視覺顯示終端環(huán)境中視覺作業(yè)面背景反射系數(shù)對視疲勞的影響

翁 季，張 曉，曹 馨

(1.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045；2.重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400045)

引言

第48次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展狀況統(tǒng)計報告》顯示，截至2021年6月，我國在線辦公用戶規(guī)模達3.81億，在線教育用戶規(guī)模達3.25億。隨著在線辦公和在線學(xué)習用戶的快速增加，視覺顯示終端(Visual Display Terminal，VDT)越來越多地應(yīng)用于辦公環(huán)境、教學(xué)場所。長時間進行VDT作業(yè)不僅會導(dǎo)致工作效率的降低、生理機能的下降，也會引發(fā)心理健康問題[1-3]?！督】抵袊袆?2019—2030年)》提出，全面加強兒童青少年近視防治和視力健康管理工作，指導(dǎo)學(xué)生科學(xué)規(guī)范使用電子屏幕產(chǎn)品；實施對勞動者的職業(yè)健康保護行動，長時間使用電腦的人群需要調(diào)節(jié)休息。VDT對視疲勞的影響越來越受到關(guān)注。

早在20世紀80年代，Marvin等[4]進行的一項針對VDT作業(yè)人員的研究證實了該群體的視覺疲勞發(fā)生率較高。其后，學(xué)者們從主觀評價、生理功能等方面研究了VDT作業(yè)對視疲勞影響的具體表現(xiàn)。Saito等[5]的研究表明，在進行長達4 h的VDT作業(yè)后，人眼的調(diào)節(jié)功能降低，瞳孔直徑減小，反射延遲；Lie等[6]發(fā)現(xiàn)長時間、連續(xù)性的VDT作業(yè)誘發(fā)的動眼神經(jīng)緊張不僅會導(dǎo)致視覺疲勞、近視加深，而且可能導(dǎo)致頭部、頸部和上背部的肌肉疼痛。20世紀90年代中期以來，在更加深入研究VDT與視疲勞相關(guān)性的同時，學(xué)者們針對VDT引起的視疲勞提出評價指標以及緩解策略。Shi等[7]利用眼動參數(shù)作為評估VDT作業(yè)視疲勞的指標，隨著VDT作業(yè)時間延長，被試人員的視疲勞程度增加，眨眼頻率和瞳孔直徑減小。解曉嬌[8]基于視疲勞度對顯示器護眼模式進行研究，得到最有利于視覺舒適性的護眼模式參數(shù)：色溫為4 500 K及6 500 K，文本/背景亮度對比大于0.725。目前的研究多集中在VDT本身的光源特性與視疲勞之間的關(guān)系，而對于需同時視看VDT和黑板、紙張等周邊環(huán)境，二者共同作為視覺作業(yè)面的情況下，對視疲勞的影響研究還較為缺乏。

以VDT和周邊環(huán)境共同作為視覺作業(yè)面的模式應(yīng)用廣泛，常見于多媒體教室和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)形式。在多媒體教室中，教師同時利用黑板和VDT授課[9]，這導(dǎo)致學(xué)生的視看對象不僅有VDT，還有黑板；在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式下，學(xué)生在上網(wǎng)課時不僅需要注視顯示屏幕，也需要在書本、筆記本等對象上進行其他作業(yè)。本次研究前期，在對重慶地區(qū)多所學(xué)校進行的實測調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生在設(shè)置VDT的多媒體教室內(nèi)學(xué)習時，對采用高反射系數(shù)的黑板更為滿意。VDT具有黑板、紙張所不具備的自發(fā)光、高亮度的特性，黑板、紙張的反射系數(shù)將影響視覺作業(yè)面的亮度差值，從而影響視疲勞程度。

本文以VDT作業(yè)需同時視看的黑板、紙張等視覺作業(yè)面的背景反射系數(shù)為參數(shù)，通過朗道爾環(huán)識別、單詞查找等視覺作業(yè)，對比實驗前后的主觀視疲勞度、實驗期間的腦力工作指數(shù)和眼動參數(shù)，研究在照明條件和VDT光源特性一定的情況下，背景反射系數(shù)對視疲勞程度的影響規(guī)律。

1 VDT環(huán)境中視疲勞實驗

1.1 實驗構(gòu)思

研究顯示，視看對象的亮度差值與視疲勞直接相關(guān)，當視看對象的亮度相差很大時，視力會下降[10, 11]。研究中視覺作業(yè)的亮度差值由VDT自身亮度和黑板、紙張等視看對象表面的照度和反射系數(shù)共同決定。由于VDT具有自發(fā)光的特點、亮度較高，而在照度一定的條件下物體表面反射系數(shù)越大則整體亮度越高，因此，理論上在其他條件一定時，黑板、紙張等視覺作業(yè)面的反射系數(shù)越高，視疲勞程度就越低。

實驗以視覺作業(yè)面的背景反射系數(shù)為參數(shù)，為獲得合適的背景反射系數(shù)，實驗前期對重慶地區(qū)中小學(xué)VDT多媒體教室的黑板反射系數(shù)進行調(diào)研實測。兩類黑板反射系數(shù)計算值如表1所示。

表1 黑板反射系數(shù)統(tǒng)計表

考慮到視覺作業(yè)呈現(xiàn)內(nèi)容的一致性，結(jié)合調(diào)研實測結(jié)果，實驗使用白色打印紙板和綠色打印紙板作為視覺作業(yè)面，并盡量使打印紙板的反射系數(shù)與實測所得黑板反射系數(shù)一致。另外，考慮到白色打印紙板和綠色打印紙板還存在彩度差異，增加了黑色打印紙板。

實驗以視疲勞程度作為評價指標。視疲勞的成因是視網(wǎng)膜疲勞或協(xié)調(diào)疲勞，即與肌肉性能或腦力性能下降有關(guān)[12]。針對這兩類成因，選擇主觀視疲勞度評價與眼動參數(shù)生理指標測量對肌肉性能下降進行評價，反映視網(wǎng)膜疲勞程度；選擇主觀視疲勞度評價與腦力工作指數(shù)變化對腦力性能下降進行評價，反映協(xié)調(diào)疲勞程度。

1.2 實驗設(shè)置

為研究在VDT和周邊環(huán)境共同作為視覺作業(yè)面的環(huán)境中，照明條件和VDT特性一定的情況下進行視覺作業(yè)時黑板、紙張的背景反射系數(shù)對視疲勞的影響，設(shè)計本實驗。

實驗場景設(shè)置在光學(xué)實驗室。為避免自然光干擾，在實驗室窗口和照明模擬區(qū)域外圍安裝遮光窗簾與滑動式遮光板。在照明模擬區(qū)域內(nèi)設(shè)置桌椅，并在前部安裝打印紙板和顯示器。顯示器自身亮度為345.66 cd/m2，色溫為8 835 K，顯色指數(shù)Ra為84.8，光色品質(zhì)量值CQS為85.8。另設(shè)置兩組LED光源提供照明，色溫為4 003 K，顯色指數(shù)Ra為89.2，光色品質(zhì)量值CQS為86.5，一組光源平行于桌面，另一組針對打印紙板進行重點照明。在實驗場景下，實測課桌面反射系數(shù)為0.51，課桌面水平照度為300 lx，打印紙板垂直照度為500 lx，反射系數(shù)、水平照度和垂直照度滿足《建筑照明設(shè)計標準》(GB 50034—2013)中的規(guī)定值，照明模擬區(qū)域如圖1所示。

圖1 實驗室布置場景Fig.1 Laboratory layout scene

實驗被試人員共計13名(男性6名、女性7名)，年齡范圍為12～24歲，均身體健康，色覺正常，無眼部疾病，矯正視力為5.0。實驗儀器包括：Tobii Pro Glasses 2眼動儀，用于實時記錄實驗被試的整個視看過程，并通過Tobii Pro Lab軟件對眼動參數(shù)進行處理；XYI-III全數(shù)字照度計，用于測量桌面水平照度、打印紙板的入射照度與反射照度，并計算反射系數(shù)。

實驗自變量為打印紙板的背景反射系數(shù)。為模擬常見的紙張和黑板背景，實驗選擇白色打印紙板、綠色打印紙板與黑色打印紙板三種打印紙板，每種紙板都印有單詞查找圖表和朗道爾環(huán)圖表，保證視覺作業(yè)呈現(xiàn)內(nèi)容的一致性。其中白色打印紙板的字體顏色為黑色，綠色打印紙板與黑色打印紙板的字體顏色為白色。實測打印紙板的背景反射系數(shù)分別為：白色打印紙板反射系數(shù)0.61，綠色打印紙板反射系數(shù)0.16，黑色打印紙板反射系數(shù)0.09。

實驗測量的評價指標包括三類：一是主觀評價指標，選擇VFS-10主觀視疲勞量表[13]。被試在實驗過程中填寫視疲勞量表，通過實驗前后的差值大小，判斷被試在實驗過程中的視疲勞變化程度。二是客觀評價指標，選擇腦力工作指數(shù)，以作業(yè)劑量表反映。作業(yè)劑量表包括兩類，分別為朗道爾環(huán)識別表(在實驗前后各進行一次識別，與主觀視疲勞評價對應(yīng))和單詞查找表(在實驗過程中進行查找)。為模擬以VDT和周邊環(huán)境共同作為視覺作業(yè)面的工作環(huán)境，朗道爾環(huán)識別表、單詞查找表在VDT和打印紙板上都會顯示，查找過程需要同時視看VDT和打印紙板；三是生理評價指標，選擇眼動參數(shù)。用眼動儀記錄被試在實驗過程中的眼動行為，在篩選眼動參數(shù)數(shù)據(jù)時，在Tobii Pro Lab軟件中設(shè)置最大間歇長度(Max gap length)為75 ms，I-VT注視分類閾值為30°/s，最短注視時長限制為60 ms，選擇適用于相對靜止實驗場景的Tobii I-VT Fixtation濾波器。事件標記點選擇前后兩次朗道爾環(huán)識別的開始與結(jié)束時間點。

1.3 實驗流程

每位實驗被試依次進行3組實驗，為減小誤差，白紙板、綠紙板與黑紙板3組實驗順序隨機交替進行。每組實驗之間設(shè)置10 min休息時間，以充分緩解被試疲勞程度。具體實驗流程如下：

1)主試向被試解說實驗流程、實驗量表填寫方法，被試針對每一類量表進行一次試填；

2)為實驗被試佩戴好Tobii Pro Glasses 2眼動儀，打開控制器，進行視點校準；

3)實驗開始，發(fā)放主觀視疲勞量表，被試根據(jù)自身視疲勞度與困倦度進行自評；

4)主試指定需匯報的朗道爾環(huán)視標開口方向，被試視看打印紙板上的朗道爾環(huán)圖表，并匯報出指定開口方向的朗道爾環(huán)視標所在坐標位置，計時1 min；

5)發(fā)放單詞查找表并計時，被試通過視看VDT上的單詞，在打印紙板中找到對應(yīng)的序號，并將序號填于桌面記錄表中，直至40個單詞順序全部查找完成；

6)重復(fù)步驟4)進行朗道爾環(huán)識別，結(jié)束后填寫視疲勞自評量表。

以上6步為一組實驗過程，每組實驗結(jié)束后，被試休息10 min。然后更換另外兩組不同反射系數(shù)的打印紙板，重復(fù)上述實驗步驟，直至3組實驗全部完成。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 視覺作業(yè)面背景反射系數(shù)對主觀視疲勞度的影響

實驗獲得三類評價指標數(shù)據(jù)，包括主觀視疲勞度、腦力工作指數(shù)和眼動參數(shù)。采用統(tǒng)計分析軟件SPSS進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。

計算實驗前后被試在同種打印紙板下的主觀視疲勞度差值平均值和不同背景反射系數(shù)打印紙板下的主觀視疲勞度平均值差值，差值越大說明視疲勞累積程度越大，運用最小顯著性差異法(Least-Significant Difference，LSD)對組間數(shù)據(jù)進行多重比較，如表2所示。

表2 基于LSD的主觀視疲勞度評價組間多重比較

表2顯示，白紙板與綠紙板、黑紙板之間的顯著性P<0.05，說明VDT環(huán)境中，以不同反射系數(shù)的打印紙板作為視看對象時，白紙板與綠紙板、黑紙板之間都存在顯著性差異，而綠紙板與黑紙板之間不具備顯著性差異，這是由于綠紙板與黑紙板間之的反射系數(shù)相差較小，彩度存在差異的原因。

對于同種打印紙板，進一步分析實驗前后的兩次主觀視疲勞度評價變化差值對比(圖2)可知，白紙板下的實驗被試主觀視疲勞度增加最少，結(jié)合組間顯著性差異分析可得，白紙板下的視疲勞程度明顯低于綠紙板、黑紙板下的視疲勞程度。而由于綠紙板與黑紙板之間不具備顯著性差異，視疲勞變化程度無法通過差值對比圖準確評價。

圖2 主觀視疲勞度評價差值對比圖Fig.2 Contrast chart of difference of subjective fatigue

視覺作業(yè)面背景反射系數(shù)是影響視疲勞和視舒適的重要因素?！督ㄖ彰髟O(shè)計標準》(GB 50034—2013)指出，長時間工作的房間，作業(yè)面的反射比宜限制在0.20～0.60；《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標準》(GB 7793—2010)指出，黑板反射系數(shù)應(yīng)介于0.15～0.20之間。但隨著VDT在工作和學(xué)習環(huán)境中日漸普及，視覺作業(yè)增加了對VDT的視看需求，視線需要在VDT和黑板、紙張、設(shè)備表面等之間頻繁切換，復(fù)雜的眼球運動很容易出現(xiàn)不適癥狀，且VDT具有自發(fā)光、高亮度的特點，與黑板、紙張之間的亮度差異較大，而當視看對象的亮度相差很大時，眼睛在切換注視對象時就需要建立適應(yīng)水平，可能經(jīng)歷不舒適和視疲勞，視力會下降[7]。實驗結(jié)果表明，在以VDT和周邊環(huán)境共同作為視覺作業(yè)面的環(huán)境下，白紙板下的視疲勞程度明顯低于綠紙板、黑紙板下的視疲勞程度。因此，相關(guān)規(guī)范標準的視覺作業(yè)面背景反射系數(shù)值是否需要重新界定，有待進一步研究。

2.2 視覺作業(yè)面背景反射系數(shù)對腦力工作指數(shù)的影響

腦力工作指數(shù)(Index of Mental Capabllity，IMC)與作業(yè)效率成正比，反映實驗被試的作業(yè)效率，評價視疲勞中的協(xié)調(diào)疲勞。實驗獲得的腦力工作指數(shù)數(shù)據(jù)包括兩次朗道爾環(huán)識別腦力工作指數(shù)和單詞查找腦力工作指數(shù)。計算被試在同種打印紙板下進行前后兩次朗道爾環(huán)識別的腦力工作指數(shù)差值平均值和單詞查找作業(yè)的腦力工作指數(shù)平均值，以及不同背景反射系數(shù)打印紙板下的腦力工作指數(shù)平均值差值，對組間數(shù)據(jù)進行多重比較，見表3。

表3 基于LSD的腦力工作指數(shù)組間多重比較

由表3可知，在使用白紙板、綠紙板與黑紙板的三組間，被試的朗道爾環(huán)識別腦力工作指數(shù)均存在顯著差異，而單詞查找腦力工作指數(shù)僅在白紙板與黑紙板間存在顯著差異，白紙板與綠紙板、綠紙板與黑紙板之間不具備顯著性差異。

圖3 朗道爾環(huán)腦力工作指數(shù)對比圖Fig.3 Contrast chart of difference of the Randall’s Ring mental work index

圖4 單詞查找腦力工作指數(shù)對比圖Fig.4 Contrast chart of difference of the word lookup mental work index

進一步分析腦力工作指數(shù)對比圖(圖3、圖4)可以發(fā)現(xiàn)，實驗前后的朗道爾環(huán)腦力工作指數(shù)差值平均值表現(xiàn)為：白紙板>綠紙板>黑紙板，結(jié)合組間顯著性差異分析可得，在以VDT和周邊環(huán)境共同作為視覺作業(yè)面的環(huán)境下，視覺作業(yè)面背景反射系數(shù)越大，腦力工作指數(shù)差值平均值越大，視覺作業(yè)的工作效率越高。單詞查找腦力工作指數(shù)均值表現(xiàn)為：白紙板>綠紙板>黑紙板，由于單詞查找腦力工作指數(shù)僅在白紙板與黑紙板間存在明顯差異，表明白紙板下的單詞查找腦力工作指數(shù)明顯大于黑紙板，視覺作業(yè)工作效率明顯高于黑紙板。視疲勞會導(dǎo)致視覺功效下降，進而導(dǎo)致作業(yè)效率下降[14]，因此，反映作業(yè)效率的腦力工作指數(shù)同樣是評估視疲勞的重要指標。視覺作業(yè)面的亮度對比值會影響視覺疲勞，當有多個視覺作業(yè)面時，其表面亮度差值應(yīng)保持盡可能小[15]。VDT具有自發(fā)光、高亮度的特點，鄰近的視覺作業(yè)面選用高反射系數(shù)的背景對于調(diào)和亮度對比值、提高視覺作業(yè)工作效率、降低視疲勞程度具有顯著效果。

2.3 視覺作業(yè)面背景反射系數(shù)對眼動參數(shù)的影響

人眼在不適宜的光環(huán)境下進行視覺作業(yè)會產(chǎn)生視疲勞，視疲勞的主觀評價與眼動生理參數(shù)顯著相關(guān)，視疲勞度可以通過眼動參數(shù)進行研究[16, 17]。實驗選擇Tobii I-VT Fixtation濾波器對眼動儀收集的初始眼動參數(shù)進行篩選，Tobii I-VT Fixtation濾波器可獲得注視(Fixation)和眼跳(Saccade)兩類眼動參數(shù)，注視是指中央凹視野在目標上保持一定的時長以獲得足夠視覺圖像信息的過程；眼跳是指將中央凹視野從一點移到另一點的快速眼動行為[4, 11]。注視次數(shù)、注視總時長、平均注視時長、眼跳次數(shù)、眼跳平均振幅與眼跳平均峰值速度可以用于評價視疲勞度。其中注視次數(shù)、注視總時長、注視平均時長、眼跳次數(shù)與視疲勞度呈正相關(guān)，眼跳平均振幅、眼跳平均峰值速度與視疲勞度呈負相關(guān)[9, 18]。

對被試進行前后兩次朗道爾環(huán)識別時的眼動參數(shù)變化值數(shù)據(jù)進行多元方差分析后發(fā)現(xiàn)，眼跳峰值速度變化值、眼跳次數(shù)變化值、注視總時長變化值與平均注視時長變化值的顯著性P>0.1，數(shù)據(jù)間不存在顯著性差異，故不再進行組間比較。僅對顯著性P<0.1的注視次數(shù)變化值與眼跳平均振幅變化值的組間數(shù)據(jù)進行多重比較，以定位顯著性差異存在于哪幾組內(nèi)。由表4可知，朗道爾環(huán)注視次數(shù)差值平均值在白紙板與綠紙板間存在顯著性差異，白紙板與黑紙板、綠紙板與黑紙板間不存在顯著性差異；眼跳平均振幅差值平均值在白紙板與黑紙板之間存在顯著性差異，白紙板與綠紙板、綠紙板與黑紙板間不存在顯著性差異。

表4 基于LSD的眼動參數(shù)組內(nèi)多重比較

進一步分析眼動參數(shù)變化值對比圖(圖5、圖6)可以發(fā)現(xiàn)，前后兩次朗道爾環(huán)識別中，注視次數(shù)差值平均值表現(xiàn)為：白紙板<黑紙板<綠紙板，即白紙板下的注視次數(shù)升幅最小。注視次數(shù)僅在白紙板與綠紙板間存在顯著差異，且注視次數(shù)與視疲勞程度成正比，表明以白紙板作為視覺作業(yè)面背景進行VDT作業(yè)時，視疲勞程度明顯低于綠紙板背景。眼跳平均振幅差值平均值表現(xiàn)為：白紙板>綠紙板>黑紙板，即白紙板下的眼跳平均振幅降幅最小。眼跳平均振幅僅在白紙板與黑紙板之間存在顯著性差異，且眼跳平均振幅與視疲勞程度成反比，表明以白紙板作為視覺作業(yè)面背景進行VDT作業(yè)時，視疲勞程度明顯低于黑紙板背景。結(jié)合注視次數(shù)與眼跳平均振幅的實驗結(jié)果，可以認為在以VDT和周邊環(huán)境共同作為視覺作業(yè)面的環(huán)境下，白色打印紙板的視疲勞度明顯低于綠色打印紙板和黑色打印紙板，即視覺作業(yè)面背景反射系數(shù)越大，注視次數(shù)升幅越小，眼跳平均振幅降幅越小，視疲勞累積程度越低。

圖5 朗道爾環(huán)注視次數(shù)變化值對比圖Fig.5 Contrast chart of difference of the Randall’s Ring fixation frequency

圖6 朗道爾環(huán)眼跳平均振幅變化值對比圖Fig.6 Contrast chart of difference of the Randall’s Ring average saccade amplitude

3 結(jié)論

本文通過朗道爾環(huán)識別、單詞查找等視覺作業(yè)實驗，在照明條件和VDT光源特性一定的情況下，獲得不同背景反射系數(shù)的視覺作業(yè)面下主觀視疲勞度、腦力工作指數(shù)和眼動參數(shù)三類數(shù)據(jù)，研究了以VDT和周邊環(huán)境共同作為視覺作業(yè)面的環(huán)境中，視覺作業(yè)面背景反射系數(shù)對視疲勞程度的影響。結(jié)論如下：

1)主觀視疲勞量表統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，VDT環(huán)境中，高背景反射系數(shù)的視覺作業(yè)面下的視疲勞程度明顯低于低背景反射系數(shù)下的視疲勞程度。

2)作業(yè)劑量表統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，就作業(yè)效率而言，背景反射系數(shù)越大，腦力工作指數(shù)越高，或降幅越小，作業(yè)效率越高。作業(yè)效率與視疲勞中的協(xié)調(diào)疲勞相關(guān)，作業(yè)效率越高，視疲勞程度越低。

3)眼動參數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，就注視次數(shù)而言，視覺作業(yè)面背景反射系數(shù)越大，注視次數(shù)升幅越小；就眼跳平均振幅而言，視覺作業(yè)面背景反射系數(shù)越大，眼跳平均振幅降幅越小。眼動參數(shù)與視疲勞中的視網(wǎng)膜疲勞相關(guān)，注視次數(shù)升幅越小、眼跳平均振幅降幅越小，視疲勞程度越低。

綜合考慮主觀視疲勞評價數(shù)據(jù)、作業(yè)效率數(shù)據(jù)和眼動參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在以VDT和周邊環(huán)境共同作為視覺作業(yè)面的環(huán)境中，視覺作業(yè)面背景反射系數(shù)越大，視疲勞程度越低。本實驗中視覺作業(yè)面選用白色背景(反射系數(shù)為0.61)時的視覺疲勞程度較低，工作效率較高，但反射系數(shù)的上限閾值還有待進一步研究。