2022, Vol. 54
2. 天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室(天津大学)，天津 300072
2. Tianjin Key Laboratory of Architectural Physics and Environmental Technology (Tianjin University), Tianjin 300072, China
数字化媒体的迅猛发展使阅读方式改革进一步深化。《第十八次全国国民阅读调查报告》显示数字化阅读方式和综合阅读方式接触率分别已经达到79.4%和81.3%，且呈上升态势。视觉显示终端(visual display terminal，VDT)与纸质交互阅读是日常学习和工作中不可或缺的阅读模式。VDT屏幕和纸质文稿分别通过自发光和光线反射实现信息可读，而交互阅读时视线在VDT与纸质文稿之间频繁移动，对光环境提出了更高的要求。
目前国内外针对照明环境对VDT作业的影响展开了大量研究，主要集中在照明要素对视觉舒适、视觉疲劳和视觉绩效等感知层面的影响。文献[1]通过实验验证了进行VDT作业时，高色温下的视觉舒适性及表现均优于低色温；文献[2]研究了色温和照度水平对学生短时记忆再认和脑疲劳的影响；文献[3]通过主观评价实验得出屏幕中心垂直照度为163~300 lx时，屏幕阅读舒适性最佳；文献[4]指出光源光色会影响VDT阅读时的视觉功效；文献[5]研究得出工作面照度均匀度、光源色温、阅读背景面反射系数、阅读背景面亮度及VDT屏幕亮度对交互阅读舒适的影响；文献[6]研究得出可通过调节VDT背景饱和度提高视觉绩效。除主观评价之外，部分学者通过客观指标的测量，研究照明与视觉的关系。文献[7]研究瞳孔变化与视觉适应的函数关系；文献[8]研究表明最小瞳孔直径可有效评估VDT作业视觉疲劳；文献[9]通过主观舒适评分和脑电信号，建立数学模型对VDT视觉舒适度进行客观描述。现有主要研究多集中在水平照度、色温、屏幕亮度等单一光参数对阅读视觉感知的影响，未考虑水平纸面照度与垂直视屏面照度比例关系。认知心理学中解释认知效率是采用最佳的心理资源达到学习和解决问题的能力[10]，应用心理学中提到高情绪唤醒状态带来的自我认识更清楚[11]。对于交互阅读来说，认知效率可看做是学习和记忆能力的体现，高唤醒程度可使人们对作业内容有更好的反应和清晰的自我认识，从而提高认知表现。因此交互阅读照明环境设计，除应关注人的视觉感知外，更应该了解照明环境对人的认知表现影响。
故本文采用主观评价、视觉任务绩效与生理测量相结合的方法，在实验室内开展交互阅读照明环境视觉感知和认知评价实验。探讨水平纸面照度与垂直视屏面照度的配比关系，研究水平照度、照度配比、色温、屏幕亮度多参数，对视觉舒适、视觉功效、视觉疲劳、认知效率和情绪唤醒5种不同生理和心理需求的影响，得出优选照明参数，改善VDT与纸质交互阅读照明环境。
1 交互阅读照明环境评价实验 1.1 实验设置为实现照明参数的调控，综合考虑了灯具配光、灯具与作业面的距离，并通过DIALux evo软件模拟得出灯具布置方案，兼顾实用性和人体工学，搭建了交互阅读照明环境研究实验平台，见图 1(a)。该平台通过调整两个光源的光通量，实现照度和照度配比的调节。实验空间见图 1(b)，包括实验区和控制区。实验区由低透光率、低反光率的黑丝绒布围合而成，尺寸为2.4 m×1.8 m×2.4 m，水平和垂直背景面由低反射系数(0.4)的黑卡纸覆盖。控制区内的照明控制器可实现阅读环境照度配比1.5~5.5范围内的调节，水平照度0~1 000 lx范围内无极调节，色温3 500、4 000、5 000 K分档调节。
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图 1 交互阅读照明环境研究实验平台和空间(mm) Fig. 1 Experimental platform and space of interactive reading lighting environment(mm) |
根据团队已有研究[3, 5]，水平照度选取300、500、750 lx，光源色温选取3 500、4 000、5 000 K；CIE标准S 008/E-2001《室内工作场所照明》中指出主观效果明显可感觉到照度最小变化的照度差约为1.5倍，依据此原则，照度配比选取1.5、2.5、5.5；电脑屏幕亮度根据实际亮度选取100、180、260 cd/m2。为减少实验次数并避免被试的练习效应，采用正交实验，在Minitab软件中生成正交实验表，最终得到27种实验工况。为避免因屏幕亮度的更换增加实验复杂程度，按照屏幕亮度，将实验工况分为3组，同时被试以3种拉丁方组间顺序进行实验，降低被试在实验过程中的疲劳，实验工况设置见表 1。
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表 1 实验工况设置 Tab. 1 Experimental conditions setting |
实验设置了抄写和数字串核对任务。抄写任务，被试需在纸上抄写电脑屏幕上显示的文字，并在抄写结束后对当前照明环境进行-3~3的舒适度评价；数字串核对任务，被试需在屏幕上勾选出与纸质材料不同的数字串，后台统计正确率。实验过程中被试佩戴生理测量设备。眼动仪记录瞳孔直径、眨眼频率，评估视觉疲劳[12]；无线皮电(electrodermal activity, EDA)传感器记录被试的皮电水平(skin conductance, SC)；无线血容量脉搏(photoplethysmograph, PPG)传感器记录被试的心率变异性(heart rate variability, HRV)时域分析的两个指标，分别为相邻心跳间期差值均方的平方根(root mean square of successive differences, RMSSD)和平均心率(average heart rate, AVHR)。其中, SC和RMSSD均可反映交感神经和副交感神经的平衡状态，SC越低、RMSSD越高，副交感神经越活跃，认知效率较强[13]，故采用两个生理参数同时作为认知效率的评估指标；AVHR可表征人的情绪唤醒程度，HR升高，个体情绪唤醒增加[14]。为了排除被试的个体差异，对3项数据进行标准化处理，均选用变化率为最终评估指标，变化率公式为
| $ \Delta R = \frac{{{R_实验测量} - {R_基线}}}{{{R_基线}}} $ | (1) |
将实验加载于ErgoLAB人机环境同步平台，实时采集实验过程中被试的生理指标，实现不同工况下生理数据的自动记录和同步。具体实验包括以下两个阶段：
1) 准备及测试阶段：保证被试悉知实验流程和注意事项、正确佩戴生理指标测量仪器，并在全黑环境下对被试进行5 min的生理指标基线采集。
2) 视觉任务实验阶段：
工作人员在实验平台输入被试名称和实验组编号，进行第一组正式实验；
工作人员调节照明环境、屏幕亮度参数，使实验环境达到相应工况的参数值。被试根据实验平台指示，依次进行抄写—视觉舒适评价—数字串核对任务，完成后示意并闭眼休息。调整照明参数，重复上述步骤，直至完成第一组的9种工况实验，时长约22 min。
第二、三组的实验重复以上步骤，每组实验中间，被试休息3~5 min，避免视觉疲劳；工作人员检查仪器，并调整ErgoLAB平台上的设计程序。
1.3 实验结果共计30位(15男、15女)被试参与实验，年龄在18~30岁之间，被试视力(校正后)正常、身心健康且无眼部疾病。实验结束后对数据进行滤波和分段，并进行指标的变化率计算，共获得810组实验数据。取实验数据平均值，利用极值对数据进行趋同归一化处理，其中主观舒适评分、核对得分、平均瞳孔直径、RMSSD变化率、AVHR变化率5项指标，值越大表明对应评价项越好，将其赋为正值；眨眼频率、SC变化率指标值越小，对应评价项越好，将其赋为负值，结果见图 2，照明环境对不同的评价指标有不同程度的影响。
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图 2 实验结果直方图 Fig. 2 Histogram of experimental results |
通过方差分析和极差分析，分别得出交互阅读视觉感知和认知表现的显著影响因素及重要性排序，结果见表 2。由表 2可得出：
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表 2 交互阅读视觉感知和认知表现显著影响因素分析结果 Tab. 2 Significant influencing factors of visual perception and cognitive performance in interactive reading |
1) 水平照度对交互阅读的视觉感知和认知表现均有影响，对视觉疲劳的影响较大，但对视觉功效和情绪唤醒无显著作用。
2) 照度配比主效应对交互阅读的视觉功效、视觉疲劳和认知表现均有显著影响。
3) 照度配比与屏幕亮度的交互作用对视觉舒适有显著影响，照度配比与光源色温、屏幕亮度的交互作用对认知表现有显著影响。
4) 光源色温对视觉感知影响较大，尤其是对视觉舒适和视觉功效影响最大，对认知表现无显著影响，而对视觉疲劳的影响有待讨论。
5) VDT屏幕亮度对认知表现影响最大，对视觉疲劳影响也较显著。
2.2 各要素对不同评价指标的影响基于方差分析结果，对相关要素不同水平之间进行多重比较，进一步分析各显著影响要素的主效应和交互效应对交互阅读视觉感知和认知表现的影响规律，得出交互阅读单一需求指标的最佳照明参数。
2.2.1 视觉舒适主观评分结合多重比较和图 3可知，3个色温水平的舒适评分差异显著(P＜0.05)，4 000 K时舒适评分显著高于5 000、3 500 K的舒适评分。舒适主观评分在水平照度为500 lx时，与300、700 lx差异显著(P＜0.05)，但300 lx与750 lx之间无显著差异。500 lx时舒适主观评分均值最高，但整体差距不大。从水平照度和色温的交互效应来看，同等照度水平下，4 000 K下的主观评分最高，且视觉舒适主观评分随水平照度的增加而上升；经过极差分析，5 000 K时水平照度对交互阅读的主观舒适评分影响效应最大。从照度配比和屏幕亮度的交互效应来看，屏幕亮度为100 cd/m2、照度配比为2.5时，舒适主观评分最高，与屏幕亮度为180 cd/m2、照度配比为1.5时的工况相差不大。结合要素的重要性排序，得出以舒适主观评分为评价指标时的最优照明环境为：色温4 000 K、水平照度750 lx，当屏幕亮度100 cd/m2时，垂直照度为300 lx(照度配比2.5)，当屏幕亮度180 cd/m2时，垂直照度为500 lx(照度配比1.5)。
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图 3 相关要素对视觉主观舒适的影响 Fig. 3 Influence of relevant factors on visual subjective scores |
结合多重比较和图 4可知: 色温5 000 K环境下的核对得分与3 500、4 000 K差异显著(P＜0.05)，但在3 500 K与4 000 K下无显著差异；核对得分均值和最高值均在5 000 K色温。核对得分在照度配比1.5和5.5时差异显著；随着照度配比的增加，核对得分逐渐下降，表明视觉功效随之下降。综上，以核对得分为评价指标时的最优照明环境为色温5 000 K、照度配比1.5。
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图 4 相关要素对核对得分的影响 Fig. 4 Influence of relevant factors on check score |
结合多重比较和图 5可知: 水平照度、屏幕亮度不同水平之间的平均瞳孔直径差异性显著(P＜0.05)，随着水平照度、屏幕亮度的增加，平均瞳孔直径均逐渐变小。色温各水平之间，5 000 K环境下的平均瞳孔直径与3 500、4 000 K下差异显著(P＜0.05)，但3 500 K和4 000 K无显著差异；就分布状态看，色温对平均瞳孔直径的影响程度较弱。从照度配比与水平照度的交互效应看，通过极差分析后，可得出300 lx时照度配比对交互阅读平均瞳孔直径的影响效应最大；水平照度300 lx、照度配比5.5时，平均瞳孔直径最大；中、高照度(500、750 lx)下，照度配比对瞳孔直径无明显影响。综上，以平均瞳孔直径为视觉疲劳的评价指标时，低视觉疲劳的最佳参数组合为：水平照度300 lx、屏幕亮度100 cd/m2、照度配比5.5，色温3 500 K/4 000 K。
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图 5 相关要素对平均瞳孔直径的影响 Fig. 5 Influence of relevant factors on mean pupil diameter |
结合多重比较和图 6可知: 屏幕亮度3个水平下的眨眼频率均表现出显著差异(P＜0.05)，屏幕亮度为180 cd/m2时眨眼频率最小，但与100 cd/m2时差异不大。水平照度在750 lx时，与300、500 lx有显著差异(P＜0.05)，但300 lx与500 lx之间无显著差异；就分布状态和平均值来看，中低水平照度(300、500 lx)下，眨眼频率较小。眨眼频率在照度配比为1.5时，与2.5和5.5差异性显著，照度配比为2.5和5.5时无显著差异；从分布状态看，眨眼频率的平均最低值、最低值均在照度配比为1.5的环境下。综上，以眨眼频率为视觉疲劳的评价指标时，低视觉疲劳的最佳参数组合为：屏幕亮度180 cd/m2、水平照度300 lx/500 lx、照度配比1.5。
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图 6 相关要素对眨眼频率的影响 Fig. 6 Influence of relevant factors on blink frequency |
结合多重比较和图 7可知: 屏幕亮度3个水平下，SC变化率差异性显著(P＜0.05)，100 cd/m2时变化率最小。3个照度配比水平下的SC变化率差异性显著(P＜0.05)，从分布状态看，随着照度配比增加，SC变化率均逐渐上升。水平照度为750 lx时与300、500 lx的SC变化率差异性显著(P＜0.05)，但300 lx与500 lx之间相差不大；SC变化率平均值和最低值均在300 lx下。从因素的交互效应看，在不同屏幕亮度下，随着照度配比的增加，SC变化率呈不同趋势的递增状态；屏幕亮度为100 cd/m2时极差值最大，照度配比对SC变化率影响效应量最大。综上，以SC变化率为评价指标时，得出高认知效率的最佳参数组合为：屏幕亮度100 cd/m2、照度配比1.5、水平照度300 lx。
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图 7 相关要素对SC变化率的影响 Fig. 7 Influence of relevant factors on SC change rate |
结合多重比较和图 8可知: 屏幕亮度100 cd/m2与260 cd/m2时RMSSD变化率无显著差异，但从分布状态看，100 cd/m2时的RMSSD变化率均值、上四分位数和上边缘均优于260 cd/m2。300 lx与500 lx水平下RMSSD变化率差异显著(P＜0.05)，而500 lx与750 lx无显著差异；从分布状态看，当水平照度为300 lx时，RMSSD变化率最大。照度配比为1.5和5.5时，RMSSD变化率无显著差异。分析屏幕亮度和照度配比的交互效应，屏幕亮度为100 cd/m2、照度配比1.5的RMSSD变化率最大；屏幕亮度为100 cd/m2时，照度配比对RMSSD变化率影响效应最大。综上，以RMSSD变化率为评价指标时，得出高认知效率的最佳参数组合为：屏幕亮度100 cd/m2、照度配比1.5、水平照度300 lx。
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图 8 相关要素对RMSSD变化率的影响 Fig. 8 Influence of relevant factors on RMSSD change rate |
结合多重比较和图 9可知: 屏幕亮度不同水平下，AVHR变化率差异性显著(P＜0.05)，AVHR变化率随着屏幕亮度的增加逐渐下降。照度配比为1.5时，与2.5的AVHR变化率差异性显著(P＜0.05)；照度配比为2.5时，AVHR变化率平均值最大，但较为分散，需结合其他要素综合考虑。从照度配比分别与屏幕亮度、色温的交互效应来看，屏幕亮度越小，照度配比对AVHR变化率的影响效应越大，屏幕亮度100 cd/m2、照度配比2.5组合下的交互阅读AVHR变化率最大。色温4 000、5 000 K时，照度配比对交互阅读AVHR变化率影响效应量均较大；色温4 000 K、照度配比2.5组合下的交互阅读心率变化率最大。综上，结合要素重要性排序，以心率变化率为情绪唤醒的评价指标时，高情绪唤醒的最佳参数组合为：屏幕亮度100 cd/m2、照度配比2.5、色温4 000 K。
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图 9 相关要素对AVHR变化率的影响 Fig. 9 Influence of relevant factors on AVHR change rate |
研究以水平照度、照度配比、光源色温、VDT屏幕亮度为主要变量，重点探讨了照明环境对交互阅读视觉和认知的综合影响作用和各要素对不同指标的影响规律两个方面。实验结果得出：
1) 水平照度对交互阅读的视觉舒适和疲劳有显著影响，但对视觉功效和情绪唤醒无显著影响。究其原因，可能为研究选取的300、500、750 lx 3个照度值均为满足视觉作业基本需求的较优范围，而水平照度与色温的主效应对人的AVHR生理响应无显著影响与文献[15]的研究结论一致。
2) 分析各评估项的影响要素(表 3)，交互阅读的视觉感知和认知表现不仅受水平照度、照度配比、色温、屏幕亮度的单一影响，还受到要素之间的交互效应影响，且权重较高。
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表 3 不同评价指标下的最优照明环境 Tab. 3 Optimal lighting environment under different evaluation indicators |
3) 照度配比的主效应虽然对视觉舒适无影响，但照度配比与屏幕亮度的交互效应对视觉舒适有显著影响；照度配比主效应对认知表现的重要程度虽较低，但是照度配比与屏幕亮度、色温的交互效应对认知表现的影响更为显著。因此，针对交互阅读的照明环境设计，需平衡水平与垂直照度之间的关系。
实验还发现，选取不同指标作为交互阅读视觉感知和认知表现评估项时，其要素及规律具有差异性和统一性。研究选取平均瞳孔直径和眨眼频率来表征视觉感知中的视觉疲劳，但两者的显著影响因素(表 3)和规律未表现出完全一致的趋势，实验得出色温对平均瞳孔直径影响显著，而不影响眨眼频率。究其原因，瞳孔的收缩与观察者“感觉”到的光照亮度有关，也有研究指出色温的增加会导致人眼感知到的亮度增加[16]，本研究得出的结论与之相符。因此瞳孔直径的变化是否能准确反映由照明引起的视觉疲劳需进一步探索。同时研究选取了SC变化率与RMSSD变化率共同评估交互阅读认知效率，实验结果表明两者显著影响因素相同，因此将两者共同作为交互阅读认知效率的评价指标，具有较强的可行性。
根据数据分析结果，总结出单一评价指标下的最优照明环境。如表 3所示，舒适主观评分为评价指标的最佳视觉舒适参数与以SC变化率为评价指标的高情绪唤醒参数相同，即高视觉舒适且高情绪唤醒的最佳照明环境参数为：水平照度750 lx、垂直照度300 lx(照度配比2.5)、色温4 000 K，最佳屏幕亮度为100 cd/m2。同理, 高视觉功效结合低视觉疲劳高认知效率的最佳照明环境参数为：水平照度300 lx、垂直照度200 lx(照度配比1.5)、色温5 000 K，而屏幕亮度可根据实际阅读需求进行调整，100 cd/m2时认知效率最高，180 cd/m2时视觉疲劳程度最低。
4 结论本研究通过对主观评价和生理指标监测数据的分析，得出各照明要素对交互阅读视觉舒适、视觉功效、视觉疲劳、认知效率和唤醒程度的相关性和重要性；并分析要素不同水平之间对评估指标的差异性，结合数据分布状态，得出本研究范围内的最优照明环境，为交互阅读照明环境设计提供思路。具体结论如下：
1) 水平照度对视觉感知和认知表现均有显著影响，尤其是对视觉疲劳影响最大。
2) 照度配比主效应对交互阅读的视觉功效、视觉疲劳和认知表现均有显著影响，对视觉舒适无显著影响。但照度配比与屏幕亮度的交互作用对视觉舒适有显著影响，同时照度配比与光源色温、屏幕亮度的交互作用对认知表现有显著影响。因此，在进行交互阅读空间照明设计时，应考虑照度配比对作业者的生理及绩效影响；且两因素之间存在交互作用时，需综合考虑对评估指标的效应量大小。
3) 光源色温对交互阅读视觉舒适和视觉功效影响最大；VDT屏幕亮度对交互阅读视觉疲劳、认知效率和情绪唤醒影响最大。
4) 高视觉舒适且高情绪唤醒的交互阅读最佳照明环境参数为：水平照度750 lx、垂直照度300 lx(照度配比2.5)、色温4 000 K，最佳屏幕亮度为100 cd/m2。高视觉功效以及高认知效率、低视觉疲劳为交互阅读最佳照明环境参数为：水平照度300 lx、垂直照度200 lx(照度配比1.5)、色温5 000 K，且屏幕亮度建议为100 cd/m2。
5) 针对交互阅读行为认知表现的两个不同评价指标(SC变化率和RMSSD变化率)，虽在不同照明参数下变化趋势有差异，但得出高认知效率和高视觉功效的环境相同，即低屏幕亮度、低照度配比、低水平照度、高色温。
6) 交互阅读中，VDT屏幕亮度不宜过高(≤180 cd/m2)，有助于提高认知效率并降低视觉疲劳。
本文在已有研究基础上，选取了典型的变量水平，但取值数量较少，因此有待增加变量取值范围，进一步研究各要素对交互阅读的影响规律。同时应优化组内变量水平顺序，以避免被试在实验过程中形成练习效应，提高实验结果的准确性。
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