照度對比度對視覺任務表現和視疲勞影響的實驗研究

婁 迪

(昕諾飛公司中國研究院，上海 200233)

引言

LED光源的廣泛應用，催生了大量新穎的燈具設計，但燈具的多樣性也在視覺功效和視覺舒適度方面帶來了很多挑戰。本文旨在研究桌面照明環境對用戶視覺功效和視疲勞的影響。

針對讀寫作業照明對視覺功效和視疲勞的影響，近年來已有不少研究。現有的研究中通常認為調節光源的相關色溫和照度水平會影響使用者的視覺功效和視疲勞程度。如Van Bommel[1]指出在高照度下工作，使用者的警覺度和專注度較高，有利于視覺作業功效的提升；也有研究人員從視力變化和主觀喜好的角度通過測試發現，中高色溫的光環境更符合中國用戶的需求[2]；針對紙面閱讀材料的研究發現，長期近距離工作會導致人眼調節能力下降、視疲勞增加，而如以冷白光來實現較高照度的均勻照明環境，則有利于用戶雙眼調節反應的準確度，進而有利于視疲勞緩解[3,4]；在辦公環境下進行的研究表明，對紙質閱讀和VDT作業而言，高色溫可能導致更高的視疲勞[5,6]。同時，我們也查閱了相關照明標準和基于標準進行的測試分析[7,8]，并與上述研究結果進行對照，試圖找出影響視覺功效和視疲勞的關鍵因素和問題。

在上述諸多研究中，關鍵照明參數大多集中在照度水平、相關色溫和光譜成分，并未涵蓋光的空間分布。LED與傳統照明相比，其照明光的空間分布具有更大的差異性，在進行視覺功效評價時，我們認為除了考量照度水平、相關色溫和光譜成分，也需要充分考慮照明光空間分布的影響。本課題的核心關注點是桌面照明環境中的照度分布對非顯示終端類(non-VDT)視覺任務所產生的影響。

1 實驗方法

1.1 實驗目的

在桌面照明環境中，照度空間分布可簡化為水平照度分布。在本研究中，以任務作業區與鄰近區之間的照度對比度來量化水平照度分布，并研究不同照度對比度下用戶的視覺任務表現和視疲勞程度。

1.2 被試者

15名平均年齡為(20.5±1.2)歲的被試者參與了本項實驗，包括8名男生、7名女生。所有被試對象均排除眼部器質性疾病，屈光不正度在0～-3.00D之間，雙眼屈光度差異≤1.00D，散光度<-0.50D。每名被試者均在參與實驗前被告知實驗安排及相關內容，并簽署知情同意書。

由于本實驗是針對視覺專注度和疲勞度的研究，要求被試者在參與實驗前的4 h內不從事劇烈體力運動，以避免其可能產生的生理或心理疲勞，排除對實驗結果產生的干擾。

1.3 照明環境設置

本實驗的照明環境是圍繞著照度在水平桌面上的分布進行設置的。根據照明應用要求及實際實驗環境，我們在尺寸為1500 mm×700 mm的水平桌面上，劃定了直徑為600 mm的圓形區域作為作業任務區，其左右兩側相鄰的矩形區域設定為作業鄰近區，如圖1所示。

針對閱讀作業中產生的視疲勞，較早的研究結果指出適度較高的照度(即1 000 lx)有利于閱讀[9]。以此結果為參考，用CCT為5 000 K的熒光粉轉化型LED光源來實現整個照明環境，在桌面作業任務區設定恒定的平均照度為1 000 lx；在鄰近區設定多個不同的平均照度水平，包括30 lx、100 lx、300 lx、500 lx和1 000 lx。在此設定下，整個桌面所對應的任務區與鄰近區照度對比度分別為：100∶3、10∶1、10∶3、2∶1和1∶1。這組照度水平設置，通過不同燈具組合的方式得以實現，使用的燈具包括一個臺燈(光束角較小)、兩個落地燈、兩個嵌入式燈盤。實驗環境無自然光的影響。

在心理物理學實驗設計中，對視覺任務表現和視疲勞的評價要求被試者完成單次50 min的任務，用時較長，若該任務在同類光環境中重復五次，則被試者在實驗執行過程中易產生心理疲勞，影響視覺任務的完成，致使數據失準。為避免上述問題的發生，部分待測照明環境被刪減，其刪減原則是：1)照明應用場景與臺燈相差較大的環境；2)視覺感受相近的照明環境。依此原則，鄰近區照度為1 000 lx的環境是典型的開放式辦公照明，與臺燈相差較大，進行刪減；鄰近區照度為100 lx、300 lx和500 lx對人眼的主觀視覺感受比較接近，只保留數值居中的300 lx進行實驗；鄰近區照度為30 lx的環境作為照明比較集中的臺燈設置，予以保留。最終，選定高低兩種照度對比度進入正式實驗，即，位于中央的作業任務區保持1 000 lx，位于兩側的鄰近區應實現30 lx和300 lx兩種照度水平。為便于記錄，本文中將高對比度記為100∶3，將低對比度記為10∶3。

通過對幾種燈具的組合和調光，最終確定的兩種照明環境如圖2所示，經測量，其照度分布均達到了實驗設計要求。

圖1 桌面作業任務區和鄰近區的設置Fig.1 Task area and immediately adjacent area on the desk

圖2 照明環境設置：左側兩圖為低對比度10∶3的實驗場景和實測照度分布，右側兩圖為高對比度100∶3的實驗場景和實測照度分布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 實驗計劃

每位被試者需在預設的兩種光環境(即10∶3和100∶3)下分別完成50 min的視覺任務。為了在最大程度上保證被試者兩次狀態的可比性，避免疲勞積累，要求同一個被試者在兩天的相同時段完成實驗。同時，兩種光環境的實驗順序隨機。

視覺任務的設計和選取基于如下原則：每個被試者對任務的熟悉度大致相同的，保證所有被試者從同一起點開始學習，排除非實驗因素對實驗結果的影響；任務的難度適中，被試者可短時間掌握；任務可分段執行，便于監測實驗進程中被試者的作業表現和視疲勞情況。

我們采用了字母勾銷實驗的方法，可在同一次實驗中評估視覺任務表現和視覺疲勞度。實驗任務材料的準備如下：將無序隨機排列的小寫英文字母打印在A4白紙上，每個字母出現的概率大致相同，約為1/26；字體為Calibri，字號11號，黑色；每5個字母為一段，段間以空格隔開；字母數量充足，保證被試者在指定時間內能夠持續不間斷作業；實驗用白紙為D65亮度低于85%的非銅版復印紙；實驗所用桌面為淺色木紋亞光材質，在被試位置無明顯反射眩光。作業任務示例如圖3所示。

圖3 字母勾銷實驗的任務：無序隨機排列字母表Fig.3 Cross-letter task with randomized letters in sequence

(1)視覺作業速度。在指定時間段內，被試者需對指定的三個字母(如“a”、“h”和“w”)不間斷地完成勾銷，即用筆劃出無序排列字母表中出現的所有“a”、“h”和“w”。每個時間段結束后，實驗員將收回已完成勾銷的無序字母表，并統計出該被試在此時間段內對無序字母表勾銷的完成情況，并以被試在該段時間內完成勾銷的字母總數作為其視覺任務速度的衡量指標。

(2)視覺作業準確率。在統計過程中，不僅會記錄被試完成勾銷的字母總數，也會核對被試所完成勾銷字母的準確率。在已完成勾銷的無序字母表中，被試所劃出的指定字母總數與應劃出的指定字母總數之比，被定為視覺任務的準確率指標。

衡量被試者對視覺任務的完成情況，須兼顧“質”與“量”。如上所述，在本實驗中，我們以完成勾銷字母總數和完成部分的準確率兩個指標進行評價。

(3)視覺疲勞度。在完成字母勾銷任務的進程中，被試者的視覺疲勞度會逐漸積累增加。在本實驗每個時段完成后，要求被試者填寫視疲勞問卷，以語義量表打分的形式記錄其視疲勞的變化。視疲勞問卷設計見表1。

表1 視疲勞問卷-語義量表

視疲勞問卷采用分值范圍為-3～+3的語義量表。分值越低，代表視疲勞程度越高；分值越高，視疲勞程度越低。數據分析和統計以該語義量表的打分值來衡量被試的視疲勞程度。

本實驗以分段形式進行，具體操作步驟：照明環境設置完成后，被試者進入實驗室，閉眼休息5 min。在這5 min內，實驗員向被試介紹整個實驗的流程以及視覺任務。隨后，下發第一時段的視覺任務材料，被試者入座開始實驗；第10 min后，實驗員收回第一時段的視覺任務材料，被試填寫第一時段的視疲勞問卷；填寫完成后，立即開始第二時段的視覺任務，并在完成后填寫第二時段的視疲勞問卷；此過程重復五次，直至第50 min被試者完成五個時段下所有的視覺任務和視疲勞問卷，實驗結束。

根據實驗具體安排順序，每位被試者需在兩種預設光環境下分別完成50 min的視覺任務。所有15名被試的兩次實驗全部完成后，視覺任務速度、準確度和視疲勞打分數據都將被記錄，并進行統計分析。

2 數據分析及結果

實驗數據分析將比較在兩種照度對比度(100∶3和10∶3)下所產生的作業速度、準確度和視疲勞程度。每位被試都完成了在這兩種對比度下的視覺任務實驗，可直接根據這兩種情況的結果進行比較。

基于視覺任務實驗的分時段設計，每位被試都完成了總計10個時段的實驗，每個時段內的三個評價指標，即視覺任務速度、視覺任務準確率和視疲勞分數都將用來進行統計分析。

2.1 視覺任務表現

視覺任務表現的數據統計分析分為分時段表現和整體表現兩部分。分時段表現以10 min為單位，衡量被試在每個10 min時段內的字母勾銷量和準確率；而整體表現衡量了被試在整個50 min作業時間內所完成字母勾銷的總量和總體準確率。

根據實驗設計，我們可以直接得到在高對比度(100∶3)和低對比度(10∶3)下視覺任務速度和準確率的分時段數據。首先對每個時段內的字母勾銷量進行ANOVA分析，可得出視覺任務速度的結果如表2和圖4所示。

表2 視覺任務速度分時段數據分析結果-ANOVA

圖4 在兩個照度對比度下，每時段的視覺任務速度比較Fig.4 Comparison of segmented visual task speed (number of letters completed) under two illuminance contrasts

由表2和圖4可知，在視覺任務的第一時段和最后一個時段內，其視覺任務速度在兩種照度對比度下有顯著差異。在0～10 min時段，照度對比度(100∶3)下的視覺任務速度顯著高于(10∶3)；在隨后10～40 min時段，兩個對比度下的視覺任務速度無顯著差異；在40～50 min時段，照度對比度(100∶3)下的速度顯著低于(10∶3)，與最初時段相反。

同樣的，對每個時段內的視覺作業準確率進行ANOVA分析，結果如表3和圖5所示。

表3 視覺任務準確率分時段數據分析結果-ANOVA

圖5 在兩個照度對比度下，每時段的視覺任務準確率比較Fig.5 Comparison of segmented visual task accuracy (correctly crossed letters in percentage) under two illuminance contrasts

由表3和圖5可知，只有在視覺任務的最后一個時段內，高對比度(100∶3)下的視覺任務準確率顯著低于(10∶3)。在視覺任務作業的其他時段，兩種照度對比度下的視覺任務準確率沒有顯著差異。

綜上所述，在高對比度(100∶3)的情況下，視覺任務速度在任務的初始階段(0～10 min)較高，但在隨后幾個時段內逐步降低，直至40 min后，顯著低于對比度(10∶3)下的速度。不僅視覺任務的速度在降低，在40～50 min時段，高對比度(100∶3)下的視覺任務準確率也顯著低于對比度(10∶3)。換言之，相較而言，高對比度對視覺任務初期的速度更為有利，而低對比度對視覺任務后期的表現(速度和準確率)更為有利。

雖然實驗設計是分時段進行的，但也可以間接地從整體的角度來進行分析。若以五個時段的字母勾銷量總和來表征整體作業速度，以五個時段的平均準確率來表征總體作業準確率，則可以對整個五個時段的字母勾銷總量和總體準確率進行ANOVA分析，結果如圖6所示。可以看出，整體作業速度在高對比度(100∶3)下較快，但與低對比度相比并無顯著性差異(N=15,F=0.15,p=0.703)；而整體準確率在高對比度(100∶3)下較低，但與低對比度(10∶3)相比，其差異也未顯示出統計學意義(N=15,F=0.70,p=0.409)。

圖6 在兩個照度對比度下，整體速度(字母勾銷總量)和整體準確率比較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 視覺疲勞度

與視覺任務表現不同，視覺疲勞度是逐漸累積的。每個時段的視疲勞問卷得分所反映的是填寫該問卷之前所有時段視覺任務所產生的積累疲勞，例如，第三時段完成后填寫的視疲勞問卷得分，反映的是0～30 min內所有視覺任務作業所產生的總疲勞。

對每個時段視覺任務作業完成后的視疲勞問卷打分進行ANOVA分析，結果如表4和圖7所示。

表4 視疲勞問卷分時段數據分析結果-ANOVA

圖7 在兩個照度對比度下，每時段的視疲勞問卷得分比較Fig.7 Comparison of segmented visual fatigue scores from questionnaires under two illuminance contrasts

綜合表4和圖7可知，在視覺任務的前四個時段，即0～40 min，在兩種照度對比度下視覺任務作業所產生的視疲勞得分都在逐漸降低，表示其視疲勞程度都在逐漸增加，但兩者之間尚未顯示出統計學差異。但最后一個時段，即40～50 min，高對比度(100∶3)下的視疲勞程度顯著高于低對比度(10∶3)。

2.3 視疲勞累積

通過實驗數據我們可以看出，無論照明環境是高對比度還是低對比度，被試通過問卷所反映的視疲勞程度都是逐漸增加的。不同照度對比度對視覺任務作業的影響體現在視疲勞累積的速度上。在高對比度下，視疲勞累積的速度較快；低對比度下，視疲勞累積速度較慢。

ANOVA結果顯示，通過40 min以上的視疲勞積累，當被試完成視覺任務作業的最后一個時段后，高對比度下的視疲勞問卷得分均值已降至(-0.244, 0.530)區間，而低對比度下的得分均值仍保持在(0.518, 1.292)區間，兩者的差異具有統計意義。

3 討論

本實驗詳細研究了桌面照度對比度對非VDT視覺任務的作業表現和視疲勞的影響。實驗結果顯示，從整體上看，桌面照度對比度的差異對視覺任務完成總量和整體準確率并未產生顯著影響；但是從分時段數據來看，在視覺任務進程的不同階段，桌面照度對比度的差異會對視覺作業完成量和準確率產生不同的影響。

從另一個角度來看，隨著視覺任務作業的進行，被試者的視疲勞將逐漸積累。在任務初始階段和中段，不同照度對比度下的視疲勞程度并沒有顯著差異，但我們發現當視疲勞積累到一定程度之后，不同照度對比度下的視疲勞則呈現出顯著性差異。

3.1 照度對比度對視覺任務表現的影響

實驗結果顯示(表2、表3)，在視覺任務的不同階段，高低對比度對視覺作業產生了不同的影響。

1)在視覺任務的初始時段(0～10 min)，高對比度下，位于被試視野中央的作業任務區照度(≈1 000 lx)顯著高于鄰近區(≈30 lx)，相對于低對比度而言，被試以較高的作業速度進入視覺作業狀態；

2)在視覺任務的中間階段(10～40 min)，被試已完全適應了所在的光環境，高低對比度對視覺作業速度的影響無顯著差異；

3)在視覺作業的后期(40～50 min)，持續視覺作業進行了較長時間(即40 min)，高對比度下視覺作業速度顯著低于低對比度，若結合視疲勞問卷的結果，可歸因為視疲勞積累對視覺作業所產生顯著的負面影響。

也就是說，高對比度更有利于任務初始階段的短期效率提升，使用者更易于快速進入狀態。但從長期來看，高對比度所帶來的短期效率提升并不可持續，反而會導致視疲勞的快速累積。

3.2 照度對比度對視覺疲勞度的影響

如果僅從視覺疲勞度的角度來看，實驗結果顯示(表4)，雖然不同對比度所導致的視疲勞增加速度有所不同，但在視覺任務的初期和中期，兩者并未顯示出統計學差異；直至視覺任務的后期(超過40 min)，在高對比度(100∶3)下作業所產生的視疲勞則顯著高于低對比度(10∶3)。換言之，在長時間工作的情況下，低對比度更有利于延緩視疲勞的累積。

3.3 如何有效利用照度對比度

從上述討論可看出，高對比度(100∶3)和低對比度(10∶3)對整個視覺作業過程產生的影響都不是一成不變的。在工程應用中，照度對比度所帶來的裨益和弊端必須要全面考量，特別要關注的是視覺任務的時長，應區分長期作業和短期作業，以兼顧視覺任務表現的提升和視疲勞的緩解。短期作業更重視視覺任務表現，而長期作業則必須考慮視疲勞。若照明環境允許，可以通過分時段的照明設計，在視覺任務的不同階段施加不同的照度對比度，以動態對比度的方式來兼顧視覺作業表現的提升和視疲勞的緩解。

4 結論

本研究通過心理物理學實驗的方法，以分時段方式評價了使用者在高對比度和低對比度下對指定視覺任務的完成情況，通過字母勾銷量和準確率來量化評價視覺任務的作業表現，通過視疲勞問卷打分來量化評價完成視覺任務所產生的視覺疲勞度。針對高低對比度對視覺任務產生的影響，對所得數據進行ANOVA分析，得到如下結論：1)高照度對比度對視覺任務初期的短期表現提升有積極影響，但不利于長期作業；2)相對而言，低照度對比度則對長期作業所產生的視疲勞延緩有積極作用。