LED液晶顯示器對視疲勞的影響

田會娟，趙一聰，劉 歡，牛萍娟

（1．天津工業(yè)大學電氣工程與自動化學院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學 電子與信息工程學院，天津 300387；3．天津工業(yè)大學大功率半導體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研發(fā)中心，天津 300387）

LED液晶顯示器對視疲勞的影響

田會娟1，3，趙一聰2，3，劉 歡2，3，牛萍娟1，3

（1．天津工業(yè)大學電氣工程與自動化學院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學 電子與信息工程學院，天津 300387；3．天津工業(yè)大學大功率半導體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研發(fā)中心，天津 300387）

研究了LED液晶顯示器在不同色溫、亮度及亮度分布情況下對人眼視疲勞的影響.通過測量被試者在觀看影片過程中的眼電圖，從中獲取眨眼頻率值，結(jié)合被試對顯示器的主觀感受，評價顯示器對視疲勞的影響.實驗結(jié)果表明：色溫較低的顯示器（Tc=6 500 K）對視疲勞的影響主要表現(xiàn)在觀看時間超過1 h后；在工作環(huán)境亮度很低的情況下，提高顯示器亮度會有效提高注意力，但同時卻會造成眼部不適；亮度分布不均勻的顯示器將更早（工作時間小于1小時）的引起視疲勞.

LED液晶顯示器；視疲勞；眨眼頻率；眼電圖

科技發(fā)展不斷改變著人們的生活方式，液晶顯示器已經(jīng)成為人們?nèi)粘W習、生活及工作中必不可少的電子產(chǎn)品.常用的液晶顯示器中，以發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）為背光源的液晶顯示器已經(jīng)在電視、電腦等領(lǐng)域占據(jù)了統(tǒng)治地位.在追求更薄、更大、更亮的同時，關(guān)于LED液晶顯示器對視疲勞影響的研究也變的愈發(fā)重要.

評價視疲勞的方法主要可以分為3類：主觀評分法、主任務(wù)評分法和客觀測量法［1-2］.主觀評分法是指基于操作者的主觀量表評分度量視疲勞的程度，常用的主觀量表有語義差異和自我報告等［3-4］.主任務(wù)評價法中，操作者需要完成一些任務(wù)，通過任務(wù)完成情況評價視疲勞的程度［3］.客觀測量法可以分為3類：測量反映視疲勞特征的生理電信號，如測量眼電圖EOG、腦電圖EEG和心電圖ECG；使用圖像處理的方法從人眼中直接獲取瞳孔直徑等度量視疲勞的數(shù)據(jù)［5］；測量對被試在操作前后的視覺功能，如驗光、調(diào)節(jié)幅度、正負融像性聚散能力、淚膜破裂時間等［4，6］.

關(guān)于顯示器對視疲勞影響的研究中，Lee等［1］通過測量人眼的眨眼頻率和瞳孔大小的變化，研究了液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）與等離子顯示屏（plasma display panel，PDP）引起的視疲勞差異，研究結(jié)果表明，觀看LCD顯示器更易引起人眼的視疲勞；Hsu等［2］通過實驗研究了LCD、PDP和陰極射線管顯示器（cathode ray tube，CRT）3種顯示器造成的視疲勞差異，實驗結(jié)果表明，當觀看時間超過30 min后，CRT引起的視疲勞更加顯著；Yen-Kung［7］等的研究對比了被試者在3款不同E-link墨水屏上的閱讀績效，實驗結(jié)果表明，Sony PRS 700、Amazon Kindle和iRex 1000S對視疲勞的影響不存在顯著差異；陳成明等［8］利用閃光融合頻率、眨眼頻率及腦電圖等測量方法，比較了OLED和LCD 2種平板電腦引起的視覺疲勞度，研究結(jié)果顯示LCD相比OLED（organic light-emitting diode，有機電激光）平板電腦會引起更嚴重的視覺疲勞；張愛華等［9］從心電脈搏信號方面論證了心電脈搏信號與視覺疲勞之間的關(guān)系，分析了利用心電脈搏信號識別視覺疲勞狀態(tài)的可行性.從以上研究結(jié)果可知，目前國內(nèi)外學者主要針對不同光源類型及偏振特性的顯示器引起的視覺疲勞的差異性進行研究［1，2，7-9］.但現(xiàn)有的研究中，針對不同光色特性顯示器引起的視疲勞還有待深入研究，而顯示器的色溫、亮度、亮度分布等諸多光色特性卻是人們在使用過程中不容忽視的問題.

本文通過測量被試的眼電圖（electrooculogram，EOG），并結(jié)合被試的主觀評價，系統(tǒng)研究了LED液晶顯示器在不同色溫、亮度及亮度分布情況下對視疲勞的影響；詳細介紹了通過眨眼頻率和主觀評分評價人眼視疲勞的方法，通過實驗研究了在使用不同光色參數(shù)的顯示器時，眨眼頻率隨工作時間的變化規(guī)律.

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗對象

本次實驗共招募10名被試者，均為年齡在22～26歲之間的在校學生.10名被試者身體健康，雙眼矯正視力均在1.0以上，無色盲，無眼部疾病，無心臟病，不酗酒，在實驗期間不允許被試者攝入含有酒精與咖啡因的食物飲品.

1.2 實驗環(huán)境

實驗場地為一間可完全避光的暗室，實驗環(huán)境溫度22℃，環(huán)境亮度設(shè)定為0 cd/m2，實驗中只有被試者使用的顯示屏和測試電腦的顯示屏2種光源發(fā)光，并且2種背光系統(tǒng)間有一定距離，保證了測試電腦顯示屏發(fā)出的光線對被試無影響，實驗場景如圖1所示.

圖1 實驗場景圖Fig.1 Experimental environment

1.3 方法及設(shè)備

1.3.1 顯示器光色參數(shù)測量

實驗選用2臺型號完全相同的23英寸LED平板顯示器，依據(jù)顯示器行業(yè)標準SJ/T 11348-2006《數(shù)字電視平板顯示器測量方法》［10］中給出的方法，使用PR670掃描式亮度計對屏幕的色溫和亮度進行標定，并使用CX-2B成像亮度計對顯示器的整體亮度分布情況進行了測量，測試時顯示器與儀器的擺放位置如圖2所示.

圖2 測量位置圖Fig.2 Measuring position of screen

首先，對2臺顯示器的色溫和亮度進行標定.本文擬研究在2種色溫條件（6 500 K和9 300 K）下和2種極限亮度條件下（即屏幕亮度調(diào)至最高和最低時）人眼在觀看過程中的眨眼頻率變化.2種色溫條件的選擇依據(jù)標準《液晶顯示器件測試方法》對LED顯示器的規(guī)定，色溫變化通過調(diào)節(jié)屏幕的RGB比例實現(xiàn).

其次，對2臺顯示器的整體亮度分布情況進行測量，測量時2塊屏幕的色溫及亮度設(shè)置完全相同，色溫均設(shè)置為6 500 K，亮度均調(diào)至最高.為了更加直觀地分析2塊屏幕的亮度分布情況，將屏幕上各個點的亮度值導入MATLAB軟件中構(gòu)建亮度分布圖，結(jié)果如圖3所示.

從圖3中可以明顯看出，圖3（a）中屏幕1的亮度整體上分布較為均勻，圖3（b）中的屏幕2整體亮度呈現(xiàn)左暗右亮的分布情況，并且這種亮度分布差異從肉眼就可直接看出.

根據(jù)上述測試結(jié)果，4組實驗中選用的液晶顯示器的光色參數(shù)如表1所示.

需要注意的是，本文提到的亮度均勻程度是指顯示器整體的亮度分布情況，不應(yīng)與亮度均勻度的概念混淆.從表1中可以看出：選用第1組與第2組作對比，可以研究顯示器在不同亮度下引起的視疲勞差異；選用第1組與第3組作對比，可以研究不同色溫的顯示器對人眼視疲勞的影響；選用第1組與第4組作對比，可以研究亮度分布不同的顯示器對視疲勞的影響.

圖3 2塊屏幕的亮度分布情況Fig.3 Light distribution of two screens

表1 各組實驗中顯示屏的光色參數(shù)Tab.1 Optics and color parameters of screens in groups

1.3.2 眨眼頻率測試

眨眼頻率是反映人眼視疲勞的重要參數(shù)之一，研究表明，眨眼頻率的增加以及眨眼持續(xù)時間的延長與視疲勞有關(guān)［11-13］.人眼在一定時間內(nèi)的眨眼次數(shù)可以由相機捕捉、圖像處理、眼動分析、眼電圖（EOG）測量等多種方式獲得［14］.本文選用美國BIOPAC公司生產(chǎn)的生理測試儀MP150的眼電模塊——眼電放大器，實時記錄被試者在2 h工作中的眼電圖（EOG），對眼電圖進行數(shù)據(jù)處理后從中獲取人眼的眨眼頻率.

1.3.3 主觀評價

在評價顯示器對視疲勞的影響時，不應(yīng)忽略使用者的主觀感受.本文結(jié)合了Heuer（1989）［14］和Rafael（2001）［15］開發(fā)的問卷，考慮到語言習慣，從中篩選出6項內(nèi)容構(gòu)成本文的主觀評價量表.此量表采用5分制，如表2所示.

表2 主觀評價表Tab.2 Subjective evaluation form

1.4 實驗過程設(shè)計

每位被試者需要進行4組實驗，每組實驗前被試需進行5 min的暗適應(yīng).暗適應(yīng)結(jié)束后開啟屏幕，被試者開始進行2 h的觀看任務(wù)，觀看的影片在實驗前已準備好，并保證被試者在之前從未看過該影片，觀看過程中，為避免被試因影片內(nèi)容的吸引，眨眼頻率在無意識中降低，每隔30 min插播一段沒有情節(jié)的風光影片.從暗適應(yīng)結(jié)束直至觀看結(jié)束的整個過程中，持續(xù)記錄被試者的眼電圖.觀看結(jié)束后，被試者需在顯示器上填寫主觀評價表.每位被試者完成一組實驗后，在第2天同一時間進行下一組實驗.

2 結(jié)果與分析

2.1 眨眼頻率測試結(jié)果

從生理測試儀記錄的數(shù)據(jù)中獲取被試者在觀看前及觀看過程中每隔0.5 h的眨眼頻率，表3記錄了4組實驗中10名被試者在各時段間內(nèi)眨眼頻率的平均值.

表3 4組實驗中被試在各段時間內(nèi)的眨眼頻率Tab.3 Blink frequency in each timeframe of four groups

表3中，各組中各段時間的標準差分別為：第1組（15.5、12.4、9.1、12.7、10.3），第2組（17.9、10.4、8.5、12.6、9.6），第 3組（17.5、10.6、9.7、10.2、9.6），第 4組（20.7、15.4、13.0、15.0、16.0），平均值（2.3、5.7、6.3、7.0、7.5）.

考慮方便性與直觀性，定義n0為每組實驗中屏幕開啟前被試的平均眨眼頻率，ni為開啟屏幕后任務(wù)進行第i個0.5 h內(nèi)的平均眨眼頻率，則相比于觀看前，每個0.5 h內(nèi)平均眨眼頻率的變化率ki的值可用式（1）表示，因此ki的變化情況也可以反映平均眨眼頻率的變化規(guī)律.

圖4所示為以ki表示的眨眼頻率的變化趨勢.

圖4 眨眼頻率變化趨勢Fig.4 Blink frequency change trend

從圖4可以看出，被試眨眼頻率隨工作時長的增加呈規(guī)律性變化：各組實驗中被試的眨眼頻率在屏幕開啟后均有所下降，其中第3、4組的下降更為明顯；各組實驗中被試的眨眼頻率在前1 h內(nèi)的變化并不顯著；但隨著工作時間的推移，當觀看時間超過1 h后，各組實驗中被試的眨眼頻率都開始呈現(xiàn)上升趨勢，其中第1組與第4組的上升速度比其他2組更快.

下面采用統(tǒng)計學方法利用軟件SPSS 20.0分析上述規(guī)律是否具有統(tǒng)計學意義.

采用配對T檢驗的方法，分析每組實驗中觀看前與觀看后各段時間內(nèi)（0.5 h，1 h，1.5 h，2 h）、觀看0.5 h與之后各段時間內(nèi)（1 h，1.5 h，2 h）、觀看1 h與之后各段時間內(nèi)（1.5 h，2 h）被試眨眼頻率的差異，檢驗結(jié)果均標注在表3中.配對T檢驗的結(jié)果顯示，第2組實驗中觀看前與觀看0.5 h、1 h、1.5 h、2 h的眨眼頻率均具有顯著差異（P＜0.05）；第1組實驗中觀看0.5 h與觀看1.5 h、2 h的眨眼頻率存在顯著差異（P＜0.05），第4組實驗中觀看0.5 h與觀看1 h、1.5 h、2 h的眨眼頻率均存在顯著差異（P＜0.05）；第3組實驗中觀看1 h與觀看2 h的眨眼頻率存在顯著差異（P＜0.05），第1組和第4組實驗中觀看1 h與觀看2 h的眨眼頻率存在極顯著差異（P＜0.01）.

采用分組獨立T檢驗的方法，分析各段時間內(nèi)，第1組與其他各組之間眨眼頻率的差異.分組獨立T檢驗的結(jié)果顯示：第1組與第2組之間，相比觀看前被試在各段時間內(nèi)（0.5 h，1 h，1.5 h，2 h）眨眼頻率的變化率均存在顯著差異（P＜0.05）.

2.2 主觀評價結(jié)果

每組實驗中被試的主觀評價得分分別為：第1組24分、第2組15分、第3組23分、第4組21分.對第1組與其他各組之間的評分進行分組獨立T檢驗，第1組與第2組之間的差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）.其中第1組實驗中被試的主觀評價得分最高，第2組實驗中短時間觀看時被試普遍出現(xiàn)眼睛刺痛、流淚等癥狀.

3 結(jié) 論

本文系統(tǒng)研究了不同色溫、亮度及亮度分布情況的LED液晶顯示器對視疲勞的影響.詳細介紹了通過眨眼頻率和主觀評分評價人眼視疲勞的方法，通過實驗研究了在使用不同光色參數(shù)的顯示器時，眨眼頻率隨工作時間的變化規(guī)律.實驗結(jié)果表明：

（1）在整個觀看過程中，被試的眨眼頻率呈規(guī)律性變化：（a）觀看剛開始時，由于屏幕光刺激的產(chǎn)生，被試注意力提高，眨眼頻率相比沒有觀看屏幕時呈降低趨勢；（b）相比觀看初，當觀看時間少于1 h，只有亮度分布不均勻的顯示器會引起被試眨眼頻率的顯著升高；（c）隨著時間的推移，當觀看時間超過1 h，觀看低色溫屏幕會更早的引起眨眼頻率的顯著升高；（d）觀看亮度不同的屏幕時，相比觀看前，被試在各段時間內(nèi)（0.5 h，1 h，1.5 h，2 h）眨眼頻率的變化情況具有顯著差異，證明不同亮度的LED液晶顯示器引起的人眼視疲勞存在差異，在背景光亮度相同的情況下（Le=0 cd/m2），觀看亮度更高的顯示器眨眼頻率升高的越緩慢，這也符合屏幕亮度升高會吸引人眼注意力的生活經(jīng)驗.

（2）主觀評價的結(jié)果顯示：被試在使用不同光色參數(shù)的顯示屏時，主觀感受明顯不同，由于實驗在暗室中進行，被試更偏向喜歡亮度較低的屏幕，這與眨眼頻率的測量結(jié)果不一致，考慮是由于視疲勞與腦力疲勞之間存在緊密的聯(lián)系.

綜合考慮以上結(jié)果，在觀看不同色溫、亮度及亮度均勻程度的LED液晶顯示器時，眨眼頻率的規(guī)律性變化有所差異.亮度分布不均勻的顯示器將更早的（觀看1 h內(nèi)）造成人眼視疲勞；低色溫顯示器在觀看1 h后將更易造成視疲勞；在工作環(huán)境亮度很低的情況下，提高顯示器亮度會有效提高注意力，但同時卻會造成眼部不適.本研究仍存在許多不足之處：

（1）實驗中的背景光環(huán)境僅選用了完全黑暗這一種亮度情況，無法探究背景光環(huán)境與屏幕光環(huán)境間的不同差異對人眼視疲勞的影響；

（2）實驗通過調(diào)節(jié)屏幕RGB的比值實現(xiàn)色溫的改變，這種調(diào)節(jié)方式只能在有限色度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)色溫，使實驗研究受到一定限制；

（3）受實驗條件制約，樣本容量不夠造成的偶然性無法有效規(guī)避.

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Effect of LED liquid crystal display on visual fatigue

TIAN Hui-juan1，3，ZHAO Yi-cong2，3，LIU Huan2，3，NIU Ping-juan1，3
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；3.Engineering Research Center of High Power Semiconductor Lighting Application System of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

The influence of LED liquid crystal display on visual fatigue for the different color temperature，brightness and brightness uniformity is studied，according to the value of blinking frequency attained by the Electro-Oculogram（EOG）and subjective feeling of the subjects who have been watching the videos.The result shows that the visual fatigue is effected mainly after an hour for the display of the color temperture Tc=6 500 K.In lower environmental luminance，the increase of display brightness can improve the attention of the subjects significantly but increase the eye discomfort of the subjects.And the low luminance uniformity of the displays will influence more quickly（working time less than 1 h）on the visual fatigue of the subjects.

LED liquid crystal diaplay；visual fatigue；blink frequency；EOG

TN383.1

A

1671-024X（2016）05-0072-05

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.05.013

2016-01-11

國家自然科學基金青年科學基金項目資助（61504095）；火炬計劃資助（2013GH580096）

田會娟（1979—），女，副教授，主要研究方向為光電檢測與控制技術(shù)、光電器件研發(fā)與制備.E-mail：tianhjgx@126.com