VDT閱讀照明環境視覺舒適性研究

張敬怡，吳雨婷，王立雄,馮子龍，紀增華，于 娟

(1.天津大學 天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072；2.中國航空規劃設計研究總院有限公司 北京 100120；3.天津大學 海洋科學與技術學院，天津 300072)

引言

計算機、手機、平板電腦等VDT(Visual Display Terminal)設備逐漸成為重要的閱讀載體。國內外已開展大量針對VDT閱讀的照明環境舒適性研究：Sivaji等[1]的研究指出，“工作面照度”和“光源色溫”是影響閱讀舒適性的主要因素；Taptagaporn等[2]得出結論，當“工作面水平照度”為500 lx時，屏幕顯示內容為“明亮的閱讀背景和暗字符”時的閱讀舒適性較好；牟曉非等[3]在研究中表明，在“屏幕垂直照度”超過 91 lx時，屏幕對比度會隨照度的升高呈現下降趨勢； 張智君和朱祖祥等[4]得出結論，當“屏幕亮度”為150～200 cd/m2時，“工作面照度”在300～450 lx之間時，讀者校對工作效率最高；他們的實驗表明，“屏幕亮度”和“工作面照度”的改變均會引起主觀舒適性指標的改變；吳劍明和朱祖祥[5]研究指出，適當提高“屏面亮度”可以降低最佳“對比度”取值范圍；武童瑤等[6]的實驗結果表明，“屏幕亮度”為100 cd/m2和180 cd/m2時的閱讀舒適性相較較高；Huang等[7]則在實驗中發現，當閱讀背景面顏色為灰色時，舒適性比背景面為白色或黑色時更高。綜上，VDT閱讀照明環境舒適性的影響因素包括：工作面照度、光源色溫、屏幕亮度和對比度、背景亮度和反射系數。上述研究針對各影響因素得出了深入的量化成果，但缺乏從整體出發的影響因素的耦合研究。本文針對辦公最常用的計算機屏幕，在實驗室內復現其照明環境現狀，開展主觀評價實驗，研究工作面照度、光源色溫、屏幕亮度、背景亮度/反射系數4要素對閱讀舒適度的耦合影響。

1 主觀評價實驗

1.1 實驗設置

如圖1所示，實驗空間依據前期調研所得典型空間模型原比例搭建：長12 m、寬6 m、高3.2 m，一側布窗、三面為墻、頂部均布亮度和色溫可調筒燈，共布置12臺計算機。

圖1 實驗空間圖紙、實景照片Fig.1 Experimental space drawings and real scene

依據前期調研數據[8,9]和已有研究結論，并參考目前規范[10]，實驗變量設定如表1所示。工作面照度和光源色溫通過調控頂部筒燈實現，計算機屏幕亮度通過自身系統調控實現，背景反射系數通過更換表面面板實現。

1.2 實驗流程

統籌實驗流程：

1)為減少更換表面面板次數，實驗按背景不同，劃分為“黑”、“灰”、“白”3組實驗，以拉丁方順序依次進行；

表1 實驗變量

2)為避免實驗過程中調節計算機屏幕亮度，將12臺計算機屏幕亮度預設為2種(即6臺180 cd/m2、6臺100 cd/m2)，以拉丁方順序先后供被試使用；

3)18種工況(6工作面照度*3光源色溫)以隨機順序出現，為便于調控，預先通過控制系統的編程功能進行了工況編號。

實驗步驟如下：

1)主試確認“黑”、“灰”、“白”3組實驗的拉丁方順序，更換對應的表面面板；

2)被試就位，佩戴眼罩；

3)主試確認18種工況的隨機順序，將工作面照度和光源色溫調控至設定要求；

4)被試摘下眼罩，首先進行30 s的光環境適應，隨后對計算機屏幕進行閱讀，閱讀過程中，被試可以根據日常閱讀習慣對文本進行放大或縮小，閱讀內容涵蓋文字和圖片；

5)被試閱讀1 min之后，對當前工況下的計算機屏幕閱讀舒適性進行主觀評價，填寫問卷；

6)被試完成上述18種工況評價之后，交換使用另一組屏幕亮度的計算機，繼續以上述步驟開展評價實驗；

7)被試再次完成18種工況評價之后，主試依據“黑”、“灰”、“白”3組實驗的拉丁方順序，更換對應的表面面板，繼續以上述步驟開展評價實驗；

8)被試再次完成36次評價實驗之后，主試依據“黑”、“灰”、“白”3組實驗的拉丁方順序，更換最后的表面面板，繼續以上述步驟開展評價實驗；

9)實驗完成。

1.3 實驗結果

共計36位被試(18男、18女)，年齡在18～32歲之間。被試身體健康，矯正視力正常，無色盲色弱及眼部病史。實驗問卷采用7級量表：1非常不舒適、2不舒適、3輕微不舒適、4一般、5較舒適、6舒適、7非常舒適。實驗共得到3888個主觀評價數據。

數據顯示(表2、圖2)：評分均值最小值為3.43、最大值為5.23，均值、上下四分位數分別為4.35、4.66、4.03，即基于被試的主觀評價，VDT閱讀照明環境現狀介于“3輕微不舒適”與“6舒適”之間；統計<4(一般以下)的評分共計21項，占19.4%；統計≥5(較舒適之上)的評分共計8項，占7.4%。

表2 主觀評分平均值統計

圖2 主觀評分平均值統計箱形圖Fig.2 Statistics box chart of subjective score average

2 實驗數據分析與討論

2.1 VDT閱讀環境照明要素重要性排序及優選值

基于實驗數據，使用集成學習XGBoost算法，建立舒適度分類評價模型。照明要素重要性排序及對應的重要性系數為：背景亮度/反射系數(0.33)、工作面照度(0.31)、光源色溫(0.27)、屏幕亮度(0.09)。

統計4要素對應得分均值(圖3)，以4(一般)為及格線，得出結論如下。

1)工作面照度：得分在535 lx/300 lx組合出現最高值，300 lx/168 lx組合和500 lx/280 lx組合的得分最高值和均值較高，中間范圍照度組合得分明顯優于兩端照度組合，178 lx/100 lx組合低于及格線；

2)光源色溫：得分最高值和均值均是4 500 K>6 000 K>3 000 K，3 000 K得分均值只略高于及格線；

3)屏幕亮度：100 cd/m2時出現最高值，但得分均值180 cd/m2>100 cd/m2，均在及格線以上；

4)背景反射系數：得分均值0.11(黑)>0.33(灰)>0.76(白)，但得分最高值0.76(白)>0.33(灰)，均在及格線以上。

圖3 照明要素得分均值統計Fig.3 Statistics result of lighting factor score average

因此，單純從舒適度角度出發：

1)照明環境不可統控，如便攜式筆記本電腦使用環境不固定時，屏幕優選180 cd/m2。

2)VDT閱讀環境，如辦公室、圖書館電子閱覽室等，(a)照度優選300 lx/168 lx組合和500 lx/280 lx組合，不宜低至178 lx/100 lx組合，也不宜高至750 lx/420 lx組合(本實驗受光源限制，未設置其他照度組合，有待開展進一步研究)；(b)最優色溫為4 500 K(或與實驗所選白紙黑字閱讀材料有關，但考慮到白紙黑字是最常用閱讀材料，因此依舊推薦4 500 K為最優色溫)；(c)優選反射系數為0.11的黑色背景。

2.2 基于照明舒適度要求的VDT閱讀環境解析

圖4分別統計了100 cd/m2和180 cd/m2的屏幕亮度在不同照明環境下的得分均值，依據數據分析如下：

橫坐標1～6對應表2從小到大排列的6級照度組合圖4 兩種屏幕亮度在不同照明環境下的得分均值統計Fig.4 Statistics result of score average of the two screen luminance under various lighting environment

1)最優VDT閱讀照明環境。依據得分最高值及數值分布規律趨勢，兩種屏幕亮度閱讀的最優照明環境均是“光源色溫4 500 K+背景反射系數0.11+工作面照度535 lx/300 lx組合”。

2)優選VDT閱讀照明環境(設計目標)。以得分均值>5.0(較舒適)為標準，共選取出8組優選VDT閱讀照明環境，對應參數組合可作為新建或改建VDT閱讀空間的照明設計目標。因此，按“選定光源色溫(對應環境氛圍)、背景反射系數(對應家裝風格)，然后計算工作面照度(對應照明質量)”的一般設計流程梳理了這8組優選VDT閱讀照明環境，如表3所示：可選4 500 K和6 000 K兩種色溫；選擇4 500 K時，可選0.11和0.76兩種反射系數及對應的三檔照度和屏幕適應亮度；選擇6 000 K時，可選0.11和0.33兩種反射系數及對應的兩檔照度和屏幕適應亮度。

表3 優選VDT閱讀照明環境參數統計

3)不舒適VDT閱讀照明環境(整改對象)。以得分均值<4(一般)為標準，共篩查出21組不舒適VDT閱讀照明環境。以得分>4為目標，統籌考慮整改難度及成本，按“調節屏幕亮度、更換背景反射系數(表面貼紙)、提高照度(加局部照明，如臺燈)、更換光源色溫(換燈)”的順序，梳理了這21組不舒適VDT閱讀照明環境的整改措施及改善率，如表4所示。

(a)11組可通過調節屏幕亮度的方式整改，改善率大部分在17%以上；

(b)4組可通過背景表面貼紙的方式整改，改善率在10%～25%之間；

(c)5組可通過加局部照明的方式整改，改善率在11%～22%之間；

(d)僅1組需要通過換燈方式整改，改善率為19.2%。

2.3 VDT閱讀環境照明要素組合規律解析

綜上可知，由“光源色溫”、“背景反射系數”、“工作面照度”和“屏幕亮度”的不同組合，所構成的不同VDT閱讀照明環境，其閱讀舒適度具有一定差異性。因此，進一步平行對比了對這4要素所對應的得分均值。選用雷達圖(圖5)：圖形面積大小代表整體舒適度的高低；圖形突出越多代表對應要素組合的舒適度越高；調整了“工作面照度”順序，圖的左上方至右下方，照度從高到低分布，照度高低所對應的舒適度情況更直觀。

如圖5所示，進一步平行對比再次驗證上述已知的如下結論：

1)從左到右對比兩色圖形面積可知，隨著背景反射系數的逐漸降低，3級光源色溫的2級屏幕亮度所對應的閱讀舒適度，均有所提高。

2)從上到下對比兩色圖形面積可知，中高光源色溫的舒適度高于低光源色溫；

3)所有圖形的突出方向可知，中間照度的舒適度高于偏高、偏低照度。

從上到下、從左到右對比兩色圖形的重合疊加情況可知：

1)中高光源色溫(6 000 K和4 500 K)

(a)亮背景(0.76)時：中高照度應使用高屏幕亮度(180 cd/m2)；偏低照度應使用低屏幕亮度(100 cd/m2)。

表4 不舒適VDT閱讀照明環境整改措施及改善率

(b)中背景(0.33)時：偏高照度應使用低屏幕亮度(100 cd/m2)；中低照度應使用高屏幕亮度(180 cd/m2)。

(c)暗背景(0.11)時：高照度和低照度應使用低屏幕亮度(100 cd/m2)；中間照度時，兩屏幕亮度均可使用(得分差別不大)。

2)低光源色溫(3000 K)

(a)亮背景(0.76)時：中高照度同樣應使用高屏幕亮度(180 cd/m2)；偏低照度時，兩屏幕亮度得分無顯著規律，且得分較低，應按前述整改措施進行整改。

(b)中背景(0.33)時，應使用高屏幕亮度(180 cd/m2)。

(c)暗背景(0.11)時：偏高照度應使用低屏幕亮度(100 cd/m2)；中低照度應使用高屏幕亮度(180 cd/m2)。

依據上述結論整理得出，基于舒適度需求的“照明環境”與“VDT閱讀界面”的組合方式，即VDT閱讀環境照明要素組合規律(表5)。

表5 VDT閱讀環境照明要素組合規律Table 5 Combination law of the lighting factors for VDT reading

圖5 VDT閱讀環境照明要素對應得分均值雷達圖Fig.5 Radar map of the corresponding score mean of lighting factors for VDT reading

3 結論與建議

綜上，針對目前辦公場所最常見的，垂直于桌面放置的計算機VDT閱讀界面而言，有以下結論：

1)目前照明環境現狀介于“輕微不舒適”與“舒適”之間。

2)照明要素重要性排序為：背景亮度/反射系數(0.33)、工作面照度(0.31)、光源色溫(0.27)、屏幕亮度(0.09)。

3)屏幕亮度優選180 cd/m2、照度優選中間數值范圍(300 lx/168 lx至535 lx/300 lx)組合、優選色溫為4 500 K、優選反射系數為0.11的黑色背景。

4)最優照明環境為“光源色溫4 500 K+背景反射系數0.11+工作面照度535 lx/300 lx組合”。

5)針對新建或改建照明設計，共計8組優選VDT閱讀照明環境，按“選定光源色溫(對應環境氛圍)、背景反射系數(對應家裝風格)，然后計算工作面照度(對應照明質量)”的一般設計流程：可選4 500 K和6 000 K兩種色溫；選擇4 500 K時，可選0.11和0.76兩種反射系數，300～535 lx三檔照度；選擇6 000 K時，可選0.11和0.33兩種反射系數，300～500 lx兩檔照度。

6)針對舒適度不達標的VDT閱讀照明環境，統籌考慮整改難度及成本，可通過“調節屏幕亮度”、“更換背景反射系數(表面貼紙)”、“提高照度(加局部照明，如臺燈)”3種方式整改絕大部分不舒適VDT閱讀照明環境。

7)依據VDT閱讀環境照明要素組合規律，可獲取基于舒適度需求的“照明環境”與“VDT閱讀界面”的組合方式。

本文通過實驗室內復現VDT閱讀照明環境現狀，從使用者舒適度主觀感受出發，獲取了反映照明耦合要素對VDT閱讀舒適性影響的數據，依此提出的優選設計和整改策略及照明要素組合規律，為VDT閱讀空間的照明設計提供了量化依據。

目前實驗在“工作面水平/垂直照度組合”、“VDT閱讀界面所占視野范圍、視角大小”及“VDT閱讀內容的色度因素”等方面的設置有所欠缺，有待下一步研究的補充與完善。