Abe
07月17日
深色模式对视疲劳和效率的影响
| 本文为付费栏目文章，您已订阅，可阅读全文 |
「深色模式」是应用圈近几年的热门词汇之一，不少开发者都为自己的应用添加了深色模式。去年，使用 OLED 屏幕的 iPhone X 发布，这引起了一波深色模式的热潮。今年，随着 macOS Mojave 的推出，「深色模式」再度活跃于用户眼前。
每当有应用提供深色模式的支持时，除了审美上的个人选择，媒体的报道和相关讨论有时还会涉及「视疲劳」与「效率」，但并未提供详实的依据，难免令人困惑。
在这篇文章中，我希望讨论深色模式能否缓解视疲劳和提高效率。我不是医学生，更非眼科专家，撰写此文仅为抛砖引玉。参考列表为本文多数结论的来源，以便读者考证。
「深色模式」是什么？
在讨论深色模式的作用前，我们需要对深色模式本身再多做一点讨论。从生活经验中我们大体可以总结出，深色模式是以黑色或深蓝色等接近黑色的颜色为底色，使用白色、浅灰色等浅色文字或标示的外观主题。
我们直观的感受是，深色模式的「亮度」往往更低，可是在电子设备的设置中，又有一个另外的「亮度」， 这两个「亮度」明显是不同的。「亮度」对本文的讨论很重要，所以我们先来区分一下这两种情况。
在物理学和光学上，亮度（luminance）有着严格的定义，指的是单位面积的光源，在给定方向上，单位立体角内所发出的总光照量。也就是说，对于一个点光源，人眼在固定角度的情况下，能够感受到的光照量越强，亮度就越高。在电子屏幕上，黑色不发光或发光很少，因此亮度很低；白色则是发光最强的情况，因此亮度较高。为了便于后文讨论，我们称这个亮度为「光学亮度」。
光学亮度
光学亮度与电子产品设置里面的亮度（brightness）是两个不同的概念，这里我们把 brightness 称之「亮度设置」。控制亮度设置就是在调整白色的光学亮度，因此，调低亮度设置会让整个屏幕的光学亮度降低。
结合光学亮度和亮度设置的概念，我们可以给深色模式重新下一个定义。深色模式就是在同亮度设置的前提下，以接近黑色的颜色作为底色，使用浅色文字或标示的方法，得到的低光学亮度外观。
深色模式能否缓解视疲劳？
在长期使用电子设备后，人们常常感到眼睛干燥、视线模糊、头痛、颈部肩部背部不适、对光极度敏感甚至难以睁开眼睛等症状，这些均是视疲劳的症状。1
通常情况下，人们一分钟眨眼十五次左右，但使用电子设备时，眨眼的次数会大幅减少。眨眼会在眼球上覆盖一层泪膜，降低眨眼次数会导致眼睛干燥，这是视疲劳的最主要原因。另外，还有用眼时间过长、强行在昏暗光线条件下用眼、亮度设置和环境光线不匹配、以不适当的距离和角度注视屏幕、屏幕眩光、背景和文字对比度过低、周围空气过于干燥，这些都会加重视疲劳的症状。2
接下来，我们分两种情况讨论深色模式与视疲劳的关系，一种是在昏暗环境下使用，另一种则是明亮环境下。
关于昏暗环境的讨论
首先，无论是否使用深色模式，在昏暗环境下使用电子设备都不值得提倡。昏暗环境下为了收集更多光线，视网膜会产生更多光敏化合物，同时瞳孔放大、降低眨眼的频率，因此昏暗的环境本身就会加剧视疲劳。昏暗中感光能力更强，视疲劳也会增加光敏感度，因而在黑暗中亮度设置似乎永远不够低。但是，调低亮度设置会降低白色的光学亮度，却不会影响黑色的光学亮度，所以亮度设置的下调会降低对比度，同样加重视疲劳，这又让人更想调低亮度设置，形成恶性循环。
如果真的没有办法，必须在昏暗的灯光条件下使用电子设备，那么两害取其轻，在适宜的亮度设置下使用深色模式略有优势。比起明亮的浅色模式，深色模式的光学亮度较低，和昏暗环境的差距相对小些。但是，在昏暗环境中使用深色模式时，一旦打开白色背景的网页或是 PDF 文件，骤然变亮会对人眼造成强烈刺激。对此目前没有很好的解决方案，只能尽量避免在这种情况下访问网页和阅读文字了。
使用建议：首先，尽量避免在昏暗环境下使用电子设备。如果实在无法避免，保持适宜亮度设置的深色模式能降低视疲劳程度，但需要避免打开白色背景的网页、文件。
关于明亮环境的讨论
刚刚提到了，在昏暗环境下使用电子设备本身就不值得提倡，所以接下来我们把视线转移到明亮环境。现有的系统大多可以根据环境光线自动调节亮度设置，因此无论使用什么模式，都不必担心屏幕过暗或过亮加剧视疲劳。但是在明亮环境下，存在另一个加重视疲劳的因素——眩光。
眩光是阳光或人造光的直射或反射，会造成视物困难，同时加剧视疲劳。因此如果有条件，可以尽量选择防眩光屏幕。
如果屏幕防眩光效果不理想，那么可以考虑浅色模式。深色模式下，屏幕光学亮度低，瞳孔相对增大以接受光线，但这样会接受到更多眩光，加剧视疲劳。浅色模式虽然同样有眩光问题，但比深色模式下受到的影响少些，视疲劳的程度会相对降低。
另外，在暗色模式下，文字的可辨识度受眩光影响很大，眩光处完全无法看清文字和界面。光学亮度高的浅色模式在眩光处易辨识得多，这也导致了相当一部分人不喜欢深色界面。
使用建议：尽量选择防眩光屏幕。在明亮环境下，对于防眩光效果不理想的显示设备，浅色模式对缓解视疲劳更有帮助，同时也能降低眩光对文字和图像的影响。
「深色模式」能否提高效率？
我们在电子设备上，常常遇到的内容有两类，一类是文字，一类是图像和影像。因此关于深色模式的效率，我想讨论两个方面：一是比较黑底白字与白底黑字的可读性和阅读速度，二是比较图像、视频在深色和浅色背景下的显示效果。
「深色模式」下的文字
白底黑字和黑底白字的优劣，在设计学上已有广泛的讨论，也有不少相关研究。
在讨论可读性之前，我们需要先确定对比度的含义。对比度是系统或画面上最亮的颜色（一般为白色）和最暗的颜色（一般为黑色）的光学亮度比。在电子设备上，对比度越高，黑色与白色的视觉差别就越明显。
文字可读性
在大体趋势上，文字与背景之间对比度越高越易读，但部分降低对比度的微调也能提会可读性。白底黑字与黑底白字的对比度相当，但白底黑字更易辨认，阅读速度更快。
白底黑字更易读的可能原因很多，这里只列出几条：
- 浅色文字发出或是反射光线，在视网膜成像时可能互相影响，不易辨认，黑色文字吸收光线，所以没有这类问题；3
- 人们熟悉白底黑字，因此容易辨识，阅读更快；4
- 实验表明，光学亮度本身就会影响可读性，在正常使用范围内，关注焦点区域内的光学亮度越强越易读，同亮度设置下，白底黑字的整体光学亮度高于黑底白字。5
使用建议：如果追求容易辨认或阅读速度，那么建议使用白底黑字的浅色模式。
「深色模式」下的图像与视频
在处理色彩鲜艳、较为明亮的图像、影像时，它们能和深色背景能形成较高对比度，显示效果突出，有助于吸引人的注意力在图像和影像上。
在处理较为昏暗的图片、影片时，深色背景和图像、影像共同形成近似昏暗的环境，瞳孔自发增大，接受光线能力更强，方便处理这类图像、影像。假如使用浅色背景，虽然对比度的提高能突出图像、影像，但在明亮的环境下，人眼会减弱感光程度，影响对色彩的感知和细节的把握。
图像显示效果
另外，主流显示器的 BM 区（Black Matrix），即屏幕周围的黑边多为黑色。深色背景与 BM 区对比度低，不易引起注意，日常使用中，深色工具栏和背景似乎与屏幕边框融为一体，能减少注意力的分散。
使用建议：在处理图像和影像时，深色模式是更理想的选择，因为它能突出明亮的图像、影像；提高对昏暗图像、影像中色彩和细节的把握；还能看上去和屏幕边缘融为一体，减少注意力的分散。
特殊情况：在 OLED 屏上使用深色模式
去年发布的 iPhone X 使用了 OLED 显示屏，这种屏幕的特性之一是没有背光，因此显示纯黑色时不耗电。由于这个特性，不少第三方应用推出了黑色主题，主打省电。那么，在 OLED 屏幕上使用深色主题对眼睛是否有益呢？
iPhone X 在 OLED 屏上使用了脉冲宽度调制（Pulse-width modulation，PWM）以控制亮度。6 PWM 技术本身是一项通信技术，但被借鉴来控制亮度。在控制亮度时，屏幕有两个状态，供电和不供电。请参考 PWM 示意图，最上方是 100% 时间供电的 PWM 波，也就是直流供电；中间是 50% 时间供电的 PWM 波，也就是一半的时间供电，一半的时间不供电，这样循环往复；最下方是 0% 时间供电的 PWM 波，也就是完全断电。
PWM 示意图
PWM 控制亮度利用了人眼暂留效应。7 人眼传递光信号到大脑有一定延迟，因此眼前的图像消失后，它在大脑内的视觉感知不会立刻消失，而是会保留一小段时间，这就是人眼暂留效应。动画、电影和游戏都利用了暂留效应，让它们看起来像是在动一样。博物馆中常常有这样一种展品，一个圆盘一半是黑色，一半是白色，当它快速转动起来后，黑色和白色混在了一起，整体看上去就成了灰色的。PWM 技术就是通过这样不同比例的供电-断电快速交替，在人眼中形成了不同的明度。
PWM 的一个重要参数是基频，也就是一秒钟有多少个供电和停止供电的周期。一般认为，人眼能够察觉到低于 50 Hz 的频率，也有些人对此更敏感，能够察觉到 100 Hz 的频闪。100 Hz 以上一般人眼无法察觉，但 100 Hz 到 500 Hz 的频率范围仍可能造成头晕、视疲劳等症状。举个例子，视频和游戏中的帧数和 PWM 的周期是类似的概念，现在视频和游戏的常见标准是一秒三十帧图像，也就是一秒钟变化三十次，但是将帧数提高到每秒六十，大部分人仍能感受到画面更「顺滑」。8
PWM 控制亮度的过程中，断电时相当于图像消失了，人眼会失去焦点，准备重新对焦。如果 PWM 的基频够高，那么人眼根本意识不到图像消失，自然不会引起不适。假如断电的时间过长，人眼就会短暂地失焦，甚至重新对焦在黑色的屏幕上。在低频 PWM 控制亮度时，这种循环往复的对焦再失焦过程就是造成不适的罪魁祸首，在循环中，PWM 的供电时间越短，越容易加剧视疲劳。
一般认为高于 2 kHz 的基频就不会对眼部造成刺激， iPhone、Macbook 大多使用了 10 kHz 以上的基频，或者始终通电的直流供电9 ，因此不会加剧视疲劳。但 iPhone X 由于 OLED 材料的限制，使用了 240 Hz 的基频10 ，很容易造成人眼的不适。
使用建议：由于 iPhone X 的低频 PWM 供电，完全不发光的纯黑主题是非常理想的选择，可以避免频闪带来的不适。但需要注意的是，低亮度会造成失焦比例提高，因此纯黑以外的深色背景非但没帮助，反而比浅色更差。在日常使用中，可以尽量使用纯黑主题，同时保持较高的亮度设置，以减轻频闪的影响。
总结
总的来说，深色模式并不适合取代浅色模式，二者都有各自适用的范围：
- 白底黑字的浅色模式是阅读的最优选择；但处理图像、影像时，深色模式更有优势。
- 昏暗环境下用眼应该尽量避免，但迫不得已时可以优先考虑深色模式；在明亮环境下使用镜面屏时，浅色模式则能降低眩光的影响。
此外，由于 iPhone X 的亮度控制方式，纯黑色的外观主题非常理想，但非黑色的深色模式反而不如浅色。
- 维基百科对视疲劳的介绍：Eye strain - https://en.wikipedia.org/wiki/Eye_strain↩ 马约诊所（Mayo Clinic，明尼苏达著名非营利性医疗机构）对视疲劳的介绍和建议：Eyestrain - https://www.mayoclinic.org/diseases-conditions/eyestrain/symptoms-causes/syc-20372397↩ ↩
- 美国眼科协会对电子产品导致视疲劳的介绍和建议：Computers, Digital Devices and Eye Strain - https://www.aao.org/eye-health/tips-prevention/computer-usage↩ 美国视力测定协会对电子产品导致的介绍和建议：Computer Vision Syndrome - https://www.aoa.org/patients-and-public/caring-for-your-vision/protecting-your-vision/computer-vision-syndrome↩ ↩
- 设计博客 UX Movement 对黑底白字的介绍：When to Use White Text on a Dark Background - http://uxmovement.com/content/when-to-use-white-text-on-a-dark-background/↩ ↩
- 关于文字背景对可读性等影响的研究论文：The Impact of Web Page Text-Background Color Combinations on Readability, Retention, Aesthetics, and Behavioral Intention - http://lite.mst.edu/media/research/ctel/documents/LITE-2003-04.pdf↩ ↩
- 关于亮度对文字可读性影响的研究论文：The advantage of positive text-background polarity is due to high display luminance - https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00140130802641635↩ ↩
- 维基百科对 PWM 的介绍（通信技术介绍）：Pulse Width Modulation - https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation↩ ↩
- Architecture Lignting 杂志对频闪的介绍：LEDs: Fighting Flicker - http://www.archlighting.com/technology/leds-fighting-flicker_o↩ ↩
- laptopmedia 对 17 年 Macbook 的 PWM 测试：http://laptopmedia.com/highlights/the-new-macbook-pro-15s-display-doesnt-put-any-unnecessary-strain-on-your-eyes-pwm-free/↩ ↩
- 俄国网站 ixbt 对 iPhone X 的测评（指出 iPhone X 使用了 240 Hz PWM）：https://www.ixbt.com/mobile/apple-iphone-x.html↩ ↩
上一期
下一期
精选评论（3） 我的评论