以人为本——思辨性健康照明设计

王舒阳

(上海华为技术有限公司，上海 201206)

引言

当今大数据、物联网、人工智能、材料革新等技术领域的突破为照明设计带来功能实现、生产制造的巨大变化，人们对光环境的认知随着科技的进步与生活水平的提升，有了更加清晰的追求。照明设计也要在这样的一个背景下去适应新兴技术所带来的变化，基于现实的健康照明的科学理论研究，运用虚拟现实(VR)技术，使体验者有更加真实的沉浸体验，大胆探索一种以VR 作为探索健康照明起点，思辨未来的光环境设计，“以人为本”，满足人们对光环境更高层次的需要。

1 健康光照的相关研究

1.1 光与昼夜节律的关系

光虽是无形的，但却在人类的健康领域中扮演着重要的角色。光的不同属性会影响照明效果，如颜色、温度、照度、自然光或人工光……光会在三个主要健康领域影响人们：视觉效果、情感效应和昼夜节律。健康光照环境涵盖了“视觉功能、生理调节、情绪干预”三个方面，是一个适用于所有人居环境的、持续的、广泛的光环境概念[1]。在该研究中主要关注的是光与昼夜节律的关系。

光不仅会产生视觉效应，还会产生非视觉的效应。“虽然人们还在持续探索以完全理解光的非视觉效应，但是已经有定量模型被提出，去根据人眼入射光的特征来评估光的昼夜节律刺激”[2]。在研究了昼夜节律与照明设计的关系后，笔者了解到在视网膜中存在了一种特殊的细胞，称为第三类感光细胞(ipRGC)。“ipRGCs 向视交叉上核(SCN) 报告光刺激以减缓人类血液中褪黑激素的分泌，从而影响昼夜节律。褪黑激素促进困倦，减慢身体功能并降低活动水平”[3]。ipRGCs 的发现解释了光如何影响昼夜节律的原理。

1.2 光对人类昼夜节律系统产生有益影响

在文献[3]中，作者得出结论：色温5 000 K时的节律效率相对3 000 K并无明显提升，且色温4 000 K时的节律效率低于3 000 K时的节律效率；而基于EML 模型的计算结果显示：自3 000 K以上节律效率随着色温的上升而增强，即5 000 K所对应的光谱节律效率明显强于3 000 K。虽然基于两类模型得出的趋势存在差异，尚有待进一步研究加以明确，但是对于照明光谱视觉效率与节律效率之间的关系可得出一致结论: 当色温一定时，光谱的节律效率均随着视觉效率的增加而呈现减少的趋势，即传统的追求高视觉效率的照明方式将很可能不利于提供高效率的节律照明[4]。由此找到了关于光对人类昼夜节律系统产生有益影响的科学支持结果,不适应的光环境很可能对人体的生物节律产生不良的影响，并且很有可能引起一些例如节性情感障碍等疾病。由于缺乏自然光照，纽约地铁MTA 地下工作的工人(工作时间缺乏自然光)普遍存在昼夜节律紊乱的问题。同样的问题也发生在光污染严重的大城市的人身上。作为一名城市设计师，有责任帮助那些饱受昼夜节律紊乱之苦的人们。

1.3 光疗改善睡眠和健康问题

近年来多个研究表明, ipRGC 的信号会传导至下丘脑, 腹外侧视前(ventrolateral preoptic nu-cleus, VLPO)具有诱导睡眠的作用[5，6], 但是杆状体细胞和锥状体细胞同样对睡眠具有影响[7]。由于缺乏自然光照，国际空间站(ISS)的宇航员们普遍存在昼夜节律紊乱的问题。图1所示为美国宇航局研究并投入使用的一种光疗装置，它是一种强度和颜色可调的LED 灯，并且已交付给国际空间站(ISS)取代了之前使用的荧光灯泡。根据费城Thomas JeffersonUniversity 的George C. Brainard 教授的研究显示，这种LED光疗装置将改善船员的睡眠和健康问题。

图1 由美国国家航空航天局生产制造的LED 灯Fig.1 LED lamp made by NASA

2 以VR作为探索起点的健康照明的思辨设计

2.1 使用虚拟现实(VR)来模拟物理照明环境具有很大的可行性和潜力

在文献[8]中,作者研究并比较了哪些主流媒介更适合模拟物理光照环境。得出以下结论：

1)“媒介展现整体能力顺序是物理空间>虚拟现实复制品>视频复制品>图片复制品。”

2)“在主观评分方面，虚拟现实照明环境的评分最接近物理光照环境，媒介近似系数的顺序是物理空间(1)>VR复制(0.886)>视频复制(0.752)>图片复制(0.679)”

“VR 是展现平面、传统照明与住宅中3D 全光谱照明的沉浸式体验之间形成鲜明对比的最佳媒介”[9]。基于以上权威的科学研究报告，基于科学界关于媒介展现、虚拟现实照明环境的理论研究以及实践案例支持，用VR 模拟物理照明环境具有很大的可行性和潜力。使用VR 模拟物理照明环境，与传统真实的光环境模拟手段相比，虚拟现实技术具有更加敏捷、低成本的设计、反馈、迭代的特点，从虚拟现实的角度去探究健康照明疗愈的思辨设计。

思辨设计(Speculative design)，在一个基于unity 引擎搭建的虚拟室内空间，空间的四周墙上播放一些平和、放松的自然场景的视频，并且这个房间的光温将达到2 700 K，这将在白天缓解人们的昼夜节律紊乱[3]。通过一些简单抽象的灯光来构建一个用户不同感觉的光空间。简化场景给体验者提供一个更纯净、宁静的光疗场景,使体验者在VR 场景中停留超过5 min，尝试在纯净和单调之间找到平衡点。

如图2所示的迭代原型设计中，在unity 中构建造了一座寺庙，有一些阳光从太阳穿过寺庙，阳光的光温为2 700 K，来表达提神和仪式的感觉。用户在这样的光环境中带有仪式感，通常会感到空灵，放空思绪，有助于用户从现实世界的纷扰中逃脱、放松，进入冥想状态，探索使用VR技术构建和迭代VR照明场景，使设计师能够在拟议特定的室内环境为用户模拟光疗的可能性，以促进健康的昼夜节律。

图2 最终VR 原型Fig.2 Final VR prototype

2.2 以VR 作为探索起点的健康照明设计思辨

国内外已经有许多照明产品引入了生物节律调节的概念，例如Zumtobel 就通过Mellow Light V Tunable White 灯具和照明控制系统为用户提供3 000～6 000 K之间不同色温的照明环境来为用户提供有助于生物节律稳定的照明解决方案。基于这些研究，通过VR 健康照明的设计原型，以人的日常生活四个使用场景(起床、工作、Happy hour、睡觉)，通过光雕投影技术在全黑的同一室内空间内营造了多个不同的季节，而这些季节会缓缓地随着时间的推移变换：虚拟投影的花朵会从诞生、生长、结出花蕾、开花、凋谢到死亡，进而营造不同的光影视觉空间氛围。在这个光影雕刻的营造的光环境中，通过虚拟花朵营造光环境的变化，让用户沉浸进入冥想状态，去思考生命流逝的意义。

通过光雕投影(Projection mapping)的方式去模拟具有不同色温的光环境以达到光疗的目的。从用户体验的角度，通过光交互和光雕投影(Projectionmapping)领域的照明设计来优化迭代光疗，如图3所示，使用户不仅可以通过光疗收到疗愈，还可以享受光疗的过程，帮助人们改善生物节律，提升生活质量。

图3 交互和光雕投影迭代VR 照明场景Fig.3 Interaction and projection mapping iteration VR lighting scene

2.3 健康照明的核心内涵是以人为本

近20年内，从白炽灯、金卤灯、钠灯、LED、OLED 到智控系统、互联网+、智慧家居等智能控制技术的飞速发展，人类关于光对人的身心影响研究不断深入,特别是光环境的研究与应用已从原有的视觉功效发展到与情绪、睡眠、认知、节律等各个方面有关的光与健康的问题，让照明逐步走向动态照明, 即根据时间调整照明光谱及强度, 从而为人们创造安全、舒适、有益身心的健康照明光环境,这也对照明应用提出了更高的技术要求[10]。以VR 作为探索起点的健康照明，是一种对未来光环境思考的思辨设计，通过VR 智能技术, 实现因人、因时、因需而变的目标, 建立基于非视觉效应的动态光环境设计体系, 是对于健康光环境的新的思辨思考。一个宏阔的思维空间，一个尽可能深入验证体验的可能，这两个方面是思辨设计的重要的基点，“思辨设计”不是告诉我们一个具体的答案而是提示出对未知的思考。思辨健康照明设计，把思辨的所有感受、感知、感觉转换成创造的动力，“以人为本”——为人们的真实需求而用光，为更舒适的视觉体验而用光。