视觉显示终端环境中视觉作业面背景反射系数对视疲劳的影响

翁 季，张 晓，曹 馨

(1.重庆大学 建筑城规学院，重庆 400045；2.重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

引言

第48次《中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2021年6月，我国在线办公用户规模达3.81亿，在线教育用户规模达3.25亿。随着在线办公和在线学习用户的快速增加，视觉显示终端(Visual Display Terminal，VDT)越来越多地应用于办公环境、教学场所。长时间进行VDT作业不仅会导致工作效率的降低、生理机能的下降，也会引发心理健康问题[1-3]。《健康中国行动(2019—2030年)》提出，全面加强儿童青少年近视防治和视力健康管理工作，指导学生科学规范使用电子屏幕产品；实施对劳动者的职业健康保护行动，长时间使用电脑的人群需要调节休息。VDT对视疲劳的影响越来越受到关注。

早在20世纪80年代，Marvin等[4]进行的一项针对VDT作业人员的研究证实了该群体的视觉疲劳发生率较高。其后，学者们从主观评价、生理功能等方面研究了VDT作业对视疲劳影响的具体表现。Saito等[5]的研究表明，在进行长达4 h的VDT作业后，人眼的调节功能降低，瞳孔直径减小，反射延迟；Lie等[6]发现长时间、连续性的VDT作业诱发的动眼神经紧张不仅会导致视觉疲劳、近视加深，而且可能导致头部、颈部和上背部的肌肉疼痛。20世纪90年代中期以来，在更加深入研究VDT与视疲劳相关性的同时，学者们针对VDT引起的视疲劳提出评价指标以及缓解策略。Shi等[7]利用眼动参数作为评估VDT作业视疲劳的指标，随着VDT作业时间延长，被试人员的视疲劳程度增加，眨眼频率和瞳孔直径减小。解晓娇[8]基于视疲劳度对显示器护眼模式进行研究，得到最有利于视觉舒适性的护眼模式参数：色温为4 500 K及6 500 K，文本/背景亮度对比大于0.725。目前的研究多集中在VDT本身的光源特性与视疲劳之间的关系，而对于需同时视看VDT和黑板、纸张等周边环境，二者共同作为视觉作业面的情况下，对视疲劳的影响研究还较为缺乏。

以VDT和周边环境共同作为视觉作业面的模式应用广泛，常见于多媒体教室和网络教学形式。在多媒体教室中，教师同时利用黑板和VDT授课[9]，这导致学生的视看对象不仅有VDT，还有黑板；在网络教学模式下，学生在上网课时不仅需要注视显示屏幕，也需要在书本、笔记本等对象上进行其他作业。本次研究前期，在对重庆地区多所学校进行的实测调研中发现，大部分学生在设置VDT的多媒体教室内学习时，对采用高反射系数的黑板更为满意。VDT具有黑板、纸张所不具备的自发光、高亮度的特性，黑板、纸张的反射系数将影响视觉作业面的亮度差值，从而影响视疲劳程度。

本文以VDT作业需同时视看的黑板、纸张等视觉作业面的背景反射系数为参数，通过朗道尔环识别、单词查找等视觉作业，对比实验前后的主观视疲劳度、实验期间的脑力工作指数和眼动参数，研究在照明条件和VDT光源特性一定的情况下，背景反射系数对视疲劳程度的影响规律。

1 VDT环境中视疲劳实验

1.1 实验构思

研究显示，视看对象的亮度差值与视疲劳直接相关，当视看对象的亮度相差很大时，视力会下降[10, 11]。研究中视觉作业的亮度差值由VDT自身亮度和黑板、纸张等视看对象表面的照度和反射系数共同决定。由于VDT具有自发光的特点、亮度较高，而在照度一定的条件下物体表面反射系数越大则整体亮度越高，因此，理论上在其他条件一定时，黑板、纸张等视觉作业面的反射系数越高，视疲劳程度就越低。

实验以视觉作业面的背景反射系数为参数，为获得合适的背景反射系数，实验前期对重庆地区中小学VDT多媒体教室的黑板反射系数进行调研实测。两类黑板反射系数计算值如表1所示。

表1 黑板反射系数统计表

考虑到视觉作业呈现内容的一致性，结合调研实测结果，实验使用白色打印纸板和绿色打印纸板作为视觉作业面，并尽量使打印纸板的反射系数与实测所得黑板反射系数一致。另外，考虑到白色打印纸板和绿色打印纸板还存在彩度差异，增加了黑色打印纸板。

实验以视疲劳程度作为评价指标。视疲劳的成因是视网膜疲劳或协调疲劳，即与肌肉性能或脑力性能下降有关[12]。针对这两类成因，选择主观视疲劳度评价与眼动参数生理指标测量对肌肉性能下降进行评价，反映视网膜疲劳程度；选择主观视疲劳度评价与脑力工作指数变化对脑力性能下降进行评价，反映协调疲劳程度。

1.2 实验设置

为研究在VDT和周边环境共同作为视觉作业面的环境中，照明条件和VDT特性一定的情况下进行视觉作业时黑板、纸张的背景反射系数对视疲劳的影响，设计本实验。

实验场景设置在光学实验室。为避免自然光干扰，在实验室窗口和照明模拟区域外围安装遮光窗帘与滑动式遮光板。在照明模拟区域内设置桌椅，并在前部安装打印纸板和显示器。显示器自身亮度为345.66 cd/m2，色温为8 835 K，显色指数Ra为84.8，光色品质量值CQS为85.8。另设置两组LED光源提供照明，色温为4 003 K，显色指数Ra为89.2，光色品质量值CQS为86.5，一组光源平行于桌面，另一组针对打印纸板进行重点照明。在实验场景下，实测课桌面反射系数为0.51，课桌面水平照度为300 lx，打印纸板垂直照度为500 lx，反射系数、水平照度和垂直照度满足《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)中的规定值，照明模拟区域如图1所示。

图1 实验室布置场景Fig.1 Laboratory layout scene

实验被试人员共计13名(男性6名、女性7名)，年龄范围为12～24岁，均身体健康，色觉正常，无眼部疾病，矫正视力为5.0。实验仪器包括：Tobii Pro Glasses 2眼动仪，用于实时记录实验被试的整个视看过程，并通过Tobii Pro Lab软件对眼动参数进行处理；XYI-III全数字照度计，用于测量桌面水平照度、打印纸板的入射照度与反射照度，并计算反射系数。

实验自变量为打印纸板的背景反射系数。为模拟常见的纸张和黑板背景，实验选择白色打印纸板、绿色打印纸板与黑色打印纸板三种打印纸板，每种纸板都印有单词查找图表和朗道尔环图表，保证视觉作业呈现内容的一致性。其中白色打印纸板的字体颜色为黑色，绿色打印纸板与黑色打印纸板的字体颜色为白色。实测打印纸板的背景反射系数分别为：白色打印纸板反射系数0.61，绿色打印纸板反射系数0.16，黑色打印纸板反射系数0.09。

实验测量的评价指标包括三类：一是主观评价指标，选择VFS-10主观视疲劳量表[13]。被试在实验过程中填写视疲劳量表，通过实验前后的差值大小，判断被试在实验过程中的视疲劳变化程度。二是客观评价指标，选择脑力工作指数，以作业剂量表反映。作业剂量表包括两类，分别为朗道尔环识别表(在实验前后各进行一次识别，与主观视疲劳评价对应)和单词查找表(在实验过程中进行查找)。为模拟以VDT和周边环境共同作为视觉作业面的工作环境，朗道尔环识别表、单词查找表在VDT和打印纸板上都会显示，查找过程需要同时视看VDT和打印纸板；三是生理评价指标，选择眼动参数。用眼动仪记录被试在实验过程中的眼动行为，在筛选眼动参数数据时，在Tobii Pro Lab软件中设置最大间歇长度(Max gap length)为75 ms，I-VT注视分类阈值为30°/s，最短注视时长限制为60 ms，选择适用于相对静止实验场景的Tobii I-VT Fixtation滤波器。事件标记点选择前后两次朗道尔环识别的开始与结束时间点。

1.3 实验流程

每位实验被试依次进行3组实验，为减小误差，白纸板、绿纸板与黑纸板3组实验顺序随机交替进行。每组实验之间设置10 min休息时间，以充分缓解被试疲劳程度。具体实验流程如下：

1)主试向被试解说实验流程、实验量表填写方法，被试针对每一类量表进行一次试填；

2)为实验被试佩戴好Tobii Pro Glasses 2眼动仪，打开控制器，进行视点校准；

3)实验开始，发放主观视疲劳量表，被试根据自身视疲劳度与困倦度进行自评；

4)主试指定需汇报的朗道尔环视标开口方向，被试视看打印纸板上的朗道尔环图表，并汇报出指定开口方向的朗道尔环视标所在坐标位置，计时1 min；

5)发放单词查找表并计时，被试通过视看VDT上的单词，在打印纸板中找到对应的序号，并将序号填于桌面记录表中，直至40个单词顺序全部查找完成；

6)重复步骤4)进行朗道尔环识别，结束后填写视疲劳自评量表。

以上6步为一组实验过程，每组实验结束后，被试休息10 min。然后更换另外两组不同反射系数的打印纸板，重复上述实验步骤，直至3组实验全部完成。

2 实验结果与分析

2.1 视觉作业面背景反射系数对主观视疲劳度的影响

实验获得三类评价指标数据，包括主观视疲劳度、脑力工作指数和眼动参数。采用统计分析软件SPSS进行数据统计与分析。

计算实验前后被试在同种打印纸板下的主观视疲劳度差值平均值和不同背景反射系数打印纸板下的主观视疲劳度平均值差值，差值越大说明视疲劳累积程度越大，运用最小显著性差异法(Least-Significant Difference，LSD)对组间数据进行多重比较，如表2所示。

表2 基于LSD的主观视疲劳度评价组间多重比较

表2显示，白纸板与绿纸板、黑纸板之间的显著性P<0.05，说明VDT环境中，以不同反射系数的打印纸板作为视看对象时，白纸板与绿纸板、黑纸板之间都存在显著性差异，而绿纸板与黑纸板之间不具备显著性差异，这是由于绿纸板与黑纸板间之的反射系数相差较小，彩度存在差异的原因。

对于同种打印纸板，进一步分析实验前后的两次主观视疲劳度评价变化差值对比(图2)可知，白纸板下的实验被试主观视疲劳度增加最少，结合组间显著性差异分析可得，白纸板下的视疲劳程度明显低于绿纸板、黑纸板下的视疲劳程度。而由于绿纸板与黑纸板之间不具备显著性差异，视疲劳变化程度无法通过差值对比图准确评价。

图2 主观视疲劳度评价差值对比图Fig.2 Contrast chart of difference of subjective fatigue

视觉作业面背景反射系数是影响视疲劳和视舒适的重要因素。《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)指出，长时间工作的房间，作业面的反射比宜限制在0.20～0.60；《中小学校教室采光和照明卫生标准》(GB 7793—2010)指出，黑板反射系数应介于0.15～0.20之间。但随着VDT在工作和学习环境中日渐普及，视觉作业增加了对VDT的视看需求，视线需要在VDT和黑板、纸张、设备表面等之间频繁切换，复杂的眼球运动很容易出现不适症状，且VDT具有自发光、高亮度的特点，与黑板、纸张之间的亮度差异较大，而当视看对象的亮度相差很大时，眼睛在切换注视对象时就需要建立适应水平，可能经历不舒适和视疲劳，视力会下降[7]。实验结果表明，在以VDT和周边环境共同作为视觉作业面的环境下，白纸板下的视疲劳程度明显低于绿纸板、黑纸板下的视疲劳程度。因此，相关规范标准的视觉作业面背景反射系数值是否需要重新界定，有待进一步研究。

2.2 视觉作业面背景反射系数对脑力工作指数的影响

脑力工作指数(Index of Mental Capabllity，IMC)与作业效率成正比，反映实验被试的作业效率，评价视疲劳中的协调疲劳。实验获得的脑力工作指数数据包括两次朗道尔环识别脑力工作指数和单词查找脑力工作指数。计算被试在同种打印纸板下进行前后两次朗道尔环识别的脑力工作指数差值平均值和单词查找作业的脑力工作指数平均值，以及不同背景反射系数打印纸板下的脑力工作指数平均值差值，对组间数据进行多重比较，见表3。

表3 基于LSD的脑力工作指数组间多重比较

由表3可知，在使用白纸板、绿纸板与黑纸板的三组间，被试的朗道尔环识别脑力工作指数均存在显著差异，而单词查找脑力工作指数仅在白纸板与黑纸板间存在显著差异，白纸板与绿纸板、绿纸板与黑纸板之间不具备显著性差异。

图3 朗道尔环脑力工作指数对比图Fig.3 Contrast chart of difference of the Randall’s Ring mental work index

图4 单词查找脑力工作指数对比图Fig.4 Contrast chart of difference of the word lookup mental work index

进一步分析脑力工作指数对比图(图3、图4)可以发现，实验前后的朗道尔环脑力工作指数差值平均值表现为：白纸板>绿纸板>黑纸板，结合组间显著性差异分析可得，在以VDT和周边环境共同作为视觉作业面的环境下，视觉作业面背景反射系数越大，脑力工作指数差值平均值越大，视觉作业的工作效率越高。单词查找脑力工作指数均值表现为：白纸板>绿纸板>黑纸板，由于单词查找脑力工作指数仅在白纸板与黑纸板间存在明显差异，表明白纸板下的单词查找脑力工作指数明显大于黑纸板，视觉作业工作效率明显高于黑纸板。视疲劳会导致视觉功效下降，进而导致作业效率下降[14]，因此，反映作业效率的脑力工作指数同样是评估视疲劳的重要指标。视觉作业面的亮度对比值会影响视觉疲劳，当有多个视觉作业面时，其表面亮度差值应保持尽可能小[15]。VDT具有自发光、高亮度的特点，邻近的视觉作业面选用高反射系数的背景对于调和亮度对比值、提高视觉作业工作效率、降低视疲劳程度具有显著效果。

2.3 视觉作业面背景反射系数对眼动参数的影响

人眼在不适宜的光环境下进行视觉作业会产生视疲劳，视疲劳的主观评价与眼动生理参数显著相关，视疲劳度可以通过眼动参数进行研究[16, 17]。实验选择Tobii I-VT Fixtation滤波器对眼动仪收集的初始眼动参数进行筛选，Tobii I-VT Fixtation滤波器可获得注视(Fixation)和眼跳(Saccade)两类眼动参数，注视是指中央凹视野在目标上保持一定的时长以获得足够视觉图像信息的过程；眼跳是指将中央凹视野从一点移到另一点的快速眼动行为[4, 11]。注视次数、注视总时长、平均注视时长、眼跳次数、眼跳平均振幅与眼跳平均峰值速度可以用于评价视疲劳度。其中注视次数、注视总时长、注视平均时长、眼跳次数与视疲劳度呈正相关，眼跳平均振幅、眼跳平均峰值速度与视疲劳度呈负相关[9, 18]。

对被试进行前后两次朗道尔环识别时的眼动参数变化值数据进行多元方差分析后发现，眼跳峰值速度变化值、眼跳次数变化值、注视总时长变化值与平均注视时长变化值的显著性P>0.1，数据间不存在显著性差异，故不再进行组间比较。仅对显著性P<0.1的注视次数变化值与眼跳平均振幅变化值的组间数据进行多重比较，以定位显著性差异存在于哪几组内。由表4可知，朗道尔环注视次数差值平均值在白纸板与绿纸板间存在显著性差异，白纸板与黑纸板、绿纸板与黑纸板间不存在显著性差异；眼跳平均振幅差值平均值在白纸板与黑纸板之间存在显著性差异，白纸板与绿纸板、绿纸板与黑纸板间不存在显著性差异。

表4 基于LSD的眼动参数组内多重比较

进一步分析眼动参数变化值对比图(图5、图6)可以发现，前后两次朗道尔环识别中，注视次数差值平均值表现为：白纸板<黑纸板<绿纸板，即白纸板下的注视次数升幅最小。注视次数仅在白纸板与绿纸板间存在显著差异，且注视次数与视疲劳程度成正比，表明以白纸板作为视觉作业面背景进行VDT作业时，视疲劳程度明显低于绿纸板背景。眼跳平均振幅差值平均值表现为：白纸板>绿纸板>黑纸板，即白纸板下的眼跳平均振幅降幅最小。眼跳平均振幅仅在白纸板与黑纸板之间存在显著性差异，且眼跳平均振幅与视疲劳程度成反比，表明以白纸板作为视觉作业面背景进行VDT作业时，视疲劳程度明显低于黑纸板背景。结合注视次数与眼跳平均振幅的实验结果，可以认为在以VDT和周边环境共同作为视觉作业面的环境下，白色打印纸板的视疲劳度明显低于绿色打印纸板和黑色打印纸板，即视觉作业面背景反射系数越大，注视次数升幅越小，眼跳平均振幅降幅越小，视疲劳累积程度越低。

图5 朗道尔环注视次数变化值对比图Fig.5 Contrast chart of difference of the Randall’s Ring fixation frequency

图6 朗道尔环眼跳平均振幅变化值对比图Fig.6 Contrast chart of difference of the Randall’s Ring average saccade amplitude

3 结论

本文通过朗道尔环识别、单词查找等视觉作业实验，在照明条件和VDT光源特性一定的情况下，获得不同背景反射系数的视觉作业面下主观视疲劳度、脑力工作指数和眼动参数三类数据，研究了以VDT和周边环境共同作为视觉作业面的环境中，视觉作业面背景反射系数对视疲劳程度的影响。结论如下：

1)主观视疲劳量表统计数据表明，VDT环境中，高背景反射系数的视觉作业面下的视疲劳程度明显低于低背景反射系数下的视疲劳程度。

2)作业剂量表统计数据表明，就作业效率而言，背景反射系数越大，脑力工作指数越高，或降幅越小，作业效率越高。作业效率与视疲劳中的协调疲劳相关，作业效率越高，视疲劳程度越低。

3)眼动参数统计数据表明，就注视次数而言，视觉作业面背景反射系数越大，注视次数升幅越小；就眼跳平均振幅而言，视觉作业面背景反射系数越大，眼跳平均振幅降幅越小。眼动参数与视疲劳中的视网膜疲劳相关，注视次数升幅越小、眼跳平均振幅降幅越小，视疲劳程度越低。

综合考虑主观视疲劳评价数据、作业效率数据和眼动参数可以发现，在以VDT和周边环境共同作为视觉作业面的环境中，视觉作业面背景反射系数越大，视疲劳程度越低。本实验中视觉作业面选用白色背景(反射系数为0.61)时的视觉疲劳程度较低，工作效率较高，但反射系数的上限阈值还有待进一步研究。