iPad 使用过程中环境照度对人眼视觉质量的影响研究

蔡建奇，杜 鹏，郭 娅，黄 帅， 温蓉蓉，张 玉

(1.中国标准化研究院，北京 100088；2.北京阳明智道光电科技有限公司，北京 100102；3.中国质检出版社，北京 100100)

iPad 使用过程中环境照度对人眼视觉质量的影响研究

蔡建奇1，杜 鹏2，郭 娅1，黄 帅1， 温蓉蓉2，张 玉3

(1.中国标准化研究院，北京 100088；2.北京阳明智道光电科技有限公司，北京 100102；3.中国质检出版社，北京 100100)

随着计算机技术的快速发展与普及，平板电脑逐渐成为人们日常生活不可或缺的生活用品。大部分消费者经常在晚上睡前使用iPad等各类手机产品，本研究希望通过实验研究在暗室(0lx)和200lx照度下人眼的视觉舒适度和视觉质量的变化情况，从而确定照度对人眼视觉质量和视觉疲劳的影响程度，为以后的视觉健康研究提供数据支持。

视觉质量；VICO指数；照度；视觉舒适度

引言

个人电脑、计算机系统的视觉显示终端(Visual Display Terminal，VDT)随着计算机技术的快速发展与普及，手机和平板电脑也都可以纳入VDT的范畴。VDT综合症就是指由于眼睛长时间注视视屏终端引起的眼睛不适等综合症状。iPad作为苹果公司出品的高端平板电脑，其功能强大，随身携带方便，逐渐成为人们日常生活不可或缺的生活用品，并一直收到消费者的青睐。iPad作为一种新型的视觉显示终端，和其他显示设备类似，其显示效果会受到诸多自身和环境因素的影响[1]。

有研究表明从视觉功效学的角度出发，在 0～500 lx 照度下，对车载液晶显示器(LCD)显示调控指标和环境照明对亮度对比度的影响进行了研究，以判读兰道环的绩效指数和主观评价为指标，对 LCD 在不同照度和亮度对比度条件下的视觉功效进行了实验，结果显示在相同照度下亮度对比度对视觉效果有显著影响，在不同照度水平下照度的影响更为显著[2]。研究表明周围环境亮度和屏幕亮度对 TFT-LCD 显示器字符识别绩效的影响，结果显示环境照度没有显著影响字符识别绩效，屏幕亮度会显著影响字符识别绩效[3]。对国内外军用飞机座舱工效学研究进展进行了总结，屏幕表面的垂直照度不应大于100lx[4]。有学者研究了VDT屏面亮度和文件背景照度对视觉核对作业的影响效应，15～20cd/m2是 VDT 屏幕亮度的推荐范围，而300～450lx可作为文件背景照度的推荐范围[5]。还有研究结果显示200lx照度下的绩效要高于700lx照度下的绩效[6]。

本研究将研究在两种环境照度下(暗室和200lx)使用iPad2平板电脑45min前后人眼的视觉质量、主观疲劳评价等指标变化情况。从而确定环境照度对人眼视觉质量和视觉疲劳的影响。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究选取96名被试者，均来自于工厂的一线工人， 无重度近视和散光(近视在300度以内，散光在-100度以内)。被试者在测试前告知被检者详细的实验流程，并签订了志愿者知情协议书。样本均为男女比例1∶1，年龄(29.4±6.2)岁。为避免视力疲劳的干扰，所有被试者在测试前均有充足的睡眠，且安排在测试前闭眼休息半小时，以保证被试者在测试过程中，都处于良好的心理和生理状态。本研究遵循的程序符合医学伦理委员会的伦理学标准。

1.2 研究方法

1.2.1 测试前人眼筛查

测试前对被试者进行验光仪(NIDEK AR-310)测试，采用综合验光台和魔术视力表箱筛查主视眼、双眼融像、双眼视平衡、色辨识等参数，以便于剔出严重屈光不正、隐性眼科疾病的被试样本。

1.2.2 测试过程

本研究使用iPad2平板电脑(9.7英寸，分辨率1024×768，屏幕比例4∶3)做为视频提供源，整个测试过程中，被试者观看iPad2的距离为0.6 m，观看影片为同一内容的标准样片。测试环境照度分别为暗室环境(0 lx)和200 lx的屏面照度。iPad2屏幕亮度等级均设定为50%。其中暗室环境测试组样本42人，200 lx的屏面照度测试组样本为54人。

首先，被试者在测试现场休息(眼睛不能观看电子类产品)5min后，采用自主研制的波前像差仪(经过北京计量院校准，校准证书编号：H413Z-G0125)进行基础屈光和波前像差测试，采集被试者最佳状态下的全眼波前像差值，然后开始进行不同照度条件下iPad2的观视任务。整个观视时间为60min，任务结束后再进行一次基础屈光和波前像差测试。用主观评分法进行视觉疲劳的调查是常用的研究方法之一[7]。本研究采用5级(1—非常舒适，2—一般舒适，3—适中，4—一般疲劳，5—非常疲劳)打分表进行视觉疲劳的评估。

测试流程图如图1所示。

图1 测试简要流程图Fig.1 The flow chart of test

1.2.3 测试设备

采用验光仪(NIDEK AR-310)、综合验光台(TOPCON DK-3100)和自主研制的视觉综合测试平台(经过北京计量院校准，校准证书编号：H413Z-G0125)测试内指标包括基础屈光、调节集合性/调节比(accommodative convergence/accommodation ratio, AC/A)、高阶像差、光学调制传递函数(modulation transfer function, MTF)等参数。

1.3 统计学方法

采用Matlab R2011b对观视前后60min的数据，利用BP神经网络的非线性自适应的模拟，现阶段选取多项客观指标——基础屈光、AC/A、像差、MTF等作为网络的输入层P(Input)，本团队已经通过大样本的视觉人因数据库构建的VICO指数(Visual Comfortable Index)模型[8]，得出输出的视觉舒适度结果VICO得分。VICO指数得分共分为5级。级数越高说明健康舒适度程度越低，具体如表1所示。

表1 视觉舒适度(VICO指数)量化分级

不同组间的差异性采用spss19.0中单因素方差分析的Bonferroni方法对假定方差齐性下的组间均值数据进行比较。当p<0.05时表明两组间的差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同照度下iPad2对人眼舒适度的影响

通过在两组环境照度下(0/200 lx)对被试者使用iPad2的测试，得出结果如图2所示。两组环境照度下VICO指数测试结果在统计学基础上有显著性差异，200 lx和0 lx照度下，人眼舒适度均在3级，0 lx组高于200 lx组。

图2 不同环境照度下iPad2的VICO指数Fig.2 VICO index in different illuminance

2.2 不同照度下iPad2对人眼MTF的影响

在两组环境照度下人眼MTF在测试前后的变化量如图3所示。两组照度下，左眼和右眼的MTF在0 lx条件下均小于200 lx，且差异存在显著性意义(p<0.05)。

图3 不同环境照度下双眼MTF测试前后的变化结果Fig.3 MTF variation result in different illuminance

2.3 不同照度下iPad2对主观疲劳的影响

在两组环境照度下iPad2使用后用户的主观疲劳打分，测试结果如图4所示，在0 lx照度下，用户的主观打分在3级以上，疲劳程度适中；在200 lx照度下，用户主观打分仅为1～2级之间，较为舒适；且两种照度下的主观评分在存在显著性差异(p<0.05)。

图4 不同照度下用户主观疲劳评分结果Fig.4 Visual fatigue result in different illuminance

3 结论

1)VICO指数作为一项评价综合的视觉生理指标能有效评价人眼舒适度的状态[8]，并广泛应用于多类显示领域，其中包括LED电视(2D模式)[9]、LED电视(3D模式)[10]、大尺寸显示屏(LED/DLP)[11]等。本研究发现VICO指数能有效评价在不同环境照度下使用iPad2平板电脑的人眼舒适度，在200 lx照度下，人眼的舒适度是高于0 lx的。其他学者的研究也表明环境照度与手机亮度对人眼的舒适度是有较大的影响[12]，应基于人的视觉舒适度状况进行显示屏亮度自动调节最优值的研究[13]。

2)MTF指标能有效评价屈光手术视觉恢复质量，术后MTF明显提高[14]，本研究发现MTF在人眼疲劳状态下，也会发生较大的变化，在0 lx照度下MTF的数值明显小于200 lx组，从研究结果可以发现，MTF指标可以作为评价不同照度下使用平板电脑后视觉疲劳的一个参考指标。

3)通过用户的主观疲劳评分可以看出，在0 lx(暗室)环境下使用iPad2平板电脑后用户的疲劳感明显高于200 lx，该结果与VICO指数的测试结果有一致性。研究表明照度对减缓视觉疲劳和提供工作绩效都是有一定的辅助作用[15],本研究的结果表明，在暗室环境下使用iPad2平板电脑对人眼的舒适性影响较大，若长时间使用，存在诱发眼部疾病的风险。为保证消费者的视觉健康，建议在有一定照度的环境下使用平板电脑。

[1] 张华忠, 荆其诚. 照度和对比度对于视觉显示终端视觉功能的影响[J]. 心理学报, 1988, 20(3):243-252.

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[3] LIN C C, HUANG K C. Effects of ambient illumination and screen luminance combination on character identification performance of desktop TFT-LCD monitors[J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2006, 36(3):211-218.

[4] 郭小朝. 国内军用飞机座舱工效学研究进展[J]. 人类工效学, 2005, 11(1):57-58.

[5] 张智君, 朱祖祥. VDT屏面亮度和文件背景照度对视觉核读作业的影响[J]. 心理科学, 2001, 24(1):26-28.

[6] CHEN M T, LIN C C. Comparison of TFT-LCD and CRT on visual recognition and subjective preference[J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2004, 34(3):167-174.

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[10] 蔡建奇, 王薇, 邵光达. LED电视在3D模式下的视觉健康舒适度测试研究[J]. 电视技术, 2014, 38(24):47-49.

[11] 蔡建奇, 杨帆, 杜鹏,等. 不同亮度大尺寸显示屏对视觉健康舒适度的影响——以LED与DLP显示屏比较研究为例[J]. 照明工程学报, 2015，26(1):94-98.

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[13] 李宏汀, 张艳霞, 徐伟丹,等. 不同环境照度下手机屏幕亮度最优参数研究——以三星某手机为例[J]. 心理科学, 2013(5):1110-1116.

[14] 王雁.波前像差和调制传递函数(MTF)在屈光手术视觉质量评价中的研究[D]. 天津：天津医科大学，2009.

[15] 马广韬, 刘闻名. 照度对减缓视觉疲劳和提高工作绩效的影响[J]. 机械设计与制造, 2005(4):95-97.

Effect of Visual Quality by Using iPad in Different Illuminance

CAI Jianqi1, DU Peng2, GUO Ya1, HUANG Shuai1, WEN Rongrong2, ZHANG Yu3

(1.China National Institute of Standardization, Beijing 100088, China; 2.Beijing Yangmingzhidao PhotoelecticScience&TechnologyCo.Ltd.,Beijing100102,China;3.ChinaZHIJIANPublishingHouse,Beijing100100,China)

With the rapid development and popularization of computer technology, tablet PC has become an indispensable part of daily life. Most consumers often use iPad and other types of mobile phone products at night before go to bed. This research hopes to study the change of human eye visual comfort and visual quality with experiments in anechoic chamber (0 lx) and 200 lx illumination situations, to determine the illumination effect influence on visual quality and visual fatigue, which will provide data support for future research on visual health.

visual quality； VICO index； illumination; visual comfort

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.002