齊 琪，胡 鵬，陳仁偉

(1.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100007；2.國家數(shù)字音視頻及多媒體產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100176)

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液晶投影與平板顯示健康安全、系統(tǒng)性能分析

齊 琪1，胡 鵬2，陳仁偉2

(1.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100007；2.國家數(shù)字音視頻及多媒體產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100176)

為全面分析液晶投影與平板顯示的健康安全和系統(tǒng)性能，以液晶(LCD)投影與平板(FPD)顯示系統(tǒng)為分析研究對(duì)象，模擬學(xué)生教室上課狀態(tài)，通過測試藍(lán)光能量、閃爍、工作噪聲、亮度衰減、對(duì)比度、視角、能效指數(shù)等指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，在教育領(lǐng)域?qū)嵺`環(huán)境下，液晶投影系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)優(yōu)于平板顯示系統(tǒng)。

液晶投影；平板顯示；健康安全；系統(tǒng)性能

1 顯示設(shè)備與用眼健康

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》(2010—2020年)第五十九條指出“加快教育信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”，“到2020年，基本建成覆蓋城鄉(xiāng)各級(jí)各類學(xué)校的教育信息化體系，促進(jìn)教育內(nèi)容、教學(xué)手段和方法現(xiàn)代化”[1]。在此背景下，隨著多媒體教室和多媒體設(shè)備在我國現(xiàn)代化教育建設(shè)中的廣泛使用，電子白板等具備交互功能的顯示系統(tǒng)已成為教育信息化的重要組成部分，逐漸被越來越多地應(yīng)用到教學(xué)中。

然而，現(xiàn)代科技提供便捷的同時(shí)帶來了巨大的健康安全隱患，尤其是用眼健康問題不容忽視?；诖?，本文模擬學(xué)生教室上課狀態(tài)，以互動(dòng)式液晶投影和觸控式平板顯示(FPD)兩種顯示系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析其在健康安全、系統(tǒng)性能等方面的差異性，具體測試項(xiàng)目如表1所示。 文中所有試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)依托國家數(shù)字音視頻及多媒體產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心評(píng)測平臺(tái)測試獲得。

表1 測試項(xiàng)目分類

2 藍(lán)光能量

自20世紀(jì)70年代起，藍(lán)光對(duì)眼睛的傷害就已引起醫(yī)學(xué)界關(guān)注，隨后幾十年的大量醫(yī)學(xué)研究證實(shí)，藍(lán)光污染確實(shí)嚴(yán)重影響人類視力，研究歷程如圖1所示。經(jīng)過深入的臨床和基礎(chǔ)研究，藍(lán)光對(duì)眼部健康的損害機(jī)制逐漸明晰，數(shù)碼視覺疲勞是造成眼部健康受損的主要原因之一。

圖1 藍(lán)光研究歷程

藍(lán)光主要是指波長介于400 nm與500 nm的光線，其輻射、照射后引起的光化學(xué)作用會(huì)導(dǎo)致視網(wǎng)膜損傷。如照射時(shí)間超過10 s將會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度的損傷機(jī)理作用，常達(dá)到熱損害機(jī)理的數(shù)倍之多。顯示設(shè)備發(fā)出的光都含有藍(lán)光波段，長時(shí)間觀看顯示設(shè)備對(duì)人眼損害較大。研究表明人眼在20歲才停止發(fā)育，因而眼睛仍處于發(fā)育狀態(tài)的青少年如長時(shí)間觀看顯示設(shè)備，產(chǎn)生和累積的藍(lán)光將導(dǎo)致其視力嚴(yán)重下降或產(chǎn)生其他病變。

藍(lán)光能量(單位：W/sr)用于檢測不同顯示設(shè)備藍(lán)光輻射能量的強(qiáng)弱，藍(lán)光能量值越高，長時(shí)間觀看對(duì)人眼損傷的可能性則越大。

以互動(dòng)式液晶投影和觸控式平板顯示(FPD)兩種顯示系統(tǒng)為研究對(duì)象進(jìn)行測試，選擇全白場、全藍(lán)場作為測試場景，2～6 m(間隔距離為0.5 m)為測試距離，獲得各點(diǎn)測試結(jié)果整體分布如圖2所示。

圖2 藍(lán)光能量分布圖

測試所得藍(lán)光能量最大值分布詳見表2，分析后可知，F(xiàn)PD的藍(lán)光能量整體高于投影機(jī)，分別約為投影機(jī)藍(lán)光能量的3倍、1.5倍和3倍。從藍(lán)光能量越小,對(duì)人眼的損傷越少考慮，使用FPD對(duì)人眼造成損傷的概率是使用投影系統(tǒng)的2倍左右。

表2 藍(lán)光能量最大值分布 W/sr

3 閃爍

造成眼睛不舒適感的主要原因有眩光和閃爍兩種，其中眩光來源于外部原因，主要指室內(nèi)條件下陽光、照明裝置等發(fā)出的光對(duì)顯示設(shè)備造成的影響；而閃爍則主要指顯示設(shè)備因輸入信號(hào)或自身工作方式的刷新率而產(chǎn)生的觀看影響。其中，刷新率是指屏幕上圖像重復(fù)掃描的次數(shù)。刷新率越高，所顯示的圖像(畫面)穩(wěn)定性就越好。刷新過程所產(chǎn)生光諧波分量會(huì)造成閃爍。

相對(duì)而言，眩光更依賴環(huán)境條件影響，不符合本文的研究目的，因此選取閃爍作為研究指標(biāo)，能更好地評(píng)價(jià)顯示系統(tǒng)本身對(duì)舒適度的影響程度。

其中，閃爍能量是檢測不同顯示設(shè)備閃爍程度的具體指標(biāo)，當(dāng)亮度越高時(shí)，人眼對(duì)閃爍的沖擊越不敏感；同時(shí)，閃爍能量越大，閃爍現(xiàn)象越嚴(yán)重，人眼疲勞感會(huì)變得越強(qiáng)，人眼越容易疲勞。

通過測量不同顯示設(shè)備在2 m處的閃爍能量(以諧波分量與直流分量的比值表示)，從表3可以看出，兩套FPD系統(tǒng)的閃爍能量遠(yuǎn)高于投影系統(tǒng)，F(xiàn)PD系統(tǒng)閃爍能量分別約是投影系統(tǒng)閃爍能量的11倍、2倍、27倍。由此可見，長期觀看FPD系統(tǒng)相對(duì)投影系統(tǒng)更易發(fā)生由閃爍而產(chǎn)生的疲勞感。

表3 閃爍測試結(jié)果常規(guī)條件 W/sr

4 工作噪聲

室內(nèi)的噪聲對(duì)人的身心健康會(huì)產(chǎn)生較大影響。有研究表明：

1)噪聲級(jí)為30～40 dB是比較安靜的正常環(huán)境；

2)超過50 dB就會(huì)使人有不舒適的感覺；

3)70 dB以上則會(huì)干擾談話，造成心煩意亂，精神不集中，影響工作效率，甚至發(fā)生事故；

4)長期工作或生活在90 dB以上的噪聲環(huán)境，會(huì)嚴(yán)重影響聽力和導(dǎo)致其他疾病的發(fā)生。

根據(jù)GB/T 17249.1—1998《聲學(xué)——低噪聲工作場所設(shè)計(jì)》[2]中推薦的各種工作場所背景噪聲級(jí)(詳見表4)，教室環(huán)境條件的背景噪聲級(jí)應(yīng)處于30～40 dB(A)之間。

表4 各種工作場所背景噪聲級(jí)

此外，GB 3096—2013《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了環(huán)境噪聲的限值，并將包括居民住宅、醫(yī)療衛(wèi)生、文化教育、科研設(shè)計(jì)、行政辦公等界定為需要保持安靜的區(qū)域，即I類聲環(huán)境功能區(qū)[3]，詳見表5。其中，白天教室環(huán)境條件的環(huán)境噪聲級(jí)規(guī)定為55 dB(A)。

表5 環(huán)境噪聲限值 dB(A)

工作噪聲(單位：dB(A))是模擬真實(shí)場景條件，如距離和角度等。長期處于高工作噪聲環(huán)境條件中，容易使人有不舒適感。更使得學(xué)生在課堂上接收的信息量降低，注意力受損，昏昏欲睡。為檢驗(yàn)不同類型的顯示系統(tǒng)在工作噪聲方面的差異性，有必要通過工作噪聲試驗(yàn)進(jìn)行測試，對(duì)液晶投影機(jī)與平板顯示系統(tǒng)工作噪聲測試系統(tǒng)如圖3和圖4所示。

圖3 投影機(jī)工作噪聲測試系統(tǒng)框圖

圖4 電視工作噪聲測試系統(tǒng)框圖

一般而言，工作噪聲越大，所帶來的不適感和煩躁感越強(qiáng)，進(jìn)而對(duì)人體影響越大。經(jīng)試驗(yàn)，不同顯示設(shè)備在模擬教室環(huán)境中的工作噪聲測試結(jié)果如圖5、表6所示。

圖5 工作噪聲測試結(jié)果分布圖

表6 工作噪聲測試結(jié)果

由表6可知，3 m處FPD系統(tǒng)工作噪聲平均值為29.6 dB(A)，投影系統(tǒng)在ECO模式下工作噪聲為30.8 dB(A)，此時(shí)環(huán)境底噪為29.1 dB(A)。兩種顯示系統(tǒng)的工作噪聲差小于1 dB，人耳較難分辨，與底噪極為接近，均在可接受的理想范圍內(nèi)。人們一般認(rèn)為電視機(jī)的工作噪聲大于投影機(jī)，但本次測試結(jié)果不符合人們常規(guī)印象的原因在于，本次測試以模擬實(shí)際教學(xué)環(huán)境為主，投影機(jī)為倒裝且距離地面1.8 m處，此時(shí)工作噪聲在傳播過程中已經(jīng)衰減到不可察覺的程度。

5 亮度衰減

亮度衰減(單位：cd/m2)用于量化亮度的動(dòng)態(tài)變化過程。本研究主要衡量兩種條件下的亮度衰減：1)從2 m至6 m區(qū)間內(nèi)(間隔為0.5 m)的全白場亮度值，詳見圖6；2)在同一距離條件下，不同亮度等級(jí)的信號(hào)輸入時(shí)的亮度值，詳見圖7。

圖6 全白場亮度衰減分布圖

圖7 同一距離條件100%～37%輸入時(shí)亮度衰減分布圖

2 m和6 m條件，投影系統(tǒng)和FPD系統(tǒng)的亮度差分別為5.7 cd/m2，9.5 cd/m2，22.3 cd/m2，9.8 cd/m2，投影系統(tǒng)的亮度衰減最小。

100%，75%，50%，37%亮度電平輸入條件下，投影機(jī)在75%，50%，37%亮度電平時(shí)分別為100%亮度電平時(shí)亮度的60.6%，24.9%，11.4%，投影系統(tǒng)的亮度平均衰減小于FPD系統(tǒng)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表7。

表7 亮度衰減測試結(jié)果 cd/m2

6 對(duì)比度

對(duì)比度對(duì)視覺效果的影響非常關(guān)鍵，一般來說對(duì)比度越大，圖像越清晰醒目，色彩也越鮮明艷麗；而對(duì)比度越小，會(huì)使整個(gè)畫面顯得晦暗。通常用一幅圖像中明暗區(qū)域最亮的白色和最暗的黑色之間不同亮度層級(jí)來表示對(duì)比度大小，差異范圍越大表示對(duì)比越大，差異范圍越小表示對(duì)比越小，效果如圖8所示。

圖8 對(duì)比度效果示意圖

對(duì)比度也常用來表示“看得清”的程度，對(duì)比度大小決定了學(xué)生是否能夠看清老師書寫的內(nèi)容，在不同距離對(duì)比度決定了前排和后排的同學(xué)是否都能夠看清。

對(duì)比度(單位：倍)是測試不同顯示設(shè)備在各種不同測試圖例條件下的白色與黑色比值，其中包括通斷比(全白/全黑的對(duì)比度)和棋盤格對(duì)比度兩種；不同的測試圖可以從多個(gè)角度衡量對(duì)比度特性。

在2 m和6 m測試距離時(shí)衡量對(duì)比度，不同的測試圖例輸入條件下會(huì)對(duì)測試結(jié)果產(chǎn)生影響，因此選擇黑白對(duì)比度和棋盤格對(duì)比度分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，測試結(jié)果詳見圖9、圖10。

圖9 黑白對(duì)比度

圖10 棋盤格對(duì)比度

黑白對(duì)比度方面，投影系統(tǒng)遠(yuǎn)高于FPD系統(tǒng)；棋盤格對(duì)比度方面，F(xiàn)PD系統(tǒng)略優(yōu)于投影系統(tǒng)。但實(shí)際應(yīng)用中，畫面對(duì)比度在50∶1以上即可，因此二者水平相當(dāng)，互有進(jìn)退。

7 視角

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)定義，可視角度(以下簡稱“視角”)就是人眼在觀察物體時(shí)從物體兩端(上、下或左、右)發(fā)出的光線在人眼光心處所成的夾角，因此將視角定義為視線與顯示設(shè)備的垂直方向所形成的角度?？梢暯嵌仍酱?，視野越開闊；顯示設(shè)備的可視角度越大，觀看者就能從更寬角度看清顯示圖像。垂直和水平視角示意如圖11所示。

圖11 視角效果示意圖

正常眼能區(qū)分物體上的兩個(gè)點(diǎn)的最小視角約為1″，相對(duì)而言物體尺寸越小，離觀看者距離越遠(yuǎn)，視角會(huì)越小。

實(shí)驗(yàn)過程中，視角(單位：度)是檢測不同顯示設(shè)備在不同距離的亮度可視角度，亮度可視角度為屏幕中心亮度減小到1/2時(shí)的水平可視角。視角大小決定教室不同位置的同學(xué)是否都能夠看到同樣的授課內(nèi)容，視角越大對(duì)于學(xué)生而言越好。通過測量不同設(shè)備在不同距離的可視角度所得結(jié)果如圖12所示，標(biāo)注點(diǎn)顏色越深表示亮度越高。

圖12 視角測試結(jié)果分布圖

上述結(jié)果顯示，F(xiàn)PD顯示系統(tǒng)的可視角則在40°～60°之間，而投影系統(tǒng)在不同距離、不同角度的亮度基本一致，在觀看時(shí)全程無死角，其視角優(yōu)勢由投影機(jī)和漫反射投影幕共同作用產(chǎn)生。

8 能效指數(shù)

在選擇實(shí)驗(yàn)指標(biāo)時(shí)首先應(yīng)區(qū)分功耗與能效兩個(gè)概念。功耗是指功率的損耗，簡而言之就是用電量。同等時(shí)間內(nèi)功耗越高，用電量越高。但顯示設(shè)備的功耗與其亮度、顯示尺寸等因素都存在密切關(guān)聯(lián)，因而僅用功耗來衡量顯示設(shè)備的系統(tǒng)性能存在一定片面性。

能效指數(shù)充分考慮到了產(chǎn)品本身的性能和功耗之間的關(guān)系，即性能越高，功耗越小，能效指數(shù)越高。在綠色、節(jié)能、環(huán)保的大環(huán)境下，用能效指數(shù)高的產(chǎn)品自然是優(yōu)先選擇。另一方面，能效指數(shù)在長期來看也與顯示設(shè)備壽命(或MTBF)存在一定關(guān)聯(lián)性，同等尺寸、亮度條件下，能效指數(shù)越高，功耗會(huì)越小，其設(shè)備自身內(nèi)散熱也可能會(huì)越小，進(jìn)而設(shè)備老化程度會(huì)延緩，自然而然設(shè)備壽命會(huì)相對(duì)較長。因此，以能效作為評(píng)判綜合性能的考量指標(biāo)更為科學(xué)合理，

因此，實(shí)驗(yàn)首先測量了不同顯示設(shè)備在播放不同片源時(shí)的功耗，之后再計(jì)算其能效指數(shù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表8所示。分析數(shù)據(jù)可知，投影系統(tǒng)在能效指數(shù)方面比一般平板顯示系統(tǒng)更具優(yōu)勢。

表8 功耗及能效指數(shù)測試結(jié)果

8 結(jié)論

綜合考量藍(lán)光能量、閃爍、工作噪聲、亮度衰減、對(duì)比度、視角、能效指數(shù)等指標(biāo)，投影顯示系統(tǒng)、平板顯示系統(tǒng)的綜合性能評(píng)價(jià)如表9、表10所示，其中“★★★★★”表示性能或評(píng)價(jià)最優(yōu)，逐漸次之。

表10 投影顯示系統(tǒng)與平板顯示系統(tǒng)分類綜合評(píng)價(jià)

通過分析表9、表10可知：在教育領(lǐng)域?qū)嵺`環(huán)境下，投影系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)以五顆星領(lǐng)先平板顯示系統(tǒng)兩顆星。

[1] 規(guī)劃綱要工作小組辦公室. 國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)[EB/OL].[2016-03-20].http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/moe_838/201008/93704.html.

[2] 國家技術(shù)監(jiān)督局.聲學(xué)——低噪聲工作場所設(shè)計(jì)：GB/T 17249.1—1998[S].[S.l.]:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

[3] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：GB 3096—2013[S].[S.l.]:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

齊 琪(1980— )，女，工程師，主要從事音視頻、多媒體標(biāo)準(zhǔn)化與測試方面的研究工作；

陳仁偉(1982— )，高級(jí)工程師，主要從事音視頻、多媒體標(biāo)準(zhǔn)化與測試方面的研究工作；

胡 鵬(1983— )，高級(jí)工程師，主要從事音視頻、多媒體標(biāo)準(zhǔn)化與測試方面的研究工作。

責(zé)任編輯：許 盈

Analysis of liquid crystal display and flat panel display in terms of health，safety and system performance

QI Qi1, HU Peng2, CHEN Renwei2

(1.ChinaElectronicsStandardizationInstitute,Beijing100007，China; 2.NationalDigitalVideoandAudioandMultimediaProductsQualitySupervisionandInspectionCenter,Beijing100176，China)

The experiment sense, which imitates students attend the class, are applied to test the LCD and FPD with indicators such as the blue ray energy, the flicker, the operating noise, the luminance degree, the contrast, the vision, and the energy efficiency index. Thorough the objective test, it is found that, the LCD subjects to a better comprehensive evaluation than that of FPD as a practical educational facility.

LCD; FPD; health and safety; system performance

齊琪，胡鵬，陳仁偉. 液晶投影與平板顯示健康安全、系統(tǒng)性能分析[J].電視技術(shù)，2016，40(12)：57-61. QI Q，HU P，CHEN R W. Analysis of liquid crystal display and flat panel display in terms of health，safety and system performance[J].Video engineering，2016，40(12)：57-61.

TN873

A

10.16280/j.videoe.2016.12.011

2016-04-20