照明における１／ｆゆらぎ制御法の実験的検討
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非会員 土井 滋貴 （奈良工業高等専門学校）
学生員 大塚 智仁 （奈良工業高等専門学校専攻科）
正 員 高橋 晴雄 （奈良工業高等専門学校）
Experimental Investigation on Lightening Control with 1/f-Fluctuation
Sigeki Doi , Non-member (Nara National College of Technology)
Tomohito Otsuka , Student Member (Faculty of Advanced Engineering
at Nara National College of Technology)
Haruo Takahashi , Member (Nara National College of Technology)
In this paper, an illuminating method with the 1/f-fluctuation is proposed to produce the peaceful lightening stage, because it is said that the 1/f-fluctuation will make a relaxed mental state.
The light intensity from the normal light bulb is changed by the phase control in the A.C. power source with the 1/f-fluctuation signals generated by performing the First Fourier Transformation (FFT) on the normal random numbers and by passing through the 1/f-filter. The light power spectrum is measured by calculating the picture image from the CCD camera to check the tendency of 1/f-fluctuation in the illumination from the bulb, and also in the flame light from the candle. Psysiological impression for the 1/f-fluctuating illumination is compared with the change of the heart rate in another lightening conditions : the normal lightening, and the flashing lightening using the random numbers. From the result of psysiological measurements, the decrease in the heart rate for the proposed 1/f-fluctuating illumination is observed.
キーワード： 照明，1/fゆらぎ，ロウソクの炎，パワースペクトル，心拍
１．まえがき
我々の生活環境の中で照明は重要な役割を果たしている（１）。生活シーンに合わせた室内照明の制御は、配置された照明器具の選択や照度の調整により行われ、変動を最小限に抑制する方向に目を向た「一定に保つ制御」が中心である。
人に安らぎを感じさせる照明にはロウソクや暖炉の炎などがあるが、それらのあかりは1/fゆらぎに深く関係していると考えられている。今後より安らぎのある照明環境を構築するためには、この1/fゆらぎを電気照明機器の発光制御に導入することも、大切な要素になると予想される。
そこで本研究は、照明環境に1/fゆらぎを導入することを目的に、照明に広く利用されている白熱電球に着目し、その発光輝度に1/fゆらぎを持たせたゆらぎ照明制御法の開発を意図したものである。
まず、ロウソクの炎を画像計測し、その発光輝度が1/fゆらぎであることを実験的に確認した。つぎに、正規乱数から1/fゆらぎ信号の生成を行い、交流電流の位相制御により白熱電球の発光に1/fゆらぎを持たせる発光制御回路を試作し、実際に1/fゆらぎで点灯していることを確かめた。さらに、この試作制御回路における1/fあかりが、人に対して安らぎを与えるかどうかの評価法に、心拍の変化を取り上げ、白熱電球の通常点灯と1/fゆらぎ点灯の照明環境下における心拍を測定した。
２．発光体における1/fゆらぎの計測
<2･1> 発光体の輝度計測システム 1/fゆらぎとは、ある事象のパワースペクトル分布が周波数と逆比例関係にあるものをいう。自然界の現象の大半が1/fゆらぎの傾向を示すとされている（２）（３）。
ロウソク，暖炉，あんどん，ガス燈などの炎は、1/fゆらぎのあかりである予想できる。そこで、その一例としてロウソクの炎の測定結果について説明する。
図１は、ロウソクや室内照明機器などにおける発光体からの発光輝度パワースペクトルの計測システムを示したものである。ＣＣＤカメラにより、発光体のあかりを画像情報としてパソコンのフレームメモリに取り込み、画素における赤，緑および青の各強度から輝度計算して、パワースペクトルを図示する。
図２はフレームメモリに取り込む画像情報のフレーム構成を示したものであり、１フレームにおいて、縦48画素，横32画素とした配列ｆＸ,Ｙを設定する。
フレームメモリの取り込み仕様は表１に示すように、１画素 ｆＸ,Ｙ における赤，緑および青それぞれのあかるさの情報は、ＲＧＢの各色成分毎にｒＸ,Ｙ，ｇＸ,Ｙ，ｂＸ,Ｙとして、６ビット階調の離散値 0〜63 で表現される。
１フレーム内の赤(Ｒ)，緑(Ｇ)および青(Ｂ)のあかるさ(画素値)は、式(1)に示すように各画素における各色成分 についての離散値を、それぞれ積分して求める。
１フレーム当たりの輝度(Ｋ)は、各色成分の画素値の合 の合計であり、式（２）から算出する。
Ｒ＝∫∫ ｒＸ,Ｙ dxdy
Ｇ＝∫∫ ｇＸ,Ｙ dxdy
Ｂ＝∫∫ ｂＸ,Ｙ dxdy ･････(1)
x:1〜32,y:1〜48
Ｋ（フレーム輝度）＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂ ･････(2)
例えば、1,024枚の各フレームについて、同様の計算を行うことで1,024点の輝度データが得られる。
66.6ﾐﾘ秒間隔で取り込んだ各フレームの時間軸における輝度データを、図３に示すように高速フーリエ変換（ＦＦＴ）し、実軸成分と虚軸成分から光強度を算出する。そして縦軸に光強度，横軸に周波数をとり、両対数表現してパワースペクトル図に表示する。
図１ 発光体のパワースペクトル計測システム
Fig.1. Measuring system for illuminational power spectrum
図２ 画像情報のフレーム構成
Fig.2. Flame structure for lightening pattern
表１ 取り込み仕様
Table 1. Specification for data storing
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図３ パワースペクトルの計算方法
Fig.3. Calculating diagram for power spectrum
<2･2> ロウソクのあかりの計測結果 発光体輝度計測システムを用いて、ロウソクの炎による発光輝度のパワースペクトルを計測する。自然換気された暗室内でロウソクを灯し、その炎を直接ＣＣＤカメラで撮り、式(1)，式(2)を用いて各フレームの輝度計算を行う。図４、５はロウソクの炎における輝度の変化とそのパワースペクトルの計測結果を示したものである。包絡線の傾きがほぼ −１ となり、ロウソクの炎の輝度は1/fゆらぎになっていることがわかる。また輝度の他に炎の動きや色に関しても1/fゆらぎの成分があるという結果が得られている（１０）。
更に詳しく調べていくと、自然換気された暗室内でのロウソクの炎の輝度のゆらぎは0.3Hz付近を境に1/f２ゆらぎに移行する傾向が観測される。この現象は厳密には1/f-1/f２ゆらぎとでも呼ぶべきだが、本稿ではその1/f２ゆらぎ部分のパワーのが小さいことから広義の1/fゆらぎとして扱うことにする。通説として1/fゆらぎとされるゆらぎ現象にはこのように全域にわたって1/fを示さないものが少なからず存在する。
図４ ロウソクの炎の輝度
Fig.4 Brightness of candle flame
図５ ロウソクの炎の輝度のパワースペクトル図
Fig.5. Power spectrum for brightness of candle flame
３．照明機器の1/fゆらぎ制御法
<3･1> 1/fゆらぎ信号の生成 照明に1/fゆらぎを導入するためには、その基になる1/fゆらぎ信号の生成が必要である。この生成には、抵抗の熱雑音を利用する方法，自然界における1/fゆらぎをデータとして計算機に取り込む方法，カオスやフラクタルによる出力が1/fゆらぎとなるような現象を計算機もしくは電子回路で直接発生させる方法（８）（２０）などが考えられる。本研究では、正規乱数から1/fゆらぎ信号の生成を試みている。
図６は、正規乱数による1/fゆらぎデータの生成方法を示したものである(データ長を1,024点とする)。パソコンにより発生させた正規乱数を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）し、1/fフィルタに通した後、逆フーリエ変換（ＦＦＴ）することで1/fゆらぎ信号を生成する。1/fフィルタは正規乱数の周波数軸データの各点に1/√1,1/√2,1/√3,･･･,
1/√512をそれぞれ掛け合わせることにより構成される。更に評価実験に使用したデータには高域で1/f２特性を持たせるように1/fフィルタの高域を補正して使用する。
図７はフィルタリング前の正規乱数データ，図８はフィルタリング後の1/fゆらぎデータをそれぞれ時間軸に表現した波形図である。
また、図８はフィルタリング前の正規乱数におけるパワースペクトル図，図９はフィルタリング後の1/fゆらぎデータにおけるパワースペクトル図をそれぞれ示したものである。図８は、白色ゆらぎの特徴である包絡線の傾きが０であり、図９は、その傾きが−１、すなわち、1/fゆらぎであることが確認できる。
図６ 1/fゆらぎデータの生成方法
Fig.5. Generation of 1/f-fluctuation data
図７ フィルタリング前の波形(上段)と
フィルタリング後の波形(下段)
Fig.7. Data waveforms before 1/f-filtering
and after 1/f-filtering
図８ フィルタリング前のパワースペクトル図
Fig.8. Power spectrum before 1/f-filtering
図９ フィルタリング後のパワースペクトル図
Fig.9. Power spectrum after 1/f-filtering
<3･2> 白熱電球に対する1/fゆらぎ制御 図10は、正規乱数より生成した1/fゆらぎ信号を用いて、白熱電球への供給交流電圧をＳＳＲ（ソリッド・ステート・リレー）により位相制御し、点灯輝度に1/fゆらぎを持たせる制御回路の構成を示したものである。ここでは、交流100[V]用
の40[W]形白熱電球を使用している。すなわち、パソコンにより発生させた正規乱数を1/fフィルタに通して生成したゆらぎ信号（データ）を用いて、交流電流の同期信号をゼロクロス点としてＰＷＭ制御することにより、発光輝度に1/fゆらぎを持たせる構成である。
図１１は、パソコンからの1/fゆらぎ信号によりＳＳＲを駆動させ、交流電圧を位相制御するドライブ方式を示したものである。
交流電源（@）と同期した方形波を取り込み（A）、ゼロクロス点を検出し（B）、ＰＷＭ制御用の同期信号を発生させる。そこで1/fゆらぎのタイミングで制御信号を送り込むことにより（C）、白熱電球への交流駆動電圧を1/fゆらぎに位相制御する（D）。すなわち、ＰＷＭ制御のパルス幅を1/fゆらぎ信号で決定し、交流電圧に対するＳＳＲの点弧角信号を発生させ、白熱電球への交流駆動電力に1/fゆらぎを持たせる。
<3･3> 白熱電球のゆらぎ点灯輝度の計測 1/fゆらぎ信号を用いた交流電圧の位相制御による白熱電球の発光輝度が、1/fゆらぎの傾向にあるかどうかを確かめる。発光体の輝度計測システム（図１）を用いてロウソクの炎と同様の形式で、白熱電球の点灯状態を画像計測し、パワースペクトル図に表示する。
図12は、試作回路による白熱電球の発光輝度のパワースペクトル図を示したものである。ロウソクの炎のあかりと同様に、包絡線の傾きがほぼ−１であり、白熱電球からの発光輝度が1/fゆらぎになっていることが確認できる。
図10 ゆらぎ照明の制御回路構成図
Fig.10. Block diagram for lightening control circuit
図11 位相制御のドライブ方式
Fig.11. Driving method for phase control
図12 白熱電球のパワースペクトル図
Fig.12. Power spectrum of the illumination
from the light bulb
４．1/fゆらぎ照明による安らぎの評価
<4･1> 人の安らぎ度の評価法 人が安らぎを感じているときに通常時より心拍が低下する傾向があり、不快なときは逆に心拍が増加する傾向にあるといわれている。そこで、1/fゆらぎ照明に対する人の安らぎ度の評価を行うために、心拍の変化について調べる。
暗室内に試作したゆらぎ制御回路の100[V]用40[W]形白熱電球（半球形乳白色ガラスフェード付）を設置して、以下に示す３種の照明環境下における被験者の心拍数変化について比較検討する。
1)発光強度が常に一定な通常点灯による照明（通常照明）
2)正規乱数から1/fフィルタを通して生成したゆらぎ信 号を用いた1/fゆらぎ照明（人工ゆらぎ照明）
3)一様乱数を用いたランダム照明（白色ゆらぎ照明）
2),3)とも変動幅は直流分に対してピーク値で±15%とした。±15%の1/fゆらぎ強度はロウソクのゆらぎ強度とほぼ同じである。この３種類の照明をそれぞれ５分間づつ1),2),1),3)の順に点灯しその間にの心拍を計測する。この場合の平均照度は３種類の照明とも定格点灯の50%に合わせる。
心拍計測は胸部誘導を心電用のヘッドアンプとＡＤコンバータを介してパソコンに取り込み計測する。取り込みの仕様は 12ビット、480Hzサンプリング、照明実験の１試行20分間で576,000点のサンプリング数となる。この心電データから２秒毎のＲＲ時間とＰＲ時間を計算する（１４）（１５）。更に計算された600点の２秒毎のＲＲ時間、ＰＲ時間から60秒を平均区間とする変動係数、64秒を窓とするLF/HF比（１１）を計算する。これらのＲＲ時間、ＰＲ時間およびその変動係数、LF/HF比は人のリラックスを反映する自律神経系の状態を表すとされている（１３）。
<4･2> 心拍変化の測定結果 図13は、10人の被験者（20〜35歳男性8人女性2人）による各照明環境下における心拍数変化の測定結果30サンプルの平均を示したものである。ＲＲ時間、ＰＲ時間は測定１試行についての平均値からの偏差を計算し、その平均を百分率で表している。
30サンプルの平均値でみると１／ｆゆらぎに対する嗜好の個人差等により顕著な差異は認めにくが、１／ｆ照明時から若干遅れてＲＲ時間、ＰＲ時間の増加、LF/HF比の減少傾向がみられる。また変動係数に関しては一定の傾向がつかみにくい。さらに図14は、これらの傾向のよく現れた被験者３名のデータ９サンプルをとりだしてまとめたものである。図13よりも１／ｆゆらぎ時の変化が明瞭になっているのがわかる。
図13、図14ともに、通常点灯による照明およびランダム点灯の白色ゆらぎ照明に比べ、正規乱数から生成した1/fゆらぎ信号を用いた1/fゆらぎ照明環境下では、被験者の心拍の各指標がリラックスの傾向を示しているといえる。
図13 各照明環境下における心拍の変化
Fig.13. Change of the heart rate
in several illuminations
図14 各照明環境下における心拍数変化
Fig.14. Change of the heart rate
in several illuminations
５．むすび
本論文では、正規乱数から生成した1/fゆらぎ信号を用いて交流電圧を位相制御し、白熱電球の発光に1/fゆらぎを持たせる制御法について述べた。
発光体のあかりをＣＣＤカメラで画像計測し、そのパワースペクトルを求める輝度計測システムを作成し、ロウソクの炎の輝度が1/fゆらぎであることを確認した。また、 交流の位相制御による白熱電球の発光輝度が、1/fゆらぎになっていることを実験的に確かめた。
人工的な1/fゆらぎ照明が、人体にどのような影響を与えるかの評価の目安として心拍を取り上げ、他の点灯法との比較実験を行った。その結果、試作した本照明システムによる照明環境下では心拍各指標にリラックスの傾向が見られ、少なからず人に安らぎを与えているものと推擦された。
今後は、安らぎの評価法についてさらに考察し、あわせて発光輝度のゆらぎと複数の電球による発光位置のゆらぎを併用した、より安らぎを与えるゆらぎ照明制御法について検討する予定である。
文 献
(１)深津正,他:"あかりと照明の科学",彰国社,(1988)
(２)武者利光,他:"ゆらぎの科学",森北出版
(３)武者利光,他:"ゆらぎの世界",講談社(1980)
(４)芦口正史,土井滋貴,高橋晴雄:"1/f揺らぎ照明の基礎実験",平成４年電気学会関西連大,G13-19
(５)芦口正史,土井滋貴,高橋晴雄:"1/fゆらぎ照明制御の基礎実験",平成５年電気学会全国大会
(６)芦口正史,土井滋貴,高橋晴雄:"1/f揺らぎ照明のための解析実験",平成５年電気学会関西連大,G13-5
(７)大塚智仁,土井滋貴,高橋晴雄:"1/f揺らぎの室内照明に関する基礎実験",平成６年電気学会関西連大,G14-3
(８)大塚智仁,土井滋貴,高橋晴雄:"間欠性カオスを用いた1/fゆらぎ照明の基礎実験",平成7年電気学会全国大会
(９)大塚智仁,土井滋貴,高橋晴雄:"1/fゆらぎ照明における安らぎ効果の実験的検討",平成7年電気系学会関西 連大,G2-23
(10)土井滋貴,高橋晴雄:"1/fゆらぎ照明に関する考察",奈良高専研究紀要,no.29,pp.23,(1993)
(11)BRUCE POMERANZ,他,:"Assessment of autonomic function in humans by heart rate spectral analysis",Am J Physiology,vol.248-H,pp.151-153, (1985)
(12)井上雄一:"心拍変動パワースペクトルを用いた恐慌障害患者の神経機能",臨床脳波,vol.37,no.2,pp.86, (1995)
(13)三谷恵一,他:"リラクセーションのすすめ",大学教育出版,(1993)
(14)土井俊介,土井滋貴:"
スケール・スペース・フィルタリングを用いた心電図波形のP-R時間の測定
",
平成7年電気系学会関西連大,G2-22
(15)土井滋貴:"モルフォロジーフィルタを用いた心電図のRR時間の測定方法",奈良高専研究紀要,no.31,(1995)
(16)長町三生:"快適科学",海文堂,(1992)
(17)大野秀夫,他:"快適環境の科学",朝倉書店,(1993)
(18)安久正紘,他:"人に快適感を与える1/fゆらぎとその家電機器への応用",電気学会誌,Vol.113,No.1,(1993)
(19)住谷正夫,他:"扇風機とマッサージ機における1/f揺らぎ制御の快適性評価",信学会論文誌,Vol.J73-D-U, No.3,pp.478-485,(1990)
(20)松井大信,大塚智仁,高橋晴雄:"カオスデバイスのモータ制御応用への基礎実験",平成7年電気系学会関西連大,G3-11