蔡建奇，楊 帆，杜 鵬 ，柴 博

(1.中國標準化研究院，北京 100088；2.北京航空航天大學，北京 100029； 3.北京陽明智道光電科技有限公司，北京 100102；4.中國節(jié)能協(xié)會，北京 100029)

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不同亮度大尺寸顯示屏對視覺健康舒適度的影響
———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.中國標準化研究院，北京 100088；2.北京航空航天大學，北京 100029； 3.北京陽明智道光電科技有限公司，北京 100102；4.中國節(jié)能協(xié)會，北京 100029)

隨著技術(shù)的進步，大尺寸屏幕越來越廣泛的應用于通信、電力、交通、軍隊指揮、調(diào)度中心等控制室領(lǐng)域，但大尺寸顯示屏對視覺疲勞影響的研究未見報道。以市面上常見的LED和DLP顯示屏為例，進行被試者的視覺健康舒適度測試，測試項目包括不同亮度(200/400/600nits)下LED和DLP顯示屏的觀視任務(wù)，通過對被試者測試前后人眼生理指標的監(jiān)控結(jié)果，分析不同亮度下兩種顯示屏對視覺舒適度的影響，從而為大尺寸顯示屏的人因?qū)W設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持和理論基礎(chǔ)。

DLP；LED；顯示屏；視覺健康舒適度

引言

隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)時代的到來，企業(yè)各種業(yè)務(wù)的開展與信息技術(shù)、信息處理越來越緊密相關(guān)，數(shù)字化信息化對國家的治理模式、對企業(yè)的決策、組織和業(yè)務(wù)流程、對個人生活方式都將產(chǎn)生巨大的影響。大屏幕顯示系統(tǒng)作為大數(shù)據(jù)分析、大信息量處理的專業(yè)平臺，廣泛應用于通信、電力、交通、軍隊指揮、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，即為數(shù)字光處理，這種技術(shù)要先把影像信號經(jīng)過數(shù)字處理，然后再把光投影出來。它是基于TI(美國德州儀器)公司開發(fā)的數(shù)字微鏡元件——DMD(Digital Micromirror Device)來完成可視數(shù)字信息顯示的技術(shù)。具體的來說，就是DLP投影技術(shù)應用了數(shù)字微鏡晶片(DMD)來作為主要關(guān)鍵處理元件以實現(xiàn)數(shù)字光學處理過程。其原理是將通過UHP燈泡或LED芯片發(fā)射出的光源通過冷凝透鏡，通過Rod將光均勻化，經(jīng)過處理后的光通過一個色輪(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)是一種主動式發(fā)光的顯示屏，由RGB-LED燈珠點陣結(jié)構(gòu)組成。通過控制LED點陣中紅色，藍色，綠色LED燈的亮滅及灰度來顯示文字、圖片、視頻內(nèi)容。最初LED顯示屏由于點間距較大(5mm以上)，多用于戶外遠距離商業(yè)廣告使用。近年來，隨著LED高密度顯示技術(shù)的發(fā)展，LED顯示屏點間距密度越做越高，目前已經(jīng)達到1.x mm水平，由于其可無限尺寸、無縫拼接，因此受到眾多大屏用戶的關(guān)注。目前，點距3mm以下的LED顯示屏已開始漸漸進入室內(nèi)市場，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)對比如表1所示。

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

不同顯示屏對人眼舒適度的影響一直是各界研究重點，吳劍明(1988)[1]等人研究了不同屏幕亮度對顯示屏的顯示績效的影響，采用視覺作業(yè)績效和遠近視力點的眼肌調(diào)節(jié)時間變化率作為指標，并發(fā)現(xiàn)人眼產(chǎn)生疲勞時，視覺調(diào)節(jié)近點距離顯著增加，同時結(jié)果也表明不同的屏幕亮度對視覺疲勞有不同程度的影響。顧力剛[2](2000年)等人對陰極射線管(CRT)、液晶顯示器(LCD)和等離子體光顯示器(PDP)三種屏幕對視覺疲勞的影響進行了研究，并得出對視覺系統(tǒng)影響程度的順序是LCD≥PDP≥CRT。長時間觀看顯示屏后，會出現(xiàn)各種視覺疲勞癥狀，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)就利用主觀評價的方法，在五個方面(眼疲勞、總體不舒適、惡心、對焦困難和頭疼)評估觀看LED顯示屏影像而形成的視覺疲勞。Sungchul Mun等人[8](2012年)開展腦電圖(EEG，electroencephalography)的研究，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)視覺誘發(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知疲勞有關(guān)聯(lián)。本研究團隊通過前期的大量研究發(fā)現(xiàn)[9]，人眼各項生理指標(基礎(chǔ)屈光、AC/A、眼壓、高階像差、光學傳遞函數(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)上去分析視覺疲勞的表現(xiàn)，該系列研究首次提出了評價人眼疲勞的新方法，并已經(jīng)成功應用于LED照明產(chǎn)品[9]和LED電視[10]對于人眼的視覺健康舒適度的評測中。

上述研究均是基于常規(guī)顯示屏的測試結(jié)果，并沒有報道研究大尺寸顯示屏對人眼疲勞程度的影響，尤其是剛從戶外進入戶內(nèi)使用的LED顯示屏對人眼舒適度影響的研究目前仍然是一個空白?；谝陨显?，本研究將首次針對大尺寸的DLP和LED顯示屏進行視覺健康舒適度的測試，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)計提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

參加本研究人因測試的被試總?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 測試前人眼篩查

測試前對被試者進行驗光儀(NIDEK AR-310)測試，采用綜合驗光臺和魔術(shù)視力表箱篩查主視眼、雙眼融像、雙眼視平衡、色辨識等參數(shù)，以便于剔出嚴重屈光不正、隱性眼科疾病的被試樣本。

1.2.2 測試過程

本研究使用DLP和LED兩種大尺寸顯示屏，顯示屏參數(shù)詳見表2，顯示屏亮度分別設(shè)置為DLP屏200/400nits、LED屏200/400/6000nits，測試環(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)照明條件下進行觀視顯示屏的閱讀任務(wù)，主要任務(wù)為藍道環(huán)測試(包括辨別、選取、判斷等)，每組測試時間30分鐘。被試觀看場景和藍道環(huán)測試內(nèi)容如圖1所示。

圖1 觀視場景及藍道環(huán)測試任務(wù)Fig.1 The scene and test task of Landolt ring

首先，被試者在測試現(xiàn)場休息(眼睛不能觀看電子類產(chǎn)品)半小時后，進行驗光和視覺綜合測試平臺(可采集AC/A、像差、光學傳遞函數(shù)MTF、視覺成像質(zhì)量點擴散函數(shù) PSF、高頻肌顫HF)的測試，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，然后開始進行不同亮度條件下不同顯示屏的觀視任務(wù)。整個觀視時間為30分鐘，任務(wù)結(jié)束后再進行一次基礎(chǔ)屈光、AC/A、像差、PSF、MTF、HF測試。測試流程圖如圖2所示。

圖2 測試簡要流程圖
Fig.2 The flow chart of test

1.2.3 測試設(shè)備

采用驗光儀(NIDEK AR-310)、綜合驗光臺(TOPCON DK-3100)和自主研制的視覺綜合測試平臺(經(jīng)過北京計量院校準，校準證書編號：H413Z-G0125)測試內(nèi)指標包括基礎(chǔ)屈光、AC/A、像差、MTF、PSF、HF等參數(shù)。

1.3 統(tǒng)計學方法

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

表3 視覺健康舒適度(VICO指數(shù))量化分級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方法對假定方差齊性下的組間均值數(shù)據(jù)進行成對比較。當p<0.05時表明兩組間存在顯著性差異，當p<0.01時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大尺寸顯示屏對人眼舒適度的影響

通過對3類亮度(200/400/600nits)LED顯示屏測試，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。三種亮度的測試結(jié)果LED顯示屏的VICO指數(shù)均位于視覺健康舒適度量化分級的第3等級，即中度視覺疲勞影響等級。其中200nits和400nits兩組測試結(jié)果存在顯著性差異(p<0.05)，400nits和600nits兩組測試結(jié)果存在顯著性差異(p<0.05)。

2.2 不同亮度下DLP大尺寸顯示屏對人眼舒適度的影響

通過對兩種亮度(200/400nits)DLP顯示屏測試，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)測試結(jié)果不存在差異性，VICO指數(shù)均位于視覺健康舒適度量化分級的第2等級，即輕微視覺疲勞影響等級。

2.3 LED與DLP兩種屏幕的比較

不同亮度下兩種屏幕對視覺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顯示屏的測試結(jié)果均高于DLP顯示屏，LED對人眼產(chǎn)生的疲勞感均高于DLP， DLP顯示屏的平均等級在2級(輕微視覺疲勞影響等級)，而LED顯示屏的平均等級在3級(中度視覺疲勞影響等級)。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)有市場上常見的LED屏幕亮度多采用600nits，而DLP屏幕多采用200nits，通過比較發(fā)現(xiàn)600nits亮度下LED顯示屏對視覺舒適度的影響遠大于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)，對人眼舒適度的影響從小到大排序為：400nits<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)。對人眼舒適度的影響200nits和400nits亮度測試結(jié)果無顯著差異，均可以作為大尺寸DLP顯示屏的推薦亮度；

(3)通過LED和DLP顯示屏的對比結(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指標分級中DLP顯示屏的平均等級在2級(輕微視覺疲勞影響等級)，而LED顯示屏的平均等級在3級(中度視覺疲勞影響等級)；

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

(5)相同亮度條件下，LED自發(fā)光大尺寸顯示屏對人眼的刺激要遠高于常規(guī)LED背光液晶電視，30 分鐘觀視下的覺疲勞累積較看常規(guī)電視(夏普電視)90分鐘的疲勞累積高出了近20%[10]。市場上的LED顯示屏產(chǎn)品亮度多為600nits以上，本次實驗考慮到人眼健康安全的問題，未采用更高的亮度進行人眼實驗，僅選取了人眼可接受的最高亮度閾值600nits(和一般手機亮度相當)進行測試。實驗證明，短時間、低亮度的情況下，LED顯示屏對人眼的舒適度影響較常規(guī)液晶電視、大屏幕DLP顯示屏對人眼的舒適度影響大，若長時間觀看，存在誘發(fā)眼部疾病的風險。為保證消費者健康及提升產(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“中照照明獎演播室專業(yè)照明工程設(shè)計獎”申報項目的通知

中照照明獎是由中國照明學會設(shè)立，國家科技獎勵辦公室正式批準的中國照明領(lǐng)域唯一重要獎項。演播室專業(yè)照明工程設(shè)計獎是中照照明獎的涵蓋組成部分，是照明工程設(shè)計獎的重要內(nèi)容之一，根據(jù)其專業(yè)性強的特點由中國照明學會舞臺電影電視照明專業(yè)委員會承辦，該獎項旨在獎勵電視照明領(lǐng)域中，在技術(shù)創(chuàng)新、科技及設(shè)計成果推廣應用、實現(xiàn)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和照明工程實施方面做出杰出貢獻的個人和組織。調(diào)動電視照明科技工作者自主創(chuàng)新的積極性，促進電視專業(yè)照明科技人才成長，推動我國電視照明科技事業(yè)的發(fā)展與進步。

經(jīng)研究，中國照明學會舞臺電影電視照明專業(yè)委員會決定從即日起開展演播室專業(yè)照明工程設(shè)計獎評獎活動，本通知及申報須知、申報書可從網(wǎng)站(www.sftvlighting.com，www.lightingchina.com.cn)下載。

一、獎項設(shè)置：演播室專業(yè)照明工程設(shè)計獎設(shè)一等獎、二等獎、三等獎、優(yōu)秀提名獎。

二、申報辦法

1.申報資料直接送交中國照明學會舞臺電影電視照明專業(yè)委員會。

2.各申報單位應嚴格按照評獎通知規(guī)定的時間、地點、參評方法等要求選送項目，報送推薦表及文字資料。填寫推薦表要實事求是。推薦表要由主管領(lǐng)導簽字并加蓋公章。參評項目發(fā)現(xiàn)有弄虛作假者，經(jīng)查明屬實，即撤消其獎勵。

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

四、申報截止時間：2015年4月30日。

我們誠摯地邀請各委員單位、電視臺、演播室照明工程設(shè)計公司、工程公司對本屆演播室專業(yè)照明工程設(shè)計獎的評選活動予以關(guān)心與支持，并積極參與這一活動，共同為中國電視專業(yè)照明科技事業(yè)的發(fā)展和進步做出貢獻!

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

地 址：北京市海淀區(qū)西四環(huán)中路甲59-2號131室 郵編：100039

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