李田田，張九紅，呂坤潔

(1.沈陽建筑大學(xué)，遼寧 沈陽 110168；2.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110189)

引言

中國新聞出版研究院在2020年4月末發(fā)表了第十七次全國國民閱讀調(diào)查的結(jié)果[1],對比近五年的國民閱讀數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2019年全國國民數(shù)字化閱讀媒體的接觸率為79.3%,比2015年的64.0%增加了15.3個百分點。在人們對不同閱讀媒體接觸時間方面，2019年成年人人均每天手機接觸時間為100.41 min，比2015年的62.21 min增加了38.2 min；2019年成年人人均每天紙質(zhì)媒體接觸時間為19.69 min，比2015年的45.53 min減少了25.84 min。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,增加了人們對數(shù)字化閱讀媒體的接觸時間,數(shù)字化閱讀媒體的技術(shù)發(fā)展也持續(xù)影響著傳統(tǒng)紙質(zhì)閱讀媒體的主導(dǎo)地位。

數(shù)字化閱讀逐漸變成人們閱讀的新趨勢,電子設(shè)備的高速發(fā)展,使得人們不再限制于單一的傳統(tǒng)紙質(zhì)閱讀媒體,VDT也就是數(shù)字化閱讀媒體,潛移默化地轉(zhuǎn)變著人們的閱讀形式。合理舒適的照明環(huán)境能提高人們的工作績效，對人們的視力也有積極的影響。因而對于建筑空間中出現(xiàn)越來越多不同閱讀媒體的現(xiàn)象,在今后的照明設(shè)計中應(yīng)該給予考慮。

1 不同閱讀媒體的特性及照明指標(biāo)要求

1.1 VDT與紙質(zhì)閱讀媒體特性的異同

紙質(zhì)閱讀媒體,是指信息交流和傳播的傳統(tǒng)閱讀方式,是用紙質(zhì)素材作為載體,以手寫(包含印刷)為記錄方法制作的閱讀媒體。載體包含筆記、圖書、雜志、報紙等。VDT,則是指具有讀取功能的手持裝置的新型閱讀載體,載體主要包含智能手機、筆記本電腦、平板電腦、臺式計算機、電子閱讀器等,不同閱讀媒體的特點如表1[2]所示。

表1 不同閱讀媒體的特點[2]

日本建筑學(xué)會[3]所編輯的《光與色的環(huán)境設(shè)計》一書中寫道，具體的照度值依據(jù)作業(yè)的特質(zhì)來決定。因為作業(yè)的特質(zhì)不同，它所對應(yīng)的照明要求也不同。此書還將VDT的工作環(huán)境與傳統(tǒng)的紙質(zhì)閱讀工作環(huán)境進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)作業(yè)者的視線方向發(fā)生了變化，如圖1所示。以前，照明設(shè)計通常只被視為水平照明，現(xiàn)在有必要考慮垂直照明。另外，在同時進(jìn)行VDT與紙質(zhì)閱讀的工作環(huán)境要求不僅要能看清楚紙質(zhì)文件和鍵盤，還要能看清屏幕。這兩個視覺任務(wù)對照明的要求是相反的[4]，傳統(tǒng)閱讀需要很高水平的照明，能夠識別被照亮的符號和圖像；VDT閱讀是識別自發(fā)光屏幕背景顏色上的符號，應(yīng)該盡力防止屏幕上的高亮度反射和光線干擾。很明顯，以往基于建筑照度標(biāo)準(zhǔn)值的照明設(shè)計并不能解決這個矛盾。

圖1 VDT與紙質(zhì)閱讀媒體視線方向的變化Fig.1 VDT changes in line-of-sight with paper-based reading media

1.2 不同空間的照明指標(biāo)要求

建筑空間中的物理環(huán)境因素(如熱量、聲音和照明等)，對人的態(tài)度、行為和績效等都有重要影響[5]。照明是其中最重要的因素之一[6]，因為工作中大部分活動都是由視覺系統(tǒng)完成的。自人類使用電燈照明以來[7]，在過去的一個世紀(jì)里，關(guān)于照明的視覺效果已形成了較為成熟的研究方法和設(shè)計理論，它反映在現(xiàn)有的照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或指導(dǎo)方針中。通過改善照明環(huán)境的質(zhì)量與數(shù)量可以提高工作效率、節(jié)約能耗等，根據(jù)空間的種類不同，具體效果也不同。不同建筑空間如圖書館、辦公、教育建筑等的照明標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 不同建筑空間照明標(biāo)準(zhǔn)

美國布朗大學(xué)的Berson等[8]在2002年發(fā)現(xiàn)了第三種感光細(xì)胞—神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(ip RGCs),使得人們開始注意光對人體的非視覺影響。該神經(jīng)節(jié)細(xì)胞產(chǎn)生非視覺效應(yīng)，可以控制人體的體溫、激素分泌、心率以及瞳孔大小等生理節(jié)律，故而作用于人們的工作績效、身體健康等，這種人體在受到光的作用后的非視覺生物學(xué)反應(yīng)叫做光生物效應(yīng)，圖2[9]用黑色的實線表示光的視覺通路，用黑色的虛線表示光的非視覺通路。然而，現(xiàn)有的照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要基于視覺需求，很少考慮人的身體節(jié)律。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置工作表面的水平照明可以完全保證視覺功能，但不足以完全滿足人體節(jié)律系統(tǒng)的需要[10]。此外，作為一個整體系統(tǒng)，視覺與非視覺系統(tǒng)的運作是相互關(guān)聯(lián)的，因此涉及到情感、認(rèn)知和執(zhí)行功能的任務(wù)表現(xiàn)可能受到照明環(huán)境的影響[11]。

圖2 光的視覺通路與非視覺通路示意圖[9]Fig.2 Schematic of visual and non-visual pathways of light

2 國內(nèi)外不同照明環(huán)境下VDT與紙質(zhì)閱讀媒體的實驗研究

國外對VDT與紙質(zhì)工作環(huán)境的照明水平提出了明確的建議,如表3所示，北美照明工程學(xué)會(Illumination Engineering Society of North America)[12]推薦合適的辦公室照度值為750 lx,美國國家勞動安全衛(wèi)生研究所推薦的水平照度為500～700 lx;德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 66234推薦在負(fù)對比表示(字符暗背景亮)下照度要求達(dá)到500 lx以上,垂直照度達(dá)到500 lx以下[13];然而瑞典制定的VDT作業(yè)大綱推薦照度較低為200～300 lx;2002年日本厚生勞動省[14]發(fā)布的《VDT作業(yè)指南》推薦水平作業(yè)面照明(鍵盤,原稿)要達(dá)到300 lx以上,垂直作業(yè)面照度(視屏面)應(yīng)控制在500 lx以下。以上VDT工作環(huán)境照度的建議值在300～750 lx之間，但是瑞典VDT作業(yè)推薦的200～300 lx一般要低于我國建筑照明設(shè)計對于學(xué)習(xí)場所的標(biāo)準(zhǔn)。

表3 VDT與紙質(zhì)工作環(huán)境的照明水平建議表

2.1 基于主觀評估的實驗研究

主觀評估[15]是通過研究被試者的意見來評估與之相關(guān)的變量對被試主觀感知的影響過程。主觀評估的優(yōu)勢是可以根據(jù)被試者的真實感受與意見來研究和評估照明環(huán)境，然而，通過主觀實驗獲得的數(shù)據(jù)是模糊和不確定的，因此評估過程通常需要借助數(shù)學(xué)模型來處理相關(guān)數(shù)據(jù)，或結(jié)合作業(yè)績效的方法測量被試者的工作績效來評定照明環(huán)境的好壞。在進(jìn)行光環(huán)境的實驗研究時，常用的自我評估主要包括自陳測量工具，如自我情緒評定量表(Self-Assessment Manikin, SAM)[16，17]、VAS疼痛量表(Visual Analogue Scale)[18]、斯坦福嗜睡量表(Stanford Sleepiness Scale,SSS)[19]、被試者口頭報告等。這些問卷或量表可以對結(jié)果定量和定性地分析，但是自我評估的方法很容易受到被試者心理因素的影響，Clausen等[20]的實驗表明被試者通過自我評估得到的工作表現(xiàn)的改善遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實際情況，因此，在實驗過程中，必須防止被試者注意實驗的目的。

研究學(xué)者對照明環(huán)境對被試者工作績效的具體影響進(jìn)行了研究。Jung等[21]的實驗表明,不適宜的照明環(huán)境會對VDT被試者的工作績效產(chǎn)生破壞性影響。與400 lx光照水平相比較,在1 000 lx光照水平下,被試者(N=16)的長時記憶率下降,片段記憶任務(wù)能力較差,記憶率從60.42%下降到52.68%,如表4。Ru等[22]研究在照度(100 lx/1 000 lx)和色溫(3 000 K/6 500 K)組合照明環(huán)境下,比較了57名VDT作業(yè)者(男=19,女=38)在精神運動警覺、go/no-go、Eriksen flanker和工作記憶任務(wù)表現(xiàn)的工作績效,結(jié)果得到被試者工作績效的準(zhǔn)確性在1 000 lx(在眼睛水平)條件下比100 lx顯著增強，照度與色溫之間并無明顯的交互作用,其中照度對人的持久注意力和工作績效的影響要比色溫高。

表4 不同LED燈的照度下的長時記憶率[21]

上述研究[21]顯示了VDT作業(yè)者的工作績效受照度和光源色溫的影響,一些研究學(xué)者還注意到了個體的差異性。Huang等[23]研究照度在50～1 200 lx下,年齡、性別等對VDT視覺舒適度的影響,研究發(fā)現(xiàn),老年人更有可能需要閱讀亮度和對比度更高的文件，在閱讀亮度和對比度高的文件時,女性比男性更不舒適。Yang等[24]研究發(fā)現(xiàn)VDT的照明舒適度可能與被試者對“睡眠”與“清醒”的時段選擇偏好有關(guān),實驗中讓59名被試者起床1.5 h和10.5 h后做卡羅林斯卡嗜睡量表等實驗,結(jié)果顯示“200 lx/6 500 K”這種低喚醒刺激的照明環(huán)境適合早晨傾向型(MTs,morning types)VDT作業(yè)者執(zhí)行任務(wù),“1 200 lx/6 500 K”高喚醒刺激更適合夜晚傾向型(ETs,evening types)VDT作業(yè)者執(zhí)行任務(wù),另外,在研究的后期實驗中,與低照度相比,高照度顯著降低了嗜睡程度,而不需要考慮被試者的偏好時間類型。嚴(yán)永紅課題組[25-27]基于主觀評估調(diào)光實驗得出,對青年VDT作業(yè)者來說,當(dāng)色溫為3 800 K，垂直照度為300 lx,水平照度為500 lx時,為靜態(tài)照明最適宜的照明組合;但是對青年VDT作業(yè)者用電腦辦公來說,上述500 lx的水平照度值較低,750 lx可能成為水平照明更合適的推薦值;并以中醫(yī)體質(zhì)理論為出發(fā)點,通過卡羅林斯卡嗜睡量表及反應(yīng)速度(go/no-go任務(wù))測試等進(jìn)行被試者對VDT照明環(huán)境偏好的實驗研究,結(jié)果如表5所示,四組被試者在光環(huán)境的選擇偏好上有所差異,只有平和質(zhì)被試者在偏好光環(huán)境下(與固定光環(huán)境相比較)能夠得到更高的工作績效。

表5 被試組不同光環(huán)境下測評表現(xiàn)比較表[27]

提高VDT作業(yè)的照明環(huán)境質(zhì)量不僅能提高作業(yè)者的舒適度、工作績效等，還能節(jié)約能耗，H Ishii等[28]采用集中的時間比(CTR，concentration time ratio表示真正集中在一項任務(wù)上的時間與完成任務(wù)所花的總時間的比率)對24名VDT作業(yè)者(男女各占一半)的收據(jù)分類任務(wù)實驗中分析得到，高色溫(6 200 K)環(huán)境照明下的平均濃度時間比為72.5%，比常規(guī)色溫(5 000 K)環(huán)境照明高5個百分點，并且可以減少能源消耗。

由于VDT與紙質(zhì)閱讀媒體光學(xué)特性的不同,相關(guān)學(xué)者還對VDT與紙質(zhì)閱讀媒體還做了對比研究。Saito等[29]、Mayes等[30]、SIEGENTHALER等[31]、MANGEN等[32]、SUN等[33]研究了“閱讀數(shù)量”和“理解能力”在閱讀VDT與紙質(zhì)閱讀媒體時的不同之處,結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同的時間里，VDT閱讀數(shù)量比紙質(zhì)閱讀多,但是VDT閱讀理解能力不好。與此同時,研究結(jié)果表明,當(dāng)改變VDT所顯示的信息方式時,能夠改變作業(yè)者的理解能力和閱讀信息所需要的時間。Hou等[34]通過主觀評估問卷表明，VDT與紙質(zhì)閱讀媒體的呈現(xiàn)方式在多大程度上促進(jìn)或阻礙了被試者構(gòu)建閱讀過程的認(rèn)知地圖(被試者形成一個“認(rèn)知地圖”的物理位置的文本及其與整個頁面的空間關(guān)系)的能力。顯然，當(dāng)媒介是VDT或紙質(zhì)閱讀媒體時，閱讀和理解的性質(zhì)仍有許多有待了解的地方，不僅是在所發(fā)生的認(rèn)知加工方面，而且涉及了動機、社會文化或視覺運動因素等方面[35]。LIN等[36]研究了不同照明環(huán)境下VDT與紙質(zhì)閱讀媒體對視覺功效于視覺疲勞方面的影響,通過48名被試者完成符號檢索任務(wù),得出搜索速度根據(jù)照度而變化,照度從300 lx(45.6s)、700 lx(44.18s)增加到1 500 lx(43.24s),搜索速度也會加快。王立雄課題組[37]基于主觀評估實驗,采用集成學(xué)習(xí)XGBoost算法計算得出最適宜VDT作業(yè)的照明環(huán)境是光源色溫為4 500 K、背景反射系數(shù)0.11、工作面照度535 lx/300 lx。

2.2 基于生理數(shù)據(jù)測量的實驗研究

利用主觀評估的方法得出的實驗數(shù)據(jù)直觀，實驗的形式也簡潔，但此方法受被試者主觀偏好影響比較大，不能客觀地反映被試者的生理狀態(tài)。因此，在具備實驗條件的情況下，往往補充收集客觀的生理數(shù)據(jù)，以進(jìn)行綜合評價或主客觀數(shù)據(jù)相互核實。光對節(jié)律系統(tǒng)的作用是通過非視覺通道來實現(xiàn)的，包括自主神經(jīng)系統(tǒng) (autonomic nervous system ANS) 生理數(shù)據(jù)如褪黑激素、心率、血壓和體溫等[38]。雖然采用生理數(shù)據(jù)測量的方法可以客觀地測量生理數(shù)據(jù)，但必須考慮到生理設(shè)備如心率監(jiān)測儀、眼動儀等可能會限制被試者的運動。如果許多因素同時發(fā)生，如心率不僅受溫度、照度等環(huán)境因素的影響[39]，同時也取決于被試者的個人特征[40]。因此，為了獲得可靠的生理數(shù)據(jù)，需要一個非常穩(wěn)定和控制良好的實驗環(huán)境。雖然得到的是客觀的物理數(shù)據(jù)和人體生理數(shù)據(jù)，但這些生理數(shù)據(jù)無法預(yù)測被試者的主觀情感，比如光環(huán)境的視覺舒適度等[41]，因此，有必要構(gòu)建物理環(huán)境、生理數(shù)據(jù)與視覺舒適等的主觀評估之間的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行預(yù)測。

相關(guān)學(xué)者采用主觀與生理數(shù)據(jù)測量的方法研究VDT照明環(huán)境對視疲勞、工作績效等的影響。蔣琦[42]采用語義差別量表來研究VDT辦公空間中的照明環(huán)境,結(jié)果表明VDT亮度為1 000 cd/m2,環(huán)境照度為500～750 lx時,為VDT辦公適宜的照明環(huán)境。對于VDT亮度的調(diào)整，環(huán)境亮度、作業(yè)亮度、VDT亮度對比為1∶5∶29最為適宜。同時,在被試者中使用心電圖的方法也可以證明上述實驗結(jié)果。楊春宇課題組[43]在實驗室進(jìn)行主客觀析因?qū)嶒?模擬辦公室行政人員的工作模式,從多指標(biāo)評價方法綜合分析,并構(gòu)建了照明綜合評價指數(shù)I值,包括腦疲勞、視覺疲勞、工作績效等6項生理信號和效率量表評價指標(biāo),結(jié)果得出照度為750 lx、色溫5 000 K、屏幕亮度150 cd/m2的LED 照明參數(shù)組合為綜合評價指數(shù)I值最大。王瑩[44]采用主觀問卷并選取視功能參數(shù)與眨眼次數(shù)、體溫等生理數(shù)據(jù)分析在不同照度(300 lx、600 lx、1 200 lx)的LED照明環(huán)境下,VDT與紙質(zhì)閱讀媒體在8 h內(nèi)產(chǎn)生的視疲勞狀況。結(jié)果顯示,相對于VDT閱讀媒體,閱讀紙質(zhì)書籍更不易產(chǎn)生視疲勞，照度在300～1 200 lx范圍內(nèi)，對視疲勞的作用較小。韓則陽等[45]選取心率(HR)為生理測試指標(biāo),對被試者用國際標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表進(jìn)行視力測試,研究辦公空間中VDT與紙質(zhì)閱讀媒體在不同照明環(huán)境下產(chǎn)生視覺疲勞的不同。根據(jù)視力測試結(jié)果,VDT和紙質(zhì)閱讀媒體均在色溫為6 500 K高色溫環(huán)境比3 000 K低色溫環(huán)境,更易引起視覺疲勞;根據(jù)心率測試結(jié)果,VDT閱讀媒體在3 000 K低色溫的照明環(huán)境下產(chǎn)生的視疲勞更為嚴(yán)重,然而紙質(zhì)閱讀媒體在6 500 K高色溫的照明環(huán)境下產(chǎn)生的視疲勞更為嚴(yán)重;此外,將性別不同實驗被試者的視力變化和心率變化數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,結(jié)果顯示在此實驗條件下,女性比男性產(chǎn)生視疲勞的可能性更高。Zhang等[46]從主客觀兩個方面對基于VDT的工作績效進(jìn)行了評價,根據(jù)主觀問卷與腦電圖(EEG)的測量得出,300 lx、4 000 K的照明條件是所研究條件中適用于建筑空間長時間學(xué)習(xí)的推薦設(shè)計值如圖3所示,為調(diào)整照明標(biāo)準(zhǔn)提供了實際依據(jù),以提高其節(jié)能優(yōu)勢。結(jié)果還表明,在1 000 lx的高照度下的人更傾向于保持注意力,盡管被試者感到不適和不滿。Han等[47]采用主觀問卷、眼睛跟蹤器等方法研究在黑暗環(huán)境中使用VDT時的最佳桌面照明。結(jié)果表明色溫3 000 K和高照度1 500 lx的照明環(huán)境降低了被試者的視覺和認(rèn)知疲勞,從而提高了被試者在使用VDT屏幕時的舒適性。

圖3 不同光照條件下的腦電值[46]Fig.3 EEG under different illumination conditions

3 總結(jié)及展望

以往的照明環(huán)境研究的視對象主要為傳統(tǒng)的紙質(zhì)閱讀媒體，電子設(shè)備的興起與發(fā)展,讓智能手機、平板電腦、電腦和其他VDT設(shè)備逐步成為主要的閱讀工具，但是在人們?nèi)粘５墓ぷ鲗W(xué)習(xí)中，傳統(tǒng)的紙質(zhì)閱讀媒體也是必不可少的，目前不同閱讀媒體照明環(huán)境實驗大多數(shù)只研究單獨的VDT閱讀媒體，忽略了同時使用VDT與紙質(zhì)閱讀媒體這種情況，人們在交替使用VDT與紙質(zhì)閱讀媒體時，由于視對象光學(xué)特點及視線方向等的差異所引起的視疲勞是不容小覷的。

視覺是人們感知照明環(huán)境最重要的器官，它處理的信息最為直接，得到的信息量也是最大的。因此，提高照明環(huán)境的舒適度、視覺功效是建筑照明研究的主要方向和重要主題。在照明領(lǐng)域，光生物學(xué)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使得光與健康成為一個熱門話題。光對人視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的刺激所引起的人的生理和心理健康的總體效應(yīng)的研究，已經(jīng)成為照明領(lǐng)域的前沿課題之一。通過全文的綜述可以發(fā)現(xiàn)，VDT與紙質(zhì)閱讀媒體照明環(huán)境的研究趨勢也是從主觀評估與照明環(huán)境的關(guān)系研究到生理數(shù)據(jù)評估與照明環(huán)境的關(guān)系研究。目前的照明建議完全基于視覺標(biāo)準(zhǔn)，然而，不可忽視的事實是，VDT工作環(huán)境或同時使用VDT與紙質(zhì)閱讀媒體的工作環(huán)境需要涉及非視覺屬性的進(jìn)一步建議。

我國目前的照明標(biāo)準(zhǔn)缺乏基于國人視覺特征的研究，中國人的視覺特征往往不同于歐洲和美國人，而我國目前的標(biāo)準(zhǔn)主要是按照國際照明委員會的標(biāo)準(zhǔn)制定與修訂的。此外，實際照明水平受到規(guī)劃指標(biāo)和經(jīng)濟因素的制約，我國建筑空間的照明水平一般較低。人們夜間在建筑室內(nèi)工作時，可能會受到非常有限的光生物刺激，這會對他們的健康造成負(fù)面影響。因此，從光生物效應(yīng)的角度，來探索建筑空間的照明環(huán)境對人的身心健康的影響，已經(jīng)日益表明了它的重要性與必要性。