电子游戏及手机屏幕对青少年视觉的潜在伤害和预防研究

马颖琳

摘  要：通过课程学习了解的光的本质以及色彩的奥秘，在此基础是进一步学习发现人眼视觉与光的复杂联系。我们使用各种电子设备，最直接的人机交互环节就是电子屏幕发光成像与人眼视觉系统感知的作用过程，而青少年的视力问题是当前广受关注的问题，因此我们决定深入探究一下电子屏幕对青少年视觉的潜在伤害。通过检索调研，发现目前关于电子屏幕对使用者的影响研究中比较主流的观点是LED背光屏幕光谱中处于可见光谱末端波长在380～450nm之间的短波高能蓝光分量偏高，直接构成对眼睛视网膜的潜在伤害，这一观点似乎得到了手机产业界的认同，在很多手机上设计了护眼模式，市场上也有护眼防蓝光的手机膜，在该研究中也将对此进行验证和探究。

关键词：电子游戏  视觉  屏幕光谱

中图分类号：TP391    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）09（a）-0217-03

1  研究方法与步骤

1.1 基于人眼视觉原理的方法设计

视觉是通过视觉系统的外周感觉器官（眼）接受外界环境中一定波长范围内的电磁波刺激，经中枢有关部分进行编码加工和分析后获得的主观感觉。视觉形成过程：光线→角膜→瞳孔→晶状体（折射光线）→玻璃体（支撑、固定眼球）→视网膜（形成物像）→视神经（传导视觉信息）→大脑视觉中枢（形成视觉）。

人的眼可分为感光细胞（视杆细胞和视锥细胞）的视网膜和折光（角膜、房水、晶状体和玻璃体）系统两部分。其适宜刺激是波长为370～740nm的电磁波，即可见光部分，约150种颜色。该部分的光通过折光系统在视网膜上成像，经视神经传入到大脑视觉中枢，就可以分辨所看到的物体的色泽和分辨其亮度。因而可以看清视觉范围内的发光或反光物体的轮廓、形状、大小、颜色、远近和表面细节等情况。

眼睛的角膜和晶体组成眼的屈光系统，使外界物体在视网膜上形成倒像。角膜的曲率是固定的，但晶体的曲率可经悬韧带由睫状肌加以调节。当观察距离变化时，通过晶体曲率的变化，使整个屈光系统的焦距改变，从而保证外界物体在视网膜上成象清晰。眼睛所能看到的最远的点和最近的点之间称为调节范围，就是我们通常所关心的视力，但影响视力的因素极多，因此我们在研究中不直接对视力进行检查取样，将从瞳孔和光感受这两方面着手进行。

1.2 眼睛在視觉过程中的外在生理变化

我们的研究之一就是拍摄双眼在不同状态下的图像，对眼球瞳孔的变化进行客观的分析和对比，通过眼球这一外在的直观变化分析视觉对光的反应反馈。眼睛中的虹膜呈圆盘状，中间有一个小圆孔，就是我们所说的瞳孔。瞳孔正常值是2～5mm，它在亮光处缩小，在暗光处扩大，以适应各种不同的环境。瞳孔的大小可以控制进入眼内的光量。一般人瞳孔的直径可变动于1.5～8.0mm之间，瞳孔就像照相机里的光圈一样，可以随光线的强弱而缩小或变大。通过瞳孔的调节，始终保持适量的光线进入眼睛，使落在视网膜上的物体形像既清晰，而又不会有过量的光线灼伤视网膜。瞳孔异常变化在医学上是重要的临床指征，我们将通过对正常眼睛的瞳孔在不同生活状态下的变化进行观察记录，并分析探究其两者之间的关联度。

为了便于记录不同状态下眼睛所观察对象的亮度，我们特别设计了一副参考眼镜，该眼镜不安装任何镜片，但在镜框鼻梁架的位置安装一块20mm×20mm摄影专业的中性灰测光板，用于同步拍摄记录。测光板在照片中的曝光参数经过换算可得等效于俩眼睛所接受到的外部平均光照强度，我们在下文中将此处所测得的光照强度称之为“输入光强度”;在镜框上设置尺寸刻度线，用作拍摄照片瞳孔变化的尺寸参考基准。

瞳孔观察将记录不同环境下眼睛注视手机电子屏幕画面的各种瞳孔的变化情况。

1.3 光成像的视觉转换与HSI模型

彩色电子屏幕从诞生之日起，基于其发光原理就使用了RGB颜色空间，即采用R、G、B相加混色的原理，通过电致发光原理产生红绿蓝3种光而组合产生色彩。这种色彩的表示方法称为RGB色彩空间表示。时至今日无论是新一代的液晶屏幕，LED/OLED屏幕，以及内部的图像软件，均一直沿用RGB颜色空间来定义颜色。

在RGB颜色空间中，任意色光F都可以用R、G、B三色不同分量的相加混合而成：F=r[R]+r[G]+r[B]。

RGB色彩空间还可以用一个三维的立方体来描述。当三基色分量都为0（最弱）时混合为黑色光;当三基色都为k（最大，值由存储空间决定）时混合为白色光。RGB色彩空间是针对机器设备显色处理的数学模型，但对于人类的视觉是另外一种情况。美国色彩学家孟塞尔（H.A.Munsell）提出了另一个数字图像的模型HSI色彩空间，它反映了人的视觉系统感知彩色的方式，以色调、饱和度和亮度3种基本特征量来感知颜色。

HSI色彩空间是从人的视觉系统出发，用色调（Hue）、色饱和度（Saturation或Chroma）和亮度（Intensity或Brightness）来描述色彩。HSI色彩空间可以用一个圆锥空间模型来描述。用这种描述HIS色彩空间的圆锥模型相当复杂，但确能把色调、亮度和色饱和度的变化情形表现得很清楚。通常把色调和饱和度通称为色度，用来表示颜色的类别与深浅程度。由于人的视觉对亮度的敏感程度远强于对颜色浓淡的敏感程度，为了便于色彩处理和识别，人的视觉系统经常采用HSI色彩空间，它比RGB色彩空间更符合人的视觉特性。HSI色彩空间和RGB色彩空间只是同一物理量的不同表示法，因而它们之间存在着转换关系。

我们的研究之二就是运用HIS模型设计不同的针对视色觉敏感度的测试图片，测试研究志愿者的主观视觉敏感度变化。

2  研究过程与分析

2.1 瞳孔观察

瞳孔，是动物或人眼睛内虹膜中心的小圆孔，为光线进入眼睛的通道。我们尝试通过观察记录在不同环境光亮度眼睛注视不同亮度的电子屏幕时瞳孔的变化反应，研究其对眼睛的影响。

2.1.1 屏幕光谱对瞳孔的影响

前人的研究表明，目前的主流的LED背光液晶屏幕，其光谱中的蓝光分量普遍强度偏高，我们分别对人眼看屏幕红绿蓝三原色时的瞳孔变化进行了观察记录。观测和分析结果显示，我们视觉系统的瞳孔并不能对相同亮度输出值的红绿蓝光做出特定反应。

2.1.2 屏幕亮度对瞳孔的影响

通过观察记录，在相同的环境亮度中注视电子屏幕，屏幕亮度变化对瞳孔的影响没有产生明显有效的观测记录变化。

2.1.3 环境亮度对瞳孔的影响

智能手机等掌上电子设备一般使用距离在30～50cm之内，屏幕亮度集中作用于人眼范围，我们分别在不同的光照环境中进行的观察记录，当环境亮度低于100流明时，照片记录的输入光照强度主要为屏幕发光，但瞳孔对环境亮度的变化还会做出反应。

2.1.4 显示内容对瞳孔的影响

通过观察对比我们发现，在相近的输入光强度情况下，不同的屏幕显示内容瞳孔反应有所差别。我们知道瞳孔变化受副交感神经和交感神经控制，在光感相同的情况下不同的瞳孔变化直接反映了人的情绪变化，此原理广泛用于心理学分析研究。因此我们可以判断，备受关注的一些热门的手游可以玩家处于兴奋状态，普遍表现出瞳孔变大的反应，也间接地令玩家的视觉神经接受更高的光强度刺激。

综合上述观察分析，我们可以发现在特定条件下，我们注视屏幕会接受到更高强度的光刺激。刺激感本质上是人类的主观追求，我们需要评估的是电子屏幕带给我们的高强度刺激是否会对我们的视觉构成潜在的伤害，因此我们还要在视觉接受“刺激”之后进行对比测试，以判定我们的视觉表现是否如常。

2.2 视色觉敏感度测试

人体器官/功能的损伤往往是一个量变到质变的过程，人体是一个顽强而复杂的生命体，除了有很强的耐受性之外，还有强大的恢复能力，因此我们主要还是通过观察研究短期的生理疲劳表现，进一步推断其长期积累后的潜在伤害。

在这项测试研究中，我们选择了青少年日常生活中最常见的几种视觉视力状态进行取样研究分析。

充分休息后;

晴天户外（约1000～3000cd）活动1h;

夏季中午太阳光下（约为109cd）下活动1h;

室内柔和灯光下（约100cd）看电视1h;

室内柔和灯光下（约100cd）使用的手机进行文字阅读1h;

室内柔和灯光下（约100cd）玩刺激的手机游戏1h;

在黑暗下玩刺激的手机游戏1h;

黑暗放映厅内看电影（投影屏幕）1h。

2.2.1 测试设计

在测试中，我们以三原色为测试主调，在HSI三个维度（色调、饱和度、亮度）随机生成相差3%、6%、9%的两个颜色块，供志愿者进行辨别，记录同一个体在不同状态下其辨识图片的梯度差异的准确率，其准确率的差别即为其视觉敏感度的差异。志愿测试者需要在60s内完成30个色块的辨别，3%的相差得分5分，6%得分3分，3%得分2分，总分100分。视觉敏感度测试将在各种持续60min的生活状态中，期间按0（初始状态）、8、15、30、60min的间隔进行取样对比。

2.2.2 测试分析

由于人视觉系统存在明显的不可预知的复杂个体差异，因此我们的研究中重点在同一个体在不同生活状态下的视觉差异度，即上述测试得分的变化率，而不至于是单项分值的绝对值。然后我们再对这种差异度进行多个样本的综合统计分析。

3  研究结论与建议

通过该项目，我们对电子屏幕对青少年视觉的影响，从眼睛外部的瞳孔变化比例、反应速度，视觉内部的色调、饱和度和亮度3种感知能力敏感度变化进行了初步的定性和定量的研究分析，找出了青少年日常生活状态中对其视觉系统构成潜在伤害的主要因素和行为模式，并为减免这些潜在伤害提出建议。

在上述的研究观察中，我们分析发现：在同样的屏幕亮度下，动态画面、刺激的游戏和黑暗的环境都会令人眼瞳孔张开更大，这是源于屏幕特性、情绪反应和视网膜生理特点3种不同原因的效应，这种情况下人眼会接受更高强度的光刺激;相对于不发光的静态平面媒体，静态的屏幕阅读，人眼瞳孔的变化差异较少，属于正常的光刺激强度。在大部分情况下，环境光亮度是影响瞳孔变化的主要因素，这种情况下意味着在过于昏暗的环境使用电子屏幕时眼瞳孔张开较大，人眼会接受更高强度的光刺激。

而在不同环境和行为模式中，对视色觉敏感度的影响（疲劳）大致如下：

夏季中午太阳光和黑暗下玩刺激的手机游戏均快速导致视色觉敏感度降低，室内柔和灯光下玩刺激的手机游戏，黑暗放映厅内看电影（投影屏幕）次之，其余情况在测试中均有明显的敏感度降低的表现。

视色觉敏感度降低在生理上是一种应激反应，也是生活中“用眼”的疲劳状态表现，人体大部分的生理疲劳在充分休息之后都可以自然恢复，而长期“疲劳”可能会造成无法逆转的疾病和损伤。该研究的目的是寻找和验证电子屏幕对青少年视觉造成“疲劳”进而可能是潜在伤害的关键因素，并且提出对应的措施。

在该研究中，近距离长时间注视造成的视力（屈光系统）疲劳和近视不在研究范围，但主要的研究结论证明长时间专注一种行为模式，尤其是注视电子屏幕，会导致明显的视色觉疲劳，因此劳逸结合的用眼习惯是最基础的用眼卫生要求，越是光刺激强度大的用眼活动，越是要控制用眼活动的时长和间隔休息时间。

以此同时，营造合理的环境亮度也是青少年在使用电子屏幕时一项重要的保护措施。

3.1 对“视力”影响的思辨

对通常而言的屈光不正的视力问题，我们通过物理光学的學习知道，透镜对焦（屈光系统）只与物距、像距和屈光度数相关，而与通过的光强度和光谱无关。电子屏幕的再现画面是在屏幕的显示屏幕上，本质上也是一种平面媒体，也就是说，在相同物距和时间段之内，我们看电子屏幕和看书看报，对视觉的屈光系统而言是一样的。因此屈光不正的视力问题同样和电子屏幕的使用无关直接的因果关系。

在实际生活中，我们会因为智能手机的便利性，手游的成瘾性而增加了很多近距离注视电子屏幕的的时间，造成屈光系统的过度疲劳进而形成不可逆转的近视，这是显而易见的状况，但这种状况是与内容相关，与我们的阅读需求/习惯相关，就如同很多文人学者会因为长期的阅读和书写而造成严重的视觉疾患，这与电子屏幕的本质特性无关。

3.2 对屏幕蓝光问题的探究

关于屏幕的蓝光问题是课题展开后检索到的一个热点话题，我们同样使用了光谱仪对几个手机样本进行的检测，验证了网络中的测试结论。在设备的的RGB色彩再现原理中，为了尽可能完整地再现人眼可见的色域，屏幕的光谱设计就必须符合上述的测试图谱，这是物理和数学的理论限定。

对于文章提到的蓝光危害性，归根结底还是一个“剂量”的问题，我们在使用中避免持续地接受蓝光（包括白光），除了前文提到的预防措施之外，在一些壁纸背景等非严格限定色彩的地方尽可能使用暖色调的颜色，这也是我们日常生活中感觉温暖舒服没有压力的色调。

参考文献

[1] 何峰.视光学在眼科临床中的应用[J].中国眼镜科技杂志，2006（10）：116.

[2] 李骜.基于Retinex模型的图像增强算法研究[D].哈尔滨工程大学，2012.

[3] 杨丽娜.基于双目视觉的机动目标跟踪方法研究[D].河南科技大学，2009.