照度对比度对视觉任务表现和视疲劳影响的实验研究

娄 迪

(昕诺飞公司中国研究院，上海 200233)

引言

LED光源的广泛应用，催生了大量新颖的灯具设计，但灯具的多样性也在视觉功效和视觉舒适度方面带来了很多挑战。本文旨在研究桌面照明环境对用户视觉功效和视疲劳的影响。

针对读写作业照明对视觉功效和视疲劳的影响，近年来已有不少研究。现有的研究中通常认为调节光源的相关色温和照度水平会影响使用者的视觉功效和视疲劳程度。如Van Bommel[1]指出在高照度下工作，使用者的警觉度和专注度较高，有利于视觉作业功效的提升；也有研究人员从视力变化和主观喜好的角度通过测试发现，中高色温的光环境更符合中国用户的需求[2]；针对纸面阅读材料的研究发现，长期近距离工作会导致人眼调节能力下降、视疲劳增加，而如以冷白光来实现较高照度的均匀照明环境，则有利于用户双眼调节反应的准确度，进而有利于视疲劳缓解[3,4]；在办公环境下进行的研究表明，对纸质阅读和VDT作业而言，高色温可能导致更高的视疲劳[5,6]。同时，我们也查阅了相关照明标准和基于标准进行的测试分析[7,8]，并与上述研究结果进行对照，试图找出影响视觉功效和视疲劳的关键因素和问题。

在上述诸多研究中，关键照明参数大多集中在照度水平、相关色温和光谱成分，并未涵盖光的空间分布。LED与传统照明相比，其照明光的空间分布具有更大的差异性，在进行视觉功效评价时，我们认为除了考量照度水平、相关色温和光谱成分，也需要充分考虑照明光空间分布的影响。本课题的核心关注点是桌面照明环境中的照度分布对非显示终端类(non-VDT)视觉任务所产生的影响。

1 实验方法

1.1 实验目的

在桌面照明环境中，照度空间分布可简化为水平照度分布。在本研究中，以任务作业区与邻近区之间的照度对比度来量化水平照度分布，并研究不同照度对比度下用户的视觉任务表现和视疲劳程度。

1.2 被试者

15名平均年龄为(20.5±1.2)岁的被试者参与了本项实验，包括8名男生、7名女生。所有被试对象均排除眼部器质性疾病，屈光不正度在0～-3.00D之间，双眼屈光度差异≤1.00D，散光度<-0.50D。每名被试者均在参与实验前被告知实验安排及相关内容，并签署知情同意书。

由于本实验是针对视觉专注度和疲劳度的研究，要求被试者在参与实验前的4 h内不从事剧烈体力运动，以避免其可能产生的生理或心理疲劳，排除对实验结果产生的干扰。

1.3 照明环境设置

本实验的照明环境是围绕着照度在水平桌面上的分布进行设置的。根据照明应用要求及实际实验环境，我们在尺寸为1500 mm×700 mm的水平桌面上，划定了直径为600 mm的圆形区域作为作业任务区，其左右两侧相邻的矩形区域设定为作业邻近区，如图1所示。

针对阅读作业中产生的视疲劳，较早的研究结果指出适度较高的照度(即1 000 lx)有利于阅读[9]。以此结果为参考，用CCT为5 000 K的荧光粉转化型LED光源来实现整个照明环境，在桌面作业任务区设定恒定的平均照度为1 000 lx；在邻近区设定多个不同的平均照度水平，包括30 lx、100 lx、300 lx、500 lx和1 000 lx。在此设定下，整个桌面所对应的任务区与邻近区照度对比度分别为：100∶3、10∶1、10∶3、2∶1和1∶1。这组照度水平设置，通过不同灯具组合的方式得以实现，使用的灯具包括一个台灯(光束角较小)、两个落地灯、两个嵌入式灯盘。实验环境无自然光的影响。

在心理物理学实验设计中，对视觉任务表现和视疲劳的评价要求被试者完成单次50 min的任务，用时较长，若该任务在同类光环境中重复五次，则被试者在实验执行过程中易产生心理疲劳，影响视觉任务的完成，致使数据失准。为避免上述问题的发生，部分待测照明环境被删减，其删减原则是：1)照明应用场景与台灯相差较大的环境；2)视觉感受相近的照明环境。依此原则，邻近区照度为1 000 lx的环境是典型的开放式办公照明，与台灯相差较大，进行删减；邻近区照度为100 lx、300 lx和500 lx对人眼的主观视觉感受比较接近，只保留数值居中的300 lx进行实验；邻近区照度为30 lx的环境作为照明比较集中的台灯设置，予以保留。最终，选定高低两种照度对比度进入正式实验，即，位于中央的作业任务区保持1 000 lx，位于两侧的邻近区应实现30 lx和300 lx两种照度水平。为便于记录，本文中将高对比度记为100∶3，将低对比度记为10∶3。

通过对几种灯具的组合和调光，最终确定的两种照明环境如图2所示，经测量，其照度分布均达到了实验设计要求。

图1 桌面作业任务区和邻近区的设置Fig.1 Task area and immediately adjacent area on the desk

图2 照明环境设置：左侧两图为低对比度10∶3的实验场景和实测照度分布，右侧两图为高对比度100∶3的实验场景和实测照度分布Fig.2 Lighting condition settings-left: experiment setup and illuminance distribution for low contrast 10∶3; right:experiment setup and illuminance distribution for high contrast 100∶3

1.4 实验计划

每位被试者需在预设的两种光环境(即10∶3和100∶3)下分别完成50 min的视觉任务。为了在最大程度上保证被试者两次状态的可比性，避免疲劳积累，要求同一个被试者在两天的相同时段完成实验。同时，两种光环境的实验顺序随机。

视觉任务的设计和选取基于如下原则：每个被试者对任务的熟悉度大致相同的，保证所有被试者从同一起点开始学习，排除非实验因素对实验结果的影响；任务的难度适中，被试者可短时间掌握；任务可分段执行，便于监测实验进程中被试者的作业表现和视疲劳情况。

我们采用了字母勾销实验的方法，可在同一次实验中评估视觉任务表现和视觉疲劳度。实验任务材料的准备如下：将无序随机排列的小写英文字母打印在A4白纸上，每个字母出现的概率大致相同，约为1/26；字体为Calibri，字号11号，黑色；每5个字母为一段，段间以空格隔开；字母数量充足，保证被试者在指定时间内能够持续不间断作业；实验用白纸为D65亮度低于85%的非铜版复印纸；实验所用桌面为浅色木纹亚光材质，在被试位置无明显反射眩光。作业任务示例如图3所示。

图3 字母勾销实验的任务：无序随机排列字母表Fig.3 Cross-letter task with randomized letters in sequence

(1)视觉作业速度。在指定时间段内，被试者需对指定的三个字母(如“a”、“h”和“w”)不间断地完成勾销，即用笔划出无序排列字母表中出现的所有“a”、“h”和“w”。每个时间段结束后，实验员将收回已完成勾销的无序字母表，并统计出该被试在此时间段内对无序字母表勾销的完成情况，并以被试在该段时间内完成勾销的字母总数作为其视觉任务速度的衡量指标。

(2)视觉作业准确率。在统计过程中，不仅会记录被试完成勾销的字母总数，也会核对被试所完成勾销字母的准确率。在已完成勾销的无序字母表中，被试所划出的指定字母总数与应划出的指定字母总数之比，被定为视觉任务的准确率指标。

衡量被试者对视觉任务的完成情况，须兼顾“质”与“量”。如上所述，在本实验中，我们以完成勾销字母总数和完成部分的准确率两个指标进行评价。

(3)视觉疲劳度。在完成字母勾销任务的进程中，被试者的视觉疲劳度会逐渐积累增加。在本实验每个时段完成后，要求被试者填写视疲劳问卷，以语义量表打分的形式记录其视疲劳的变化。视疲劳问卷设计见表1。

表1 视疲劳问卷-语义量表

视疲劳问卷采用分值范围为-3～+3的语义量表。分值越低，代表视疲劳程度越高；分值越高，视疲劳程度越低。数据分析和统计以该语义量表的打分值来衡量被试的视疲劳程度。

本实验以分段形式进行，具体操作步骤：照明环境设置完成后，被试者进入实验室，闭眼休息5 min。在这5 min内，实验员向被试介绍整个实验的流程以及视觉任务。随后，下发第一时段的视觉任务材料，被试者入座开始实验；第10 min后，实验员收回第一时段的视觉任务材料，被试填写第一时段的视疲劳问卷；填写完成后，立即开始第二时段的视觉任务，并在完成后填写第二时段的视疲劳问卷；此过程重复五次，直至第50 min被试者完成五个时段下所有的视觉任务和视疲劳问卷，实验结束。

根据实验具体安排顺序，每位被试者需在两种预设光环境下分别完成50 min的视觉任务。所有15名被试的两次实验全部完成后，视觉任务速度、准确度和视疲劳打分数据都将被记录，并进行统计分析。

2 数据分析及结果

实验数据分析将比较在两种照度对比度(100∶3和10∶3)下所产生的作业速度、准确度和视疲劳程度。每位被试都完成了在这两种对比度下的视觉任务实验，可直接根据这两种情况的结果进行比较。

基于视觉任务实验的分时段设计，每位被试都完成了总计10个时段的实验，每个时段内的三个评价指标，即视觉任务速度、视觉任务准确率和视疲劳分数都将用来进行统计分析。

2.1 视觉任务表现

视觉任务表现的数据统计分析分为分时段表现和整体表现两部分。分时段表现以10 min为单位，衡量被试在每个10 min时段内的字母勾销量和准确率；而整体表现衡量了被试在整个50 min作业时间内所完成字母勾销的总量和总体准确率。

根据实验设计，我们可以直接得到在高对比度(100∶3)和低对比度(10∶3)下视觉任务速度和准确率的分时段数据。首先对每个时段内的字母勾销量进行ANOVA分析，可得出视觉任务速度的结果如表2和图4所示。

表2 视觉任务速度分时段数据分析结果-ANOVA

图4 在两个照度对比度下，每时段的视觉任务速度比较Fig.4 Comparison of segmented visual task speed (number of letters completed) under two illuminance contrasts

由表2和图4可知，在视觉任务的第一时段和最后一个时段内，其视觉任务速度在两种照度对比度下有显著差异。在0～10 min时段，照度对比度(100∶3)下的视觉任务速度显著高于(10∶3)；在随后10～40 min时段，两个对比度下的视觉任务速度无显著差异；在40～50 min时段，照度对比度(100∶3)下的速度显著低于(10∶3)，与最初时段相反。

同样的，对每个时段内的视觉作业准确率进行ANOVA分析，结果如表3和图5所示。

表3 视觉任务准确率分时段数据分析结果-ANOVA

图5 在两个照度对比度下，每时段的视觉任务准确率比较Fig.5 Comparison of segmented visual task accuracy (correctly crossed letters in percentage) under two illuminance contrasts

由表3和图5可知，只有在视觉任务的最后一个时段内，高对比度(100∶3)下的视觉任务准确率显著低于(10∶3)。在视觉任务作业的其他时段，两种照度对比度下的视觉任务准确率没有显著差异。

综上所述，在高对比度(100∶3)的情况下，视觉任务速度在任务的初始阶段(0～10 min)较高，但在随后几个时段内逐步降低，直至40 min后，显著低于对比度(10∶3)下的速度。不仅视觉任务的速度在降低，在40～50 min时段，高对比度(100∶3)下的视觉任务准确率也显著低于对比度(10∶3)。换言之，相较而言，高对比度对视觉任务初期的速度更为有利，而低对比度对视觉任务后期的表现(速度和准确率)更为有利。

虽然实验设计是分时段进行的，但也可以间接地从整体的角度来进行分析。若以五个时段的字母勾销量总和来表征整体作业速度，以五个时段的平均准确率来表征总体作业准确率，则可以对整个五个时段的字母勾销总量和总体准确率进行ANOVA分析，结果如图6所示。可以看出，整体作业速度在高对比度(100∶3)下较快，但与低对比度相比并无显著性差异(N=15,F=0.15,p=0.703)；而整体准确率在高对比度(100∶3)下较低，但与低对比度(10∶3)相比，其差异也未显示出统计学意义(N=15,F=0.70,p=0.409)。

图6 在两个照度对比度下，整体速度(字母勾销总量)和整体准确率比较Fig.6 Comparison of general visual task speed (number of letters completed) and accuracy (correctly crossed letters in percentage) under two illuminance contrasts

2.2 视觉疲劳度

与视觉任务表现不同，视觉疲劳度是逐渐累积的。每个时段的视疲劳问卷得分所反映的是填写该问卷之前所有时段视觉任务所产生的积累疲劳，例如，第三时段完成后填写的视疲劳问卷得分，反映的是0～30 min内所有视觉任务作业所产生的总疲劳。

对每个时段视觉任务作业完成后的视疲劳问卷打分进行ANOVA分析，结果如表4和图7所示。

表4 视疲劳问卷分时段数据分析结果-ANOVA

图7 在两个照度对比度下，每时段的视疲劳问卷得分比较Fig.7 Comparison of segmented visual fatigue scores from questionnaires under two illuminance contrasts

综合表4和图7可知，在视觉任务的前四个时段，即0～40 min，在两种照度对比度下视觉任务作业所产生的视疲劳得分都在逐渐降低，表示其视疲劳程度都在逐渐增加，但两者之间尚未显示出统计学差异。但最后一个时段，即40～50 min，高对比度(100∶3)下的视疲劳程度显著高于低对比度(10∶3)。

2.3 视疲劳累积

通过实验数据我们可以看出，无论照明环境是高对比度还是低对比度，被试通过问卷所反映的视疲劳程度都是逐渐增加的。不同照度对比度对视觉任务作业的影响体现在视疲劳累积的速度上。在高对比度下，视疲劳累积的速度较快；低对比度下，视疲劳累积速度较慢。

ANOVA结果显示，通过40 min以上的视疲劳积累，当被试完成视觉任务作业的最后一个时段后，高对比度下的视疲劳问卷得分均值已降至(-0.244, 0.530)区间，而低对比度下的得分均值仍保持在(0.518, 1.292)区间，两者的差异具有统计意义。

3 讨论

本实验详细研究了桌面照度对比度对非VDT视觉任务的作业表现和视疲劳的影响。实验结果显示，从整体上看，桌面照度对比度的差异对视觉任务完成总量和整体准确率并未产生显著影响；但是从分时段数据来看，在视觉任务进程的不同阶段，桌面照度对比度的差异会对视觉作业完成量和准确率产生不同的影响。

从另一个角度来看，随着视觉任务作业的进行，被试者的视疲劳将逐渐积累。在任务初始阶段和中段，不同照度对比度下的视疲劳程度并没有显著差异，但我们发现当视疲劳积累到一定程度之后，不同照度对比度下的视疲劳则呈现出显著性差异。

3.1 照度对比度对视觉任务表现的影响

实验结果显示(表2、表3)，在视觉任务的不同阶段，高低对比度对视觉作业产生了不同的影响。

1)在视觉任务的初始时段(0～10 min)，高对比度下，位于被试视野中央的作业任务区照度(≈1 000 lx)显著高于邻近区(≈30 lx)，相对于低对比度而言，被试以较高的作业速度进入视觉作业状态；

2)在视觉任务的中间阶段(10～40 min)，被试已完全适应了所在的光环境，高低对比度对视觉作业速度的影响无显著差异；

3)在视觉作业的后期(40～50 min)，持续视觉作业进行了较长时间(即40 min)，高对比度下视觉作业速度显著低于低对比度，若结合视疲劳问卷的结果，可归因为视疲劳积累对视觉作业所产生显著的负面影响。

也就是说，高对比度更有利于任务初始阶段的短期效率提升，使用者更易于快速进入状态。但从长期来看，高对比度所带来的短期效率提升并不可持续，反而会导致视疲劳的快速累积。

3.2 照度对比度对视觉疲劳度的影响

如果仅从视觉疲劳度的角度来看，实验结果显示(表4)，虽然不同对比度所导致的视疲劳增加速度有所不同，但在视觉任务的初期和中期，两者并未显示出统计学差异；直至视觉任务的后期(超过40 min)，在高对比度(100∶3)下作业所产生的视疲劳则显著高于低对比度(10∶3)。换言之，在长时间工作的情况下，低对比度更有利于延缓视疲劳的累积。

3.3 如何有效利用照度对比度

从上述讨论可看出，高对比度(100∶3)和低对比度(10∶3)对整个视觉作业过程产生的影响都不是一成不变的。在工程应用中，照度对比度所带来的裨益和弊端必须要全面考量，特别要关注的是视觉任务的时长，应区分长期作业和短期作业，以兼顾视觉任务表现的提升和视疲劳的缓解。短期作业更重视视觉任务表现，而长期作业则必须考虑视疲劳。若照明环境允许，可以通过分时段的照明设计，在视觉任务的不同阶段施加不同的照度对比度，以动态对比度的方式来兼顾视觉作业表现的提升和视疲劳的缓解。

4 结论

本研究通过心理物理学实验的方法，以分时段方式评价了使用者在高对比度和低对比度下对指定视觉任务的完成情况，通过字母勾销量和准确率来量化评价视觉任务的作业表现，通过视疲劳问卷打分来量化评价完成视觉任务所产生的视觉疲劳度。针对高低对比度对视觉任务产生的影响，对所得数据进行ANOVA分析，得到如下结论：1)高照度对比度对视觉任务初期的短期表现提升有积极影响，但不利于长期作业；2)相对而言，低照度对比度则对长期作业所产生的视疲劳延缓有积极作用。