暗感知：多暗算暗——论照度标准的不适用性

张昕/ZHANG Xin

暗感知：多暗算暗
——论照度标准的不适用性

张昕/ZHANG Xin

基于全球人工环境不断变亮的现状，针对用照度作为“暗”评价依据是否合理这一问题，从“多暗算暗”的视角进行了文献回顾，总结了“照度标准的不适用性”。通过对于“暗”的重新定义，归纳了“暗感知”的理论框架，对“面向暗感知的整体式照明设计”进行了展望。

暗感知，照度标准，不适用性，整体式照明设计

国家自然科学基金面上项目（课题编号：51478236）

1 背景

相比100年前，全球人工环境的照度大幅提升了。表1回顾了百年来照度标准的变化，针对特定视觉任务的照度标准提高了10倍。人类的照明需求（lighting demand）是支撑照明工业发展的动因，但在过去的60年间，照明正从满足“视觉需求”向“迎合期望”转变[1]82。

2015年，LED产品的光效（图1）将超过同期金卤灯和紧凑型荧光灯产品的高值（后两者平均光效为60～115 lm/W）。2015年，以13W/850lm的A19型替代灯为例的LED灯具售价（图1）将降至紧凑型荧光灯灯具的同等水平。高光效与可接受价位的同时实现，意味着民用市场已经可以应用LED产品全面替代传统产品了。

人类对光的需求集中在视觉、情感、生物3个领域，人工照明的发展又催生出了第4需求——节能。LED的出现恰逢其时，革命性地满足了节能需求，也在前3个领域“创造”了新问题，但照明工业智慧地将这些新问题转化为新机遇：人工照明研究的热点迅速向光生物领域转移，与LED的光学特性密切相关的“智慧照明”“动态照明”和“光的非视觉生物效应”是目前研究的热点。

针对用户市场、工业界、研究界的“乐观态度”，博伊斯（P.R.Boyce）于2010年回顾并反思了由照明工业界支撑的照明标准及研究的发展历程，提出“对于快速和大量地节约电能，最有效的方式是降低照度标准，因为人类对于照度的响应是对数关系，而对于能耗是线性关系”[2]。但这样的声音因其明显的“反照明工业”性质而没有得到多少回应。

针对用照度作为“暗”的评价依据是否合理这一问题，本文从“多暗算暗”这一视角进行文献回顾，也作为对博伊斯的回应。关于“照度标准不适用性”的讨论，希望能引起研究者和工业界对如下现象进行反思：

（1） 应用层面——随着“变亮”的成本不断降低，人们对于照度数量的要求不断提高。

（2）设计层面——即使仅作为参考值，设计师仍像对待强条般执行照度标准。

（3）研究层面——忽视视觉和行为模式的研究，沉迷于分享LED进步带来的节能红利。

2 暗的定义

认知心理学专家迈克尔博士（Dr. Michael）指出，对于暗的定义取决于讨论表面（surface）还是讨论照明（illumination）：如果讨论表面，暗是指低“明度”（lightness，是眼睛对光源和物体表面的明暗程度的感觉，不仅取决于物体照明强度，更取决于物体表面的反射比）；如果讨论照明，暗是指低“视亮度”（brightness，主观上感受到的明亮程度，以区别于用仪器测得的“亮度”），视亮度与人眼的适应水平有关。基于文献综述，笔者对于“暗”做如下定义：

暗是一种主观上的对于明度不足和视亮度不足的感知，是对于空间的一种独特的感知维度，不仅是指光的不足，更是指视觉质量的不足。

暗感知受如下6个因素（1个主体因素与5个外部因素[3]）影响：

（1）视觉能力，包括群体的视觉共性和个体的视觉经验。

（2）光，例如不足的照度（illuminance）。

（3）材料，例如低反射比或低透射比材料。

（4）对比，例如对比的范围越大，对暗的体验越深。

（5）时间，例如主体的暗适应时间。

（6）区域，例如明确边界的局部暗（如阴影）或覆盖全部表面的整体暗。

3 “暗感知”的理论框架

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（图2）。

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)曲线所不能解释的部分入手。

3.1视觉能力的经验说

赫布（Hebb，1949[4]，1958[5]，1959[6]）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。希利（Healy，1976）[7]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。米勒（Miller，1956）[8]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”清晰地揭示了传统可见性（visibility）研究存在的问题：

（1）照明实验不同于真实的视觉任务，例如被试对于兰道环辨识的视觉反馈完全不同于真实语境下的文献阅读。

（2）照明实验难以消除由被试的视觉经验差异造成的实验误差。

（3）随着暗感知经验的逐年缺失，暗环境下照明实验的有效性逐渐降低。

3.2明度知觉的恒常性

表面活性剂促助法具有环境友好、方法简单的特点，同时可以通过选择不同种类的表面活性剂对MoS2纳米微球的结构进行设计和调控。

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[9]192：

（1）马斯登（Marsden）的方法，与表面亮度和室内不发光表面中的最高亮度相关。

（2）豪布纳 （Haubner）和博德默尔 （Bodmann）的方法，与试验场亮度、背景亮度和试验场张角相关。

（3）瓦尔德拉姆（Waldram）的方法，与作业亮度和适应亮度相关。

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）。）

照明标准 照明手册第十版 建筑照明设计标准英国（CIBSE /1911） 美国（IESNA /2011） 中国（GB50034-2013学校教室 30 lx 400 lx（书写） 300 lx商业办公楼 40 lx 300～500 lx（书写） 300～500 lx图书馆阅览桌 50 lx 300～500 lx（阅读） 300～500 lx

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”）[10]30。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。布莱克威尔（Blackwell）回顾1930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3倍的荧光灯照明时，视觉没有改善，可见度甚至比以前更差”。

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[10]26。

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（图3）。

1 LED的光效和市场售价的发展趋势（图片来源：http:// www.energy.gov/）

2 暗感知的理论框架（绘制：张昕）

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）

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（参考文献[11]）

5 暗适应曲线（参考文献[10]）

6 在无窗办公室中基于不同桌面照度的照明质量评价（图片来源：Saunders, J.E. The role of the level and diversity ofhorizontal illumination in an appraisal of a simple office task. Lighting research and Technology, 1969, 1:37-46.）

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（图片来源：Kraemer, Sieverts andPartners. Open-Plan offices, London: McGraw-Hill, 1977.）

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（图片来源：Hunt, D.R.G. The use of artificial lighting in relation to daylight levels and occupancy. Building Environment, 1979, 14:21-33.）

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[9]49。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：朱莉安（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”；博伊斯认为，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地看到时，朦胧便会发生；杰伊（Jay）和贝尔（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；莱恩斯（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；黑泽尔格伦（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[9]50。

4 照度标准的历史局限性

对于照明研究百年历程的反思，以著名学者博伊斯提出的4点局限[2]（2010）为代表，照度标准的研究局限主要体现在研究方法和研究对象的选择上。

（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。博伊斯认为，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，以便于更好地理解在可见性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

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。在通常照明环境中地面照度从高值下降的过程中，人移动速度的下降速度不断加快[11]。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%。亚申斯基（Jaschinski，1982）[12]发现被试在3 lx即达到“满意”，博伊斯 （1985）[13]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。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。

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（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[14]。

4.2 关于“办公室照度标准研究”的回顾

对于办公室作业面照度标准的研究是20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3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

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[15]（图9左）与视觉感知二元模型[16]（Goodale & Westwood，2004，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，由心理学家古德尔（Goodale）和米尔纳（Milner）于1992年提出，古德尔和韦斯特伍德最终于2004年确定，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。

9 照明需求的马斯洛夫层级模型（参考文献[15]）与视觉感知的二元模型（参考文献[16]）

5 展望：面向暗感知的照明设计

以宗教、绘画、哲学、文学以及炼金术等领域为代表的西方理论体系总体上是歌颂光明、恐惧黑暗的。对于暗的赞美常见诸于东方理论体系，论及对照明设计界的影响，则以《荫翳礼赞》最为著名。对于最为常见的暗感知现象——“朦胧”，西方研究将其定义为负面的、消极的视觉现象，而谷崎润一郎则用了大量的篇幅加以肯定，与暗相关的朦胧、细腻成为了东方坚守文化阵地的重要元素之一[17]。

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。

5.1 测试和分析工具

评估暗感知的关键环节之一是获得对比度。便携式图像亮度计与高动态范围图像（high dynamic range image）都是非常快捷的测试分析工具。目前，设计师分析亮度分布最常用的是HDR数字图像（图10）。经由软件计算出每个象素点的亮度值，并通过伪彩度图以及相对亮度对比度曲线呈现出来，可应用于天然光和人工光模型的计算。但是，此类测试分析工具尚存在如下问题：

10 用于分析经幡对于经堂亮度分布影响的当卡寺大经堂的HDR图像（绘制：赵秀芳、张昕）

（1）亮度计进光的数量并不等同于瞳孔。根据斯泰尔斯·克劳福德（Stiles-Crawford）效应，外界物体为达到同样的主观明度，从瞳孔边缘入射的光的亮度要比从瞳孔中央入射的高几倍（在离瞳孔中心4mm的任何一侧入射的光线，其相对光效只有从瞳孔中央入射光线的1/5）。

（2）视网膜的图像亮暗处理机制不同于HDR。感知心理学家解释了视觉系统如何从视网膜图像中提取相对的亮度值转化为具体感知到的明度值（Alan，2006）[18]。

（3）不能执行亮度与视亮度的转换。

5.2 设计方法展望

尽管设计师对于整体式照明设计的呼声很高，但研究界提供的理论模型却非常有限，其中比较有代表性的如照明的感觉充足度（Perceived Adequacy of Illumination）。PAI是空间用户评判照明是否充足的标准，测量从房间表面反射回人眼中的光线。克里斯托弗·卡特尔提出以平均房间表面出射率（MRSE）作为PAI的指标，对于空间照明的亮度进行评估。MRSE定义为房间容积内所有表面发出的光通量的平均密度（lm/m2），是在眼睛位置测量的一次或多次反射光（排除直接入射光），独立于任何亮的光源或窗。[1]82

面向暗感知的整体式照明设计的流程基于人类视觉系统的二元属性，将对比和暗作为必要的设计元素，鼓励视觉环境的多样性，有助于照明设计从“无情的”可持续设计中解脱出来，其要点包括：

（1）用目标视亮度水平和更高的对比度取代均匀的照度水平，实现合理的节能。

（2）规划暗的空间，接受天然光下空间中的暗区，减少对于天然光与人工光之间平衡的强调，通过空间规划预留暗适应时间，实现暗感知与视觉多样性的保护。□

[1] Cuttle C. Perceived adequacy of illumination: a new basis for lighting practice. PLDC 3rd global lighting design convention, Madrid, 2011:81-83.

[2] Peter R. Boyce. The energy solution: look on the less bright side. Newsletter for the Society of light and lighting. Vol 3, 2010, (Issue 3).

[3] Edward Bartholomew. Applied darkness - a model for luminance-based design that creates a balanced, richer and sustainable visual environment. PLDC 3rd global lighting design convention, Madrid, 2011:10-13.

[4] Hebb, D. O. The organization of behavior: A Neuropsychological Theory. New York: John Wiley, 1949.

[5] Hebb, D. O. Textbook of Psychology. Philadelphia: W. B. Saunders, 1958.

[6] Hebb, D. O. A neuropsychological theory. In S. Koch (Ed) Psychology: A Study of A Science. Study 1: Conceptual and Systematic, Vol. 1: Sensory, Perceptual and Physiological Formulations. New York: John Wiley, 1959.

[7] Healy, A. F. Detection errors on the word The: Evidence for reading units larger than letters. Journal of Experimental Social Psychology. 1976, 2: 235-242. [8] Miller, G. A. The magical number seven, plus or minus two: some limits on our capacity for processing information. Psychology Review. 1956, 63: 81-97.

[9] 杨公侠. 视觉与视觉环境．上海：同济大学出版社，2002.

[10] 荆其诚，焦书兰，纪桂萍. 人类的视觉．北京：科学出版社，1987.

[11] Rea, M.S., Quellette, M.J. Relative visual performance: a basis for application. Lighting research and Technology, 1991, 23(3):135-144.

[12] Jaschinski, W. Conditions of emergency lighting. Ergonomics, 1982, 25:363-372.

[13] Peter R. Boyce. Movement under emergency lighting: The effect of illuminance. Lighting research and Technology, 1985, 17:51-71.

[14] Peter R. Boyce. Human factor in lighting, London and New York : Taylor&Francis, 2003.

[15] Emrah Baki Ulas. Lighting designer vs. the evil forces of consumerism. PLDC 3rd global lighting design convention, Madrid, 2011:166-168.

[16] Goodale, M.A., Westwood, D.A. An evolving view of duplex vision: separate but interacting cortical pathways for perception and action. Current Opinion in Neurobiology, 2004, 14:203-211.

[17] 谷崎润一郎．荫翳礼赞．陈德文，译.上海：上海译文出版社，2010.

[18] Gilchrist, A. Seeing Black and White, New York : NY. Oxford Press, 2006.

Darkness Perception: How Dark Is Too Dark – Discussion on the Inapplicability of Illuminance Standard

Based on the current situation that international artificial environment becomes increasingly bright, regarding the question of whether using illuminance as the "darkness" evaluation is reasonable or not, this paper will review literature from the vision of "how dark is too dark", and summarize "the inapplicability of illuminance standard". Also, the paper will re-define "darkness" and set up a theoretical framework of "darkness perception", and then make a prospect of holistic lighting design based on darkness perception.

darkness perception, illuminance standard, inapplicability, holistic lighting design

清华大学建筑学院，生态规划与绿色建筑教育部重点实验室（清华大学）

2015-06-25