LCD 手機(jī)白場(chǎng)亮度和飽和度對(duì)視覺(jué)舒適度和視疲勞的影響

朱念芳，屠 彥，王莉莉，林宜東，史韞楊

（東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院信息顯示與可視化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096）

1 引言

隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快和生活方式的轉(zhuǎn)變，手機(jī)在人類生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，尤其是年輕一代對(duì)手機(jī)越來(lái)越依賴。人們一方面享受著手機(jī)飛躍式發(fā)展帶來(lái)的便利，另一方面，也承受著長(zhǎng)時(shí)間觀看手機(jī)屏幕而引起的視覺(jué)健康問(wèn)題，尤其是夜晚使用手機(jī)影響更大。在眾多手機(jī)屏幕中，飛速發(fā)展的液晶屏幕（Liquid Crystal Display，LCD）占據(jù)著不可忽略的比重［1］。白場(chǎng)亮度、暗場(chǎng)亮度、飽和度和分辨率作為顯示器的重要參數(shù)，決定了顯示的顯示質(zhì)量［2-3］，對(duì)視覺(jué)舒適度和視疲勞也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。屏幕顯示在夜晚較黑暗的環(huán)境下會(huì)顯得格外明亮和高對(duì)比度［4］，而亮度和對(duì)比度的增加會(huì)導(dǎo)致視覺(jué)表現(xiàn)差，從而易產(chǎn)生視疲勞，長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)使用還易影響睡眠［5］。Z.Zhu 等人的研究發(fā)現(xiàn)，視覺(jué)顯示終端（Visual Display Terminal，VDT）的亮度和對(duì)比度對(duì)視覺(jué)表現(xiàn)存在交互作用，亮度的提高會(huì)改善顯示器的顯示性能，而高對(duì)比度會(huì)影響視覺(jué)性能［6］。E.A.Fedorovskaya 的研究結(jié)果說(shuō)明，圖像色度的變化會(huì)對(duì)顯示質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響，且觀看者更偏愛(ài)顏色較為豐富的圖像，而不是原始的自然圖像［7］。N.Na等人的研究表明，在暗環(huán)境使用121.92 mm（4.8 in）的手機(jī)閱讀時(shí)，讀者最喜歡的顯示亮度為40 cd/m2［8］。所以，關(guān)于暗環(huán)境下手機(jī)顯示參數(shù)的變化對(duì)視覺(jué)舒適度和疲勞影響的研究是非常重要且有意義的。

在視覺(jué)舒適度和疲勞影響的研究中，主觀打分是直接有效的評(píng)價(jià)方法［9］，反映了觀看者對(duì)刺激材料最直觀的看法，但是每個(gè)人的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法統(tǒng)一，存在較強(qiáng)的個(gè)人片面性，缺乏客觀性。E.Lee 等人采用主觀評(píng)價(jià)的方法研究顯示器的白場(chǎng)亮度對(duì)視覺(jué)舒適度的影響，結(jié)果表明高舒適度的白場(chǎng)亮度主觀打分顯著較高［10-11］?？陀^的測(cè)量方法可以彌補(bǔ)主觀評(píng)價(jià)中片面性的缺點(diǎn)，更加具有說(shuō)服力。目前的大部分研究通過(guò)采集被試的生理信號(hào)、眼動(dòng)信號(hào)、腦電信號(hào)以及測(cè)量視功能參數(shù)、微眼跳參數(shù)等來(lái)評(píng)估視覺(jué)舒適程 度與疲 勞程度［12］。P.C.Wang 等人通過(guò)測(cè)量心電信號(hào)的心率變異性和瞳孔調(diào)節(jié)來(lái)研究顯示亮度和照明環(huán)境對(duì)視覺(jué)舒適度的影響，結(jié)果表明心率變異性無(wú)顯著性差異，但是顯示亮度較低或照明不足會(huì)影響瞳孔的調(diào)節(jié)水平，從而引起視覺(jué)不適［13］。Y.Zhang 等人借助眼動(dòng)儀，研究角膜照度和顯示面積對(duì)眼動(dòng)信號(hào)的影響，結(jié)果說(shuō)明照度的高低和顯示面積的大小對(duì)瞳孔直徑均有顯著影響，同時(shí)照度的高低對(duì)微眼跳的速度和持續(xù)時(shí)間均有顯著性影響。在高照度時(shí)，微眼跳速度減小，而持續(xù)時(shí)間增加［14］。主觀評(píng)價(jià)與客觀測(cè)量各有優(yōu)勢(shì)，可以將其結(jié)合，更加全面客觀地評(píng)價(jià)視覺(jué)舒適度與視疲勞。H.Lee 等人采取主觀打分與客觀眼動(dòng)信號(hào)測(cè)量相結(jié)合的方法，研究室內(nèi)環(huán)境照度與顯示器最佳顯示亮度的關(guān)系，結(jié)果表明，在亮環(huán)境時(shí)被試舒適亮度與顯示器亮度呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)，而當(dāng)環(huán)境照度水平非常低時(shí)，高亮度顯示器反而會(huì)影響被試的偏好度［15］。

本文針對(duì)白場(chǎng)亮度和飽和度這兩個(gè)顯示特性參數(shù)，采取主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)量相結(jié)合的方法，通過(guò)主成分分析法對(duì)參數(shù)降維，探究暗環(huán)境下LCD 手機(jī)白場(chǎng)亮度和飽和度對(duì)視覺(jué)舒適度和視疲勞的影響，為夜間LCD 手機(jī)的亮度和飽和度設(shè)計(jì)提供參考，最大程度地避免夜晚不適宜的顯示亮度而帶來(lái)的視覺(jué)健康問(wèn)題。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)分為兩部分：白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)和飽和度實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用分辨率2 400×1 080 的168.44 mm（6.63 in）華為HONOR TEL-AN00a 手機(jī)為 研究載體，其面板為共平面開(kāi)關(guān)（IPS）液晶屏。圖1 為根據(jù)ICDM 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的手機(jī)屏幕的Gamma 曲線、白場(chǎng)光譜以及在CIE 1931 XYZ色度圖上的色域和白場(chǎng)點(diǎn)［16］?？梢钥吹皆撌謾C(jī)屏最高白場(chǎng)亮度為401.24 cd/m2，色域大約覆蓋70% NTSC、98.9% sRGB。測(cè)量均由Photo Research 公司生產(chǎn)的PR-670 Spectra Scan 多光闌分光輻射亮度計(jì)完成。不同顯示設(shè)備的顯示參數(shù)必然存在差異，本文的研究是基于該設(shè)備展開(kāi)的，基于其他LCD 設(shè)備的研究有待于進(jìn)一步探索。

圖1 （a）Gamma 曲線；（b）光譜分布圖；（c）色域分布圖。Fig.1 （a）Gamma curve；（b）Light spectrum；（c）Color gamut.

2.2 實(shí)驗(yàn)刺激

實(shí)驗(yàn)共選用16 張圖像作為實(shí)驗(yàn)刺激，所選圖片均按實(shí)驗(yàn)設(shè)備LCD 手機(jī)的像素進(jìn)行等比裁剪后導(dǎo)入。根據(jù)ITU-T P.910 標(biāo)準(zhǔn)［17］，圖像空間信息（Spatial Information，SI）用以表征圖像內(nèi)容的復(fù)雜度，色度信息（Colorfulness，CF）用以表征圖像顏色的復(fù)雜度，實(shí)驗(yàn)選用圖像的SI 和CF 信息如圖2 所示（圖中數(shù)字僅為圖片編號(hào)），可見(jiàn)所選的圖像內(nèi)容豐富，覆蓋面廣。

圖2 實(shí)驗(yàn)圖像SI 和CF 信息分布圖Fig.2 SI and CF distribution of experimental images

為了研究手機(jī)顯示屏白場(chǎng)亮度和飽和度對(duì)視覺(jué)舒適度和視疲勞的影響，需要獨(dú)立改變相應(yīng)參數(shù)。由于直接調(diào)整手機(jī)顯示屏的亮度會(huì)影響其他顯示參數(shù)如對(duì)比度等，本文采用圖像處理方法，基于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的Gamma 曲線，通過(guò)調(diào)整實(shí)驗(yàn)刺激，實(shí)現(xiàn)LCD 手機(jī)的亮度、飽和度的獨(dú)立調(diào)整，即調(diào)整顯示亮度時(shí)不改變顯示飽和度，調(diào)整顯示飽和度不影響顯示亮度。相應(yīng)的圖像調(diào)整在較為均勻的LAB 色空間中進(jìn)行，分別按比例調(diào)整LAB 色空間的亮度分量L、飽和度分量C，具體過(guò)程如圖3 所示。首先將原始圖像進(jìn)行歸一化（0～255 灰度值內(nèi)），根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備LCD 手機(jī)的Gamma 曲線進(jìn)行較正后，從RGB 空間轉(zhuǎn)換至XYZ 空間，再轉(zhuǎn)換至LAB 空間并計(jì)算亮度分量L、飽和度分量C和色調(diào)分量H，然后通過(guò)調(diào)整亮度分量Lo=Li×αW和飽和度分量Co=Ci×αC的系數(shù)來(lái)分別改變顯示圖像的亮度和飽和度，最后進(jìn)行反變換經(jīng)LAB 空間、XYZ 空間至RGB 空間，得到相應(yīng)的白場(chǎng)亮度、飽和度的等效圖像。

圖3 實(shí)驗(yàn)圖像處理流程圖Fig.3 Flow chart of experimental images processing

在預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了5 個(gè)等級(jí)的白場(chǎng)亮度，分別為400 cd/m（2原圖）、200 cd/m2、50 cd/m2、20 cd/m2和10 cd/m2，相應(yīng)的亮度調(diào)整系數(shù)αW、灰度值以及白場(chǎng)亮度實(shí)測(cè)值如表1 所示，調(diào)整后的圖像顯示效果示例如圖4 所示。

圖4 白場(chǎng)亮度調(diào)整后示例圖Fig.4 Example diagram after white level adjustment

表1 白場(chǎng)亮度調(diào)整系數(shù)以及灰度值和實(shí)測(cè)亮度值Tab.1 Adjusting coefficients of white level along with corresponding gray level and measured luminance

同樣，在預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了5 個(gè)等級(jí)的圖像飽和度，分別為100%（原圖）、80%、70%、60%、50%，相應(yīng)的調(diào)整系數(shù)αC、對(duì)應(yīng)的實(shí)際色差ΔE94和實(shí)測(cè)NTSC 色域覆蓋比例如表2 所示，實(shí)際色差ΔE94是指調(diào)整后的圖像與原始圖像色差的平均值，調(diào)整后的圖像效果示例如圖5 所示，飽和度逐漸降低時(shí)，顯示圖像色域沿白場(chǎng)點(diǎn)逐漸縮小。

圖5 飽和度調(diào)整后示例圖Fig.5 Example diagram after color saturation adjustment

表2 飽和度調(diào)整系數(shù)以及相應(yīng)色差和實(shí)測(cè)色域值Tab.2 Adjusting coefficients of color saturation along with corresponding chromatic aberration and measured color gamut

上述顯示圖像調(diào)整完成后，將同一亮度或者飽和度的一組圖像制作成一個(gè)視頻，實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)的白場(chǎng)亮度和飽和度顯示。視頻中每張圖像重復(fù)兩次并以隨機(jī)順序出現(xiàn)，每一次出現(xiàn)6 s，每個(gè)視頻總長(zhǎng)約為192 s，共有10 個(gè)視頻，分別對(duì)應(yīng)5 個(gè)不同白場(chǎng)亮度等級(jí)的視頻和5 個(gè)不同飽和度等級(jí)的視頻，視頻幀率為24 幀/s。觀看顯示圖像的LCD 手機(jī)屏幕亮度設(shè)置為最大值，并關(guān)閉亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.3 實(shí)驗(yàn)被試

白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)共有12 人（6 男6 女）參與，年齡（24.5±0.67）歲；飽和度實(shí)驗(yàn)共有12 人（6 男6女）參與，年齡（24.3±0.78）歲。所有被試均為東南大學(xué)在校學(xué)生，被告知實(shí)驗(yàn)須知后，自愿參與本實(shí)驗(yàn)。被試須知包括被試需滿足無(wú)重大疾病、身體狀態(tài)良好、無(wú)色盲、無(wú)色弱、單眼度數(shù)≤-6.0 D、雙目視差≤1.0 D、散光≤1.0 D、雙眼散光視差≤1.0 D、矯正視力≥1.0 的視力條件以及實(shí)驗(yàn)前24 h 內(nèi)未進(jìn)食含有咖啡因和酒精的食物并且保證較為充分休息的實(shí)驗(yàn)要求。

2.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用主觀評(píng)價(jià)與客觀測(cè)量相結(jié)合的方法來(lái)評(píng)估觀看不同等級(jí)白場(chǎng)亮度、飽和度顯示圖像時(shí)，觀看者視覺(jué)舒適度和視覺(jué)疲勞度變化情況。主觀評(píng)價(jià)采用主觀問(wèn)卷的方法，評(píng)價(jià)項(xiàng)目包括“顯示質(zhì)量”、“視覺(jué)舒適度”、“觀看喜好度”和“視疲勞”，采用7 分制打分，打分越高越優(yōu)。為了進(jìn)一步探究視覺(jué)上舒適的亮度和飽和度，又加入“亮度感受”和“色彩感受”打分項(xiàng)目，仍是7 分制打分，其中4 分為合適，1 分為過(guò)低，7 分為過(guò)高。主觀打分量表如表3 所示。客觀測(cè)量包括生理參數(shù)、視功能參數(shù)和微眼跳測(cè)量。其中生理參數(shù)包括心跳及其心率變異性相關(guān)參數(shù)，如表4 所示。視功能參數(shù)和微眼跳參數(shù)如表5 所示，其中BUT 和CFF屬于視功能參數(shù)，其他屬于微眼跳參數(shù)，微眼跳測(cè)量時(shí)的注視內(nèi)容是全白背景中央邊長(zhǎng)為1 cm 的小黑方塊。生理測(cè)量、CFF、BUT、微眼跳測(cè)量分別由多導(dǎo)生理記錄儀BIOPAC MP150、閃光融合頻率計(jì)、裂隙燈、SMI RED 250 紅外眼動(dòng)儀完成。

表3 主觀打分量表Tab.3 Subjective questionnaire scale

表4 生理參數(shù)Tab.4 Physiological parameters

表5 視功能參數(shù)和微眼跳參數(shù)Tab.5 Visual function parameters and microsaccade parameters

2.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)置和流程

實(shí)驗(yàn)在關(guān)閉照明光源的暗環(huán)境（照度＜1 lx）下進(jìn)行，室內(nèi)環(huán)境溫度保持在24 ℃左右，濕度約為25%，實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件穩(wěn)定且適宜。觀看距離設(shè)置為45～50 cm，通過(guò)調(diào)整手機(jī)支架的高度與角度，使被試視線基本處于屏幕中央。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先告知被試實(shí)驗(yàn)流程以及注意事項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)分成兩個(gè)子實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)應(yīng)亮度和飽和度實(shí)驗(yàn)。每個(gè)子實(shí)驗(yàn)流程相同，如圖6 所示，具體步驟如下所示：

圖6 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.6 Flowchart of experiment

（1）實(shí)驗(yàn)前，測(cè)量BUT、CFF 以及1 min 的微眼跳；

（2）暗適應(yīng)5 min；

（3）閉眼靜息5 min，同時(shí)記錄生理信號(hào)；

（4）觀看隨機(jī)播放的某一等級(jí)的亮度或者飽和度視頻，同時(shí)記錄生理信號(hào)；

（5）主觀打分，然后休息3 min，避免視疲勞的影響；

（6）上述步驟（4）～（5）重復(fù)5 次，直至完成所有實(shí)驗(yàn)設(shè)置；

（7）實(shí)驗(yàn)后，分別重復(fù)步驟（3）和步驟（1）。

3 結(jié)果與討論

3.1 參數(shù)降維和方差分析

考慮到實(shí)驗(yàn)測(cè)量的參數(shù)較多，各參數(shù)之間相互獨(dú)立且同一類別下的參數(shù)相關(guān)性較強(qiáng)，故采用因子分析的方法對(duì)參數(shù)降維以凝練參數(shù)的影響［18］。為此，首先在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布的前提下，根據(jù)式（1）計(jì)算各參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化得分Zi。

其中xi為任意參數(shù)記錄的原始值，xˉ為該參數(shù)的均值，σ為該參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化得分Zi做Bartlett 和KMO 檢驗(yàn)以驗(yàn)證各參數(shù)之間的獨(dú)立性和相關(guān)性。若Bartlett 值為顯著（Sig.＜0.05），則表明各變量之間相互獨(dú)立；若KMO 系數(shù)大于0.6 則較為適合做因子分析，而小于0.5 則不宜做因子分析。然后通過(guò)主成分法抽取特征值大于1 的公因子以實(shí)現(xiàn)降維，并借助累計(jì)方差貢獻(xiàn)率以查看參數(shù)被解釋的程度。當(dāng)方差貢獻(xiàn)率大于85%時(shí)，說(shuō)明提取的因子可以基本解釋被包含的多個(gè)參數(shù)，即在損失較少信息前提下，可用凝練的綜合因子解釋多個(gè)參數(shù)的影響。被降維的各參數(shù)對(duì)每一個(gè)因子的貢獻(xiàn)量由成分矩陣的程度系數(shù)給出，再通過(guò)最大方差法旋轉(zhuǎn)成分矩陣，使得每個(gè)參數(shù)在盡可能少的因子上具有較高的荷載量，即保證各個(gè)因子之間互不相關(guān)，增強(qiáng)因子的解釋性。當(dāng)因子確定后，根據(jù)成分得分系數(shù)矩陣給各個(gè)因子賦分，并依據(jù)系數(shù)的正負(fù)對(duì)因子得分高低給出恰當(dāng)?shù)谋容^。

對(duì)于主觀打分，“顯示質(zhì)量”、“視覺(jué)舒適度”、“觀看喜好度”和“視疲勞”4 個(gè)項(xiàng)目的評(píng)分為越高越優(yōu)，降維后的因子得分仍是越高越優(yōu)。對(duì)于生理參數(shù)，包括心率（Heart rate）以及由心率計(jì)算而來(lái)的時(shí)域參數(shù)（RRI、SDNN、RMSSD 和PNN50）和頻域參數(shù)（LF_n、HF_n 和LF/HF），提取出時(shí)域和頻域相關(guān)因子。對(duì)于視功能參數(shù)和微眼跳參數(shù)，由于視功能參數(shù)CFF、BUT 以及微眼跳參數(shù)里的瞳孔直徑，它們本就是視疲勞的有效表征［19-20］，因此直接采用這3 個(gè)參數(shù)的原始值表征視疲勞，其他微眼跳參數(shù)根據(jù)相關(guān)性程度強(qiáng)弱提取出微眼跳因子。

利用SPSS 軟件，上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)本身或者通過(guò)因子分析降維后，將參數(shù)或者提取出的因子進(jìn)行方差分析，以評(píng)價(jià)不同等級(jí)的白場(chǎng)亮度和飽和度對(duì)視覺(jué)舒適度和視疲勞的影響。對(duì)于方差分析，先驗(yàn)證參數(shù)或因子數(shù)據(jù)的正態(tài)性和方差齊性，在兩者均符合的情況下進(jìn)行方差分析（Univariate ANOVA），將白場(chǎng)亮度或者飽和度作為自變量，被試作為隨機(jī)因素，各參數(shù)或因子分別作為因變量，分析顯著性（Sig.＜0.05）和顯著性效應(yīng)量（0.25≤η2＜0.4 為中，η2≥0.4 為大）［21］，并利用多重比較法（LSD）查看其后驗(yàn)（Post Hoc）分組情況，以研究對(duì)視覺(jué)舒適度的影響。同樣地，將實(shí)驗(yàn)前后作為自變量以研究對(duì)視疲勞的影響。

3.2 白場(chǎng)亮度、飽和度對(duì)視覺(jué)舒適度的影響

隨著白場(chǎng)亮度的變化，主觀打分中“顯示質(zhì)量”、“視覺(jué)舒適度”、“觀看喜好度”、“亮度感受”和“色彩感受”均有顯著性差異，飽和度的變化對(duì)“顯示質(zhì)量”、“視覺(jué)舒適度”、“觀看喜好度”和“色彩感受”均產(chǎn)生了顯著性影響。白場(chǎng)亮度對(duì)所有的生理參數(shù)均無(wú)顯著性影響，而飽和度僅對(duì)RRI和Heart rate 有顯著性影響，方差分析結(jié)果如表6所示，有差異的參數(shù)變化趨勢(shì)與后驗(yàn)分組結(jié)果如圖7 所示，圖中含有同一字母標(biāo)簽的數(shù)值之間無(wú)顯著性差異。

圖7 參數(shù)顯著性變化趨勢(shì)和后驗(yàn)分組結(jié)果。（a）白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)主觀參數(shù)；（b）飽和度實(shí)驗(yàn)主觀參數(shù)；（c）飽和度實(shí)驗(yàn)生理參數(shù)。Fig.7 Significant trend and post hoc results.（a）Subjective parameters in white level experiment；（b）Subjective parameters in saturation experiment；（c）Physiological parameters in saturation experiment.

表6 舒適度研究的參數(shù)方差分析結(jié)果Tab.6 Results of univariate ANOVA for parameters in visual comfort research

與視覺(jué)舒適度有關(guān)的各參數(shù)間Pearson 相關(guān)性檢測(cè)結(jié)果如表7 和表8 所示，表中數(shù)據(jù)分別為飽和度、白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥吹?，用于研究視覺(jué)舒適度的主觀參數(shù)和生理參數(shù)數(shù)量較多，且主觀參數(shù)之間、生理參數(shù)之間相關(guān)性較高，故采用因子分析方法降維。降維時(shí)，主觀評(píng)價(jià)由“顯示質(zhì)量”、“視覺(jué)舒適度”和“觀看喜好度”這3 個(gè)項(xiàng)目參與因子提取。由于“視疲勞”在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)里的得分均較高，基本處于“較不疲勞～不疲勞（6～7 分）”的狀態(tài)，也符合盡可能避免視疲勞影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，因此不參與主觀因子提取。生理參數(shù)均參與因子提取。

表7 舒適度研究的參數(shù)相關(guān)性檢測(cè)結(jié)果（白場(chǎng)亮度）Tab.7 Results of Pearson correlation coefficients between parameters in visual comfort research（White level）

表8 舒適度研究的參數(shù)相關(guān)性檢測(cè)結(jié)果（飽和度）Tab.8 Results of Pearson correlation coefficients between parameters in visual comfort research（Saturation）

降維時(shí)，白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)舒適度相關(guān)參數(shù)KMO檢測(cè)結(jié)果為0.651，Bartlett 檢驗(yàn)結(jié)果為Sig.＜0.01，累計(jì)方差解釋率為87.5%。提取出2 個(gè)主觀因子和2 個(gè)生理因子，分別命名為白場(chǎng)亮度主觀因子1 和2 以及白場(chǎng)亮度時(shí)域因子和頻域因子。其中由于SDNN 與其他參數(shù)基本不顯著相關(guān)，因此不參與因子提取。飽和度實(shí)驗(yàn)舒適度相關(guān)參數(shù)KMO 系數(shù)為0.648，Bartlett結(jié)果為Sig.＜0.01，累計(jì)方差解釋率為92.5%。提取1 個(gè)主觀因子和3 個(gè)生理因子，分別命名為飽和度主觀因子以及飽和度心率因子、時(shí)域因子和頻域因子。因子命名詳細(xì)情況和方差結(jié)果如表9 所示，所有因子得分均符合正態(tài)分布和方差齊性。有顯著影響的因子的變化趨勢(shì)和后驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

表9 舒適度研究的因子命名和方差分析結(jié)果Tab.9 Factors naming and results of univariate ANOVA in visual comfort research

對(duì)于主觀打分，白場(chǎng)亮度的變化對(duì)2 個(gè)主觀因子均有顯著性影響，其中主觀因子1 的效應(yīng)量為中，主觀因子2 的效應(yīng)量為大。白場(chǎng)亮度主觀因子1 在20 cd/m2時(shí)得分最高，但與50 cd/m2無(wú)顯著差異；主觀因子2 得分隨亮度的增加而增加，在50，200，400 cd/m2白場(chǎng)亮度時(shí)無(wú)顯著差異，如圖8（a）所示。由表4 中“亮度感受”和“色彩感受”打分項(xiàng)目的方差結(jié)果可知，隨著白場(chǎng)亮度的變化，亮度和色彩的感受均產(chǎn)生了效應(yīng)量為大的顯著性差異，說(shuō)明白場(chǎng)亮度的變化不僅影響亮度的感知，而且還影響色彩的感知，圖7（a）顯示了亮度和色彩的感受均在白場(chǎng)亮度為50 cd/m2時(shí)最接近4 分，即感覺(jué)最舒適，而白場(chǎng)亮度為50 cd/m2時(shí)主觀因子1 和2 也顯著較優(yōu)，說(shuō)明暗環(huán)境下，LCD 手機(jī)最佳白場(chǎng)亮度在50 cd/m2左右，此時(shí)視覺(jué)舒適度綜合最優(yōu)，與文獻(xiàn)中的結(jié)果相近［8］。

圖8 （a）白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)主觀因子變化趨勢(shì)圖；（b）飽和度實(shí)驗(yàn)主觀因子和心率因子變化趨勢(shì)圖。Fig.8 （a）Trend of subjective factors in white field luminance experiment；（b）Trend of subjective factor and heart rate factor in saturation experiment.

飽和度的變化對(duì)主觀因子有顯著性影響且效應(yīng)量為大。由圖8（b）的后驗(yàn)結(jié)果可知，主觀因子在飽和度系數(shù)為0.8 和1.0 時(shí)得分顯著較高，即飽和度系數(shù)在0.8～1.0 時(shí)視覺(jué)舒適度處于較優(yōu)的狀態(tài)。由“亮度感受”和“色彩感受”的方差結(jié)果可知，飽和度的變化對(duì)亮度感受無(wú)顯著性影響，而對(duì)色彩感受有顯著性影響且效應(yīng)量為大，說(shuō)明飽和度的變化僅影響視覺(jué)上對(duì)色彩的感知，而對(duì)亮度感知的影響不大。同時(shí)圖7（b）中后驗(yàn)結(jié)果表明，色彩感受在飽和度系數(shù)為0.8 時(shí)顯著較優(yōu)。綜合可知，飽和度系數(shù)在0.8～1.0 的范圍內(nèi)，視覺(jué)感知的舒適度較優(yōu)。

對(duì)于生理參數(shù)，白場(chǎng)亮度的變化對(duì)時(shí)域因子和頻域因子均無(wú)顯著影響，說(shuō)明暗環(huán)境下，LCD手機(jī)白場(chǎng)亮度在10～400 cd/m2范圍的變化對(duì)生理信號(hào)未產(chǎn)生顯著影響，身體的生理狀態(tài)仍保持在較為平和的狀態(tài)。

飽和度的變化僅對(duì)心率因子產(chǎn)生了效應(yīng)量為中等的顯著性影響，而對(duì)其他兩個(gè)因子無(wú)顯著性影響。結(jié)合圖8（b）的后驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在飽和度系數(shù)為0.7 時(shí)，心率因子得分顯著較高，與飽和度系數(shù)為0.8 時(shí)無(wú)顯著性差異。同時(shí)根據(jù)飽和度心率因子的得分系數(shù)矩（Rate=-0.516，RRI=0.526，…，其他成分系數(shù)極小，可忽略不計(jì)）可知，分值越高說(shuō)明心跳越慢，整體心率趨于平穩(wěn)。這與圖7（c）中生理參數(shù)Heart rate 在飽和度系數(shù)為0.7 時(shí)顯著較低且RRI 顯著較高的結(jié)果一致，也與飽和度系數(shù)為0.8 時(shí)無(wú)顯著性差異。生理因子與參數(shù)均較為一致說(shuō)明飽和度系數(shù)在0.7～0.8 范圍內(nèi)的心率較為平緩，生理舒適度較高。綜合考慮主觀因子和生理因子的變化可得，在暗環(huán)境下，當(dāng)LCD 手機(jī)的飽和度系數(shù)低于0.7 時(shí)，觀看者處于較不舒適的狀態(tài)，視覺(jué)舒適度和生理舒適度均較差。

通過(guò)上述參數(shù)降維和分析發(fā)現(xiàn)，主觀因子得分越高，視覺(jué)舒適度越高；心率因子得分越高，心率越趨于平穩(wěn)，生理舒適度越高。相比于表6 中各個(gè)參數(shù)對(duì)視覺(jué)舒適度的影響，采用表9 中降維后的因子更加簡(jiǎn)練、清晰，且基本解釋了參數(shù)包含的信息。

對(duì)比白場(chǎng)亮度和飽和度對(duì)舒適度的影響可知，白場(chǎng)亮度、飽和度的變化對(duì)主觀項(xiàng)目均有顯著影響，但項(xiàng)目之間的相關(guān)性略有不同，從而主觀因子提取也有差異。結(jié)果表明，白場(chǎng)亮度的變化不僅對(duì)亮度感受有影響，也會(huì)對(duì)色彩感受產(chǎn)生影響。而飽和度的變化僅影響色彩感受，不影響亮度感受。同時(shí)，白場(chǎng)亮度的變化對(duì)生理信號(hào)沒(méi)有顯著性影響，而飽和度的變化會(huì)使心率產(chǎn)生差異，造成不同飽和度下生理舒適度不同。在暗環(huán)境下，LCD 手機(jī)綜合最優(yōu)亮度在50 cd/m2左右，而飽和度系數(shù)＜0.7 時(shí)會(huì)引起一定程度的視覺(jué)不舒適與生理不舒適。

3.3 白場(chǎng)亮度、飽和度對(duì)視疲勞的影響

如前所述，為了研究白場(chǎng)亮度和飽和度實(shí)驗(yàn)前后視疲勞的變化情況，在白場(chǎng)亮度和飽和度實(shí)驗(yàn)前后，分別測(cè)量了BUT、CFF、瞳孔直徑、微眼跳和生理信號(hào)。結(jié)果顯示，BUT 在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的前后均產(chǎn)生顯著變化，CFF 在飽和度實(shí)驗(yàn)前后有顯著性變化，瞳孔直徑在白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)前后有顯著變化，微眼跳相關(guān)參數(shù)均無(wú)顯著性變化。對(duì)于生理參數(shù)，在白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)前后，Heart rate、RMSSD、PNN50、LF_n 和HF_n 均有顯 著性差異；而在飽和度實(shí)驗(yàn)前后，生理參數(shù)均無(wú)顯著性差異，方差分析結(jié)果如表10 所示。

表10 視疲勞研究的參數(shù)方差分析結(jié)果Tab.10 Results of univariate ANOVA for parameters in visual fatigue research

視疲勞有關(guān)的各參數(shù)間Pearson 相關(guān)性檢測(cè)結(jié)果如表11 和表12 所示，表中數(shù)據(jù)分為飽和度、白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)前后的結(jié)果。降維時(shí)，白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)前后相關(guān)參數(shù)KMO 檢測(cè)結(jié)果為0.652，Bartlett 檢驗(yàn)結(jié)果為Sig.＜0.01，累計(jì)方差解釋率為82.3%。其中SDNN 與其他參數(shù)相關(guān)性較弱，因此不參與因子提取，與白場(chǎng)亮度對(duì)視覺(jué)舒適度影響研究中的情況一致。飽和度實(shí)驗(yàn)前后相關(guān)參數(shù)KMO 系數(shù)為0.667，Bartlett檢驗(yàn)結(jié)果為Sig.＜0.01，累計(jì)方差解釋率為88.1%。

表11 視疲勞研究的參數(shù)相關(guān)性檢測(cè)結(jié)果（白場(chǎng)亮度）Tab.11 Results of Pearson correlation coefficients between parameters in visual fatigue research（White level）

表12 視疲勞研究的參數(shù)相關(guān)性檢測(cè)結(jié)果（飽和度）Tab.12 Results of Pearson correlation coefficients between parameters in visual fatigue research（Saturation）

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)前后均提取出1 個(gè)微眼跳因子和2個(gè)生理因子，分別命名為白場(chǎng)亮度微眼跳因子、時(shí)域因子和頻域因子以及飽和度微眼跳因子、時(shí)域因子和頻域因子。所有因子得分均符合正態(tài)分布和方差齊性，因子命名詳細(xì)情況和方差結(jié)果如表13 所示。

表13 視疲勞研究的因子命名和方差分析結(jié)果Tab.13 Factors naming and results of univariate ANOVA in visual fatigue research

圖9 為實(shí)驗(yàn)前后各參量的變化情況，圖中紅色星號(hào)表示實(shí)驗(yàn)前后有顯著性變化。如圖9（a）所示，白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)前后BUT 顯著下降且效應(yīng)量為大，瞳孔直徑顯著減小，CFF 無(wú)顯著差異。說(shuō)明在暗環(huán)境下，在LCD 手機(jī)上連續(xù)觀看不同等級(jí)的白場(chǎng)亮度圖像給雙目帶來(lái)了壓力，使得淚膜破裂時(shí)間顯著下降，瞳孔收縮，產(chǎn)生了一定程度的視覺(jué)疲勞，但視覺(jué)靈敏度沒(méi)有顯著變化。而由圖9（b）可知，飽和度實(shí)驗(yàn)前后BUT 和CFF 均產(chǎn)生了顯著性差異且效應(yīng)量為大，瞳孔直徑無(wú)顯著性差異，說(shuō)明觀看不同等級(jí)的飽和度圖像后使得視覺(jué)分辨能力下降，淚膜破裂時(shí)間減少，出現(xiàn)了視疲勞。

圖9 （a）白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)前后參數(shù)變化差值圖；（b）飽和度實(shí)驗(yàn)前后參數(shù)變化差值圖。Fig.9 （a）Difference of parameters after white field luminance experiment；（b）Difference of parameters after saturation experiment.

微眼跳因子的方差分析結(jié)果表明，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)前后該因子均無(wú)顯著性差異，說(shuō)明白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)和飽和度實(shí)驗(yàn)均未對(duì)眼球跳動(dòng)產(chǎn)生顯著性影響。

在白場(chǎng)亮度時(shí)域因子和頻域因子實(shí)驗(yàn)前后均產(chǎn)生了效應(yīng)量為中等的顯著性變化，由圖9（a）以及時(shí)域因子（Rate=-0.335，RRI=0.270，RMSSD=0.335，PNN50=0.322…）和頻域因子（LF_n=-0.364，LF_n=0.364，LF/HF=-0.380…）的得分系數(shù)可知，實(shí)驗(yàn)前后時(shí)域因子得分下降，說(shuō)明心跳變快，心率產(chǎn)生了較大程度的波動(dòng)，疲勞程度增加［22］，頻域因子得分減小，說(shuō)明身體的負(fù)荷增加，2 個(gè)生理因子均表明了白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)后帶來(lái)了一定程度的身體疲勞。而由圖9（b）可知，飽和度實(shí)驗(yàn)前后時(shí)域因子和頻域因子均無(wú)顯著性變化，說(shuō)明飽和度實(shí)驗(yàn)未帶來(lái)明顯的生理不適，整體仍保持在較為平穩(wěn)的狀態(tài)。

通過(guò)上述參數(shù)的分析和降維，發(fā)現(xiàn)有些參數(shù)本身就是視疲勞的重要表征，而有些參數(shù)降維后的綜合因子可以更加簡(jiǎn)潔明了地表達(dá)視疲勞的影響。BUT 下降，CFF 降低，瞳孔直徑收縮，均體現(xiàn)了視疲勞的產(chǎn)生。生理的時(shí)域因子和頻域因子得分下降，顯示了心率波動(dòng)變得復(fù)雜，身體負(fù)荷增加，出現(xiàn)疲勞感。

對(duì)比白場(chǎng)亮度和飽和度對(duì)視疲勞的影響，可以看出BUT 在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中均為視疲勞的重要表征，白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)后BUT 的下降幅度略大于飽和度實(shí)驗(yàn)后。在白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)后，瞳孔直徑顯著減??；而在飽和度實(shí)驗(yàn)后，CFF 顯著下降，即白場(chǎng)亮度、飽和度的變化對(duì)雙目產(chǎn)生影響的方面是不同的。此外，白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)對(duì)生理信號(hào)的時(shí)域因子和頻域因子均產(chǎn)生了顯著性影響，使得心跳次數(shù)增加，心率波動(dòng)變得復(fù)雜，整體負(fù)荷增加，而飽和度實(shí)驗(yàn)未對(duì)生理信號(hào)產(chǎn)生顯著影響。

4 結(jié)論

本文采取主觀打分與客觀測(cè)量相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，在暗環(huán)境下分別研究了LCD 手機(jī)不同等級(jí)的白場(chǎng)亮度和飽和度對(duì)視覺(jué)舒適度和視疲勞的影響，通過(guò)主成分分析法對(duì)參數(shù)降維，以凝練參數(shù)的影響。結(jié)果表明，白場(chǎng)亮度的變化會(huì)帶來(lái)亮度和色彩感受上的差異，從而影響視覺(jué)舒適度；飽和度的改變僅影響色彩的感受，從而產(chǎn)生視覺(jué)舒適度和生理舒適度上的差異。視疲勞研究表明，白場(chǎng)亮度實(shí)驗(yàn)后給被試帶來(lái)了一定程度的整體疲勞感，而飽和度實(shí)驗(yàn)后僅產(chǎn)生了一定程度的視覺(jué)疲勞。

在暗環(huán)境下LCD 手機(jī)綜合最優(yōu)白場(chǎng)亮度約為50 cd/m2，此時(shí)的視覺(jué)舒適度較高。而飽和度系數(shù)低于0.7 時(shí)，在視覺(jué)上與生理上均會(huì)產(chǎn)生一定程度的不舒適。

本文研究結(jié)果可為暗環(huán)境下LCD 手機(jī)屏幕亮度參數(shù)設(shè)置和飽和度參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，亮度結(jié)果也可為用戶調(diào)節(jié)亮度提供參考，最大程度地保護(hù)手機(jī)使用者在夜間的視覺(jué)健康。而不同環(huán)境照度、不同種類屏幕的差異還有待于進(jìn)一步研究。