（安全技术及工程专业论文）夜间机车驾驶环境中液晶显示器视觉工效的研究.pdf

ab s tr act t h e d e v e lo p m e n t o f s t a n d a r d iz a t i o n o f lo c o m o t iv e c a b a n d o n e - d r iv e r h a s le d t o t h e p a r a m e t e r s in t e g r a t io n a n d d is p la y i n g in t e ll ig e n ti z a t io n in l iq u id c r y s t a l d is p la y s ( l c d ) in c h in e s e r a ilw a y s y s t e m . wh ile t h e t r a in r u n n in g , t h e p o o r l ig h t in g - d e s ig n a n d la y o u t o f t h e c a b w o u ld c e r t a in 扮 r e s u lt in t h e r is e o f g la r e w h ic h c o n s e q u e n t ly m a y b e le a d t o v is u a l f a t ig u e o f d r iv e r s . t h e b a d im p a c t 川g la r e a n d v is u a l f a t ig u e o n r e a d a b i lit y a t l c d w ill d ir e c t ly a f f e c t 小 e e f fi c i e n c y o f t h e m a n - m a c h in e in t e r a c t io n a n d e v e n小 e s a f e t y o f a r o a r i n g t r a in t h is p a p e r s t u d ie s a n d e v a lu a t e s t h e lig h t in g - d e s ig n o f c a b s a n d v is u a l e r g o n o m ic s o f l c d a f te r s ta n d a r d iz a t io n o f lo c o m o t iv e c a b s . a n d t h e m e th o d p r o p o s e d in t h e p a p e r c o u ld m e a s u r e a n d a n a ly z e g la r e a n d v is u a l 侧ig u e 俪即e f f e c t iv e ly . a c c o r d in g ly , t h e s t u d y c a n b e n e f it o th e r r e s e a r c h o n v d t w o r k . t h e m a in p r o d u c t io n s o f t h e p a p e r in c lu d e t h e f o ll ow s : 1 ) i t is c a r r ie d o n th a t th e r e s e a r c h w o r k o n t h e m e c h a n is m , m e a s u r e m e n t a n d e v a lu a ti o n o f g la r e o f t h e l c d in s ta l e d in th e c u r r e n t c a b o n t h e r a ils即 r e f e r r in g t o th e u n if ie d g la r e r a t in g ( u g r ) a n d g g r ( g r e a t s o u r c e g la r e r a t in g ) w h i c h is p r o p o s e d b y c i e (t h e i n t e r n a t io n a l c o m m is s io n o n i l lu m in a t io n ) , a g la r e r a ti n g s y s t e m is e s t a b lis h e d o n lo c o m o t iv e c a b s o n th e r a ils a t n ig h t a n d a c c o r d in g 尔 a n e x p e r im e n t a n d m e a s u r e m e n t a r e m a d e in a c a b o n a s p o t e n v i r o n m e n t . i n c o n c lu s io n , it is o b t a in e d t h a t th e m e c h a n is m a n d t h e in d ic e s o f d is c o m f o rt g la r e o , t h e l c d in s ta ll e d in t h e c u r r e n t c a b o n t h e r a ils u n d e r th e r u n n in g c o n d it io n o f lo c o m o t iv e s d u r in g n ig h t - t i m e . a n d a ls o , f o u r r e a s o n a b le a m e lio r a t io n m e a s u r e s a r e d e v e lo p e d in t h is p a p e r . 2 ) a n i n v e s t ig a t io n i s c a r r ie d o n in t h e r e s e a r c h w o r k o n v is u a l c h a r a c t e r is t ic s , g la r e , v is u a l e r g o n o m ic s a n d m e a s u r e m e n t o f v is u a l f a t ig u e . b y r e f e r r in g t o t h e t h e o ry o f e r g o n o m i c s a n d d ig it a l i m a g e p r o c e s s in g a n d c o m b in i n g o t h e r m e t h o d f o r e v a lu a t in g v is u a l f a t ig u e , a f e a s ib le m e t h o d o f v is u a l f a t ig u e d e t e c t e d a n d a n a ly z e d b a s e d o n e y e m a r k is p r o p o s e d . a n d f u r t h e r m o r e , a n e x p e r im e n t h a s b e e n m a d e t o s t u d y t h e v is u a l f a t ig u e d u r in g l c d t a s k s in l o c o m o t iv e c a b s d u r in g n ig h t - t im e t o t e s t 时 t h e m e t h o d . a c c o r d in g 扮 ， t h e c u rv e s c o m e in t o b e i n g b e t w e e n g la r e , d u r a t io n o f t a s k s a n d v is u a l f a t ig u e , w h ic h w o u ld c o n t r i b u t e t o t h e f u rt h e r s t u d y o n v is u a l e r g o n o m ic s a n d s t a n d a r d iz a t io n o f l ig h t in g d e s ig n o f lo c o m o t iv e c 日 be . k e y w o r d s : lo c o m o t iv e d r iv in g e n v ir o n m e n t ; l iq u id c ry s t a l d is p la y s ( l c d ) ; v is u a l e r g o n o m ic s ; g la r e m e a s u r e m e n t ; v is u a l f a t ig u e 北京交通大学硕士学位论文第一章 概述 第一章概述 1 . 1研究背景 当前随着我国铁路的不断提速，夕发朝至客运列车的大量开行， 乘务员对超速防护显示器监视负荷的加重，铁路路况复杂以及机务改 革向单人操纵方向发展，对机车司机室的控制器、显示器、指示器以 及前照灯等光环境照明提出了新的要求。 目 前我国机车司机室显示设备出现参数集中化、显示智能化的趋 势， 机车驾驶时，由 于不合理的照明设计和司机室布局导致的司机室 内眩光的出 现以 及由此可能带来乘务员出现视疲劳现象，这直接对司 机室液晶显示器 ( l c d)的认读产生危害，并直接影响到人机交互的 有效性和列车的行车安全。 车载超速防护显示屏和状态显示屏是机车司机室这一典型的人- 机一 环境系统中的人机交互的主要媒介之一。 作为液晶显示器的一种应 用，其具有显示容量大、形式灵活、信息编码资源丰富、 可调节等众 多优点。 但是目 前，司机室内 环境照明的不合理导致眩光的 存在，液 晶显示器本身在屏面亮度和对比度调节性上的局限性， 严重影响了乘 务员对液晶显示器的认读， 其极易造成乘务员视疲劳， 工作效率下降， 进而影响行车安全。研究和解决机车司机室内的 l c d上眩光的产生 机理以及在此基础上对乘务员的 v d t作业造成的视疲劳现象进行分 析和解决是一个十分重要的任务。同时，本论文对液晶显示器的视觉 工效的研究， 对于其他v d t 作业的研究也具有参考和借鉴意义。 1 .2研究现状 显示器是视觉作业中不可缺少的信息显示装置，常见的显示器有 阴 极 射 线 管( c a t h o d e r a y t u b e s 简 称c r t ) 、 液晶 显 示 器( l i q u id c ry s t a l d i s p l a y 简 称l c d ) 和 等离 子 体 光 显 示 器 ( 简称p l a s m a d i s p l a y p a n e l 北京交通大学硕士学位论文第一章 概述 简称 p d p ) 。不同 类型的显示器其物理光学性能各异， 对视觉系统产 生的影响也不同。随着显示器使用量的逐渐增加，人们对显示器的视 觉特性研究越来越多。 由 于c r t是技术最为成熟、 最早使用的显示器， 所以国内外专家对以 c r 7 ， 为显示装置的视觉作业的研究也比较深入 和成熟，相比之下，l c d和 p d p投入使用的时间比较短，对其视觉 作业的研究还比较少。 1 9 7 9 年， 美国r e i t m a i e r 等人利用l a n d o l t 环进行视觉作业研究并 揭示了 顶棚反 射与视觉功效之间的 关系 e l l . c a s n e r , s .m . 等人对影响 c r t 视 觉作业的因 素 进 行了 分析2 1 , o s t e r h a u s , w .k . e .等人 对大面积的 眩 光 源 对 计算 机 视 觉 作 业的 影响 进 行了 实 验 3 。 英国u e t a k e .a .等 人 对 不同 环境照度下显示器对视疲劳的影响 进行了 研究4 。日 本m u r a t a k 和a r a k i s 等人研究了v d t 作业对人的神经和视疲劳产生的作用和危 害p i . a t s u s h i u e t a k e 和a t s u o m u r a t a等人采用日 本n a c公 司的眼动仪 ( 基于 e mr 7改进) ，通过同步测量人眼瞳孔直径尺 寸变化，眼动以及人眼近点调节速度和幅度三个指标，并结合主 观评价，综合分析了v d t作业 ( c r t ， 显示器)的视疲劳现象6 日 本和韩国的学者对 l c d设计和使用中涉及的人的因素问题也作了 不少研究， 但大多是采用反射式l c d ， 而我国机车采用的是有源矩阵 l c d ， 它与反射式l c d在光学性能上有一定差异 1 8 0年代以 来， 我国的许多专家和学者对 c r t的视觉工效展开了 研究，取得了大量成果。 朱祖祥等采用作业和眼肌调节时间变化率作指标， 研究了计算机 终端c r t显示的亮度对比度对视觉功能的影响， 分析了 视觉显示终端 屏面亮度水平和对比 度对视疲劳的关系。结果表明，在屏面背景亮度 为2 0 c d / m 2 左右时， 对比 度在8 : 1 - 1 2 : 1 范围内 具有最佳的视觉功能; v d t的字符与屏面亮度对比对操作人员的视疲劳有明显影响。 屏面亮 度2 0 - 4 0 c d / m z 时， 9 : 1 - 1 1 : 1 范围的 对比 度所引 起的 视疲劳程度最轻。 超过这一对比度范围，都容易引起视疲劳，对比度愈趋高、低两端， 北京交通大学硕士学位论文第一章 概述 引起的视疲劳愈深18 1 19 1 . 梁宝勇、许连根采用眼的调节幅合时间，亮度辨别力和视疲劳的 主观评价作指标，比较了八种照明条件下勾销工作所造成的视疲劳， 得出了较一致的结果。实验者就视疲劳的测量问题进行了初步探讨 1 0 1 1 9 % 年，许昆明，毛福英等采用生化法，通过测定 v d t作业者 的血清、红细胞，眼晶状体浑浊体和角膜荧光染色阳性的检测，分析 v d t 作业者的 视疲劳现象以 及v d t 作业的 职业危害性 1 1 1 1 9 9 7 年， 杭州大学心理系王满红等人采用搜索速度， 眼肌调节幅 合时间变化率、主观评价法三项指标对 v d t作业的显示极性与环境 照明的视觉工效进行了研究，得出了 v d t显示极性、照明强度与视 疲劳的相对关系 四。 顾益敏、俞丽华等采用数字校对、光栅圈、兰道环等视觉作 业的速度及正确率，并通过对被试的主观感受调查，研究了荧光 灯闪烁与视疲劳的关系，得出降低荧光灯闪烁可减轻视疲劳程度 1 3 1 1 4 1 顾力刚等人研究 v d t作业的视负荷对眼球固视运动系统的 影响，及其与视疲劳之间的关系，并利用固视状态下的眼球运动 来评价视疲劳， 在此基础上， 进一步分析了v d t劳动对作业者视 觉生理系统机能的影响和引起视疲劳的主要因子，并提出了管理 对策 1 5 1 - 1 8 1 l c d显示器作为一种新型的视觉显示器，显示特性与 c r t 有所不同。 而且不同物理结构和型号的l c d显示器的显示特性和 视觉特性也不相同，即使是同一显示性能或同一显示指标的显示 器在不同的照明水平和照明方式下，亦可呈现不同的显示效果， 尤其是在机车工作环境中使用， 必须对l c d显示器的视觉作业进 行研究，才能对其所需要的照明条件提出切实可行的工效学要求 和可操作的现场测试指标与评价标准。 北京交通大学硕士 学位论文第一章 概a 1 .3 研究 任 务 和 论 文主 要内 容 l c d器下的视觉t效与环境照明、 显示器本身m 度、 对比 度都有关。机车司机室照度受时间、天气、 行车路线等因素的影响， 是一 个始终不断变化且难n 控制的环境变量。在不同的路冼、天气和 时间情况下照明条件变 化很大， 造成显示器的 视觉1效差异很大，目 前，国内机车司机皇内 照明设计主观性很大， 没有一定的规范， 不合 理的照明设计和司 机室 布局必然导致司 机室内l c d眩光的出现以及 不i it 避免造成乘务员出 现视疲劳 现象。对执车司 机室内l c d眩光和 视觉工效的研究不仅是母 机室内 整体照明得到改善，更重要的是它涉 及安全问 题a 这也是我国 新的司 机室规范化要求的发展需要。当前， 国内 在视觉眩光方面傲的 工作不多，尤其是针 对机车司 机室内的眩光 与视觉工效方面的 研究，尚未见有 .公开的文献报道。为此， 本文将在 前人对眩光和视觉工效的研究基础上对吕 前机车上己 经安装的 i c i 显示器的眩光及其对视觉工效的影响进行研究。 考虑到具休的实验环 境和实验条件的限制， 本文选定在夜闻 机车驾 驶环境中， 对 l c d显 示器视觉工效进行相应的 研究。 本文的研究工作可分为二大部分: 1 . 针对机车司 机室内l c d上的眩光， 特别 是在机车正常夜间 运 行下司 机室内l c d上的 眩光的产生的原因及其对l c d认读的影碗进 行了深入的研究。 在国内 机车司机案内引用了c im统一眩光评价系统 和g g r 方法，对我国 机车司机室内的lcd 光进行了 分析和评价. 并根据上迷系统和方法， 通过在夜闷行车环境下对司机室内 l i m 上 眩光的 一系列测试实验， 分析 l c d上眩光的产生机理及其等级，并 与 操作者的主观测 评作比照 验证。 本论文还针对眩光对机车司 机的视 觉工效的影响进行初步分析， 提出机车夜p 7 运行时室内 光a及光照度 布置的参考方案。 z .在土述研究基础上，利用人体眼注视测量系统， 将人机1程 学的视觉研究理论方法和成果与计算机图像处理理论和技术有机结 北京交通大学硕士学位论文 第一章 概速 合， 对机车车载液晶 显示器在夜间不同 环境照明和视觉作业内 容下的 乘务员视疲劳现象进行探讨性研究。在对比分析目 前国内各种视疲劳 的分析和测定方法基础上，建立一种可行的视疲劳分析和测定方法并 进行实际应用。 北京交通大学硕士学位论文 第二章 眩光与视觉工效 第二章眩光与视觉工效 本章根据研究任务的需要，引入人眼的视觉机理及其特性的基本 概念，根据相关的眩光和视觉工效的国内外研究进展及相互关系，对 视觉工效的测定方法进行了探讨。 2 . 1视觉 视觉是人类与外部世界发生联系的最重要的感觉通道。人们所掌 握的关于外部世界的 信息有8 0 % 以 上是通过视觉获得的1 9 。 因此， 视 觉和视觉显示器是人机系统中用的最多、作用最大的人机界面。人在 人机系统中的效率和工作可靠性很大程度上取决于视觉显示器与人 的视觉功能的匹配程度。本节主要从视觉作业相关的角度对人的视觉 基本特点及视觉功效作一探讨。 2 . 1 . 1视觉概述 一视觉系统 一个完整的视觉系统应包括眼睛、视觉传入神经和大脑皮层视区 三个部分。眼睛是视觉系统的外周部分，它是一个直径约为2 3 c n m的 球状体，故称眼球。 其横断面结构 如图2 - 1 1 9 所示 人眼是光的接收器，其结构与功能和照相机有些相似。它包括折 光部分和感光部分。折光部分包括眼球最前面的透明组织一角膜和白 色不透明的 巩膜。 角膜凭借其弯曲 的 形状实现眼球的折光功能。 巩膜 主要起巩固和保护眼球的作用。巩膜位于角膜和晶状体之间，中央有 一圆孔叫瞳孔。瞳孔的大小由 巩膜的扩瞳肌和缩瞳肌的拮抗活动来控 制。瞳孔的主要功能是调节进入眼内的光量。在强光下瞳孔缩小， 使 进入眼球的光量减少，以免视网膜遭强光刺激而受损伤。瞳孔后面是 晶状体。晶状体起着对远近不同 物体的聚焦调节作用。这种调节通过 北京交通大学硕士学位论文第二章 眩光与视觉工效 改变晶状体的曲率半径来实现。 看远物时，晶状体成扁平状，曲 率半 径增大，折光能力减少，反则反之。晶状体起着类似于透镜的作用， 保证来自 外界物像的光线在网膜上聚焦，使之形成清晰的倒像。 视网膜是眼睛的感光部分，内有两种感光细胞一视杆细胞 ( 杆体 细胞)和视锥细胞 ( 锥体细胞) 。视杆细胞对人的感受性较视锥细胞 约强五百倍，主要在暗视觉条件下起作用，但它不具备视锥细胞那样 的分辨物体细节和辨认颜色的能力。视网膜上的感光细胞将接收到的 光刺激转化为神经冲动。神经冲动沿传入神经传向中枢和大脑。 视觉的产生是先由眼球的屈光系统是外界物体成像于视网膜上 2 0 1 ， 感光细胞受光刺激后， 产生电 荷信号， 使视神经产生兴奋， 并传 至视觉中枢， 这样就形成了一个完整的视觉行为。光进入眼睛后产生 的视知觉，是看见明暗、物体形状、颜色、物体运动和立体知觉等知 觉的综合，是大脑和眼睛密切合作而形成的。 二.空间辨别 1 .视敏度 视敏度又称视锐度或称视力， 是视觉辨认外界物体细节特征的能 力，通常用被辨别物体最小间距所对应的视角倒数表示。人眼能分辨 北京交通大学硕士学位论文 第二章 眩光与视觉工效 的最小视角愈小，视敏度愈高。一般用视力表上兰道环 “ c ”或字母 e ”的开口方向测定视敏度。人的视敏度易受一系列主客观因素的 影响。 客观因素包括照明和视标运动速度等， 照度越高、 刺激物越大、 刺激物与背景的亮度对比越大，视敏度越大;主体因素主要指视觉感 官的结构和机能特点， 如果人有视疲劳感， 眼睛水晶体调节能力降低， 视敏度也往往降低。 2 .觉察 觉察只要感知对象的存在与否，而无须分辨对象的细节，能否察 觉目 标虽然受目 标大小的影响，但起决定作用的是目 标的亮度。当眼 睛疲劳时，视觉感受能力降低，觉察能力也会受到影响。 三.时间辨别 视觉器官对间歇光刺激的时间辨别主要表现为对不同频率的闪 光刺激的分辨能力。当光刺激的闪动频率低时，观察者看到一系列的 闪光，频率逐渐增加时，变为粗闪、细闪，当增加到一定程度时，人 眼就不再感到是闪光，而感到是一种固定和连续的光。这样一种频率 就叫闪 光融 合 频率或闪 光临 界 频 率( c r i t i c a l f l i c k e r f r e q u e n c y . c f f ) . 它是人眼对光刺激时间分辨的指标. 不同的人的c f f的差异很大， 但一般达到3 0 - 5 0 次秒就不再有闪 烁感觉。 c f f 不仅与刺激光的亮度、面积和光色有关， 还与视看者的 年龄、是否疲劳有关，视疲劳会降低闪光融合频率。 2 . 1 .2视觉功效 l .基本概念 视觉功效 ( v i s u a l p e r f o r m a n c e )是指根据视觉作业的速度和精确 度 评价的 视觉能 力 2 1 ， 包括视 觉对比 辨认和区 别 视觉作业 对 象细 部的 能力。视觉功效对不同的人来说，其意义也不同，但它总要通过客观 测量手段来研究从事一定视觉作业人们的能力， 这里使用的是“ 能力” 北京交通大学硕士学位论文第二章 眩光与视觉工效 而非其他界定更为严格的词是因为视觉功效研究覆盖面广，从速度、 精确度、付出的努力到疲劳。速度与精确度与作业绩效有关，而疲劳 和付出的努力与人们为维持与达到一定的效能、从而使作业能持续进 行下去所消耗的联系在一起。因而，视疲劳的增加与否，往往能在被 试的视觉功效上反应出来。 2 .视觉功效的研究方法 视觉作业可分为实际作业和典型作业。前者是现实生活中存在 的， 如纺织、精密零件加工等，完成者就是实际的操作者; 后者是为 了研究的方便而简化了的作业，如限定条件下的阅读文章、搜寻字符 等，完成者是按一定条件下挑选出的被试。这两类作业各有利弊，互 为补充。 如果典型作业脱离了实际作业，就失去了研究的意义;实际 作业不借助典型作业总结出一般的规律就将极大地限制研究成果的 推广。所以，通常要通过一种分析方法，使典型作业以量化的关系与 实际作业联系起来，使得出的视觉环境与视觉的关系更具有实用性和 普遍意义【2 2 目 前，国际上公认的分析方法是 l a n d o l t 环的辨认。这一构想是 b e u t e ll a .w.在1 9 3 4 年提出 来的 123 1 . l a n d o l t 环是一个有缺口的圆 环， 其缺口的大小d 与环宽d 相等， 并且等于圆环外径d的五分之一， 如 图2 - 2 所示。 图2 - 2 l a n d o l t 环与视觉敏锐度的关系 l a n d o l t 环共有上、 下、左、右、左上、左下、 右上、 右下八种缺 北京交通大学硕士学位论文第二章 眩光与视觉工效 口 方向，缺口的大小对人眼形成的视角记作a a 一 手 (。) 一 ， 44 0 4 / 1( ) 式中，l 为眼睛到目 标的距离，d 为目 标细节尺寸。 ( 2 - 1 ) 1 由于视觉敏锐度等于刚能分辨的视角的倒数，即 所以，l a n d o l t 环的辨认与视觉敏锐度 v直接相关。 v， = 一 a 临 v _ - 二 一 ( 2 - 2 ) 有关视觉闽限的测量工作都是用l a n d o l t 环进行的。 f o u r t i n , b a l d e r 和f o r t u i n 2 0 】及张华忠、 荆其诚u 1 、 朱祖祥、 葛列众$ 26 1 等人己 先后采 用 l a n d o l t 环对不同照明条件下视觉阐限及视觉功效进行了研究。结 果表明， 辨认l a n d o l t 环这一视觉作业的功效主要与l a n d o l t 环与对比 度c . l a n d o l t 环缺口尺寸d 及环境照度e有关。 l a n d o l t 的第一次大 规模实验是由we s t o n 等人于1 9 5 3 年完成的， 实验的部分结果见图2 - 3 . 图中横轴为照度值， 单位玩， 纵轴表示视觉功效， 每条曲线表示在不 同对比度 c和细节尺寸d 下的功效值。 ( 川 落 二 ， c ) 弘盯”弘玲拍，728弘” 抢曰0的u品臼品u几uu000 i o n 1 0 0 0 1 0 . 0 0 0 图2 - 3视觉功效同目 标对比 度c 细节尺寸d 及环境照度e 之间的关系 从we s t o n 的实验结果可以得出: ( 1 )随着照度的不断增加，视觉功效的提高将趋于饱和，即提 北京交通大学硕士学位论文第二章 眩光与视觉工效 高的幅度越来越小直至不再随照度的 增加而增加。 ( 2 )上述饱和点与作业的对比度c和细节尺寸d 密切相关。c , d 的值越小，与饱和点对应的照度值就越大。 ( 3 )改变作业本身的性质 ( 如c , d 值)比改变照度水平更能有 效地提高视觉功效。 ( 4 )仅仅提高照度水平，不会使低对比度、小细节尺寸作业的 视觉功效达到高对比度、大细节尺寸的作业水平。 由于只改变 l a n d o l t 环的缺口尺寸和对比度就能达到改变作业难 度的目的，因此利用 l a n d o l t 环作为视觉功效研究的分析工具是非常 成功的，它能够迅速地测定出 某一视觉环境变量 ( 如照度、亮度、对 比 度等)与作业功效之间的关系。并可进一步与现实生活中的实际作 业( 只要作业可归结为细节尺寸和对比度这两个因素) 产生直接联系， 用它测得的结果适用于实际视觉作业，至少也能为实际作业提供一个 基本依据。 所以l a n d o l t 环被广泛应用于各种视觉环境的 研究中， 本 文将l a n d o l t 环判读法应用于l c d显示器视觉功效和作业效能的研究 中。 2 . 2眩光 自 从有电光源的那一刻起，人们就认识到了眩光。眩光与光的关 系就如噪声与声。 若视场中有极高的亮度或亮度对比时，即 造成视觉 功效降低和人眼睛的不舒适甚至疼痛感，这种现象统称为眩光。 从知 觉的角度来看， 眩光的问 题与一个刺激的 关联性有关， 不论它的 亮度 有多大，只要它妨碍了我们对于想看或需要看的对象的知觉时 ( 即为 视觉噪音) ，就成为了眩光。 2 . 2 . 1眩光概述 国际照明学会 ( c i e )从视觉状态出发，将眩光又分别定义为不 舒适眩光 ( d i s c o m f o rt g l a r e ) 和失能眩光 ( d i s a b i l i t y g l a r e ) 。 不舒适眩 北京交通大学硕士学位论文第二章 眩光与视觉工效 光常常随着时间的推移而加重人们的不舒适感觉， 但不一定降低目 标 的能见度。失能眩光则降低看目 标的能见度。在室内照明中，不舒适 眩光比失能眩光更难解决。如果能够有效地控制由灯具引起的不舒适 眩光， 失能眩光也就得到了很好的控制。 也有人将前者称为心理眩光， 后者称为生理眩光。因此，在眩光的研究中也有二种评价指标和评价 系统，在其应用中也有差异。 1 .不舒适眩光 不舒适眩光又称心理眩光，其效应主要是视觉上的不适。研究表 明， 所示 影响 不 舒 适 眩 光效 应的 基 本因 素主 要 有 下列 四 个， 见图 ( 2 - 4 ) (2 7 ) ( 1 ) 眩 光 源 所 处 的 背 景 亮 度 l i ， 当 周 围 环 境 较 暗 时 ， 眼 睛 的 适 应 亮 度也随着降低，这时即使有亮度较低的光，人眼也会感到有明显的眩 光; ( 2 ) 眩 光 源的 亮度l , ， 它 们的 表 面 亮 度愈 高， 眩 光愈 显 著; ( 3 ) 眩光源的 表现立体角。 ，即光源面积越大， 眩光越显著; 光源 与眼睛的距离，显然两者越接近，眩光越明显; ( 4 ) 眩 光源离 开视 线的 仰角b , b 越接近9 0 0 ， 射向 越接近视网 膜的 中心视场，刺激就越大。 图2 - 4影响 不舒适眩光的因 素 除了上述四个因素外，不舒适眩光的影响也有随观察者年龄增大 而逐渐增大的趋势，即年龄大的观察者更易受眩光的干扰。另外， 不 同的观察者对眩光的敏感程度也有所不同。 北京交通大学硕士学位论文第二章 眩光与视觉工效 常见的不舒适眩光的评价方法有美国的视觉舒适概率法 ( v c p 法) 、英国的眩光指数法 ( g i 法) 、德国及国际照明组织 ( c i e )推荐 的亮度曲线法 ( l c法) 。我国也推荐采用l c法。 2 .失能眩光 失能眩光是生理上的实际感受，它与不舒适眩光的主要差别在于 它能使观察者视野中观察对象的能见度下降，引起视觉作业绩效的降 低。很多情况下，失能眩光也会伴有不舒适感出现。 本2 0 世 纪 初， n u t ti n g 研 究了 亮 度 和 对比 度 对 视觉的 影响 2 s 。 在 2 0 世纪由h o ll a d a y 和l u c k i e s h 提出 了 等 效光幕亮度的 理论 【2 9 13 0 1奠 定了失能眩光的理论基础。 他们认为失能眩光存在的程度与眩光源的 仰角0 和光源在视网膜上产生的照度e有关。 s ti l e s 发展了上述理论 3 2 1 ，并提出了由眩光源产生的等效光幕亮度 ( e q u i v a l e n t v e i l i n g l u m i n a n c e )的定量计算公式 l v = k e l o ( 2 - 3 ) 式中k , n 为常数. 这一基本理论认为，由 于眩光的存在会引起临界对比 度的增加， 而这一增量等效于某一个光幕亮度的 作用结果。 h o l l a d a y 认识是均匀 地覆盖在背景和目 标上的光幕亮度减少了目 标的等效对比度，这个等 效对比 度的减少量就等于视场内眩光源所引起的对比度损失。因为这 个光幕亮度是根据等效视觉效果建立起来的，所以称等效光幕亮度。 2 .2 .2眩光分类 通过对照明质量的研究，我们知道影响照明 质量的因素很多，其 中最主要的还是眩光。眩光按其形成的方式可分为下列四种: 1 . 直接眩光。 在视线上或视线附近有高亮度的光源， 如灯、 窗等 等，形成难以忍受的强烈光线，即直接眩光。一般所说的眩光即这种 眩光。 2 .反射眩光。这种眩光是由光泽面反射出高亮度光源形成的。 北京交通大学硕士学位论文 第二章 眩光与视觉工效 但由于反射面的光泽度不同，反射出光源的亮度大小不同，并区分下 面两种不同情况: ( 1 )光泽的表面能够把高亮度光源的象清楚的反映出来，这种 反射眩光的的机理和效应与上述的直接眩光相似，因此很少专门论 述。 ( 2 )光泽的表面反射出光源的亮度较低，且不能清楚的看出光 源的像，然而却使被观察目 标的对比度降低，减少了能见度。这种现 象称为反射眩光不太确切，因此把它称为光幕反射或光炜反射或模糊 反射。光幕反射在很多情况下都存在，且不易被发现。近年来，随着 对照明质量研究的深入，光幕反射问题也日益受到重视。 3 .由极高的亮度对比形成的眩光。尽管观察目 标与其背景之间 的对比 度越大能见度越大，但是对比度过大，形成了亮度的极强对比 也会产生眩光，这种现象在日常生活中也常常遇到。例如，在离窗稍 远一点的地方迎着窗面看书，书本上的照度足够读书的条件，由于窗 口露出的天空亮度远远大于书本上的亮度，这时读者就会感到眩光或 看不清书本上的字。如果将露出天空那部分背景遮挡起来，虽然书本 上的亮度没有变化，这时读者也会感到字迹清楚，视觉舒适。这就是 因为窗口的亮度与书本之间形成了极强的对比而产生了眩光，遮挡后 眩光消除，视觉就舒适了。 4 .由于视觉不适应而产生眩光.当人们从暗处急速到明亮处， 虽然这种亮度不致于形成眩光，但是由于以适应暗处的眼睛不能马上 适应这种亮度的环境，因而产生眩光。 2 . 2 3 c i e 眩光研究进展 1 9 2 6 年， l .l .h o ll a d a y 第一次系 统 地对视觉中 眩 光现 象进 行研究 3 0 ) 3 1 1 ， 并作了 详细的阐述。 由 于眩光存在的 普遍性和危害性， 许多生 理和心理学家对其进行了分析和研究。但由于科学发展的局限性，对 视觉机制本身并未达到完全认知的境界，大部分工作是局限于实验阶 北京交通大学硕士学位论文第二章 眩光与视觉工效 段，希望通过对实验得到的数据进行统计分析，总结出一个普遍适用 的规律。 国际照明委员会 ( c i e )一直致力于照明领域的研究，在各国照 明领域的专家共同努力下，c i e采用建立专门 技术委员会的研究工作 方式，就眩光的某一专题逐个展开研究，并相继出版了一系列与眩光 有关的技术报告，推荐各国参考使用。 1 9 7 6 年c i e出版了第一本关于眩光的技术报告 ( c i e 3 1 - 1 9 7 6 ) 一 道路照明中的眩光和均匀度; 1 9 8 3 年，c i e出版了技术报告 ( c i e 5 5 - 1 9 8 3 )一 室内工作环境中 的不舒适眩光; 2 0 0 2 年， c i e出版了关于失能眩光和不舒适眩光的综合技术报告 ( c i e 1 4 6 / 1 4 7 - 2 0 0 2 ) 。该技术报告中记载了c i e t c 1 - 5 0 技术委员会 关于失能眩光的最新综合研究成果 “ 失能眩光方程” 。对于不舒适眩 光， 该技术报告中 推出 “ 统一眩光等级” ( u g r ) ， 该系统是c i e t c 3 - 1 3 技术委员会于1 9 8 7 年由k s o r e n s e n 提出 p 4 . 1 9 9 1 年c i e 成立了 t c3 -0 1 “ 小光源和大光源的眩光” 技术委员会并提出用它来建立一套 完整的眩光评价系统3 5 4 1 。 该技术委员会完善了u g r系统，并且补 充提出了 用于大光 源眩光评价的g g r ( g r e a t s o u r c e g l a r e r a t i n g )公 式。 c i e 1 4 6 / 1 4 7 - 2 0 0 2 眩光综合技术报告全部出 版了以上的 研究成果， 将在今后对世界各地的眩光和照明评价领域的研究和应用起到指导 和规范作用。 2 .3视疲劳 2 .3 . 1疲劳与视疲劳 t .疲劳 高强度或长时间持续操作活动， 容易引起人的疲劳和工作能力下 北京交通大学硕士学位论文第二章 眩光与视觉工效 降 ( 效率下降、 错误增多) 。 疲劳是人体活动过程中发生的一种自 然 性的防护反应。疲劳出现等于向作业者发出工作负荷过度的报誓信 号。它要求作业者减轻活动强度或停止活动，否则，将由于过度疲劳 而造成人体损伤。b . i i . 津琴科等人认为2 7 ， 很难给疲劳下一个严密 的、具有特定涵义的定义，但是可以通过疲乏感、生理机能的改变或 工作能力特殊变化而给以鉴定。 2 .视疲劳 视疲劳是人们在进行相关的视觉作业时发生的。照明与眩光等视 觉环境因素、作业类型、作业者自 身等都是产生视疲劳的因素。照明 条件不差的情况下，作业者长时间反复辨认对象物，使明视觉持续下 降， 就会引起视疲劳， 严重时会导致作业者的全身性疲劳。视疲劳的 自 觉症 状有: ( 1 ) 眼 球 千 涩; ( 2 ) 怕 光; ( 3 ) 眼 痛; ()视 力 模糊; ( 5 ) 眼 充 血; ( 6 ) 出 眼 屎; 口 ) 流泪等。 视 疲劳 还会引 起 视力 下降、 眼 球发胀、 头 痛以 及其他疾病而影响健康， 并会引 起工作失误和造成工伤3 7 1 。 在医学临床诊断上，凡符合下列任一项者即诊断为视疲劳:( 1 ) 近距离工作不能视力不能持久，易疲劳，可伴有头痛，头晕，思睡， 怕光， 流泪，眼酸胀及不愿睁眼等不适。( 2 ) 眼及眶周疼痛， 近距离 用眼加重03 8 1 。 视疲劳的产生是一个渐进过程，其积累过程也可用 “ 容器” 模型 来说明，如图2 一所示。 “ 容器” 模型把作业者的疲劳看成是容器内的液体，液面越高， 表示视疲劳越厉害。随时间的推移，疲劳源不断加大疲劳程度，犹如 向容器内不断倾倒液体一样。液体的增多导致液面水平的升高，升高 到一定程度，必须打开容器的排放开关，让液体从开关处流出以使液 面下降。容器的排放功能如同人体在视疲劳后的休息一如果没有将排 放开关打开，液面将持续上升， 最终液体溢出 容器。容器大小 类似于 人体的活动极限 一 “ 溢出”意味着视疲劳程度超出人体极限，从而给 人体造成一定的损伤。 北京交通大学硕士学位论文第二章 眩光与视觉工效 生理心理作业 强度、作业持 续时间 身体素质:力 量、耐力、健 康状况等 环境条件: 照 明等 作业节奏: 单 调重复、 枯燥 恢复 图2 - 5视疲劳积累的 “ 容器” 模型示意图 2 .3 .2视疲劳的测定方法 视疲劳的测定方法有很多，大致可分为两类，即视觉运动系统疲 劳的测定法和视觉感觉系统疲劳的 测定法12 7 1 ，具体如下: 1 .作业绩效测定 ( 视觉功效测定) 随着视疲劳程度的加深，作业者的工作能力明显下降。这样，作 业者的作业效能，包括完成作业的数量、质量以及出现错误或发生事 故的概率等，都可以作为视疲劳评定的指标。 2 .能见度测定法 该方法是视觉运动系统疲劳和视觉感觉系统疲劳的综合测量方 法。由 于眼肌等运动系统疲劳和视神经等感觉系统疲劳， 使得眼睛识 别物体的能力减少，看物体不清楚，这些疲劳结果的综合反应就是物 体的能见度减少。 3 .闪光融合频率法 闪光融合频率法是疲劳测定中常用的一种方法。视疲劳程度越 大，闪光融合频率就越小。 其原理是根据人的眼睛在正常情况下大约 可以分辨出3 0 - 5 5 h z 。 当视疲劳时能分辨的闪光次数将低于这个数值。 北京交通大学硕士学位论文第二章 眩光与视觉工效 比 这种临界值再高的闪 光就会融合在一起， 看成一个连续的光点，而 看不出闪动。因此，可以用这种能分辨闪光次数的变化来度量视疲劳 的程度。这种方法应该以 测量视觉感觉系统疲劳为主。 4 .调节时间变动率法 让眼睛交替地对同 样的目 标观察距离，一会看近目 标，一会看远 目 标，利用仪器记录眼睛的调节速度，根据调节时间变化的速度反应 出视运动系统的疲劳程度。 s 视觉机能调节测定法 视觉机能调节测量仪除测量视疲劳，还能测量光的颜色与视疲劳 的关系。 6 .近点测定法 正常情况下，人眼的近点是一定的，约 5 - 1 0 c m，视疲劳时近点 距离就会变大， 所以，可以根据近点距离的变化大小来衡量视疲劳的 程度。这种方法应该以测量视觉运动系统的疲劳为主。 7 .明视持久度法 此方法的原理是眼睛注视着一个似乎是几个方块组成的图案，当 眼睛不疲劳时，就会看到这些方 ，块的位置为一个在上，两个在下，这 时称为明视时间，明视时间坚持的长短称为明视持久度。当眼睛疲劳 时，就会看到方快图案中一个在下方，两个在上方。 8 .眨眼次数法 不疲劳的眼睛通常是很少眨眼或不眨眼，如果眼睛疲劳，则不由 自 主地就眨眼起来，因此，主试者通过侧面的观察和记录，可以统计 出视疲劳的变化。 9 固视微动理论(1 5 1 眼球运动是反映眼球运动系统生理机能状次的重要指标。研究视 作业与眼球运动变化之间的关系， 利用眼球运动评价疲劳是近年来测 量评价视觉作业疲劳的新进展。凝视一点时眼球无意识的微小生理振 动 称为固 视 微动 ( i n v o l u n t a ry e y e m o v e m e n t ) 。 它由3 种运 动成分 构 北京交通大学硕士学位论文第二章 眩光与视觉工效 成，即振幅相对较大间断出现的快速跳跃 ( fl i c k )运动，速度缓慢的 漂移 ( d r if t )运动和振幅很小，频率很高的生理颤动 ( t r e m o r ) 。研究 表明， 在v d t视觉负荷的作用下，固视微动的脉冲 ( fl i c k ) 成分的发 生频率、 振幅和速度与作业前相比 分别减少约2 0 %以上。 这种变化反 映了眼球运动系统固视机能大幅度降低。固视微动是一种无意识的眼 球运动，不受作业者主观意识的影响。因此，利用眼球