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

蔡建奇，杨 帆，杜 鹏 ，柴 博

(1.中国标准化研究院，北京 100088；2.北京航空航天大学，北京 100029； 3.北京阳明智道光电科技有限公司，北京 100102；4.中国节能协会，北京 100029)



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

蔡建奇1，杨 帆2，杜 鹏3，柴 博4

(1.中国标准化研究院，北京 100088；2.北京航空航天大学，北京 100029； 3.北京阳明智道光电科技有限公司，北京 100102；4.中国节能协会，北京 100029)

随着技术的进步，大尺寸屏幕越来越广泛的应用于通信、电力、交通、军队指挥、调度中心等控制室领域，但大尺寸显示屏对视觉疲劳影响的研究未见报道。以市面上常见的LED和DLP显示屏为例，进行被试者的视觉健康舒适度测试，测试项目包括不同亮度(200/400/600nits)下LED和DLP显示屏的观视任务，通过对被试者测试前后人眼生理指标的监控结果，分析不同亮度下两种显示屏对视觉舒适度的影响，从而为大尺寸显示屏的人因学设计提供数据支持和理论基础。

DLP；LED；显示屏；视觉健康舒适度

引言

随着数字技术的快速发展，大数据时代的到来，企业各种业务的开展与信息技术、信息处理越来越紧密相关，数字化信息化对国家的治理模式、对企业的决策、组织和业务流程、对个人生活方式都将产生巨大的影响。大屏幕显示系统作为大数据分析、大信息量处理的专业平台，广泛应用于通信、电力、交通、军队指挥、调度中心等控制室领域，在信息共享、决策支持、态势显示、协同指挥等方面发挥重要作用。

传统的大屏幕拼接显示墙产品主要是DLP拼接屏。DLP是“Digital Light Procession”的缩写，即为数字光处理，这种技术要先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来。它是基于TI(美国德州仪器)公司开发的数字微镜元件——DMD(Digital Micromirror Device)来完成可视数字信息显示的技术。具体的来说，就是DLP投影技术应用了数字微镜晶片(DMD)来作为主要关键处理元件以实现数字光学处理过程。其原理是将通过UHP灯泡或LED芯片发射出的光源通过冷凝透镜，通过Rod将光均匀化，经过处理后的光通过一个色轮(Color Wheel)，将光分成RGB三色(或者RGBW等更多色)，再将色彩由透镜投射在DMD芯片上，最后反射经过投影镜头在投影屏幕上成像。

LED显示屏(LED display，LED Screen)是一种主动式发光的显示屏，由RGB-LED灯珠点阵结构组成。通过控制LED点阵中红色，蓝色，绿色LED灯的亮灭及灰度来显示文字、图片、视频内容。最初LED显示屏由于点间距较大(5mm以上)，多用于户外远距离商业广告使用。近年来，随着LED高密度显示技术的发展，LED显示屏点间距密度越做越高，目前已经达到1.x mm水平，由于其可无限尺寸、无缝拼接，因此受到众多大屏用户的关注。目前，点距3mm以下的LED显示屏已开始渐渐进入室内市场，作为新型的室内显示产品使用。

DLP和LED显示屏的技术对比如表1所示。

表1 DLP显示屏和LED显示屏的技术对比Table 1 Technology of LED and DLP display screen

不同显示屏对人眼舒适度的影响一直是各界研究重点，吴剑明(1988)[1]等人研究了不同屏幕亮度对显示屏的显示绩效的影响，采用视觉作业绩效和远近视力点的眼肌调节时间变化率作为指标，并发现人眼产生疲劳时，视觉调节近点距离显著增加，同时结果也表明不同的屏幕亮度对视觉疲劳有不同程度的影响。顾力刚[2](2000年)等人对阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)和等离子体光显示器(PDP)三种屏幕对视觉疲劳的影响进行了研究，并得出对视觉系统影响程度的顺序是LCD≥PDP≥CRT。长时间观看显示屏后，会出现各种视觉疲劳症状，例如眼睛发痒、疼痛、眼干燥、发胀、流泪、视物模糊，恶心、对焦困难、头疼、头晕等症状[3-6]。J. Kuze等人[7](2008年)就利用主观评价的方法，在五个方面(眼疲劳、总体不舒适、恶心、对焦困难和头疼)评估观看LED显示屏影像而形成的视觉疲劳。Sungchul Mun等人[8](2012年)开展脑电图(EEG，electroencephalography)的研究，发现稳态视觉诱发电位(EEVEP，steady-state visually evoked potential)和事件相关电位(ERP，event-related potential)，与观看显示屏影像后的认知疲劳有关联。本研究团队通过前期的大量研究发现[9]，人眼各项生理指标(基础屈光、AC/A、眼压、高阶像差、光学传递函数MTF、高频肌颤HF等)的综合变化能有效反映人眼的疲劳状态，并能够从人眼生理本质上去分析视觉疲劳的表现，该系列研究首次提出了评价人眼疲劳的新方法，并已经成功应用于LED照明产品[9]和LED电视[10]对于人眼的视觉健康舒适度的评测中。

上述研究均是基于常规显示屏的测试结果，并没有报道研究大尺寸显示屏对人眼疲劳程度的影响，尤其是刚从户外进入户内使用的LED显示屏对人眼舒适度影响的研究目前仍然是一个空白。基于以上原因，本研究将首次针对大尺寸的DLP和LED显示屏进行视觉健康舒适度的测试，并比较两者之间的差异性，从而为大尺寸显示屏的健康设计提供理论基础和数据支持。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

参加本研究人因测试的被试总人数为110人(男性87人，女性23人)，视力范围在+0.50D～-4.00D之间，被试年龄范围为32±6岁。

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DLP和LED两种大尺寸显示屏，显示屏参数详见表2，显示屏亮度分别设置为DLP屏200/400nits、LED屏200/400/6000nits，测试环境照度保持在(150±30)lx。

表2 两种显示屏的具体参数Table 2 Detailed parameters of the two display screens

被试者在正常的室内照明条件下进行观视显示屏的阅读任务，主要任务为蓝道环测试(包括辨别、选取、判断等)，每组测试时间30分钟。被试观看场景和蓝道环测试内容如图1所示。

图1 观视场景及蓝道环测试任务Fig.1 The scene and test task of Landolt ring

首先，被试者在测试现场休息(眼睛不能观看电子类产品)半小时后，进行验光和视觉综合测试平台(可采集AC/A、像差、光学传递函数MTF、视觉成像质量点扩散函数 PSF、高频肌颤HF)的测试，采集被试最佳状态下的基础屈光、调节聚集比、像差、MTF、PSF、HF，然后开始进行不同亮度条件下不同显示屏的观视任务。整个观视时间为30分钟，任务结束后再进行一次基础屈光、AC/A、像差、PSF、MTF、HF测试。测试流程图如图2所示。

图2 测试简要流程图
Fig.2 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、AC/A、像差、MTF、PSF、HF等参数。

1.3 统计学方法

采用Matlab R2011b对观视前及观视后30分钟的数据，利用BP神经网络的非线性自适应的模拟，现阶段选取6项客观指标——基础屈光、AC/A、像差、MTF、PSF、HF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[9]，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3所示。

表3 视觉健康舒适度(VICO指数)量化分级Table 3 Quantitative classification of VICO index

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成对比较。当p<0.05时表明两组间存在显著性差异，当p<0.01时表明两组间存在极其显著性差异。

2 结果

2.1 不同亮度下LED大尺寸显示屏对人眼舒适度的影响

通过对3类亮度(200/400/600nits)LED显示屏测试，得出如下结果，如图3所示。

图3 不同亮度下LED显示屏的VICO指数Fig.3 VICO index of LED display screen in different luminance

由图3可知，400nits亮度下LED显示屏的VICO指数最低，即人眼的疲劳程度最低，而200nits和600nits亮度下的测试结果显示VICO指数均高于400nits，且600nits亮度下的VICO指数最大。三种亮度的测试结果LED显示屏的VICO指数均位于视觉健康舒适度量化分级的第3等级，即中度视觉疲劳影响等级。其中200nits和400nits两组测试结果存在显著性差异(p<0.05)，400nits和600nits两组测试结果存在显著性差异(p<0.05)。

2.2 不同亮度下DLP大尺寸显示屏对人眼舒适度的影响

通过对两种亮度(200/400nits)DLP显示屏测试，得出如下结果，如图4所示。

图4 不同亮度下DLP显示屏的VICO指数Fig.4 VICO index of DLP display screen in different luminance

由图4可知，200nits、400nits亮度下DLP显示屏的VICO指数测试结果不存在差异性，VICO指数均位于视觉健康舒适度量化分级的第2等级，即轻微视觉疲劳影响等级。

2.3 LED与DLP两种屏幕的比较

不同亮度下两种屏幕对视觉舒适度影响的比较结果如图5所示。

图5 不同亮度下LED和DLP显示屏的比较Fig.5 Comparison of LED and DLP display screen in different luminance

由图5可知，在两种不同亮度下LED显示屏的测试结果均高于DLP显示屏，LED对人眼产生的疲劳感均高于DLP， DLP显示屏的平均等级在2级(轻微视觉疲劳影响等级)，而LED显示屏的平均等级在3级(中度视觉疲劳影响等级)。其中200nits和400nits亮度下，LED与DLP组间均存在显著性差异(p<0.05)。

现有市场上常见的LED屏幕亮度多采用600nits，而DLP屏幕多采用200nits，通过比较发现600nits亮度下LED显示屏对视觉舒适度的影响远大于200nits亮度下DLP显示屏，两组间存在极其显著性差异(p<0.01)。

3 结论

(1)在30分钟的观视任务后，三种亮度(200/400/600nits)下LED显示屏对人眼舒适度的影响为均有明显疲劳感，但在耐受范围内，对人眼舒适度的影响从小到大排序为：400nits<200 nits<600 nits，由此可知400nits亮度可以作为大尺寸LED显示屏的推荐亮度；

(2)在30分钟的观视任务后，DLP显示屏对人眼舒适度的影响为200nits和400nits亮度下有轻微的疲劳感，但在耐受范围内。对人眼舒适度的影响200nits和400nits亮度测试结果无显著差异，均可以作为大尺寸DLP显示屏的推荐亮度；

(3)通过LED和DLP显示屏的对比结果可知，在两种亮度(200/400nits)下，基于30分钟中的观视任务DLP显示屏对人眼舒适度的影响均小于LED显示屏，观看DLP屏幕后疲劳感明显小于观看LED显示屏。在本次VICO指标分级中DLP显示屏的平均等级在2级(轻微视觉疲劳影响等级)，而LED显示屏的平均等级在3级(中度视觉疲劳影响等级)；

(4)现有市场上常见的LED屏幕亮度多为600nits以上，DLP屏幕亮度多为200nits左右，而本次测试结果表明，600nits亮度下LED屏幕比DLP屏幕对视觉健康舒适度的影响要大的多；

(5)相同亮度条件下，LED自发光大尺寸显示屏对人眼的刺激要远高于常规LED背光液晶电视，30 分钟观视下的觉疲劳累积较看常规电视(夏普电视)90分钟的疲劳累积高出了近20%[10]。市场上的LED显示屏产品亮度多为600nits以上，本次实验考虑到人眼健康安全的问题，未采用更高的亮度进行人眼实验，仅选取了人眼可接受的最高亮度阈值600nits(和一般手机亮度相当)进行测试。实验证明，短时间、低亮度的情况下，LED显示屏对人眼的舒适度影响较常规液晶电视、大屏幕DLP显示屏对人眼的舒适度影响大，若长时间观看，存在诱发眼部疾病的风险。为保证消费者健康及提升产品的健康属性，本研究将为相关大尺寸显示屏的后续研发提供数据支持和理论基础。

[1] 吴剑明，朱祖祥. VDT作业中屏面背景亮度与对比度的交互作用[J]. 应用心理学，1988，3: 16-22.

[2] 顾力刚，韩福荣. 不同类型显示器及其表示方式对视觉疲劳的影响[J]. 北京工业大学学报，2000，26(2)：64-67.

[3] Dillon T W. Reports of visual fatigue resulting from use of a video display unit [J]. Computers in Human Behavior, 1995, 11(1): 77-84.

[4] Ukai K, Howarth P A. Visual fatigue caused by viewing stereoscopic motion images: background, theories, and observations [J]. Displays, 2008, 19 (2): 106-116.

[5] Lambooij M. Fortuin M F, IJsselsteijn W A, et al. Visual discomfort associated with 3D displays [J]. Fifth International Workshop on Video Processing and Quality Metrics (VPQM), 2010.

[6] Lambooij M, IJsselsteijn W A, Heynderickx I. Visual discomfort of 3D TV: assessment methods and modeling [J]. Displays, 2011, 32(4): 209-218.

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[8] Sungchul Muna, Min Chul Park, Sangin Park, et al. SSVEP and ERP measurement of cognitive fatigue caused by stereoscopic 3D [J]. Neuroscience Letters, 2012,525:89-94.

[9] 蔡建奇，陈凯，胡李敏，等. 评价LED照明产品对人眼舒适度影响的新方法[J]. 照明工程学报，2013, 24(增刊): 22-26.

[10] 蔡建奇，邵光达. LED电视在2D模式下的视觉健康舒适度测试研究[J].电视技术，2014，38(6)：55-79.

关于征集“中照照明奖演播室专业照明工程设计奖”申报项目的通知

中照照明奖是由中国照明学会设立，国家科技奖励办公室正式批准的中国照明领域唯一重要奖项。演播室专业照明工程设计奖是中照照明奖的涵盖组成部分，是照明工程设计奖的重要内容之一，根据其专业性强的特点由中国照明学会舞台电影电视照明专业委员会承办，该奖项旨在奖励电视照明领域中，在技术创新、科技及设计成果推广应用、实现高新技术产业化和照明工程实施方面做出杰出贡献的个人和组织。调动电视照明科技工作者自主创新的积极性，促进电视专业照明科技人才成长，推动我国电视照明科技事业的发展与进步。

经研究，中国照明学会舞台电影电视照明专业委员会决定从即日起开展演播室专业照明工程设计奖评奖活动，本通知及申报须知、申报书可从网站(www.sftvlighting.com，www.lightingchina.com.cn)下载。

一、奖项设置：演播室专业照明工程设计奖设一等奖、二等奖、三等奖、优秀提名奖。

二、申报办法

1.申报资料直接送交中国照明学会舞台电影电视照明专业委员会。

2.各申报单位应严格按照评奖通知规定的时间、地点、参评方法等要求选送项目，报送推荐表及文字资料。填写推荐表要实事求是。推荐表要由主管领导签字并加盖公章。参评项目发现有弄虚作假者，经查明属实，即撤消其奖励。

三、申报材料：要求提供一式三份完整资料(纸质)及一份电子版资料(光盘形式)。

四、申报截止时间：2015年4月30日。

我们诚挚地邀请各委员单位、电视台、演播室照明工程设计公司、工程公司对本届演播室专业照明工程设计奖的评选活动予以关心与支持，并积极参与这一活动，共同为中国电视专业照明科技事业的发展和进步做出贡献!

联系人：唐姣龙，王京池 E-mail:lighting_hr@sina.com

联系电话：010-88213606，010-68507562

地 址：北京市海淀区西四环中路甲59-2号131室 邮编：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