液晶投影與平板顯示健康安全、系統(tǒng)性能分析

齊 琪，胡 鵬，陳仁偉

(1.中國電子技術標準化研究院，北京 100007；2.國家數(shù)字音視頻及多媒體產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心，北京 100176)

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液晶投影與平板顯示健康安全、系統(tǒng)性能分析

齊 琪1，胡 鵬2，陳仁偉2

(1.中國電子技術標準化研究院，北京 100007；2.國家數(shù)字音視頻及多媒體產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心，北京 100176)

為全面分析液晶投影與平板顯示的健康安全和系統(tǒng)性能，以液晶(LCD)投影與平板(FPD)顯示系統(tǒng)為分析研究對象，模擬學生教室上課狀態(tài)，通過測試藍光能量、閃爍、工作噪聲、亮度衰減、對比度、視角、能效指數(shù)等指標發(fā)現(xiàn)，在教育領域實踐環(huán)境下，液晶投影系統(tǒng)的綜合評價優(yōu)于平板顯示系統(tǒng)。

液晶投影；平板顯示；健康安全；系統(tǒng)性能

1 顯示設備與用眼健康

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》(2010—2020年)第五十九條指出“加快教育信息基礎設施建設”，“到2020年，基本建成覆蓋城鄉(xiāng)各級各類學校的教育信息化體系，促進教育內容、教學手段和方法現(xiàn)代化”[1]。在此背景下，隨著多媒體教室和多媒體設備在我國現(xiàn)代化教育建設中的廣泛使用，電子白板等具備交互功能的顯示系統(tǒng)已成為教育信息化的重要組成部分，逐漸被越來越多地應用到教學中。

然而，現(xiàn)代科技提供便捷的同時帶來了巨大的健康安全隱患，尤其是用眼健康問題不容忽視?；诖?，本文模擬學生教室上課狀態(tài)，以互動式液晶投影和觸控式平板顯示(FPD)兩種顯示系統(tǒng)為研究對象，重點分析其在健康安全、系統(tǒng)性能等方面的差異性，具體測試項目如表1所示。 文中所有試驗分析數(shù)據(jù)依托國家數(shù)字音視頻及多媒體產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心評測平臺測試獲得。

表1 測試項目分類

2 藍光能量

自20世紀70年代起，藍光對眼睛的傷害就已引起醫(yī)學界關注，隨后幾十年的大量醫(yī)學研究證實，藍光污染確實嚴重影響人類視力，研究歷程如圖1所示。經(jīng)過深入的臨床和基礎研究，藍光對眼部健康的損害機制逐漸明晰，數(shù)碼視覺疲勞是造成眼部健康受損的主要原因之一。

圖1 藍光研究歷程

藍光主要是指波長介于400 nm與500 nm的光線，其輻射、照射后引起的光化學作用會導致視網(wǎng)膜損傷。如照射時間超過10 s將會產(chǎn)生高強度的損傷機理作用，常達到熱損害機理的數(shù)倍之多。顯示設備發(fā)出的光都含有藍光波段，長時間觀看顯示設備對人眼損害較大。研究表明人眼在20歲才停止發(fā)育，因而眼睛仍處于發(fā)育狀態(tài)的青少年如長時間觀看顯示設備，產(chǎn)生和累積的藍光將導致其視力嚴重下降或產(chǎn)生其他病變。

藍光能量(單位：W/sr)用于檢測不同顯示設備藍光輻射能量的強弱，藍光能量值越高，長時間觀看對人眼損傷的可能性則越大。

以互動式液晶投影和觸控式平板顯示(FPD)兩種顯示系統(tǒng)為研究對象進行測試，選擇全白場、全藍場作為測試場景，2～6 m(間隔距離為0.5 m)為測試距離，獲得各點測試結果整體分布如圖2所示。

圖2 藍光能量分布圖

測試所得藍光能量最大值分布詳見表2，分析后可知，F(xiàn)PD的藍光能量整體高于投影機，分別約為投影機藍光能量的3倍、1.5倍和3倍。從藍光能量越小,對人眼的損傷越少考慮，使用FPD對人眼造成損傷的概率是使用投影系統(tǒng)的2倍左右。

表2 藍光能量最大值分布 W/sr

3 閃爍

造成眼睛不舒適感的主要原因有眩光和閃爍兩種，其中眩光來源于外部原因，主要指室內條件下陽光、照明裝置等發(fā)出的光對顯示設備造成的影響；而閃爍則主要指顯示設備因輸入信號或自身工作方式的刷新率而產(chǎn)生的觀看影響。其中，刷新率是指屏幕上圖像重復掃描的次數(shù)。刷新率越高，所顯示的圖像(畫面)穩(wěn)定性就越好。刷新過程所產(chǎn)生光諧波分量會造成閃爍。

相對而言，眩光更依賴環(huán)境條件影響，不符合本文的研究目的，因此選取閃爍作為研究指標，能更好地評價顯示系統(tǒng)本身對舒適度的影響程度。

其中，閃爍能量是檢測不同顯示設備閃爍程度的具體指標，當亮度越高時，人眼對閃爍的沖擊越不敏感；同時，閃爍能量越大，閃爍現(xiàn)象越嚴重，人眼疲勞感會變得越強，人眼越容易疲勞。

通過測量不同顯示設備在2 m處的閃爍能量(以諧波分量與直流分量的比值表示)，從表3可以看出，兩套FPD系統(tǒng)的閃爍能量遠高于投影系統(tǒng)，F(xiàn)PD系統(tǒng)閃爍能量分別約是投影系統(tǒng)閃爍能量的11倍、2倍、27倍。由此可見，長期觀看FPD系統(tǒng)相對投影系統(tǒng)更易發(fā)生由閃爍而產(chǎn)生的疲勞感。

表3 閃爍測試結果常規(guī)條件 W/sr

4 工作噪聲

室內的噪聲對人的身心健康會產(chǎn)生較大影響。有研究表明：

1)噪聲級為30～40 dB是比較安靜的正常環(huán)境；

2)超過50 dB就會使人有不舒適的感覺；

3)70 dB以上則會干擾談話，造成心煩意亂，精神不集中，影響工作效率，甚至發(fā)生事故；

4)長期工作或生活在90 dB以上的噪聲環(huán)境，會嚴重影響聽力和導致其他疾病的發(fā)生。

根據(jù)GB/T 17249.1—1998《聲學——低噪聲工作場所設計》[2]中推薦的各種工作場所背景噪聲級(詳見表4)，教室環(huán)境條件的背景噪聲級應處于30～40 dB(A)之間。

表4 各種工作場所背景噪聲級

此外，GB 3096—2013《聲環(huán)境質量標準》規(guī)定了環(huán)境噪聲的限值，并將包括居民住宅、醫(yī)療衛(wèi)生、文化教育、科研設計、行政辦公等界定為需要保持安靜的區(qū)域，即I類聲環(huán)境功能區(qū)[3]，詳見表5。其中，白天教室環(huán)境條件的環(huán)境噪聲級規(guī)定為55 dB(A)。

表5 環(huán)境噪聲限值 dB(A)

工作噪聲(單位：dB(A))是模擬真實場景條件，如距離和角度等。長期處于高工作噪聲環(huán)境條件中，容易使人有不舒適感。更使得學生在課堂上接收的信息量降低，注意力受損，昏昏欲睡。為檢驗不同類型的顯示系統(tǒng)在工作噪聲方面的差異性，有必要通過工作噪聲試驗進行測試，對液晶投影機與平板顯示系統(tǒng)工作噪聲測試系統(tǒng)如圖3和圖4所示。

圖3 投影機工作噪聲測試系統(tǒng)框圖

圖4 電視工作噪聲測試系統(tǒng)框圖

一般而言，工作噪聲越大，所帶來的不適感和煩躁感越強，進而對人體影響越大。經(jīng)試驗，不同顯示設備在模擬教室環(huán)境中的工作噪聲測試結果如圖5、表6所示。

圖5 工作噪聲測試結果分布圖

表6 工作噪聲測試結果

由表6可知，3 m處FPD系統(tǒng)工作噪聲平均值為29.6 dB(A)，投影系統(tǒng)在ECO模式下工作噪聲為30.8 dB(A)，此時環(huán)境底噪為29.1 dB(A)。兩種顯示系統(tǒng)的工作噪聲差小于1 dB，人耳較難分辨，與底噪極為接近，均在可接受的理想范圍內。人們一般認為電視機的工作噪聲大于投影機，但本次測試結果不符合人們常規(guī)印象的原因在于，本次測試以模擬實際教學環(huán)境為主，投影機為倒裝且距離地面1.8 m處，此時工作噪聲在傳播過程中已經(jīng)衰減到不可察覺的程度。

5 亮度衰減

亮度衰減(單位：cd/m2)用于量化亮度的動態(tài)變化過程。本研究主要衡量兩種條件下的亮度衰減：1)從2 m至6 m區(qū)間內(間隔為0.5 m)的全白場亮度值，詳見圖6；2)在同一距離條件下，不同亮度等級的信號輸入時的亮度值，詳見圖7。

圖6 全白場亮度衰減分布圖

圖7 同一距離條件100%～37%輸入時亮度衰減分布圖

2 m和6 m條件，投影系統(tǒng)和FPD系統(tǒng)的亮度差分別為5.7 cd/m2，9.5 cd/m2，22.3 cd/m2，9.8 cd/m2，投影系統(tǒng)的亮度衰減最小。

100%，75%，50%，37%亮度電平輸入條件下，投影機在75%，50%，37%亮度電平時分別為100%亮度電平時亮度的60.6%，24.9%，11.4%，投影系統(tǒng)的亮度平均衰減小于FPD系統(tǒng)，詳細數(shù)據(jù)見表7。

表7 亮度衰減測試結果 cd/m2

6 對比度

對比度對視覺效果的影響非常關鍵，一般來說對比度越大，圖像越清晰醒目，色彩也越鮮明艷麗；而對比度越小，會使整個畫面顯得晦暗。通常用一幅圖像中明暗區(qū)域最亮的白色和最暗的黑色之間不同亮度層級來表示對比度大小，差異范圍越大表示對比越大，差異范圍越小表示對比越小，效果如圖8所示。

圖8 對比度效果示意圖

對比度也常用來表示“看得清”的程度，對比度大小決定了學生是否能夠看清老師書寫的內容，在不同距離對比度決定了前排和后排的同學是否都能夠看清。

對比度(單位：倍)是測試不同顯示設備在各種不同測試圖例條件下的白色與黑色比值，其中包括通斷比(全白/全黑的對比度)和棋盤格對比度兩種；不同的測試圖可以從多個角度衡量對比度特性。

在2 m和6 m測試距離時衡量對比度，不同的測試圖例輸入條件下會對測試結果產(chǎn)生影響，因此選擇黑白對比度和棋盤格對比度分別進行評價，測試結果詳見圖9、圖10。

圖9 黑白對比度

圖10 棋盤格對比度

黑白對比度方面，投影系統(tǒng)遠高于FPD系統(tǒng)；棋盤格對比度方面，F(xiàn)PD系統(tǒng)略優(yōu)于投影系統(tǒng)。但實際應用中，畫面對比度在50∶1以上即可，因此二者水平相當，互有進退。

7 視角

根據(jù)網(wǎng)絡定義，可視角度(以下簡稱“視角”)就是人眼在觀察物體時從物體兩端(上、下或左、右)發(fā)出的光線在人眼光心處所成的夾角，因此將視角定義為視線與顯示設備的垂直方向所形成的角度?？梢暯嵌仍酱螅曇霸介_闊；顯示設備的可視角度越大，觀看者就能從更寬角度看清顯示圖像。垂直和水平視角示意如圖11所示。

圖11 視角效果示意圖

正常眼能區(qū)分物體上的兩個點的最小視角約為1″，相對而言物體尺寸越小，離觀看者距離越遠，視角會越小。

實驗過程中，視角(單位：度)是檢測不同顯示設備在不同距離的亮度可視角度，亮度可視角度為屏幕中心亮度減小到1/2時的水平可視角。視角大小決定教室不同位置的同學是否都能夠看到同樣的授課內容，視角越大對于學生而言越好。通過測量不同設備在不同距離的可視角度所得結果如圖12所示，標注點顏色越深表示亮度越高。

圖12 視角測試結果分布圖

上述結果顯示，F(xiàn)PD顯示系統(tǒng)的可視角則在40°～60°之間，而投影系統(tǒng)在不同距離、不同角度的亮度基本一致，在觀看時全程無死角，其視角優(yōu)勢由投影機和漫反射投影幕共同作用產(chǎn)生。

8 能效指數(shù)

在選擇實驗指標時首先應區(qū)分功耗與能效兩個概念。功耗是指功率的損耗，簡而言之就是用電量。同等時間內功耗越高，用電量越高。但顯示設備的功耗與其亮度、顯示尺寸等因素都存在密切關聯(lián)，因而僅用功耗來衡量顯示設備的系統(tǒng)性能存在一定片面性。

能效指數(shù)充分考慮到了產(chǎn)品本身的性能和功耗之間的關系，即性能越高，功耗越小，能效指數(shù)越高。在綠色、節(jié)能、環(huán)保的大環(huán)境下，用能效指數(shù)高的產(chǎn)品自然是優(yōu)先選擇。另一方面，能效指數(shù)在長期來看也與顯示設備壽命(或MTBF)存在一定關聯(lián)性，同等尺寸、亮度條件下，能效指數(shù)越高，功耗會越小，其設備自身內散熱也可能會越小，進而設備老化程度會延緩，自然而然設備壽命會相對較長。因此，以能效作為評判綜合性能的考量指標更為科學合理，

因此，實驗首先測量了不同顯示設備在播放不同片源時的功耗，之后再計算其能效指數(shù)，詳細數(shù)據(jù)如表8所示。分析數(shù)據(jù)可知，投影系統(tǒng)在能效指數(shù)方面比一般平板顯示系統(tǒng)更具優(yōu)勢。

表8 功耗及能效指數(shù)測試結果

8 結論

綜合考量藍光能量、閃爍、工作噪聲、亮度衰減、對比度、視角、能效指數(shù)等指標，投影顯示系統(tǒng)、平板顯示系統(tǒng)的綜合性能評價如表9、表10所示，其中“★★★★★”表示性能或評價最優(yōu)，逐漸次之。

表10 投影顯示系統(tǒng)與平板顯示系統(tǒng)分類綜合評價

通過分析表9、表10可知：在教育領域實踐環(huán)境下，投影系統(tǒng)綜合評價以五顆星領先平板顯示系統(tǒng)兩顆星。

[1] 規(guī)劃綱要工作小組辦公室. 國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)[EB/OL].[2016-03-20].http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/moe_838/201008/93704.html.

[2] 國家技術監(jiān)督局.聲學——低噪聲工作場所設計：GB/T 17249.1—1998[S].[S.l.]:中國標準出版社，1998.

[3] 中華人民共和國環(huán)境保護部.聲環(huán)境質量標準：GB 3096—2013[S].[S.l.]:中國標準出版社，2013.

齊 琪(1980— )，女，工程師，主要從事音視頻、多媒體標準化與測試方面的研究工作；

陳仁偉(1982— )，高級工程師，主要從事音視頻、多媒體標準化與測試方面的研究工作；

胡 鵬(1983— )，高級工程師，主要從事音視頻、多媒體標準化與測試方面的研究工作。

責任編輯：許 盈

Analysis of liquid crystal display and flat panel display in terms of health，safety and system performance

QI Qi1, HU Peng2, CHEN Renwei2

(1.ChinaElectronicsStandardizationInstitute,Beijing100007，China; 2.NationalDigitalVideoandAudioandMultimediaProductsQualitySupervisionandInspectionCenter,Beijing100176，China)

The experiment sense, which imitates students attend the class, are applied to test the LCD and FPD with indicators such as the blue ray energy, the flicker, the operating noise, the luminance degree, the contrast, the vision, and the energy efficiency index. Thorough the objective test, it is found that, the LCD subjects to a better comprehensive evaluation than that of FPD as a practical educational facility.

LCD; FPD; health and safety; system performance

齊琪，胡鵬，陳仁偉. 液晶投影與平板顯示健康安全、系統(tǒng)性能分析[J].電視技術，2016，40(12)：57-61. QI Q，HU P，CHEN R W. Analysis of liquid crystal display and flat panel display in terms of health，safety and system performance[J].Video engineering，2016，40(12)：57-61.

TN873

A

10.16280/j.videoe.2016.12.011

2016-04-20