馬穎琳

摘? 要：通過課程學(xué)習(xí)了解的光的本質(zhì)以及色彩的奧秘，在此基礎(chǔ)是進(jìn)一步學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)人眼視覺與光的復(fù)雜聯(lián)系。我們使用各種電子設(shè)備，最直接的人機交互環(huán)節(jié)就是電子屏幕發(fā)光成像與人眼視覺系統(tǒng)感知的作用過程，而青少年的視力問題是當(dāng)前廣受關(guān)注的問題，因此我們決定深入探究一下電子屏幕對青少年視覺的潛在傷害。通過檢索調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于電子屏幕對使用者的影響研究中比較主流的觀點是LED背光屏幕光譜中處于可見光譜末端波長在380～450nm之間的短波高能藍(lán)光分量偏高，直接構(gòu)成對眼睛視網(wǎng)膜的潛在傷害，這一觀點似乎得到了手機產(chǎn)業(yè)界的認(rèn)同，在很多手機上設(shè)計了護(hù)眼模式，市場上也有護(hù)眼防藍(lán)光的手機膜，在該研究中也將對此進(jìn)行驗證和探究。

關(guān)鍵詞：電子游戲? 視覺? 屏幕光譜

中圖分類號：TP391 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（a）-0217-03

1? 研究方法與步驟

1.1 基于人眼視覺原理的方法設(shè)計

視覺是通過視覺系統(tǒng)的外周感覺器官（眼）接受外界環(huán)境中一定波長范圍內(nèi)的電磁波刺激，經(jīng)中樞有關(guān)部分進(jìn)行編碼加工和分析后獲得的主觀感覺。視覺形成過程：光線→角膜→瞳孔→晶狀體（折射光線）→玻璃體（支撐、固定眼球）→視網(wǎng)膜（形成物像）→視神經(jīng)（傳導(dǎo)視覺信息）→大腦視覺中樞（形成視覺）。

人的眼可分為感光細(xì)胞（視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞）的視網(wǎng)膜和折光（角膜、房水、晶狀體和玻璃體）系統(tǒng)兩部分。其適宜刺激是波長為370～740nm的電磁波，即可見光部分，約150種顏色。該部分的光通過折光系統(tǒng)在視網(wǎng)膜上成像，經(jīng)視神經(jīng)傳入到大腦視覺中樞，就可以分辨所看到的物體的色澤和分辨其亮度。因而可以看清視覺范圍內(nèi)的發(fā)光或反光物體的輪廓、形狀、大小、顏色、遠(yuǎn)近和表面細(xì)節(jié)等情況。

眼睛的角膜和晶體組成眼的屈光系統(tǒng)，使外界物體在視網(wǎng)膜上形成倒像。角膜的曲率是固定的，但晶體的曲率可經(jīng)懸韌帶由睫狀肌加以調(diào)節(jié)。當(dāng)觀察距離變化時，通過晶體曲率的變化，使整個屈光系統(tǒng)的焦距改變，從而保證外界物體在視網(wǎng)膜上成象清晰。眼睛所能看到的最遠(yuǎn)的點和最近的點之間稱為調(diào)節(jié)范圍，就是我們通常所關(guān)心的視力，但影響視力的因素極多，因此我們在研究中不直接對視力進(jìn)行檢查取樣，將從瞳孔和光感受這兩方面著手進(jìn)行。

1.2 眼睛在視覺過程中的外在生理變化

我們的研究之一就是拍攝雙眼在不同狀態(tài)下的圖像，對眼球瞳孔的變化進(jìn)行客觀的分析和對比，通過眼球這一外在的直觀變化分析視覺對光的反應(yīng)反饋。眼睛中的虹膜呈圓盤狀，中間有一個小圓孔，就是我們所說的瞳孔。瞳孔正常值是2～5mm，它在亮光處縮小，在暗光處擴大，以適應(yīng)各種不同的環(huán)境。瞳孔的大小可以控制進(jìn)入眼內(nèi)的光量。一般人瞳孔的直徑可變動于1.5～8.0mm之間，瞳孔就像照相機里的光圈一樣，可以隨光線的強弱而縮小或變大。通過瞳孔的調(diào)節(jié)，始終保持適量的光線進(jìn)入眼睛，使落在視網(wǎng)膜上的物體形像既清晰，而又不會有過量的光線灼傷視網(wǎng)膜。瞳孔異常變化在醫(yī)學(xué)上是重要的臨床指征，我們將通過對正常眼睛的瞳孔在不同生活狀態(tài)下的變化進(jìn)行觀察記錄，并分析探究其兩者之間的關(guān)聯(lián)度。

為了便于記錄不同狀態(tài)下眼睛所觀察對象的亮度，我們特別設(shè)計了一副參考眼鏡，該眼鏡不安裝任何鏡片，但在鏡框鼻梁架的位置安裝一塊20mm×20mm攝影專業(yè)的中性灰測光板，用于同步拍攝記錄。測光板在照片中的曝光參數(shù)經(jīng)過換算可得等效于倆眼睛所接受到的外部平均光照強度，我們在下文中將此處所測得的光照強度稱之為“輸入光強度”;在鏡框上設(shè)置尺寸刻度線，用作拍攝照片瞳孔變化的尺寸參考基準(zhǔn)。

瞳孔觀察將記錄不同環(huán)境下眼睛注視手機電子屏幕畫面的各種瞳孔的變化情況。

1.3 光成像的視覺轉(zhuǎn)換與HSI模型

彩色電子屏幕從誕生之日起，基于其發(fā)光原理就使用了RGB顏色空間，即采用R、G、B相加混色的原理，通過電致發(fā)光原理產(chǎn)生紅綠藍(lán)3種光而組合產(chǎn)生色彩。這種色彩的表示方法稱為RGB色彩空間表示。時至今日無論是新一代的液晶屏幕，LED/OLED屏幕，以及內(nèi)部的圖像軟件，均一直沿用RGB顏色空間來定義顏色。

在RGB顏色空間中，任意色光F都可以用R、G、B三色不同分量的相加混合而成：F=r[R]+r[G]+r[B]。

RGB色彩空間還可以用一個三維的立方體來描述。當(dāng)三基色分量都為0（最弱）時混合為黑色光;當(dāng)三基色都為k（最大，值由存儲空間決定）時混合為白色光。RGB色彩空間是針對機器設(shè)備顯色處理的數(shù)學(xué)模型，但對于人類的視覺是另外一種情況。美國色彩學(xué)家孟塞爾（H.A.Munsell）提出了另一個數(shù)字圖像的模型HSI色彩空間，它反映了人的視覺系統(tǒng)感知彩色的方式，以色調(diào)、飽和度和亮度3種基本特征量來感知顏色。

HSI色彩空間是從人的視覺系統(tǒng)出發(fā)，用色調(diào)（Hue）、色飽和度（Saturation或Chroma）和亮度（Intensity或Brightness）來描述色彩。HSI色彩空間可以用一個圓錐空間模型來描述。用這種描述HIS色彩空間的圓錐模型相當(dāng)復(fù)雜，但確能把色調(diào)、亮度和色飽和度的變化情形表現(xiàn)得很清楚。通常把色調(diào)和飽和度通稱為色度，用來表示顏色的類別與深淺程度。由于人的視覺對亮度的敏感程度遠(yuǎn)強于對顏色濃淡的敏感程度，為了便于色彩處理和識別，人的視覺系統(tǒng)經(jīng)常采用HSI色彩空間，它比RGB色彩空間更符合人的視覺特性。HSI色彩空間和RGB色彩空間只是同一物理量的不同表示法，因而它們之間存在著轉(zhuǎn)換關(guān)系。

我們的研究之二就是運用HIS模型設(shè)計不同的針對視色覺敏感度的測試圖片，測試研究志愿者的主觀視覺敏感度變化。

2? 研究過程與分析

2.1 瞳孔觀察

瞳孔，是動物或人眼睛內(nèi)虹膜中心的小圓孔，為光線進(jìn)入眼睛的通道。我們嘗試通過觀察記錄在不同環(huán)境光亮度眼睛注視不同亮度的電子屏幕時瞳孔的變化反應(yīng)，研究其對眼睛的影響。

2.1.1 屏幕光譜對瞳孔的影響

前人的研究表明，目前的主流的LED背光液晶屏幕，其光譜中的藍(lán)光分量普遍強度偏高，我們分別對人眼看屏幕紅綠藍(lán)三原色時的瞳孔變化進(jìn)行了觀察記錄。觀測和分析結(jié)果顯示，我們視覺系統(tǒng)的瞳孔并不能對相同亮度輸出值的紅綠藍(lán)光做出特定反應(yīng)。

2.1.2 屏幕亮度對瞳孔的影響

通過觀察記錄，在相同的環(huán)境亮度中注視電子屏幕，屏幕亮度變化對瞳孔的影響沒有產(chǎn)生明顯有效的觀測記錄變化。

2.1.3 環(huán)境亮度對瞳孔的影響

智能手機等掌上電子設(shè)備一般使用距離在30～50cm之內(nèi)，屏幕亮度集中作用于人眼范圍，我們分別在不同的光照環(huán)境中進(jìn)行的觀察記錄，當(dāng)環(huán)境亮度低于100流明時，照片記錄的輸入光照強度主要為屏幕發(fā)光，但瞳孔對環(huán)境亮度的變化還會做出反應(yīng)。

2.1.4 顯示內(nèi)容對瞳孔的影響

通過觀察對比我們發(fā)現(xiàn)，在相近的輸入光強度情況下，不同的屏幕顯示內(nèi)容瞳孔反應(yīng)有所差別。我們知道瞳孔變化受副交感神經(jīng)和交感神經(jīng)控制，在光感相同的情況下不同的瞳孔變化直接反映了人的情緒變化，此原理廣泛用于心理學(xué)分析研究。因此我們可以判斷，備受關(guān)注的一些熱門的手游可以玩家處于興奮狀態(tài)，普遍表現(xiàn)出瞳孔變大的反應(yīng)，也間接地令玩家的視覺神經(jīng)接受更高的光強度刺激。

綜合上述觀察分析，我們可以發(fā)現(xiàn)在特定條件下，我們注視屏幕會接受到更高強度的光刺激。刺激感本質(zhì)上是人類的主觀追求，我們需要評估的是電子屏幕帶給我們的高強度刺激是否會對我們的視覺構(gòu)成潛在的傷害，因此我們還要在視覺接受“刺激”之后進(jìn)行對比測試，以判定我們的視覺表現(xiàn)是否如常。

2.2 視色覺敏感度測試

人體器官/功能的損傷往往是一個量變到質(zhì)變的過程，人體是一個頑強而復(fù)雜的生命體，除了有很強的耐受性之外，還有強大的恢復(fù)能力，因此我們主要還是通過觀察研究短期的生理疲勞表現(xiàn)，進(jìn)一步推斷其長期積累后的潛在傷害。

在這項測試研究中，我們選擇了青少年日常生活中最常見的幾種視覺視力狀態(tài)進(jìn)行取樣研究分析。

充分休息后;

晴天戶外（約1000～3000cd）活動1h;

夏季中午太陽光下（約為109cd）下活動1h;

室內(nèi)柔和燈光下（約100cd）看電視1h;

室內(nèi)柔和燈光下（約100cd）使用的手機進(jìn)行文字閱讀1h;

室內(nèi)柔和燈光下（約100cd）玩刺激的手機游戲1h;

在黑暗下玩刺激的手機游戲1h;

黑暗放映廳內(nèi)看電影（投影屏幕）1h。

2.2.1 測試設(shè)計

在測試中，我們以三原色為測試主調(diào)，在HSI三個維度（色調(diào)、飽和度、亮度）隨機生成相差3%、6%、9%的兩個顏色塊，供志愿者進(jìn)行辨別，記錄同一個體在不同狀態(tài)下其辨識圖片的梯度差異的準(zhǔn)確率，其準(zhǔn)確率的差別即為其視覺敏感度的差異。志愿測試者需要在60s內(nèi)完成30個色塊的辨別，3%的相差得分5分，6%得分3分，3%得分2分，總分100分。視覺敏感度測試將在各種持續(xù)60min的生活狀態(tài)中，期間按0（初始狀態(tài)）、8、15、30、60min的間隔進(jìn)行取樣對比。

2.2.2 測試分析

由于人視覺系統(tǒng)存在明顯的不可預(yù)知的復(fù)雜個體差異，因此我們的研究中重點在同一個體在不同生活狀態(tài)下的視覺差異度，即上述測試得分的變化率，而不至于是單項分值的絕對值。然后我們再對這種差異度進(jìn)行多個樣本的綜合統(tǒng)計分析。

3? 研究結(jié)論與建議

通過該項目，我們對電子屏幕對青少年視覺的影響，從眼睛外部的瞳孔變化比例、反應(yīng)速度，視覺內(nèi)部的色調(diào)、飽和度和亮度3種感知能力敏感度變化進(jìn)行了初步的定性和定量的研究分析，找出了青少年日常生活狀態(tài)中對其視覺系統(tǒng)構(gòu)成潛在傷害的主要因素和行為模式，并為減免這些潛在傷害提出建議。

在上述的研究觀察中，我們分析發(fā)現(xiàn)：在同樣的屏幕亮度下，動態(tài)畫面、刺激的游戲和黑暗的環(huán)境都會令人眼瞳孔張開更大，這是源于屏幕特性、情緒反應(yīng)和視網(wǎng)膜生理特點3種不同原因的效應(yīng)，這種情況下人眼會接受更高強度的光刺激;相對于不發(fā)光的靜態(tài)平面媒體，靜態(tài)的屏幕閱讀，人眼瞳孔的變化差異較少，屬于正常的光刺激強度。在大部分情況下，環(huán)境光亮度是影響瞳孔變化的主要因素，這種情況下意味著在過于昏暗的環(huán)境使用電子屏幕時眼瞳孔張開較大，人眼會接受更高強度的光刺激。

而在不同環(huán)境和行為模式中，對視色覺敏感度的影響（疲勞）大致如下：

夏季中午太陽光和黑暗下玩刺激的手機游戲均快速導(dǎo)致視色覺敏感度降低，室內(nèi)柔和燈光下玩刺激的手機游戲，黑暗放映廳內(nèi)看電影（投影屏幕）次之，其余情況在測試中均有明顯的敏感度降低的表現(xiàn)。

視色覺敏感度降低在生理上是一種應(yīng)激反應(yīng)，也是生活中“用眼”的疲勞狀態(tài)表現(xiàn)，人體大部分的生理疲勞在充分休息之后都可以自然恢復(fù)，而長期“疲勞”可能會造成無法逆轉(zhuǎn)的疾病和損傷。該研究的目的是尋找和驗證電子屏幕對青少年視覺造成“疲勞”進(jìn)而可能是潛在傷害的關(guān)鍵因素，并且提出對應(yīng)的措施。

在該研究中，近距離長時間注視造成的視力（屈光系統(tǒng)）疲勞和近視不在研究范圍，但主要的研究結(jié)論證明長時間專注一種行為模式，尤其是注視電子屏幕，會導(dǎo)致明顯的視色覺疲勞，因此勞逸結(jié)合的用眼習(xí)慣是最基礎(chǔ)的用眼衛(wèi)生要求，越是光刺激強度大的用眼活動，越是要控制用眼活動的時長和間隔休息時間。

以此同時，營造合理的環(huán)境亮度也是青少年在使用電子屏幕時一項重要的保護(hù)措施。

3.1 對“視力”影響的思辨

對通常而言的屈光不正的視力問題，我們通過物理光學(xué)的學(xué)習(xí)知道，透鏡對焦（屈光系統(tǒng)）只與物距、像距和屈光度數(shù)相關(guān)，而與通過的光強度和光譜無關(guān)。電子屏幕的再現(xiàn)畫面是在屏幕的顯示屏幕上，本質(zhì)上也是一種平面媒體，也就是說，在相同物距和時間段之內(nèi)，我們看電子屏幕和看書看報，對視覺的屈光系統(tǒng)而言是一樣的。因此屈光不正的視力問題同樣和電子屏幕的使用無關(guān)直接的因果關(guān)系。

在實際生活中，我們會因為智能手機的便利性，手游的成癮性而增加了很多近距離注視電子屏幕的的時間，造成屈光系統(tǒng)的過度疲勞進(jìn)而形成不可逆轉(zhuǎn)的近視，這是顯而易見的狀況，但這種狀況是與內(nèi)容相關(guān)，與我們的閱讀需求/習(xí)慣相關(guān)，就如同很多文人學(xué)者會因為長期的閱讀和書寫而造成嚴(yán)重的視覺疾患，這與電子屏幕的本質(zhì)特性無關(guān)。

3.2 對屏幕藍(lán)光問題的探究

關(guān)于屏幕的藍(lán)光問題是課題展開后檢索到的一個熱點話題，我們同樣使用了光譜儀對幾個手機樣本進(jìn)行的檢測，驗證了網(wǎng)絡(luò)中的測試結(jié)論。在設(shè)備的的RGB色彩再現(xiàn)原理中，為了盡可能完整地再現(xiàn)人眼可見的色域，屏幕的光譜設(shè)計就必須符合上述的測試圖譜，這是物理和數(shù)學(xué)的理論限定。

對于文章提到的藍(lán)光危害性，歸根結(jié)底還是一個“劑量”的問題，我們在使用中避免持續(xù)地接受藍(lán)光（包括白光），除了前文提到的預(yù)防措施之外，在一些壁紙背景等非嚴(yán)格限定色彩的地方盡可能使用暖色調(diào)的顏色，這也是我們?nèi)粘Ｉ钪懈杏X溫暖舒服沒有壓力的色調(diào)。

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