基于視覺疲勞的頻閃評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)研究

張恭銘，張武廣，趙建平，羅 濤

(中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013)

引言

頻閃是健康照明重要的光品質(zhì)因子，不良的照明頻閃環(huán)境不僅會(huì)影響人們對(duì)光質(zhì)量感知并產(chǎn)生不適，還會(huì)對(duì)人的視覺神經(jīng)產(chǎn)生刺激進(jìn)而引發(fā)視覺疲勞、青少年近視和偏頭痛等健康問題[1-3]。LED光源出現(xiàn)后，由于其自身可調(diào)可控的特性，使得人們?cè)诩夹g(shù)手段上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)無頻閃照明，但同時(shí)LED的頻閃變化范圍更大，不良的LED燈具頻閃甚至比傳統(tǒng)光源更加嚴(yán)重[4]。因此，燈具頻閃標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范約束必不可少，傳統(tǒng)頻閃評(píng)價(jià)指標(biāo)已無法滿足LED照明的需求。雖然目前頻閃效應(yīng)可視度SVM(Stroboscopic Effect Visibility Measure)指標(biāo)在國內(nèi)外認(rèn)可度較高，但具體限值規(guī)定尚未統(tǒng)一，而且SVM指標(biāo)是基于頻閃效應(yīng)可見性角度提出的[5]，并未與健康影響直接聯(lián)系，因此有必要開展SVM用于預(yù)測(cè)頻閃視覺疲勞影響的適用性研究。

1 SVM指標(biāo)的提出及應(yīng)用現(xiàn)狀

為了改進(jìn)傳統(tǒng)頻閃評(píng)價(jià)指標(biāo)如頻閃比、頻閃指數(shù)等對(duì)于波形、頻率等影響參數(shù)考慮的欠缺，2015年P(guān)erz等[6]通過理論研究和頻閃效應(yīng)轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)提出了頻閃評(píng)價(jià)指標(biāo)SVM，可見閾值為1。其原理是對(duì)測(cè)量光波進(jìn)行傅里葉變化，再將每一個(gè)不同頻率的波幅值和對(duì)應(yīng)的歸一化可見度加權(quán)求得[6,7]。

CIE TN 006—2016《Visual Aspects of Time-Modulated Lighting Systems-Definitions and Measurement Models》中推薦在80～2 000 Hz頻域內(nèi)使用SVM表示頻閃程度，并標(biāo)明應(yīng)用范圍為移動(dòng)速度<4 m/s的普通工作環(huán)境[8]。同年歐洲照明行業(yè)協(xié)會(huì)(Lighting Europe)明確提出未來將采用SVM指標(biāo)評(píng)估頻閃。美國能源之星(Energy Star)在2017年開始使用SVM作為評(píng)價(jià)調(diào)光燈具頻閃評(píng)價(jià)指標(biāo)[9]。同年美國電氣制造商協(xié)會(huì)(NEMA)發(fā)布NEMA 77-2017標(biāo)準(zhǔn)文件，推薦使用SVM指標(biāo)并針對(duì)室內(nèi)照明應(yīng)用提出SVM≤1.6的限值要求[10]。

出于安全考慮，SVM目前主要應(yīng)用于室內(nèi)工作場(chǎng)所而不在工業(yè)領(lǐng)域中使用，因?yàn)楣I(yè)領(lǐng)域中人員可能會(huì)接觸到帶有高速運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)器，比如轉(zhuǎn)軸、皮帶和滑輪等，如果機(jī)械快速旋轉(zhuǎn)的頻率與光輸出頻率一致則可能會(huì)產(chǎn)生機(jī)器靜止的錯(cuò)覺進(jìn)而造成嚴(yán)重危險(xiǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

基于上述分析我們認(rèn)為有必要探尋SVM與生理健康之間的關(guān)聯(lián)性，視覺疲勞是生理健康角度較好的切入點(diǎn)。通過設(shè)計(jì)頻閃視覺疲勞評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，使用安菲莫夫校字表劑量作業(yè)誘發(fā)視覺疲勞，以被試前后臨界閃光融合頻率差值(ΔCFF)、閱讀速度及校字正確率反應(yīng)被試視覺疲勞程度，對(duì)比分析SVM用于預(yù)測(cè)頻閃對(duì)視覺疲勞影響的合理性和適用性，研究SVM與視覺疲勞的顯著性關(guān)系得出影響規(guī)律，同時(shí)基于限制視覺疲勞程度的目標(biāo)確定頻閃指標(biāo)的合理限值范圍，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)使用N6705C直流電源分析儀控制輸入電流以調(diào)整燈具光通量變化及桌面照度水平、控制輸入電流波形及頻率以模擬實(shí)驗(yàn)所需照明頻閃條件；LFA-3000光源頻閃測(cè)試儀用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)空間照明頻閃水平，匹配實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)值；SPIC-300光譜彩色照度計(jì)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)空間色溫、顯色指數(shù)等指標(biāo)；XYI-III照度計(jì)監(jiān)測(cè)桌面照度水平，匹配實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)值。

同時(shí)搭建了兩個(gè)2.5 m×2.5 m×2.8 m的模擬辦公區(qū)域，每個(gè)區(qū)域放置一套相同的桌椅，實(shí)驗(yàn)臺(tái)四周用外表面深藍(lán)色內(nèi)表面淺灰色的遮光布進(jìn)行圍合遮擋，雙實(shí)驗(yàn)臺(tái)可在不同工況下同時(shí)工作(圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.1 Experiment scene

2.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

招募13名年齡在21～31歲的青年，其中有7名女性和6名男性，所有被試均無已診斷的眼部疾病史；矯正視力≥1.0；無屈光不正、結(jié)膜炎、角膜炎、干眼等眼部疾?。粺o屈光手術(shù)史及內(nèi)眼手術(shù)史。

2.4 實(shí)驗(yàn)條件及流程

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置16種光環(huán)境模式，包括兩種色溫(3 500 K、5 000 K)、兩種桌面照度(300 lx、500 lx)以及四種頻閃條件(SVM=0、SVM=0.4、SVM=1、SVM=1.6)，表1為16個(gè)工況的參數(shù)設(shè)置。

表1 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)

具體實(shí)驗(yàn)流程為：1)將實(shí)驗(yàn)區(qū)光環(huán)境調(diào)整為實(shí)驗(yàn)工況；2)被試在休息結(jié)束后使用閃光融合頻率計(jì)進(jìn)行兩次CFF值采集，若數(shù)據(jù)有偏差則休息5 min后重新采集直至測(cè)值穩(wěn)定；3)被試進(jìn)入對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)區(qū)，使用預(yù)先放置的安菲莫夫校字表進(jìn)行1 h的視覺劑量作業(yè)；4)采集被試CFF值并記錄，收集校字表數(shù)據(jù)；5)被試進(jìn)行眼部休息，佩戴眼罩輔助緩解視覺疲勞，并準(zhǔn)備進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 SVM對(duì)視覺疲勞的影響規(guī)律

由于本實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩種照度和兩種色溫模式，因此在分析SVM與ΔCFF變化規(guī)律前需通過多因素協(xié)方差分析排除照度、色溫變化對(duì)本實(shí)驗(yàn)的干擾。分別以SVM、色溫、照度作為自變量，ΔCFF為因變量進(jìn)行協(xié)方差分析，結(jié)果表明照度(F=0.767，P>0.05)及色溫(F=0.134，P>0.05)兩個(gè)協(xié)變量對(duì)ΔCFF影響無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且SVM與照度(F=0.163，P>0.05)、SVM與色溫(F=1.717，P>0.05)的交互作用檢驗(yàn)結(jié)果P均大于0.05，表明本實(shí)驗(yàn)中照度及色溫的變化對(duì)頻閃視覺疲勞影響規(guī)律組間干擾可以忽略。

表2 照度、色溫協(xié)變量分析結(jié)果

圖2為4種照度色溫模式下因變量ΔCFF隨自變量SVM變化的箱線圖，隨著SVM值的增大，被試視覺疲勞度均明顯呈升高趨勢(shì)(P<0.001)。燈具直流驅(qū)動(dòng)無頻閃時(shí)，被試在實(shí)驗(yàn)前后臨界閃光融合頻率變化很小而在SVM=1.6時(shí)，被試臨界閃光融合頻率差值在2.0以上，明顯高于其他幾種頻閃模式。可以認(rèn)為SVM能較好地預(yù)測(cè)頻閃對(duì)人視覺疲勞的影響程度。

圖2 4種照度色溫模式下，SVM對(duì)ΔCFF的影響Fig.2 Influence of SVM on ΔCFF in four modes of illuminance combined of illuminance and color temperature

利用SPSS軟件對(duì)SVM和ΔCFF擬合顯示最優(yōu)擬合函數(shù)為Y=0.1X2+0.85X+0.44(R2=0.869，F(xiàn)=163.09)，如圖3所示。

圖3 SVM與ΔCFF擬合曲線Fig.3 Linear regression fitting of SVM and ΔCFF

表3對(duì)4種頻閃水平多重比較分析結(jié)果顯示，SVM=0與SVM=0.4兩種模式對(duì)視覺疲勞的影響組間無顯著差異，可以近似認(rèn)為SVM 0～0.4、SVM 0.4～1、SVM 1～1.6為視覺疲勞角度三種顯著不同的頻閃程度。歐盟法規(guī)SVM限值為0.4、CIE規(guī)定SVM限值為1、NEMA77-2017推薦SVM限值為1.6，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述相關(guān)研究結(jié)果較為吻合。

3.2 SVM對(duì)視覺工效影響分析

視覺工效可以用來間接反映被試視覺疲勞程度，統(tǒng)計(jì)原始數(shù)據(jù)中閱讀速度為m頁/h，校字正確率為n%，考慮到被試在閱讀速度和校字正確率上存在不可控的個(gè)體差異，因此在數(shù)據(jù)分析前將閱讀速度以及校字正確率進(jìn)行了歸一化處理，便于在一定程度上減弱個(gè)體差異性帶來的誤差影響。圖4可以看出SVM=0與SVM=1.6兩種頻閃程度在對(duì)閱讀速度(P=0.009)及校字正確率(P=0.003)的影響上存在顯著性差異，而其余頻閃程度間差異性不顯著，因此可以判斷SVM達(dá)到1.6后視覺工效水平將出現(xiàn)明顯下降。

表3 SVM對(duì)ΔCFF影響組間比較分析

圖4 不同SVM對(duì)校字正確率及閱讀速度影響Fig.4 Effect of different SVM on reading speed and text-check accuracy

4 結(jié)論

通過以上研究分析可以判斷在本實(shí)驗(yàn)條件下：

1)SVM指標(biāo)可以用于預(yù)測(cè)頻閃對(duì)視覺疲勞的影響程度，隨著SVM值的增大，被試視覺疲勞程度明顯隨之增強(qiáng)，二者之間擬合方程為Y=0.1X2+0.85X+0.44。

2)近似認(rèn)為SVM在0～0.4、0.4～1、1～1.6的不同取值范圍對(duì)應(yīng)3種不同的頻閃視覺疲勞影響程度，在長時(shí)間視覺作業(yè)場(chǎng)所照明設(shè)計(jì)中可以將此作為參考。

3)SVM達(dá)到1.6后頻閃將會(huì)顯著降低視覺作業(yè)人員的視覺工效水平，SVM在0～1之間頻閃對(duì)視覺工效影響不明顯。

本實(shí)驗(yàn)樣本量偏少，且人體視覺疲勞表現(xiàn)存在個(gè)體差異性，長時(shí)間暴露在頻閃光下人體會(huì)出現(xiàn)頻閃適應(yīng)，這可能會(huì)減弱頻閃對(duì)視覺疲勞的影響程度。此外本實(shí)驗(yàn)中光輸出波形均為為正弦波，沒有考慮波形的變化可能對(duì)頻閃視覺疲勞影響規(guī)律的影響。未來將針對(duì)這些問題繼續(xù)完善實(shí)驗(yàn)。