张昕：多暗算暗——论照度标准的不适用性

基于文献综述和暗的重新定义，笔者绘制了“暗感知”的理论框架图（详见图2）。

图2：暗感知的理论框架（绘制：张昕）

V(ʎ) 光谱光视效率曲线的建立是照明（Illumination）学科的核心基础之一，该曲线是照明量化的基础，也是照度数量标准被作为照明设计主要判据的起因。

物理学家测量了眼睛对等能光谱不同波长的光的视觉感受性，方法是将光谱上不同波长的光与一个标准亮度的白光做比较，并分别调节各波长光的强度使其与标准光在明度上相匹配，测量出各波长光所需的能量，进而得到等能光谱的相对视亮度曲线，也称为等能光谱的相对感受性曲线。国际照明委员会综合许多科学家测量欧美被试的结果而制定了这条标准曲线，光度计接受器的光谱灵敏度也要符合这条曲线，才能与代表被试群体共性的人眼视觉特性一致。

由图2可知，照明量化建立在“光的群体视觉感受性”量化的基础之上。这个基础无法涵盖并解释个体视觉经验、材料、对比、时间、区域对于暗感知的影响。为研究“多暗算暗”，并从暗感知角度分析照度标准的不适用性，则需要从V(ʎ)曲线所不能解释的部分入手。

3.1视觉能力的经验说

Hebb（1949，1958，1959）提出了与格式塔理论（图形知觉的组织性是无需学习而自生的心理现象）相反的理论——“细胞联合”说，并认为知觉是后天习得的。现代神经生理学发现，经常在一起活动的细胞容易发生相互联系，传导神经冲动。当一组“细胞联合”建立以后，刺激一个神经元会引起整个“细胞联合”的震荡。

Healg（1976）认为，经常阅读的字会被当作一个单元加以识别，而细节不再被注意。

Miller（1956）认为，人类的图像识别系统能把孤立的单元组成高一级的整体单位，每个整体单位是同时被感知的。视觉反应是受情景控制的，特定的情景一旦出现，曾在这个情景中学会的一整套视觉反应便会出现。在阅读文字材料时，读者的阅读技能、知识背景等都在起作用。

“视觉能力的经验说”清晰的揭示了传统可见性（Visibility）研究存在的问题：

3.2明度知觉的恒常性

根据漫反射材料亮度与照度的换算公式，照度加倍和反射比加倍均可造成物体的亮度加倍，但对于明度知觉，照度变化的影响较小，反射比变化的影响较大，原因是明度知觉具有恒常性。

因为由明度知觉主导的光流分布变化提供了空间定向的基本信息，所以反射比对于空间定向的贡献远大于照度，准确量化人眼视觉感受的参数是视亮度，但视亮度与亮度的转换并无简便公认的方法。

杨公侠教授（2002）推荐的方法如下[4]：

尽管照明设计在理论上应遵循“视觉构思”——“视亮度分布”——“亮度分布”——“反射比分布与照度分布”的逻辑顺序，但因视亮度分布与亮度分布之间的转换难以实现，照明设计界已经放弃了“视亮度分布”这一环节。即便如此，基于“亮度分布”的照明设计仍被看作是一种高级的照明设计方法（相比基于“照度分布”的照明设计方法而言）。

3.3分辨能力的三要素

照度、视角、对比度是人眼分辨能力的三要素。一系列研究表明，视角、对比度比目标物的照度更重要。喻柏林等（1979）得出在不同照度下视觉所能辨认的（兰道环）视角的大小，随着照度的增高，视觉效果的改善趋于减少（即“照明收敛递减率”）[5]。

视觉系统的敏感度随对比度的变化较之随照度的变化大得多。“回顾20世纪30年代时，人们认为最好的照明是间接照明，当从低水平的间接照明转变为照度提高三倍的荧光灯照明时，视觉没有改善，可见度甚至比以前更差”（Blackwell）。

目前，各种照明标准仍宣称照度数量主要是由视觉任务所确定的。为证明其不适用性，Christopher Cuttle（2011）进行了阅读实验：对于白纸上12pt的典型阅读任务，只要20 lx即可达到RVP值0.98；对于白纸上6pt或暗色纸上10pt的典型阅读任务，为达到同样的RVP值，所需照度将超过100 lx（相对于300～500 lx的照度标准仍然很低）。

“目前所执行的照度标准，似乎假设用户存在视觉缺陷，或用户总在非常低的对比度下读非常小的字”。[1]

3.4暗适应

黑暗中的视觉感受性随适应时间延长而逐渐提高。由图5可知，暗适应是由两条平滑曲线组成的，第一条曲线代表锥体视觉感受性的变化；第二条曲线代表杆体视觉感受性的变化。进到黑暗处的最初几分钟主要是锥体视觉的适应过程，但10～15分钟之后，杆体视觉的感受性大大改善，并大大高于锥体视觉的感受性。[5]

暗适应过程中的视觉感知较为复杂，一直是研究和设计的难点。以大足宝顶山石刻的两个石窟——圆觉洞和毗卢洞为例：二者在洞窟深处的采光系数相近，站立于洞口时，二者均无法辨认窟内的暗部细节，暗处空间作为一个整体明度阶被感知为“全黑”；进入洞窟后的短时间内，望向空间最暗处的视觉感受性相当；但经过暗适应的过程后，圆觉洞中最暗处的细节辨识明显优于毗卢洞，但前者“朦胧”的感受更强。（参见图3）

图3：圆觉洞与毗卢洞的采光系数伪彩度图（测试与绘制：张昕等）

随着人工环境逐渐变亮，暗的视觉经验则逐渐减少，人们对于“暗适应”的耐心也逐渐降低，进屋开灯的几率不断提高。如果停留时间短于暗适应时间，则停留时间越短，人眼的视觉感受性越差，对暗感知的评估越低，现实和实验中的很多暗环境因此被低估了。邻里空间对于暗的不认同也会引起连锁反应，形成“亮度竞赛”。

3.5朦胧

在天然光不足的室内常能体验到朦胧，会给人以一种抑郁感，是一种视觉心理现象。[4]当朦胧发生时，人们一般会认为是照度不足的原因，而选择提高照度。

朦胧作为一种视觉体验，目前尚无确切定义和量化指标：

Julian认为，朦胧可能发生在光源不可见的均匀空间中，房间表面看起来不是很“亮”；

Boyce认为，光在空间中的分布对于朦胧很重要，当一个房间的边和角不能被清楚的看到时，朦胧便会发生；

Jay和Bell认为，当亮度的变化梯度较小时，人们在扫视整个视野时，暗的角落和没有视觉兴趣的区域将出现朦胧；

Lynes认为，当低照度或漫射照明时，朦胧就会发生，是由于照明常性被破坏和视野中物体的视亮度降低所引起的；

Heselgren认为，将朦胧定义为无影子的照明，类似于阴天的光分布，会产生抑郁的情绪。

朦胧是最为常见也最为复杂的暗感知现象，尚无研究定论。综合各家论点，杨公侠教授总结了影响朦胧的知觉因素有：室内光的分布；视野中的物体和表面的反射；视野中的对比；周边黑暗区域内细节的辨认；整体照明水平；有关照明、亮度变化梯度和中间视觉色偏移的视觉条件；杆体细胞作用的明视条件。[4]

1. 研究方法上，普遍忽视和切割文脉，研究框架的拓展性和适用性严重不足。照明领域唯一符合“概念——理论——假说——实验”这一研究框架的是对于可见性（Visibility）的研究。不舒适性、情绪等领域被照明之外的多种因素影响，学界未能向更广泛的环境和人的因素延展。即使在可见性（Visibility）领域的研究，也仅限于在无文脉条件下，如何令视觉任务更快、更轻松，导致研究条件与实际情况相距深远。

2. 研究对象上，选择照度等参数作为独立变量。照度变化最易在实际场景和实验室中实现，流程控制简单，在无统计软件的时代易于分析，有限的被试样本也易于呈现出有规律可寻的统计结果。P.R.Boyce认为，此类变量的选择多是因其对于照明厂商和照明计算非常重要，并不是因为其对“人使用照明”重要，未来研究也无法建立在此类历史成果之上。

针对“多暗算暗”这一问题，笔者回顾了两个经典领域——疏散照明与办公室照明的相关研究，并将不同时期的研究成果并置，以便于更好的理解在可见性（Visibility）研究中照度标准的局限性。

4.1 关于“疏散照度标准研究”的回顾

图4：青年人、老年人在杂乱的或布置有家具的空间中的平均移动速度与地面照度之间的关系（Quellette & Rea，1989）

地面照度与疏散速度之间的关系研究是典型的“多暗算暗”问题。图4呈现了地面照度和人体运动速度之间的对应关系。对于通常的房间照明条件下，人的移动速度降低10～20%是可以被接受的。在地面照度从通常照明环境中的高值下降的过程中，人的移动速度的下降速度不断加快[6]。

10 lx对于青年人和老年人而言移动速度分别下降了10%和18%。欧洲标准（CEN，1999）规定的地面照度最小值为1 lx，对于青年人和老年人而言移动速度分别下降了25%和32%。

Jaschinski（1982）发现被试在3 lx即达到“满意”，P.R.Boyce（1985）发现被试在7 lx即达到较高的满意度。

一系列研究表明，10 lx地面照度对于在清晰空气状态下实现全疏散回路中的快速移动是足够的[7]。基于此结论，在当下的办公室、教室、图书馆的一般交通空间中，提供了视觉功能所需的15～25倍的光，这个比例在购物中心或机场航站楼的交通空间中则更高。

图5：暗适应曲线（参考文献[5]）

基于被试者的客观速度记录和主观评价结论确定疏散照度，逻辑尚不完整。真实场景中的疏散照明开启通常对应着常规照明的切断，如果考虑视觉的暗适应特点（详见图5），则应在确保视神经暗适应的时间足够短的前提下确定衰减幅度，即由疏散前的空间照度决定疏散照度。对于通常的400 lx的照明，视神经的适应可以到达0.4～4 lx；对于电影院等低亮度水平的空间，更低的疏散照度也是可以接受的。[8]

4.2关于“办公室照度标准研究”的回顾[8]

图6：在无窗办公室中基于不同桌面照度的照明质量评价（Saunders，1969）

图7：大进深的开敞办公室中人们对于照明是否舒适的打分与桌面照度均值的关系（Kraemer等，1977）

图8：进入办公室时决定是否开启人工照明的几率与办公区域天然光照度之间的关系（Hunt，1979）

对于办公室作业面照度标准的研究是上世纪的研究热点之一。图6呈现了在无窗办公室中照明质量主观评价与桌面照度水平之间的关系，低于200 lx的桌面照明被评价为“不好的照明”，随着桌面照度的提高，照明质量评价的打分随之提高，但提高的速度逐渐降低，符合“照明收敛递减率”。这是典型的以作业面照度作为主要变量的研究，“照度作为首要的设计参数是因为它易于预测、测量，同照明安装费用有清晰的关联”[2]，在被试被要求对于唯一变量——照度的变化作出评价的大量研究中，都能得到类似的曲线。

随后人们发现，仅靠高照度并不足以支撑好的办公照明，图7为20个大进深、开敞办公室中人们对于照明是否舒适的打分与桌面照度均值的关系，看不出照明舒适度与照度值有任何明显的关系。

该研究的照度值均在400 lx以上，且主要集中在600～1000 lx之间，因此对于确定办公照明是否舒适，桌面照明并不是可靠且唯一的评判基础。

图8为人们进入办公室时决定是否开启人工照明的几率与办公区域天然光照度之间的关系，研究者建立了开启几率与办公区域最小照度之间的关系函数。据此公式，最小照度为7 lx时的开灯几率是100%，最小照度为67 lx时的开灯几率是50%，最小照度为658 lx时的开灯几率是零。

以上跨度10年的三个研究呈现了办公室照明中照度标准的不适用性问题，特别是对于利用天然光的办公室空间，50%的研究对象可以接受67 lx的桌面照明，人们在有窗办公室中对于照明是否充足的判断，从照度数量上看远低于无窗办公室。

4.3 “照度标准不适用性”的理论依据

图9：照明的马斯洛夫层级模型（EmrahBaki Ulas，2011）与视觉感知的二元模型（Goodale& Westwood，2004）

多数照明项目首先考虑的是提供基本的可接受的照明水平，保证可见性和安全感。为系统分析照度数量标准的不适用性问题，需综合分析照明与视觉感知的理论模型。以照明马斯洛夫模型[9]（详见图9左）与视觉感知二元模型（Goodale& Westwood，2004，详见图9右）为代表的理论模型适用于本论点，通过对比研究可知，两个理论模型也达成了某种程度上的互相印证。

关于人类视觉系统如何捕获和处理视觉信息，由心理学家Goodale和Milner提出（1992），Goodale和Westwood最终确定（2004），即灵长类动物大脑皮层的视觉思维路径可分离为“是什么”（What）和“在哪里”（Where）。基于视觉感知二元模型，“多暗算暗”和“照度标准不适用性”问题则随之拆分为两个子问题。对于空间知觉，照度标准作为单一指标是无效力的，“暗感知”是无度量要求的；对于图像识别，照度标准作为单一指标是具有部分效力的，但现有照度标准明显高于可见性的要求，具有一定的调整空间。

本文的视角是实证研究，搁置东西方对于暗的不同看法。照度标准的不适用性可归纳为：以照度为代表的照明量化建立在“光的群体视觉感受性”量化的基础之上，无法涵盖并解释个体视觉经验、材料、对比、时间、区域对于暗感知的影响，将照度作为研究、标准、检测、设计、评价的关键参数并不合理，“多暗算暗”的答案也并不是照度值的单一指标描述，应从暗感知的视角进行系统性解析。随着业界对于“暗感知”和“照度标准不适用性”的理解加深，新的测试分析工具和设计方法正不断涌现。