LED液晶显示器对视疲劳的影响

田会娟，赵一聪，刘 欢，牛萍娟

（1．天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387；2.天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387；3．天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研发中心，天津 300387）

LED液晶显示器对视疲劳的影响

田会娟1，3，赵一聪2，3，刘 欢2，3，牛萍娟1，3

（1．天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387；2.天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387；3．天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研发中心，天津 300387）

研究了LED液晶显示器在不同色温、亮度及亮度分布情况下对人眼视疲劳的影响.通过测量被试者在观看影片过程中的眼电图，从中获取眨眼频率值，结合被试对显示器的主观感受，评价显示器对视疲劳的影响.实验结果表明：色温较低的显示器（Tc=6 500 K）对视疲劳的影响主要表现在观看时间超过1 h后；在工作环境亮度很低的情况下，提高显示器亮度会有效提高注意力，但同时却会造成眼部不适；亮度分布不均匀的显示器将更早（工作时间小于1小时）的引起视疲劳.

LED液晶显示器；视疲劳；眨眼频率；眼电图

科技发展不断改变着人们的生活方式，液晶显示器已经成为人们日常学习、生活及工作中必不可少的电子产品.常用的液晶显示器中，以发光二极管（light emitting diode，LED）为背光源的液晶显示器已经在电视、电脑等领域占据了统治地位.在追求更薄、更大、更亮的同时，关于LED液晶显示器对视疲劳影响的研究也变的愈发重要.

评价视疲劳的方法主要可以分为3类：主观评分法、主任务评分法和客观测量法［1-2］.主观评分法是指基于操作者的主观量表评分度量视疲劳的程度，常用的主观量表有语义差异和自我报告等［3-4］.主任务评价法中，操作者需要完成一些任务，通过任务完成情况评价视疲劳的程度［3］.客观测量法可以分为3类：测量反映视疲劳特征的生理电信号，如测量眼电图EOG、脑电图EEG和心电图ECG；使用图像处理的方法从人眼中直接获取瞳孔直径等度量视疲劳的数据［5］；测量对被试在操作前后的视觉功能，如验光、调节幅度、正负融像性聚散能力、泪膜破裂时间等［4，6］.

关于显示器对视疲劳影响的研究中，Lee等［1］通过测量人眼的眨眼频率和瞳孔大小的变化，研究了液晶显示器（liquid crystal display，LCD）与等离子显示屏（plasma display panel，PDP）引起的视疲劳差异，研究结果表明，观看LCD显示器更易引起人眼的视疲劳；Hsu等［2］通过实验研究了LCD、PDP和阴极射线管显示器（cathode ray tube，CRT）3种显示器造成的视疲劳差异，实验结果表明，当观看时间超过30 min后，CRT引起的视疲劳更加显著；Yen-Kung［7］等的研究对比了被试者在3款不同E-link墨水屏上的阅读绩效，实验结果表明，Sony PRS 700、Amazon Kindle和iRex 1000S对视疲劳的影响不存在显著差异；陈成明等［8］利用闪光融合频率、眨眼频率及脑电图等测量方法，比较了OLED和LCD 2种平板电脑引起的视觉疲劳度，研究结果显示LCD相比OLED（organic light-emitting diode，有机电激光）平板电脑会引起更严重的视觉疲劳；张爱华等［9］从心电脉搏信号方面论证了心电脉搏信号与视觉疲劳之间的关系，分析了利用心电脉搏信号识别视觉疲劳状态的可行性.从以上研究结果可知，目前国内外学者主要针对不同光源类型及偏振特性的显示器引起的视觉疲劳的差异性进行研究［1，2，7-9］.但现有的研究中，针对不同光色特性显示器引起的视疲劳还有待深入研究，而显示器的色温、亮度、亮度分布等诸多光色特性却是人们在使用过程中不容忽视的问题.

本文通过测量被试的眼电图（electrooculogram，EOG），并结合被试的主观评价，系统研究了LED液晶显示器在不同色温、亮度及亮度分布情况下对视疲劳的影响；详细介绍了通过眨眼频率和主观评分评价人眼视疲劳的方法，通过实验研究了在使用不同光色参数的显示器时，眨眼频率随工作时间的变化规律.

1 实验设计

1.1 实验对象

本次实验共招募10名被试者，均为年龄在22～26岁之间的在校学生.10名被试者身体健康，双眼矫正视力均在1.0以上，无色盲，无眼部疾病，无心脏病，不酗酒，在实验期间不允许被试者摄入含有酒精与咖啡因的食物饮品.

1.2 实验环境

实验场地为一间可完全避光的暗室，实验环境温度22℃，环境亮度设定为0 cd/m2，实验中只有被试者使用的显示屏和测试电脑的显示屏2种光源发光，并且2种背光系统间有一定距离，保证了测试电脑显示屏发出的光线对被试无影响，实验场景如图1所示.

图1 实验场景图Fig.1 Experimental environment

1.3 方法及设备

1.3.1 显示器光色参数测量

实验选用2台型号完全相同的23英寸LED平板显示器，依据显示器行业标准SJ/T 11348-2006《数字电视平板显示器测量方法》［10］中给出的方法，使用PR670扫描式亮度计对屏幕的色温和亮度进行标定，并使用CX-2B成像亮度计对显示器的整体亮度分布情况进行了测量，测试时显示器与仪器的摆放位置如图2所示.

图2 测量位置图Fig.2 Measuring position of screen

首先，对2台显示器的色温和亮度进行标定.本文拟研究在2种色温条件（6 500 K和9 300 K）下和2种极限亮度条件下（即屏幕亮度调至最高和最低时）人眼在观看过程中的眨眼频率变化.2种色温条件的选择依据标准《液晶显示器件测试方法》对LED显示器的规定，色温变化通过调节屏幕的RGB比例实现.

其次，对2台显示器的整体亮度分布情况进行测量，测量时2块屏幕的色温及亮度设置完全相同，色温均设置为6 500 K，亮度均调至最高.为了更加直观地分析2块屏幕的亮度分布情况，将屏幕上各个点的亮度值导入MATLAB软件中构建亮度分布图，结果如图3所示.

从图3中可以明显看出，图3（a）中屏幕1的亮度整体上分布较为均匀，图3（b）中的屏幕2整体亮度呈现左暗右亮的分布情况，并且这种亮度分布差异从肉眼就可直接看出.

根据上述测试结果，4组实验中选用的液晶显示器的光色参数如表1所示.

需要注意的是，本文提到的亮度均匀程度是指显示器整体的亮度分布情况，不应与亮度均匀度的概念混淆.从表1中可以看出：选用第1组与第2组作对比，可以研究显示器在不同亮度下引起的视疲劳差异；选用第1组与第3组作对比，可以研究不同色温的显示器对人眼视疲劳的影响；选用第1组与第4组作对比，可以研究亮度分布不同的显示器对视疲劳的影响.

图3 2块屏幕的亮度分布情况Fig.3 Light distribution of two screens

表1 各组实验中显示屏的光色参数Tab.1 Optics and color parameters of screens in groups

1.3.2 眨眼频率测试

眨眼频率是反映人眼视疲劳的重要参数之一，研究表明，眨眼频率的增加以及眨眼持续时间的延长与视疲劳有关［11-13］.人眼在一定时间内的眨眼次数可以由相机捕捉、图像处理、眼动分析、眼电图（EOG）测量等多种方式获得［14］.本文选用美国BIOPAC公司生产的生理测试仪MP150的眼电模块——眼电放大器，实时记录被试者在2 h工作中的眼电图（EOG），对眼电图进行数据处理后从中获取人眼的眨眼频率.

1.3.3 主观评价

在评价显示器对视疲劳的影响时，不应忽略使用者的主观感受.本文结合了Heuer（1989）［14］和Rafael（2001）［15］开发的问卷，考虑到语言习惯，从中筛选出6项内容构成本文的主观评价量表.此量表采用5分制，如表2所示.

表2 主观评价表Tab.2 Subjective evaluation form

1.4 实验过程设计

每位被试者需要进行4组实验，每组实验前被试需进行5 min的暗适应.暗适应结束后开启屏幕，被试者开始进行2 h的观看任务，观看的影片在实验前已准备好，并保证被试者在之前从未看过该影片，观看过程中，为避免被试因影片内容的吸引，眨眼频率在无意识中降低，每隔30 min插播一段没有情节的风光影片.从暗适应结束直至观看结束的整个过程中，持续记录被试者的眼电图.观看结束后，被试者需在显示器上填写主观评价表.每位被试者完成一组实验后，在第2天同一时间进行下一组实验.

2 结果与分析

2.1 眨眼频率测试结果

从生理测试仪记录的数据中获取被试者在观看前及观看过程中每隔0.5 h的眨眼频率，表3记录了4组实验中10名被试者在各时段间内眨眼频率的平均值.

表3 4组实验中被试在各段时间内的眨眼频率Tab.3 Blink frequency in each timeframe of four groups

表3中，各组中各段时间的标准差分别为：第1组（15.5、12.4、9.1、12.7、10.3），第2组（17.9、10.4、8.5、12.6、9.6），第 3组（17.5、10.6、9.7、10.2、9.6），第 4组（20.7、15.4、13.0、15.0、16.0），平均值（2.3、5.7、6.3、7.0、7.5）.

考虑方便性与直观性，定义n0为每组实验中屏幕开启前被试的平均眨眼频率，ni为开启屏幕后任务进行第i个0.5 h内的平均眨眼频率，则相比于观看前，每个0.5 h内平均眨眼频率的变化率ki的值可用式（1）表示，因此ki的变化情况也可以反映平均眨眼频率的变化规律.

图4所示为以ki表示的眨眼频率的变化趋势.

图4 眨眼频率变化趋势Fig.4 Blink frequency change trend

从图4可以看出，被试眨眼频率随工作时长的增加呈规律性变化：各组实验中被试的眨眼频率在屏幕开启后均有所下降，其中第3、4组的下降更为明显；各组实验中被试的眨眼频率在前1 h内的变化并不显著；但随着工作时间的推移，当观看时间超过1 h后，各组实验中被试的眨眼频率都开始呈现上升趋势，其中第1组与第4组的上升速度比其他2组更快.

下面采用统计学方法利用软件SPSS 20.0分析上述规律是否具有统计学意义.

采用配对T检验的方法，分析每组实验中观看前与观看后各段时间内（0.5 h，1 h，1.5 h，2 h）、观看0.5 h与之后各段时间内（1 h，1.5 h，2 h）、观看1 h与之后各段时间内（1.5 h，2 h）被试眨眼频率的差异，检验结果均标注在表3中.配对T检验的结果显示，第2组实验中观看前与观看0.5 h、1 h、1.5 h、2 h的眨眼频率均具有显著差异（P＜0.05）；第1组实验中观看0.5 h与观看1.5 h、2 h的眨眼频率存在显著差异（P＜0.05），第4组实验中观看0.5 h与观看1 h、1.5 h、2 h的眨眼频率均存在显著差异（P＜0.05）；第3组实验中观看1 h与观看2 h的眨眼频率存在显著差异（P＜0.05），第1组和第4组实验中观看1 h与观看2 h的眨眼频率存在极显著差异（P＜0.01）.

采用分组独立T检验的方法，分析各段时间内，第1组与其他各组之间眨眼频率的差异.分组独立T检验的结果显示：第1组与第2组之间，相比观看前被试在各段时间内（0.5 h，1 h，1.5 h，2 h）眨眼频率的变化率均存在显著差异（P＜0.05）.

2.2 主观评价结果

每组实验中被试的主观评价得分分别为：第1组24分、第2组15分、第3组23分、第4组21分.对第1组与其他各组之间的评分进行分组独立T检验，第1组与第2组之间的差异具有统计学意义（P＜0.05）.其中第1组实验中被试的主观评价得分最高，第2组实验中短时间观看时被试普遍出现眼睛刺痛、流泪等症状.

3 结 论

本文系统研究了不同色温、亮度及亮度分布情况的LED液晶显示器对视疲劳的影响.详细介绍了通过眨眼频率和主观评分评价人眼视疲劳的方法，通过实验研究了在使用不同光色参数的显示器时，眨眼频率随工作时间的变化规律.实验结果表明：

（1）在整个观看过程中，被试的眨眼频率呈规律性变化：（a）观看刚开始时，由于屏幕光刺激的产生，被试注意力提高，眨眼频率相比没有观看屏幕时呈降低趋势；（b）相比观看初，当观看时间少于1 h，只有亮度分布不均匀的显示器会引起被试眨眼频率的显著升高；（c）随着时间的推移，当观看时间超过1 h，观看低色温屏幕会更早的引起眨眼频率的显著升高；（d）观看亮度不同的屏幕时，相比观看前，被试在各段时间内（0.5 h，1 h，1.5 h，2 h）眨眼频率的变化情况具有显著差异，证明不同亮度的LED液晶显示器引起的人眼视疲劳存在差异，在背景光亮度相同的情况下（Le=0 cd/m2），观看亮度更高的显示器眨眼频率升高的越缓慢，这也符合屏幕亮度升高会吸引人眼注意力的生活经验.

（2）主观评价的结果显示：被试在使用不同光色参数的显示屏时，主观感受明显不同，由于实验在暗室中进行，被试更偏向喜欢亮度较低的屏幕，这与眨眼频率的测量结果不一致，考虑是由于视疲劳与脑力疲劳之间存在紧密的联系.

综合考虑以上结果，在观看不同色温、亮度及亮度均匀程度的LED液晶显示器时，眨眼频率的规律性变化有所差异.亮度分布不均匀的显示器将更早的（观看1 h内）造成人眼视疲劳；低色温显示器在观看1 h后将更易造成视疲劳；在工作环境亮度很低的情况下，提高显示器亮度会有效提高注意力，但同时却会造成眼部不适.本研究仍存在许多不足之处：

（1）实验中的背景光环境仅选用了完全黑暗这一种亮度情况，无法探究背景光环境与屏幕光环境间的不同差异对人眼视疲劳的影响；

（2）实验通过调节屏幕RGB的比值实现色温的改变，这种调节方式只能在有限色度范围内调节色温，使实验研究受到一定限制；

（3）受实验条件制约，样本容量不够造成的偶然性无法有效规避.

［1］LEE E C，PARK K R，WHANG M，et al.Measuring the degree of eyestrain caused by watching LCD and PDP devices［J］. International Journal of Industrial Ergonomics，2009，39（5）：798-806.

［2］CHI C F，LIN Y H.Effects of using a screen filter on call center workers′visual fatigue measurement［J］.Perceptual&Motor Skills，2009，108（1）：229-238.

［3］ LEE H，WHANG K W.Aquantitative measurement of LCD and PDP TVs for human visual preference and fatigue［J］.Displays，2012，33（1）：1-6.

［4］LAMBOOIJ M，FORTUIN M，IJSSELSTEIJNW A，et al.Measuring Visual Discomfort associated with 3D Displays［J］.Proceedings of SPIE-IS&T Electronic Imaging，2009，18（11）：931-943.

［5］SAKAMOTO K，AOYAMA S，ASAHARA S，et al.Physiological and psychological measurements of visual fatigue for TVs in a home viewing environment［J］.Sid Symposium digest of Technical Papers.2009，40（1）：1196-1199.

［6］NAKAISHI Y.Abnormal tear dynamics and symptoms of eyestrain in operators of visual display terminals［J］.Occupational &Environmental Medicine，1999，56（1）：6-9.

［7］YEN-KUNG L，KO Y H，SHIEH K K，et al.Visual performance and visual fatigue of long period reading on electronic paper displays［J］.Journal of Ergonomic Study，2012，14（2）：119-126.

［8］陈成明，虞丽娟，李俊，等.LCD和OLED平板电脑引起的视觉疲劳测量对比实验研究［J］.工业工程与管理，2014，19（2）：100-106. CHEN C M，YU L J，LI J，et al.Research on comparison experiment of visual fatigue caused by LCD and OLED Tablet PCs［J］.Industrial Engineering&Management，2014，19（2）：100-106（in Chinese）.

［9］张爱华，赵治月，杨华.基于心电脉搏特征的VDT视觉疲劳状态识别［J］.计算机工程，2011，7（37）：279-281. ZHANG A H，ZHAO Z Y，YANG H.Visual fatigue state recognition based on ECG pulse feature［J］.Computer Engineering，2011，37（7）：279-281（in Chinese）.

［10］刘全恩，殷惠清，邵建成，等.SJ/T 11348-2006，数字电视平板显示器测量方法［S］.北京：中国标准出版社，2006. LIU Q E，YIN H Q，SHAO J C，et al.SJ/T 11348-2006，Test method for digital television flat panel displays［S］.Beijing：Standards Press of China，2006（in Chinese）.

［11］CHUNG J Y，YOON H W，SONG M S，et al.Event related fMRI studies of voluntary and inhabited eye blinking using a time marker of EOG［J］.Neuroscience Letters，2006，395（3）：196-200.

［12］CHRISTIAN C，MIRJAM M，KOBIALKA S，et al.High sensitivity of human melatonin，alertness，thermoregulation，and heart rate to short wavelength light［J］.Journal of Clinical Endocrinology&Meta-bolism，2005，90（3）：1311-1316.

［13］AKIRA Y，KEITA I.Non-visual effects of the color temperature of fluorescent lamps on physiological aspects in humans［J］. Journal of Physiological Anthropology and Applied Human Science，2005，24（1）：41-43.

［14］HEUER H，HOLLENDIEK G，KRÖGR H，et al.Die ruhelage der augen und ihr einfluss auf beobachtungsabstand und visuelle ermüdung bei bildschirmarbeit［J］.Zeitschrift Für Experim-entelle Und Angewandte Psychologie，1989，36（4）：538-566.

［15］IRIBARREN R，FORNACIARI A，HUNG G K.Effect of cumulative nearwork on accommodative facility and asthenopia［J］.International Ophthalmology，2001，24（4）：205-221.

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

国家自然科学基金青年科学基金项目资助（61504095）；火炬计划资助（2013GH580096）

田会娟（1979—），女，副教授，主要研究方向为光电检测与控制技术、光电器件研发与制备.E-mail：tianhjgx@126.com