в отношении юрисдикционных притязаний на опубликованных картах и в указанных организациях.

Дополнительная информация

Онлайн-версия содержит дополнительные материалы по адресу 10.1038/s41598-024-69026-x.

Литература

Связанные данные

Дополнительные материалы

Дополнительная информация.

Заявление о доступности данных

Данные и код доступны по адресам: https://doi.org/10.5061/dryad.sn02v6xbc (ожидалось в 2024 году) и https://github.com/windowviewquality/view-clarity-experiment.