不同亮度大尺寸顯示屏對(duì)視覺(jué)健康舒適度的影響
———以LED與DLP顯示屏比較研究為例

蔡建奇，楊 帆，杜 鵬 ，柴 博

(1.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100088；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100029； 3.北京陽(yáng)明智道光電科技有限公司，北京 100102；4.中國(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)，北京 100029)

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不同亮度大尺寸顯示屏對(duì)視覺(jué)健康舒適度的影響
———以LED與DLP顯示屏比較研究為例

蔡建奇1，楊 帆2，杜 鵬3，柴 博4

(1.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100088；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100029； 3.北京陽(yáng)明智道光電科技有限公司，北京 100102；4.中國(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)，北京 100029)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，大尺寸屏幕越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于通信、電力、交通、軍隊(duì)指揮、調(diào)度中心等控制室領(lǐng)域，但大尺寸顯示屏對(duì)視覺(jué)疲勞影響的研究未見(jiàn)報(bào)道。以市面上常見(jiàn)的LED和DLP顯示屏為例，進(jìn)行被試者的視覺(jué)健康舒適度測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括不同亮度(200/400/600nits)下LED和DLP顯示屏的觀視任務(wù)，通過(guò)對(duì)被試者測(cè)試前后人眼生理指標(biāo)的監(jiān)控結(jié)果，分析不同亮度下兩種顯示屏對(duì)視覺(jué)舒適度的影響，從而為大尺寸顯示屏的人因?qū)W設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持和理論基礎(chǔ)。

DLP；LED；顯示屏；視覺(jué)健康舒適度

引言

隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，企業(yè)各種業(yè)務(wù)的開(kāi)展與信息技術(shù)、信息處理越來(lái)越緊密相關(guān)，數(shù)字化信息化對(duì)國(guó)家的治理模式、對(duì)企業(yè)的決策、組織和業(yè)務(wù)流程、對(duì)個(gè)人生活方式都將產(chǎn)生巨大的影響。大屏幕顯示系統(tǒng)作為大數(shù)據(jù)分析、大信息量處理的專(zhuān)業(yè)平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于通信、電力、交通、軍隊(duì)指揮、調(diào)度中心等控制室領(lǐng)域，在信息共享、決策支持、態(tài)勢(shì)顯示、協(xié)同指揮等方面發(fā)揮重要作用。

傳統(tǒng)的大屏幕拼接顯示墻產(chǎn)品主要是DLP拼接屏。DLP是“Digital Light Procession”的縮寫(xiě)，即為數(shù)字光處理，這種技術(shù)要先把影像信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字處理，然后再把光投影出來(lái)。它是基于TI(美國(guó)德州儀器)公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字微鏡元件——DMD(Digital Micromirror Device)來(lái)完成可視數(shù)字信息顯示的技術(shù)。具體的來(lái)說(shuō)，就是DLP投影技術(shù)應(yīng)用了數(shù)字微鏡晶片(DMD)來(lái)作為主要關(guān)鍵處理元件以實(shí)現(xiàn)數(shù)字光學(xué)處理過(guò)程。其原理是將通過(guò)UHP燈泡或LED芯片發(fā)射出的光源通過(guò)冷凝透鏡，通過(guò)Rod將光均勻化，經(jīng)過(guò)處理后的光通過(guò)一個(gè)色輪(Color Wheel)，將光分成RGB三色(或者RGBW等更多色)，再將色彩由透鏡投射在DMD芯片上，最后反射經(jīng)過(guò)投影鏡頭在投影屏幕上成像。

LED顯示屏(LED display，LED Screen)是一種主動(dòng)式發(fā)光的顯示屏，由RGB-LED燈珠點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)組成。通過(guò)控制LED點(diǎn)陣中紅色，藍(lán)色，綠色LED燈的亮滅及灰度來(lái)顯示文字、圖片、視頻內(nèi)容。最初LED顯示屏由于點(diǎn)間距較大(5mm以上)，多用于戶(hù)外遠(yuǎn)距離商業(yè)廣告使用。近年來(lái)，隨著LED高密度顯示技術(shù)的發(fā)展，LED顯示屏點(diǎn)間距密度越做越高，目前已經(jīng)達(dá)到1.x mm水平，由于其可無(wú)限尺寸、無(wú)縫拼接，因此受到眾多大屏用戶(hù)的關(guān)注。目前，點(diǎn)距3mm以下的LED顯示屏已開(kāi)始漸漸進(jìn)入室內(nèi)市場(chǎng)，作為新型的室內(nèi)顯示產(chǎn)品使用。

DLP和LED顯示屏的技術(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 DLP顯示屏和LED顯示屏的技術(shù)對(duì)比Table 1 Technology of LED and DLP display screen

不同顯示屏對(duì)人眼舒適度的影響一直是各界研究重點(diǎn)，吳劍明(1988)[1]等人研究了不同屏幕亮度對(duì)顯示屏的顯示績(jī)效的影響，采用視覺(jué)作業(yè)績(jī)效和遠(yuǎn)近視力點(diǎn)的眼肌調(diào)節(jié)時(shí)間變化率作為指標(biāo)，并發(fā)現(xiàn)人眼產(chǎn)生疲勞時(shí)，視覺(jué)調(diào)節(jié)近點(diǎn)距離顯著增加，同時(shí)結(jié)果也表明不同的屏幕亮度對(duì)視覺(jué)疲勞有不同程度的影響。顧力剛[2](2000年)等人對(duì)陰極射線管(CRT)、液晶顯示器(LCD)和等離子體光顯示器(PDP)三種屏幕對(duì)視覺(jué)疲勞的影響進(jìn)行了研究，并得出對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)影響程度的順序是LCD≥PDP≥CRT。長(zhǎng)時(shí)間觀看顯示屏后，會(huì)出現(xiàn)各種視覺(jué)疲勞癥狀，例如眼睛發(fā)癢、疼痛、眼干燥、發(fā)脹、流淚、視物模糊，惡心、對(duì)焦困難、頭疼、頭暈等癥狀[3-6]。J. Kuze等人[7](2008年)就利用主觀評(píng)價(jià)的方法，在五個(gè)方面(眼疲勞、總體不舒適、惡心、對(duì)焦困難和頭疼)評(píng)估觀看LED顯示屏影像而形成的視覺(jué)疲勞。Sungchul Mun等人[8](2012年)開(kāi)展腦電圖(EEG，electroencephalography)的研究，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(EEVEP，steady-state visually evoked potential)和事件相關(guān)電位(ERP，event-related potential)，與觀看顯示屏影像后的認(rèn)知疲勞有關(guān)聯(lián)。本研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)前期的大量研究發(fā)現(xiàn)[9]，人眼各項(xiàng)生理指標(biāo)(基礎(chǔ)屈光、AC/A、眼壓、高階像差、光學(xué)傳遞函數(shù)MTF、高頻肌顫HF等)的綜合變化能有效反映人眼的疲勞狀態(tài)，并能夠從人眼生理本質(zhì)上去分析視覺(jué)疲勞的表現(xiàn)，該系列研究首次提出了評(píng)價(jià)人眼疲勞的新方法，并已經(jīng)成功應(yīng)用于LED照明產(chǎn)品[9]和LED電視[10]對(duì)于人眼的視覺(jué)健康舒適度的評(píng)測(cè)中。

上述研究均是基于常規(guī)顯示屏的測(cè)試結(jié)果，并沒(méi)有報(bào)道研究大尺寸顯示屏對(duì)人眼疲勞程度的影響，尤其是剛從戶(hù)外進(jìn)入戶(hù)內(nèi)使用的LED顯示屏對(duì)人眼舒適度影響的研究目前仍然是一個(gè)空白。基于以上原因，本研究將首次針對(duì)大尺寸的DLP和LED顯示屏進(jìn)行視覺(jué)健康舒適度的測(cè)試，并比較兩者之間的差異性，從而為大尺寸顯示屏的健康設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

參加本研究人因測(cè)試的被試總?cè)藬?shù)為110人(男性87人，女性23人)，視力范圍在+0.50D～-4.00D之間，被試年齡范圍為32±6歲。

1.2 研究方法

1.2.1 測(cè)試前人眼篩查

測(cè)試前對(duì)被試者進(jìn)行驗(yàn)光儀(NIDEK AR-310)測(cè)試，采用綜合驗(yàn)光臺(tái)和魔術(shù)視力表箱篩查主視眼、雙眼融像、雙眼視平衡、色辨識(shí)等參數(shù)，以便于剔出嚴(yán)重屈光不正、隱性眼科疾病的被試樣本。

1.2.2 測(cè)試過(guò)程

本研究使用DLP和LED兩種大尺寸顯示屏，顯示屏參數(shù)詳見(jiàn)表2，顯示屏亮度分別設(shè)置為DLP屏200/400nits、LED屏200/400/6000nits，測(cè)試環(huán)境照度保持在(150±30)lx。

表2 兩種顯示屏的具體參數(shù)Table 2 Detailed parameters of the two display screens

被試者在正常的室內(nèi)照明條件下進(jìn)行觀視顯示屏的閱讀任務(wù)，主要任務(wù)為藍(lán)道環(huán)測(cè)試(包括辨別、選取、判斷等)，每組測(cè)試時(shí)間30分鐘。被試觀看場(chǎng)景和藍(lán)道環(huán)測(cè)試內(nèi)容如圖1所示。

圖1 觀視場(chǎng)景及藍(lán)道環(huán)測(cè)試任務(wù)Fig.1 The scene and test task of Landolt ring

首先，被試者在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)休息(眼睛不能觀看電子類(lèi)產(chǎn)品)半小時(shí)后，進(jìn)行驗(yàn)光和視覺(jué)綜合測(cè)試平臺(tái)(可采集AC/A、像差、光學(xué)傳遞函數(shù)MTF、視覺(jué)成像質(zhì)量點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) PSF、高頻肌顫HF)的測(cè)試，采集被試最佳狀態(tài)下的基礎(chǔ)屈光、調(diào)節(jié)聚集比、像差、MTF、PSF、HF，然后開(kāi)始進(jìn)行不同亮度條件下不同顯示屏的觀視任務(wù)。整個(gè)觀視時(shí)間為30分鐘，任務(wù)結(jié)束后再進(jìn)行一次基礎(chǔ)屈光、AC/A、像差、PSF、MTF、HF測(cè)試。測(cè)試流程圖如圖2所示。

圖2 測(cè)試簡(jiǎn)要流程圖
Fig.2 The flow chart of test

1.2.3 測(cè)試設(shè)備

采用驗(yàn)光儀(NIDEK AR-310)、綜合驗(yàn)光臺(tái)(TOPCON DK-3100)和自主研制的視覺(jué)綜合測(cè)試平臺(tái)(經(jīng)過(guò)北京計(jì)量院校準(zhǔn)，校準(zhǔn)證書(shū)編號(hào)：H413Z-G0125)測(cè)試內(nèi)指標(biāo)包括基礎(chǔ)屈光、AC/A、像差、MTF、PSF、HF等參數(shù)。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用Matlab R2011b對(duì)觀視前及觀視后30分鐘的數(shù)據(jù)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性自適應(yīng)的模擬，現(xiàn)階段選取6項(xiàng)客觀指標(biāo)——基礎(chǔ)屈光、AC/A、像差、MTF、PSF、HF作為網(wǎng)絡(luò)的輸入層P(Input)，本團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過(guò)大樣本的視覺(jué)人因數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建的VICO指數(shù)(Visual Comfortable Index)模型[9]，得出輸出的視覺(jué)舒適度結(jié)果VICO得分。VICO指數(shù)得分共分為5級(jí)。級(jí)數(shù)越高說(shuō)明健康舒適度程度越低，具體如表3所示。

表3 視覺(jué)健康舒適度(VICO指數(shù))量化分級(jí)Table 3 Quantitative classification of VICO index

不同組間的差異性采用SPSS19.0中單因素方差分析的Bonferroni方法對(duì)假定方差齊性下的組間均值數(shù)據(jù)進(jìn)行成對(duì)比較。當(dāng)p<0.05時(shí)表明兩組間存在顯著性差異，當(dāng)p<0.01時(shí)表明兩組間存在極其顯著性差異。

2 結(jié)果

2.1 不同亮度下LED大尺寸顯示屏對(duì)人眼舒適度的影響

通過(guò)對(duì)3類(lèi)亮度(200/400/600nits)LED顯示屏測(cè)試，得出如下結(jié)果，如圖3所示。

圖3 不同亮度下LED顯示屏的VICO指數(shù)Fig.3 VICO index of LED display screen in different luminance

由圖3可知，400nits亮度下LED顯示屏的VICO指數(shù)最低，即人眼的疲勞程度最低，而200nits和600nits亮度下的測(cè)試結(jié)果顯示VICO指數(shù)均高于400nits，且600nits亮度下的VICO指數(shù)最大。三種亮度的測(cè)試結(jié)果LED顯示屏的VICO指數(shù)均位于視覺(jué)健康舒適度量化分級(jí)的第3等級(jí)，即中度視覺(jué)疲勞影響等級(jí)。其中200nits和400nits兩組測(cè)試結(jié)果存在顯著性差異(p<0.05)，400nits和600nits兩組測(cè)試結(jié)果存在顯著性差異(p<0.05)。

2.2 不同亮度下DLP大尺寸顯示屏對(duì)人眼舒適度的影響

通過(guò)對(duì)兩種亮度(200/400nits)DLP顯示屏測(cè)試，得出如下結(jié)果，如圖4所示。

圖4 不同亮度下DLP顯示屏的VICO指數(shù)Fig.4 VICO index of DLP display screen in different luminance

由圖4可知，200nits、400nits亮度下DLP顯示屏的VICO指數(shù)測(cè)試結(jié)果不存在差異性，VICO指數(shù)均位于視覺(jué)健康舒適度量化分級(jí)的第2等級(jí)，即輕微視覺(jué)疲勞影響等級(jí)。

2.3 LED與DLP兩種屏幕的比較

不同亮度下兩種屏幕對(duì)視覺(jué)舒適度影響的比較結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同亮度下LED和DLP顯示屏的比較Fig.5 Comparison of LED and DLP display screen in different luminance

由圖5可知，在兩種不同亮度下LED顯示屏的測(cè)試結(jié)果均高于DLP顯示屏，LED對(duì)人眼產(chǎn)生的疲勞感均高于DLP， DLP顯示屏的平均等級(jí)在2級(jí)(輕微視覺(jué)疲勞影響等級(jí))，而LED顯示屏的平均等級(jí)在3級(jí)(中度視覺(jué)疲勞影響等級(jí))。其中200nits和400nits亮度下，LED與DLP組間均存在顯著性差異(p<0.05)。

現(xiàn)有市場(chǎng)上常見(jiàn)的LED屏幕亮度多采用600nits，而DLP屏幕多采用200nits，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)600nits亮度下LED顯示屏對(duì)視覺(jué)舒適度的影響遠(yuǎn)大于200nits亮度下DLP顯示屏，兩組間存在極其顯著性差異(p<0.01)。

3 結(jié)論

(1)在30分鐘的觀視任務(wù)后，三種亮度(200/400/600nits)下LED顯示屏對(duì)人眼舒適度的影響為均有明顯疲勞感，但在耐受范圍內(nèi)，對(duì)人眼舒適度的影響從小到大排序?yàn)椋?00nits<200 nits<600 nits，由此可知400nits亮度可以作為大尺寸LED顯示屏的推薦亮度；

(2)在30分鐘的觀視任務(wù)后，DLP顯示屏對(duì)人眼舒適度的影響為200nits和400nits亮度下有輕微的疲勞感，但在耐受范圍內(nèi)。對(duì)人眼舒適度的影響200nits和400nits亮度測(cè)試結(jié)果無(wú)顯著差異，均可以作為大尺寸DLP顯示屏的推薦亮度；

(3)通過(guò)LED和DLP顯示屏的對(duì)比結(jié)果可知，在兩種亮度(200/400nits)下，基于30分鐘中的觀視任務(wù)DLP顯示屏對(duì)人眼舒適度的影響均小于LED顯示屏，觀看DLP屏幕后疲勞感明顯小于觀看LED顯示屏。在本次VICO指標(biāo)分級(jí)中DLP顯示屏的平均等級(jí)在2級(jí)(輕微視覺(jué)疲勞影響等級(jí))，而LED顯示屏的平均等級(jí)在3級(jí)(中度視覺(jué)疲勞影響等級(jí))；

(4)現(xiàn)有市場(chǎng)上常見(jiàn)的LED屏幕亮度多為600nits以上，DLP屏幕亮度多為200nits左右，而本次測(cè)試結(jié)果表明，600nits亮度下LED屏幕比DLP屏幕對(duì)視覺(jué)健康舒適度的影響要大的多；

(5)相同亮度條件下，LED自發(fā)光大尺寸顯示屏對(duì)人眼的刺激要遠(yuǎn)高于常規(guī)LED背光液晶電視，30 分鐘觀視下的覺(jué)疲勞累積較看常規(guī)電視(夏普電視)90分鐘的疲勞累積高出了近20%[10]。市場(chǎng)上的LED顯示屏產(chǎn)品亮度多為600nits以上，本次實(shí)驗(yàn)考慮到人眼健康安全的問(wèn)題，未采用更高的亮度進(jìn)行人眼實(shí)驗(yàn)，僅選取了人眼可接受的最高亮度閾值600nits(和一般手機(jī)亮度相當(dāng))進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)證明，短時(shí)間、低亮度的情況下，LED顯示屏對(duì)人眼的舒適度影響較常規(guī)液晶電視、大屏幕DLP顯示屏對(duì)人眼的舒適度影響大，若長(zhǎng)時(shí)間觀看，存在誘發(fā)眼部疾病的風(fēng)險(xiǎn)。為保證消費(fèi)者健康及提升產(chǎn)品的健康屬性，本研究將為相關(guān)大尺寸顯示屏的后續(xù)研發(fā)提供數(shù)據(jù)支持和理論基礎(chǔ)。

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關(guān)于征集“中照照明獎(jiǎng)演播室專(zhuān)業(yè)照明工程設(shè)計(jì)獎(jiǎng)”申報(bào)項(xiàng)目的通知

中照照明獎(jiǎng)是由中國(guó)照明學(xué)會(huì)設(shè)立，國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì)辦公室正式批準(zhǔn)的中國(guó)照明領(lǐng)域唯一重要獎(jiǎng)項(xiàng)。演播室專(zhuān)業(yè)照明工程設(shè)計(jì)獎(jiǎng)是中照照明獎(jiǎng)的涵蓋組成部分，是照明工程設(shè)計(jì)獎(jiǎng)的重要內(nèi)容之一，根據(jù)其專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn)由中國(guó)照明學(xué)會(huì)舞臺(tái)電影電視照明專(zhuān)業(yè)委員會(huì)承辦，該獎(jiǎng)項(xiàng)旨在獎(jiǎng)勵(lì)電視照明領(lǐng)域中，在技術(shù)創(chuàng)新、科技及設(shè)計(jì)成果推廣應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和照明工程實(shí)施方面做出杰出貢獻(xiàn)的個(gè)人和組織。調(diào)動(dòng)電視照明科技工作者自主創(chuàng)新的積極性，促進(jìn)電視專(zhuān)業(yè)照明科技人才成長(zhǎng)，推動(dòng)我國(guó)電視照明科技事業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。

經(jīng)研究，中國(guó)照明學(xué)會(huì)舞臺(tái)電影電視照明專(zhuān)業(yè)委員會(huì)決定從即日起開(kāi)展演播室專(zhuān)業(yè)照明工程設(shè)計(jì)獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)活動(dòng)，本通知及申報(bào)須知、申報(bào)書(shū)可從網(wǎng)站(www.sftvlighting.com，www.lightingchina.com.cn)下載。

一、獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)置：演播室專(zhuān)業(yè)照明工程設(shè)計(jì)獎(jiǎng)設(shè)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)、優(yōu)秀提名獎(jiǎng)。

二、申報(bào)辦法

1.申報(bào)資料直接送交中國(guó)照明學(xué)會(huì)舞臺(tái)電影電視照明專(zhuān)業(yè)委員會(huì)。

2.各申報(bào)單位應(yīng)嚴(yán)格按照評(píng)獎(jiǎng)通知規(guī)定的時(shí)間、地點(diǎn)、參評(píng)方法等要求選送項(xiàng)目，報(bào)送推薦表及文字資料。填寫(xiě)推薦表要實(shí)事求是。推薦表要由主管領(lǐng)導(dǎo)簽字并加蓋公章。參評(píng)項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)有弄虛作假者，經(jīng)查明屬實(shí)，即撤消其獎(jiǎng)勵(lì)。

三、申報(bào)材料：要求提供一式三份完整資料(紙質(zhì))及一份電子版資料(光盤(pán)形式)。

四、申報(bào)截止時(shí)間：2015年4月30日。

我們誠(chéng)摯地邀請(qǐng)各委員單位、電視臺(tái)、演播室照明工程設(shè)計(jì)公司、工程公司對(duì)本屆演播室專(zhuān)業(yè)照明工程設(shè)計(jì)獎(jiǎng)的評(píng)選活動(dòng)予以關(guān)心與支持，并積極參與這一活動(dòng)，共同為中國(guó)電視專(zhuān)業(yè)照明科技事業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步做出貢獻(xiàn)!

聯(lián)系人：唐姣龍，王京池 E-mail:lighting_hr@sina.com

聯(lián)系電話：010-88213606，010-68507562

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Effect of Visual Comfort by Large Size Displays in Different Iuminance—Example for Comparative Research on LED and DLP Displays

Cai Jianqi1, Yang Fan2, Du Peng3, Chai Bo4

(1.ChinaNationalInstituteofStandardization,Beijing100088,China; 2.BeihangUniversity,Beijing100029,China;3.BeijingYangmingzhidaoPhotoelectricScience&TechnologyCo.,Ltd.,Beijing100102,China;4.ChinaEnergyConservationAssociation,Beijing100029,China)

With the progress of technology, large size displays are more and more widely used in control room of communication, electricity, traffic, command posts and so on, but no related reports in influence of visual fatigue by large size displays. This study focuses on common LED and DLP displays. We carried out visual comfort test of both displays in three brightness (200/400/600 nits). Base on the results of physiological indexes of human eyes before and after the test, we obtained the assessments of impact on visual comfort by both displays. Research results could provide data support and theoretical basis for human factor design of large size displays.

DLP; LED; display; visual comfort

R857.13

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.018