数字化火焰设计
这个作品的设计目标是为了模拟自然火焰的效果，作为一个室内的动态装饰光源，将以较为学术的内容介绍这个项目的核心：
研究目的
当今社会，随着就业和工作压力增大，所产生出来的焦虑和压力需要缓解，而人们的日常生活大部分位于室内，室内的光环境因素对人的生理和心理状态都有较大的影响[1]。不同于台灯、吊顶灯、床头灯这类功能性的恒定光源，我们想在室内引入一种数字化模拟自然光的光源。篝火这种源自于自然的动态光对于人的情绪有相当积极的影响[2,3,4]。但对于中国大部分房屋建筑的设计，想在室内引入自然的火光并不现实。因此，我们希望将篝火发出的火光数字化。
研究内容
（1）数字化篝火对用户情绪的影响
不同于市面上已有的电子篝火景观模型，我们希望研究一套适合室内居家环境，对于人的情绪包括缓解压力、助眠、提高专注度等积极影响的室内自然光模拟系统。本项目使用心率变异率疲劳度检测技术，通过心率变异性变化作为评判其生理疲劳度的标准。使用对照实验检测人在自然篝火与模拟篝火前不同的生理状态，同时采用问卷调查的方式获得用户在情绪上的变化，为接下来的电子篝火设计提供进一步的理论基础。
（2）基于视觉感知的数字化篝火特征研究
将篝火影像分级别进行模糊化处理，实验对象将分别观看数个分级别的影像，测量并分析观看前后心率变异性指标的变化，获得不同程度抽象化火焰对于研究对象影响的区别。再提取篝火的形状，渐变，色彩，动态变化的视觉感知特征，并使用计算机获得其单特征图像，使用单特征图像代替电子篝火再次对实验对象进行实验，并获得篝火相关特征对人影响的权重，以此作为篝火数字化模型的设计基础。
（3）篝火数字化模型设计
基于前面实验所得数据，设计包括动态光矩阵模块，控制系统模块，传感器模块的模拟篝火实验设备。搭建实验空间，提取前期研究对于火焰模糊化后的特征，作为数字化火焰的特征参数，并通过调整包括模拟化火焰的动态效果、灯光的色彩与变化程度的特征参数，和实验设备的摆放位置、人眼是否直视等空间参数，研究这些参数对于实验对象疲劳度与心理影响的程度。
（4）数字化篝火的产品设计
完成数字化篝火的相关外形设计并进行市场调研，设计出符合市场需求的产品构型。同时，引入包括小型低精度的毫米波雷达在内的传感器感知包括人呼吸、心率、运动在内的用户参数完善动态效果与交互模式的设计，将产品接入物联网设计开发APP以及对应的服务器后端系统，完善和丰富产品的功能。
（5）数字化篝火的对人情绪正向影响的验证 对制作出来的数字篝火产品进行实验验证是否对人的情绪有正向影响，并且通过检测心率变异性变化结合心理量表量化数字化篝火对人情绪影响的程度。
国、内外研究现状和发展动态
目前国内的照明设计虽然起步较晚，但随着用户需求的不断增长，更多的学者也在国内照明领域进行了更为全面与专业的研究[5]。其中关于灯具设计的研究主要是从情感化设计角度与用户体验角度出发的，关于灯具设计要素研究多是集中在灯具外观造型方面的探究，但在整体的灯具设计流程中，缺乏对灯具照明效果对用户视觉刺激的深入分析,忽略了灯具照明对用户情绪体验的影响作用。而从情绪认知的角度出发，利用关于用户情绪体验、认知过程与环境刺激间的相互作用来进行灯具设计研究,在考虑灯具外观造型设计的基础上对灯具功能进行研究,有利于从更全面的角度设计出更加满足情感需求与用户体验的灯具产品。[6]国外的灯具设计研究通常将灯具设计与室内照明设计相结合。欧美国家在对于室内光环境的研究中，重视光对人的心理和生理影响，通过环境心理学等多角度阐释在室内设计中合理运用灯光的重要性。
光对用户认知表现及情绪方面的研究已有很多。美国国立精神卫生研究所NIMH的科学家团队从上世纪90年代就开始研究光和情绪的关系，尝试揭秘光在大脑中的复杂作用;目前，神经影像学研究结果表明，在认知任务执行期间，不同持续时间、波长和强度的光可以刺激大脑皮层（如背外侧前额叶皮层、顶内沟和顶上小叶等）和皮层下结构（如蓝斑核、杏仁核等）的神经活动[7]。在环境心理学研究中也发现自然环 境具有恢复性[8,9]。Ulrich 的压力恢复理论[10]认为对特定环境特征的积极情感反应 可以缓解个体压力；Kaplan 的注意力恢复理论[11]则认为某些认知过程（如无意注意）能够降低由于过度使用某人的注意力（直接注意力）所导致的脑力疲劳。由此可知，某些光环境特征和自然视觉特性在压力和疲劳改善中可能起着关键作用。
随着固态照明、新型 LED 技术和物联网技术的发展，集成多种智能算法、传感器、用户输入等要素的智能照明系统正在兴起[12]，动态照明也因此得到越来越多的学者关注。动态照明可以在室内较少或无日光参与的情况下实时调节室内照明参数，其营造的环境氛围会被人体感知，进而对人的生理、心理和行为产生影响 [13]。
除此之外，由目前科研人员对光的特征研究表明，大多光照影响情绪的物理因素有照度、色温、波长[14]，如来自田野研究的证据表明,个体在亮光下(≥1000lx) 暴露的时间越长,情绪相对越积极[15]；蓝光会对大脑皮层和皮层下部分涉及情绪感知与情绪加工的脑区活性产生即时影响；Hawes等人(2012)比较了四种色温(90min,3345K,4175K,5448K,6029K)对情绪(POMS测量)的影响发现,相比低色温,高色温(6029K)能显著提高积极情绪并减少疲劳,色温水平与积极情绪水平之间存在正相关。然而光照暴露中进行的不同认知任务可能与光照对情绪产生交互影响，加之研究对象、测量指标等差异导致无法得出一致性结论，及对关于篝火的深入研究较少，未来需要我们进行更多研究与探讨。
引用文献：
[1] 李芸,汝涛涛,李丝雨等 环境光照对情绪的影响及其作用机制.心理科学进展,202230(2),389-405.
[2] Gaston, K.J., Duffy, J.P., Gaston, S. et al. Human alteration of natural light cycles: causes and ecological consequences. Oecologia 176, 917–931 (2014).
[3] El-Nasr, M.S., Yen, J. & Ioerger, T.R. FLAME—Fuzzy Logic Adaptive Model of Emotions. Autonomous Agents and Multi-Agent Systems 3, 219–257 (2000).
[4] Guylène Proulx,A stress model for people facing a fire,Journal of Environmental Psychology,Volume 13, Issue 2,Pages 137-147,ISSN 0272-4944（1993）
[5] 白俊峰、谢淑华:《基于用户体验的家用灯具设计现状探析》，《江西电力职业技术学院学报》，第31（12）期（2018）
[6] 张思静 基于情绪认知理论的家居灯具设计 （2020.12)
[7] Nardecchia F, Barbalace M, Bisegna F, et al, A method to evaluate the stimulation of a real world field of view by means of a spectroradiometric analysis[J]. Sustainability, 7: 14964-14981 (2015).
[8] De Bloom J, Sianoja M, Korpela K, et al. Effects of park walks and relaxation exercises during lunch breaks on recovery from job stress: Two randomized controlled trials[J]. Journal of Environmental Psychology, 51: 14-30 (2017).
[9] Beukeboom C, Langeveld D, Tanja-Dijkstra K. Stress-reducing effects of real and artificial nature in a hospital waiting room[J]. Journal of Alternative and Complementary Medicine, 18(4):329-333 (2012).
[10] Ulrich R S. Aesthetic and affective response to natural environment[J]. Behavior and the Natural Environment, 6: 85-125 (1983).
[11] Chew I, Karunatilaka D, Tan C P, et al. Smart lighting: The way forward? Reviewing the past to shape the future[J]. Energy and Buildings, 149: 180-191 (2017).
[12] Cupkova D, Kajati E, Mocnej J, et al. Intelligent Human-Centric Lighting for Mental Wellbeing Improvement[J]. International Journal of Distributed Sensor Networks,15(9): 1-9 (2019).
[13] Hoffmann G, Gufler V, Griesmacher A, et al. Effects of variable lighting intensities and colour temperatures on sulphatoxymelatonin and subjective mood in an experimental office workplace[J]. Applied Ergonomics, 39(6): 719-728 (2008).
[15] Harb et al., 2015; Jean-Louis et al. (2005).
创新点与项目特色
（1）本系统侧重于研究数字化篝火对人的视觉感知影响
不同于以往的篝火模拟系统，本项目侧重于类篝火图像对于人的视觉感知影响。真实地模拟篝火并不是本项目的目标。而分离和提取篝火中对于人类视觉感知具有积极影响的成分，并将其通过数字化系统复现是本项目的重点。这使本项目对于传统的篝火景观模型形成了本质的区别。
（2）本项目引入可以量化检测人疲劳度的技术
由于使用包括调查问卷、人的反应能力在内的人体疲劳度检测方法过于操作过于费时、繁琐，且数据不准确。我们因数心率变异性人体疲劳度检测技术。这使我们得以量化的检测人体的疲劳度，且更加方便快速并且对实验对象的影响更小。在预实验中我们对于该技术进行了一定的验证(图四)，其检测结果贴近于人的真实感受。
技术路线、拟解决的问题及预期成果
这张图显示了本项目的主要研究内容，具体包含如下内容：
1、利用电子显示器初步设计出模糊化数字化篝火
请数位实验对象分别观察真实篝火发出的火光与电子屏幕上显示的篝火（图2）以及分级别进行模糊化处理进篝火（图3），在观察前与观察后分别对心电数据进行检测记录以及调查问卷，评估疲劳程度的变化。根据实验各位对象得出模拟程度较好的模拟篝火，并以此为初步的模拟设备，完成对数字化篝火的特征的研究。
2、基于视觉感知对实验对象进行特征研究
通过测量实验对象在对数字化篝火的观察前后心率脉搏等生命体征数据的变化，利用表1相关人体健康的评价方法，得出其心率变异率的变化程度得出心率变异性（图4）并以此为根据分析实验对象在实验前后心理压力程度的相关变化。同时测量其在实验后的信息加工能力的变化并采用问卷等方式获得其情绪、舒适度、警觉度、疲劳度、睡眠指数的变化情况。
我们将提取篝火火光的形状、渐变、色彩、动态变化等几类篝火的视觉感知特征，使用计算机处理后获得相关的单特征图像（图5）。实验对象将分别观看数个单特征影响，通过观测心率变异性，找到不同特征对于用户疲劳度的影响程度，获得火光不同特征对于人影响的权重数据。
通过以上两个实验获得实验对象对于真实篝火与电子化篝火生理疲劳度的反应，同时通过不断地将篝火这个具象抽象化，研究抽象化篝火图形对于人情绪的影响。同时，获得了篝火中不同特征元素对于人的影响程度，并以此为基础设计接下来的实验设备以及最终的产品。
我们将提取篝火火光的形状、渐变、色彩、动态变化等几类篝火的视觉感知特征，使用计算机处理后获得相关的单特征图像（图5）。实验对象将分别观看数个单特征影响，通过观测心率变异性，找到不同特征对于用户疲劳度的影响程度，获得火光不同特征对于人影响的权重数据。
通过以上两个实验获得实验对象对于真实篝火与电子化篝火生理疲劳度的反应，同时通过不断地将篝火这个具象抽象化，研究抽象化篝火图形对于人情绪的影响。同时，获得了篝火中不同特征元素对于人的影响程度，并以此为基础设计接下来的实验设备以及最终的产品。
3、分析动态光矩阵、控制部分、传感器部分的工作原理及可行性，并建立初步模型
通过前期实验所获得的数据，开始设计动态模糊化模拟自然光的实验设备。设备总体将分为三个部分：动态光矩阵、控制部分、传感器部分。
（1）首先为动态光矩阵部分，我们将使用单颗RGB可控的WS2812作为单颗像素点，用一定的排列方式分布。此外，在像素点的上方我们将使用亚克力柔光板与3D打印按照一定结构设计拢光结构，对其产生的动态光效进行模糊化的处理，其渲染模型如图6所示。
（2）其次为控制部分，控制部分将使用ESP32作为控制芯片。ESP32具有蓝牙通信与WIFI通信的功能，且具有较强的计算能力与GPIO控制能力，为后期的功能拓展打下一定的基础。
（3）最后为传感器部分，传感器部分将引入小型低精度的毫米波雷达，毫米波雷达可采集非接触式采集微小的运动，可对用户的运动与呼吸心跳进行采集，为后期的交互式设计打下硬件基础。
3、分析实验对象在不同频率、动效与光效的模拟自然光的反应
我们将提取前期研究对于火焰模糊化后的特征，作为数字化火焰的特征参数，通过调整各个特征的相关参数，包括模拟化火焰的动态效果，灯光的色彩与变化程度。使用心率变异性量化人体疲劳程度，并配合其他检测技术对实验对象进行检测。与此同时，我们将搭建实验空间，探究实验设备的摆放位置，人眼是否直视，对于实验对象疲劳度影响的程度，其具体内容如下：
（1）通过构建数字化火焰动效与色彩模型提取火焰包括律动频率、动效、构型、色彩层次在内的特征参数，构建不同的火焰数字化数学模型，并通过制作的实验设备进行显示。实验人员观察不同数学模型构成得到数字化火焰，通过心电检测记录设备分析心率变异性的变化，进而分析疲劳程度的变化，寻找最合适降解疲劳度的数学火焰模拟模型。
（2）将实验设备置于实验空间中进行空间影响实验该实验中，实验人员将不再直视实验设备，而是通过实验设备所产生的灯光于空间中自然反射，对整个空间进行影响。实验人员将被随机安排在空间的各个位置，实验设备同样在空间中随机布置。研究实验人员在空间中的心率变异性疲劳度变化，并通过比较测试结果，优化或丰富设备的数学模型，最终起到设备对于室内空间人员疲劳度影响的作用。
4、设计数字化篝火产品
为产品设计更加合理且符合市场需求的构形，进行一定的市场调研，并对产品进行工业设计。设计出更加符合市场需求的产品构形。优化产品的结构与电路程序设计，开发包括APP在内的控制与交互模式。尝试接入物联网，尝试智能家居形态的设计。引入传感器开发一定的交互模式，引入包括毫米波雷达在内的传感器，感知包括人呼吸、心率、运动在内的用户参数，进行一定的动态与交互开发，完善和丰富产品的功能。
下一篇文章将描述数字化火焰在软件上如何实现
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