室内光照如何影响排球比赛成绩？

这是“神经工程管理”第72篇推送

世界各地的体育设施都采用LED照明。而LED的高亮度和小发光表面会导致眩光的概率增高。虽然室内体育设施并不是其中的一种，但有一些特定的情境存在验证性眩光模型，如办公室或室外足球场地。此外，我们不知道灯光对运动员表现的影响程度，对于眩光是否会降低运动员成绩，以及眩光的降低是由于不适眩光还是失能眩光，已有研究未达成共识。在本研究中，我们在一个排球场上对来自荷兰全国室内排球比赛的业余和职业运动员进行了客观的成绩测量，用眼动仪来观察注视数据有助于更好地理解成绩或眩光的主观体验。结果显示，眩光并没有降低运动员的成绩，但以不适感和不接受感为衡量指标的主观体验显著增加。目前的统一眩光评分(UGR)眩光模型与不适感表现有很强的相关性，光源亮度和背景亮度联合预测不适感和不适感的效果更好。本文的研究表明，现有的眩光模型在室内运动环境中表现良好。

关键词：运动照明；眩光；眼动追踪；不适；失能

LED照明以其降低能耗和维护费用的优势快速进入体育照明领域，但是LED照明由于其面积小、明亮、发光等特点，在视觉上会产生不舒服感，被认为会引起眩光。并且有相关研究表明在办公室环境中，眩光对任务绩效（检测任务）有负面影响。

眩光(Glare)被定义为由于亮度分布或范围不当或极度对比度引起的视觉不适或对细节或物体的视能力下降。一般来说，眩光分为失能眩光和不适眩光两大类。眩光的指标有光源的亮度、背景表面反射的亮度、光源的固定角度和眩光角度。虽然高照度会产生不适感，但这可能会提高运动中物体识别、反应时间、速度和准确性等任务的表现；失能眩光会损害运动员的视觉表现，因此会降低运动员的成绩。研究表明，失能眩光是生理效应，不适眩光是心理效应。CIE建议对户外运动场地使用眩光等级(GR)，室内办公使用统一眩光等级(UGR)。尽管如此，GR模型没有进一步区分不适和失能眩光，而UGR模型显示了不适的程度，因此，在成绩的影响方面，两者中谁占主导地位仍不得而知。具体的公式如下所示：

Lb是背景亮度（cd/m2）

L是灯具发光部分的亮度（cd/m2）

ω是灯具发光部分对被试眼睛所形成的立体角（sr）

ρ是每个灯具的古斯位置指数

Lvl是室外照明灯光在视网膜上产生的光幕亮度

Lve是室外照明的背景在视网膜上产生的光幕亮度

有文献表明，GR也适用于室内运动环境，但最近的研究发现，对于光源亮度较高的情况，如LED照明，这种情况并不成立。此外，GR的设计是针对室外足球环境，以夜空为背景，而体育馆的天花板和墙壁通常比夜空有较高的亮度。UGR的实际应用为运动场景的测试创造了条件，但到目前为止，还没有针对此的眩光评估模型。由于缺乏更好的替代方案，GR正在被用于室内运动场地，但实际上对于室内运动场地的眩光要求，没有任何”具体的、可量化的建议”。如篮球(FIBA)：照明应通过对照明设备的正确定位来减少眩光和阴影；排球(FIVB)：灯不得以任何方式使球员眼花缭乱，太亮的也不得放在球场中心线上。

在许多运动项目中，运动员必须不断快速地调整注视，从而改变灯具在视野中的位置指标。特别是在高度动态的环境中，如羽毛球和排球，眩光量在短时间内可以发生剧烈变化。在每个不舒适眩光模型中重演的元素之一是眩光灯具的位置指数。在某些公式中，位置指数表示为眩光角，而在另一些公式中，位置指数表示为一个相当复杂的方程，如古斯位置指数，然而，所有公式都有一个共同点，位置指数只适用于一个静态情况。

运动成绩的高低与视觉表现有着密切的关系，如识别物体的时间、快速聚焦物体的能力、深度判断等。运动员在进行复杂动作的同时，需要不断地从环境中提供准确可靠的视觉信息。因此，在运动环境中，视觉表现至关重要。失能眩光不仅影响室内工作场所一般任务的表现，更会妨碍人们检测或处理周围信息的能力，而且在驾驶时，也会损害运动表现。失能眩光降低运动表现的主要因素是反应时间的增加，在某些情况下会产生不幸的后果。

在本文中，我们利用多视点来分析数据。利用已有的眩光模型进行眩光计算。此外，对灯光场景的不适和接受度进行了主观测量。同时，对任务表现和注视行为进行客观测量。

通过这项研究，我们了解在多大程度上可以使用任务表现作为指标来量化室内运动的眩光。此外，我们寻求最好的方法以量化室内运动眩光。文献表明，不适的增加并不一定意味着表现的下降。也就是说，失能眩光会减少人们从视觉上获取的信息量，而不适眩光会分散人们对手头任务的注意力。因此，我们的假设是，在依赖视觉输入的任务中，眩光的增加会导致运动表现的下降。本文探讨了现有的眩光模型或其他指标是否能够预测眩光的主观体验。

业余运动员和专业运动员的视觉表现没有差异，只是在知觉—运动技能上存在差异，在排球运动中，职业运动员在预测比赛情境、估计运动物体速度和方向等方面的技能水平显著高于业余运动员。因此，假设在眩光的影响下，职业运动员的任务下降程度与业余运动员不同。本文还探讨了技能水平是否对眩光下的成绩产生影响。

研究的第三个方面是，眼动追踪是否是一种定量测量室内运动眩光的可靠方法。排球专业运动员通常需要较少的视觉信息来成功执行他们的任务。换句话说，排球专业运动员不需要跟踪球的整个轨迹，可以从他们的周边视觉中检索到更多的信息。专业运动员可以将视线从灯具上移开，从而减少眩光的不利影响，并在活动中获得更大的眩光角度。

被试被要求以三种不同的姿势(如图1a和1b所示)按1、2、3的顺序进行一组击球尝试。在每个球场位置，观察到的光照属性没有很大的变化，但眩光角度有变化。对于位置1，球来自眩光源的方向，必须远离灯具。对于位置2，球来自于眩光源的方向，但随后必须被对准几乎完全相同的方向。对于位置3，球来自一个没有眩光的方向，但必须对准灯具。对于这三个位置的每一个，这些尝试都是在四个不同的灯光场景中进行的，标记为B，BG，G和GG。

图1a

图1b

根据距离目标中心的距离(m)，这些分数被转换为径向误差。圆形目标的每个圆环都比国际排联官方排球(21cm)略大，宽度为0.27米。中心环的半径为0.35米。径向误差表示各环的中点(第一环=0.485m，第二环=0.755m，第三环=1.025m等)。在两个环的边界上着陆的尝试被计算为最大的径向误差。

本次实验(N=30)于2017年2月选取了20名业余排球运动员和10名职业排球运动员。业余的小组由13名女性和7名男性组成，他们参加荷兰排球联合会(NeVoBo)的第三节、晋升班或第一、二、三节比赛。其中8名被试年龄在18岁至20岁之间，10名年龄在21岁至25岁之间，2名球员年龄在26岁至35岁之间。10名职业球员中有6名女性和4名男性，其中7名年龄在18岁至20岁之间，3名年龄在21岁至25岁之间。被称为职业的团体是来自A联赛、B联赛、或一级或二级联赛的球员。业余组和专业组之间的主要区别是每周的平均训练量，业余组是2次，专业组是4次。每周平均训练时间分别为3.6小时和10.3小时。

关于照明系统的设置，本研究中的自变量来自于测量前填写的人口统计问卷。该问卷包含了年龄、性别、技能水平和眼睛颜色等可能影响眩光感知的变量。戴眼镜的人被排除在研究之外，因为在光线进入眼睛之前，眼镜可能会导致额外的杂光，同时也因为不可能佩戴眼动仪。没有排除那些戴隐形眼镜的球员，但我们进行了额外的分析，以确定隐形眼镜是否会影响比赛结果。

被试被告知，他们可以随时停下来，无需给出特定的理由。测量是在可以提供急救的地方进行的。测量期间的风险是被认为可以忽略的。

被试必须瞄准的目标位于地板上，每个环的直径为27厘米，中心外共有5个环。基于这种设置，我们创造了不同的灯光场景。标记为B的灯光场景被用作基线测量，并与其他灯光场景的得分进行比较。表1记录了标记为BG(背景、物体和眩光)、G(物体和眩光)和GG(眩光)的灯光场景的属性。

这些数字是利用Techno Team LMK亮度相机和Minolta T-10A照度计在1.5米的高度上反演得到的，瞄准目标的方向在视线水平下2°。对LMK相机拍摄的图像进行分析，给出了Lb值。在同一图像中，提取Lssource亮度。

表1实验2每个灯光场景和场地位置的照明条件

在本研究中，体育馆所有现有照明都被关闭，只使用LED灯具，如图2所示。LED灯具的确切特性是已知的，其中一台Philips Coreline High-Bay(BY121PG2205S/840PSUMBGR)灯具用于背景亮度的创建，另两台相同的灯具用于对象亮度的创建。菲利普斯Gentle Space2 灯具安装在桅杆上，高度为7m，与水平线夹角为23.43°。对于位置2，这个角度为30.41°；对于位置3，这个角度为41.55°。

对于A联赛级别的比赛，在球场上方1米的高度，NeVoBo要求最低水平照度为750lx。本研究中光照场景的照度值低于水平照度(即均小于100lx)。为了排除这些较低值的影响，我们创建了一个标记为B的基线灯光场景，在这个场景中，只有背景被照亮，但没有眩光。通过这样做，可以假设对简单的排球任务没有影响。其次，GR眩光模型的设计考虑了水平照度仅为50lx的训练场地，因此本研究也不例外。

首先，要求被试填写一份问卷，其中包括有关人口统计学信息和排球经验的问题。然后，对这三个光线场景中的每一个都进行了设定练习(过手练习)。被试必须进行两对游戏。对于每个位置1、2、3，10个球分别从被试1到被试2进行。然后，被试2瞄准地面目标，并登记他们的分数。在完成所有三个位置的练习后，被试2填写了关于灯光的问卷。这套流程在三个光线场景中重复了三次。被试随后转换角色。灯光场景的顺序被系统地采样，以便每个顺序都被平等地提供，以考虑到任何学习效果。在实验之前和实验期间收集的问卷的答案被用来测试对所见效应的明确解释，这样就可以排除年龄或性别等特征的影响。

每个灯光场景结束后，通过问卷调查、排球运动表现结果、眼动仪数据收集因变量。问卷的问题包括对灯光场景中眩光的不适和不接受。被试的运动表现由设置练习的准确性进行分析(即，根据在球场和灯光场景中每个尝试位置的径向误差来定义)。

在这个实验中，被试戴着瞳孔实验室的眼动仪。这个眼动仪记录了每个被试的凝视位置，让我们可以确定被试看灯具的准确时间范围，以及每次尝试的眩光角度。

图2瞳孔实验室眼球跟踪器的正视图

在选择被试之前计算样本量。结果表明，样本量为28名时，t检验的预期效应量为1，多元回归的预期效应量为0.35，总样本量最小。

测试被试特征对任务绩效的影响。进行双因素方差分析，发现眼睛颜色和径向误差对光照场景G的影响显著(F(4，14)=9.994，p<0.05)，每周训练次数对径向误差的影响显著(F(1，14)=5.428，p=0.035)。这两个影响可以解释为缺乏正态分布的自变量眼睛颜色和每周训练次数。三名眼睛颜色混合的被试都属于业余组，他们在所有灯光场景中的得分都相对较低。排球运动员的训练时数与每个运动员的技术水平密切相关，进而与表现水平相关，如图3所示。

图3业余爱好者、专业运动员和总的平均径向误差。

对于实验中使用的灯光场景，根据现有的室内眩光等级模型UGR和GR计算相应的眩光值。用于计算眩光量的参数见表2。这里显示了不满意的被试的百分比，即对问卷中关于灯光场景的第一个问题回答“不”的人数。接下来，将光场景和位置的主观体验添加到眩光模型中。不适不能接受的评分分为6个等级，从中性到不舒服，从不可接受到可接受。这些分数是相对于每个被试在灯光场景B上给出的分数显示的。

表2每个位置、每个灯光场景的眩光量

从图4的结果可以看出，两者之间存在着很强的线性关系，特别是对于以直接光为主的光线场景，如G-B和G-B，这在其他研究中也有发现。本研究结果显示，业余爱好者比专业运动员更能接受不适。此外，专业运动员的数据与线性趋势线的偏差较小，因此，表明他们接受的不适较少。

图4业余和专业相对不接受相对不适的个人数据

以使用最多的眩光模型UGR和GR为例，显然室内眩光模型的位置指数UGR与主观体验的相关性要高于户外运动模型GR。Spearman相关分析显示，UGR与不适感(rs=0.949，p<0.05)和不接受(rs=0.949，p=0.05)的相关性强于GR与不适感(rs=0.767，p=0.016)和不接受(rs=0.767，p=0.016)的相关性。

业余和专业之间的另一个区别显示在图5。这张图说明了灯光场景之间的差异分布。在这里可以看到，业余爱好者的主观体验随着眩光的增加呈线性增加，而专业运动员对BG和G光照场景的不适和不接受度的评价是相同的。

图5业余爱好者和专业运动员相对主观经验分布的箱线图

由于不适与不接受存在较强的相关性，但不适与线性趋势线偏差较大，因此选择不接受作为针对现有眩光模型的分析对象。图6显示了导致被试不接受的对数线性概率。然后，这一概率与现有的尺度有关，以显示这些眩光模型是否可以用于室内体育评价。给出了置信区间，并在某些情况下给出了100%的不接受概率，认为这是高度不确定的。在这些情况下，这些值假定为100%。

图6现有眩光模型相对于不被接受概率的总体均值s曲线

现有的眩光模型并不适用于室内运动环境。尽管如此，他们已经为此情况进行了测试，以检查我们的结果的一致性。如前所述，早期的研究表明，对于非LED照明，GR眩光措施适用于室内运动，尽管后来这一方法在LED照明中被推翻。眩光模型中静态位置指标的缺点是只适用于这种情况，而在运动中眩光角度是不断变化的。

除了现有的眩光模型，我们建议使用光源和背景的分数亮度(Ls和Lb)，如表1所示，这部分是更一般形式的不适眩光模型(公式(3))的一部分:

如图7所示，相对于光源亮度和背景亮度的分数，设置人群将光场景评估为不可接受的概率。对于Ls和Lb的分数，在5192处发现50%的不接受概率阈值。这些值没有阈值，因此我们从测量结果计算不适和不接受的相关性。发现Ls和Lb不适（rs=0.978，p<0.05）和不接受（rs=0.928，p<0.05）之间的Spearman等级相关性存在显着相关性。

图7眩光指标相对于不被接受概率的总体均值s曲线

亮度模式的不均匀性，特别是高局部梯度的不均匀性，会引起不适感眩光，不适眩光的心理物理模型描述了人类视觉系统对这种模式的反应，VDG用于预测不适感眩光体验，并发现不适感与VDG的相关性，如图8所示。

图8与业余爱好者和专业运动员的不适结果相比，体验到的不适眩光

VDG不同位置与不适感均值之间呈Pearson相关。位置1(r=0.984，n=4，p=0.160)和位置2(r=0.970，n=4，p=0.030)相关性显著。位置3与位置1和位置2都没有显著相关，可能是因为眼睛上的照度较低，也是因为位置被评为不舒适程度较低。文献表明，负实体被赋予更大的权重，位置1在被试眼睛的照度最高，是最不舒适的位置，因此在判断光照场景时权重更大。这也解释了为什么我们发现位置1的VDG相关性最高。

室内运动的主观体验可以很好地用于量化眩光，但研究的中心问题是任务表现是否为眩光的可靠指标。在图9中，我们给出了每个光照场景的平均径向误差。

标签a、b和c用来指示数据是否存在显著差异。一个有a标签的标签与没有a标签的标签有显著差异。首先，正如最初假设的那样，专业运动员的径向误差平均比业余人员小。通过配对样本t检验，专业运动员在灯光场景B(M=0.503,SD=0.118)和G(M=0.369,SD=0.057)的被试内部表现差异显著(t(9)=3.788,p=0.004)。另外，经独立样本t检验，专业运动员(M=0.369,SD=0.057)和业余人士(M=0.489,SD=0.131)在光照场景G中的径向误差存在显著差异(t(27.753)=3.479,p=0.002)。

因为只有光场景G有显著差异，而且GG，也就是最耀眼的灯光场景，似乎对两组的径向误差都没有影响，对任何测试对象也没有影响，因此，对任务表现也没有影响。需要注意的是，专业运动员和业余爱好者在基线条件B上的表现并没有明显不同。然而,当测试对象之间独立样本t检验，对于组合光场景BG、G、GG来说，在平均情况下专业运动员(M=0.418,SD=0.052)优于业余(M=0.504,SD=0.110,t(28)=2.329,p=0.027)人士，如图9所示。这一发现证实了一个假设，即专业运动员表现出任务绩效的差异，尽管眩光的数量不是原因。这里需要注意的是，当观察径向误差的标准偏差时，这些差异大于业余和专业运动员之间的组内和组间的差异。

为了回答眼动追踪是否可以用来评估平均眩光角度来量化眩光的研究问题，我们分析了被试将眩光源保持在视线25°内的时间。25°是近周边视力和周边视力的分界线。这个阈值很重要，因为舒适与不适之间的边界(BCD)亮度在视野边缘比在视野中心更高。从这一点开始，这个分数将被称为眩光角分数。

首先，分析业余爱好者的注视数据和专业运动员的注视数据之间是否存在差异。图9所示的结果显示了两组的结果专业运动员(M=0.921，标准差=0.024)比业余人士(M=0.755，标准差=0.028)在视网膜中央凹和近周边视觉中使用灯具的时间更长。配对样本t检验证实了这一点的差异显著(t(4)=8.603，p=.003)。第二个影响是当眩光量增加时，眩光角分数增加。眩光角度小于25°的时间百分比与任务绩效和主观经验均无显著相关性。该眩光角小于25°的时间百分比与任务绩效和主观经验无显著相关。

图9不同灯光场景下业余爱好者(白)和专业运动员(黑)的眩光角分数

任务绩效不受眩光损害的一个含义可能是远离眩光源的效果，这种行为会减少不适，但会恶化检测性能，被称为战略适应。来自同一研究的另一个显著结论是不适感与实际任务绩效的明显独立性，当驾驶员几乎没有任何不适感报告时，其实际驾驶行为可能会受到显著影响。

相反，其他研究发现，明亮的灯具会提高视觉表现。这主要是因为少量的杂散光，杂散光和致残性必须分开评估。我们发现，本研究中的散光量超过了这个阈值。

物体或目标上较高的照度水平有助于提高性能，因此，很难确定更高的照度对被试的眼睛会有什么影响。表现是相对于基线光场景B呈现的，因此可以排除低照度水平的影响，这并不意味着每个被试都能够在整个实验中保持焦点。排球比赛需要大量的脑力劳动，以便预测动作，了解队友和对手在做什么，然后应用适当的战术。这项研究中进行的练习需要的脑力劳动较少，这可能导致眩光对表现的心理影响不那么明显。据推测，需要更高脑力的运动会显示出眩光对运动员表现的不同影响。

在Much和Bodmann(1961)的早期研究中也发现了眩光对任务表现的影响的缺失。这项研究的一个暗示是不适并不一定会导致任务表现的下降。，所周知，成功完成某项任务的动机水平能够克服眩光的影响。

此外，不适眩光的短期负面影响与长期影响是不同的，头痛、紧张，甚至身心疲劳都可能是长期暴露于失能眩光和不适眩光的结果，这些症状不利于任务执行。之前提到的研究测量了持续眩光暴露3到4小时后的影响，在这项研究中，我们也分析了是否可以看到效果，测量过程中时间的影响没有发现显著的结果。我们的研究测量每个被试花了20分钟，因此认为眩光的长期影响在全程训练或比赛中会更加明显，这些训练或比赛通常持续不少于90分钟。

本文的第一个目标是寻找一种量化室内运动眩光的方法，第二个目标是阐明技能水平是否会因为眩光而影响运动成绩的影响。

在任务表现方面，业余爱好者和专业运动员在光景G和GG之间由于眩光而导致的平均径向误差增加最明显。光景G和GG的平均径向误差差值分别为业余爱好者3.0cm(0.519m-0.489m)和专业运动员7.1cm (0.440m-0.369m)，同一光照场景的标准偏差分别为37.4cm和36.0cm。这些尺寸都大于目标上的一个圆环(27厘米)，而这条圆环是参赛者必须瞄准的。考虑到一个排球场宽9m、长18m，平均径向误差和标准差的差异实际上很小，这就补充了径向误差差异不显著的结论。这些发现与类似研究的发现形成了反差，其中失能眩光显著降低了运动员在成功进行的练习中的表现，反应时、时间错误和空间误差对不同眩光角度的测量。

虽然测量了较高的UGR和GR值，但无论是业余还是专业运动员都能将其平均任务绩效保持在较小的范围内。尽管在表演中没有重新认识眩光的影响，但显然眩光确实对主观体验有影响。不适和接受程度被确定，并发现与现有眩光模型没有强相关性。

目前还没有经过验证的运动室内眩光模型，这可能说明运动员的视觉舒适性普遍缺乏关注。已有研究分析了户外运动设施GR是否是量化室内体育设施眩光的可靠方法，但现有的室内不适眩光模型，如UGR，在本实验范围内似乎与运动员的主观体验有较高的相关性。

研究的第三个目标是看能否用眼动追踪来解释径向误差的差异。在此，没有发现明显的相关性。尽管如此，眼动数据显示出更小的眩光角。显然，眩光改变了注视行为，但进一步的研究必须调查视觉搜索策略受到何种影响，例如注视次数和被试看什么物体。

对不适眩光也进行了分析，这就是Ls和Lb的分数，与UGR的整体不适方程(式(1))中的主观经验同样相关。意味着灯具的固体角和眩光角的元素对结果没有贡献。主要因为不适眩光模型使用的是静态眩光角度，而丰富的眩光角度更符合排球运动的动态情况。通过考虑眩光角因子与主观体验结果如何相关来检验这一结论，没有发现明显的关系。

Ls和Lb作为对比度的度量，可能会产生各种心理和生理效应，我们计算每个光照场景体验到的不适感眩光是多少，发现不适感和场上位置1和2的VDG有很强的相关性。位置3显示出较大的偏差，可能是由于水平视线与灯具的夹角较大，导致不舒适眩光急剧下降。眩光角在位置1和位置2中最高，这给人一个很强的提示，体验最差的眩光是引起整体不适的眩光。因此，今后需要对VDG进行进一步研究。

本研究得出的结论适用于较低照度水平下的简单排球运动。这些结论是否可以推广到其他的排球运动，甚至是其他的运动，还有待进一步的研究，尽管很可能每一个具有物体的室内运动都需要高度动态的注视行为，包括向灯光方向的注视，但最终的结果是相同的。属于这一类的运动是以室内网球、篮球或羽毛球为例。

低照度水平不会对简单的练习产生影响，对于较高的水平照度值，眩光对性能的影响将更小，因为光线将在运动厅内分布更均匀。也许眩光对成绩的影响会随着排球运动的不同而更加明显，不同特征的运动可能会表现出不同的效果。因此，我们建议在多个运动类型上因照明而测试潜在成绩下降，以便量化照明和眩光对运动员成绩的影响。

最后，建议作为后续研究，看看这些结果能否外推到驾驶汽车的人身上。在驾驶环境中也可以发现低照度水平和被试动机的结合，相同的生理和心理反应可以得出相同的结论。