齐 琪，胡 鹏，陈仁伟

(1.中国电子技术标准化研究院，北京 100007；2.国家数字音视频及多媒体产品质量监督检验中心，北京 100176)



液晶投影与平板显示健康安全、系统性能分析

齐 琪1，胡 鹏2，陈仁伟2

(1.中国电子技术标准化研究院，北京 100007；2.国家数字音视频及多媒体产品质量监督检验中心，北京 100176)

为全面分析液晶投影与平板显示的健康安全和系统性能，以液晶(LCD)投影与平板(FPD)显示系统为分析研究对象，模拟学生教室上课状态，通过测试蓝光能量、闪烁、工作噪声、亮度衰减、对比度、视角、能效指数等指标发现，在教育领域实践环境下，液晶投影系统的综合评价优于平板显示系统。

液晶投影；平板显示；健康安全；系统性能

1 显示设备与用眼健康

《国家中长期教育改革和发展规划纲要》(2010—2020年)第五十九条指出“加快教育信息基础设施建设”，“到2020年，基本建成覆盖城乡各级各类学校的教育信息化体系，促进教育内容、教学手段和方法现代化”[1]。在此背景下，随着多媒体教室和多媒体设备在我国现代化教育建设中的广泛使用，电子白板等具备交互功能的显示系统已成为教育信息化的重要组成部分，逐渐被越来越多地应用到教学中。

然而，现代科技提供便捷的同时带来了巨大的健康安全隐患，尤其是用眼健康问题不容忽视。基于此，本文模拟学生教室上课状态，以互动式液晶投影和触控式平板显示(FPD)两种显示系统为研究对象，重点分析其在健康安全、系统性能等方面的差异性，具体测试项目如表1所示。 文中所有试验分析数据依托国家数字音视频及多媒体产品质量监督检验中心评测平台测试获得。

表1 测试项目分类

2 蓝光能量

自20世纪70年代起，蓝光对眼睛的伤害就已引起医学界关注，随后几十年的大量医学研究证实，蓝光污染确实严重影响人类视力，研究历程如图1所示。经过深入的临床和基础研究，蓝光对眼部健康的损害机制逐渐明晰，数码视觉疲劳是造成眼部健康受损的主要原因之一。

图1 蓝光研究历程

蓝光主要是指波长介于400 nm与500 nm的光线，其辐射、照射后引起的光化学作用会导致视网膜损伤。如照射时间超过10 s将会产生高强度的损伤机理作用，常达到热损害机理的数倍之多。显示设备发出的光都含有蓝光波段，长时间观看显示设备对人眼损害较大。研究表明人眼在20岁才停止发育，因而眼睛仍处于发育状态的青少年如长时间观看显示设备，产生和累积的蓝光将导致其视力严重下降或产生其他病变。

蓝光能量(单位：W/sr)用于检测不同显示设备蓝光辐射能量的强弱，蓝光能量值越高，长时间观看对人眼损伤的可能性则越大。

以互动式液晶投影和触控式平板显示(FPD)两种显示系统为研究对象进行测试，选择全白场、全蓝场作为测试场景，2～6 m(间隔距离为0.5 m)为测试距离，获得各点测试结果整体分布如图2所示。

图2 蓝光能量分布图

测试所得蓝光能量最大值分布详见表2，分析后可知，FPD的蓝光能量整体高于投影机，分别约为投影机蓝光能量的3倍、1.5倍和3倍。从蓝光能量越小,对人眼的损伤越少考虑，使用FPD对人眼造成损伤的概率是使用投影系统的2倍左右。

表2 蓝光能量最大值分布 W/sr

3 闪烁

造成眼睛不舒适感的主要原因有眩光和闪烁两种，其中眩光来源于外部原因，主要指室内条件下阳光、照明装置等发出的光对显示设备造成的影响；而闪烁则主要指显示设备因输入信号或自身工作方式的刷新率而产生的观看影响。其中，刷新率是指屏幕上图像重复扫描的次数。刷新率越高，所显示的图像(画面)稳定性就越好。刷新过程所产生光谐波分量会造成闪烁。

相对而言，眩光更依赖环境条件影响，不符合本文的研究目的，因此选取闪烁作为研究指标，能更好地评价显示系统本身对舒适度的影响程度。

其中，闪烁能量是检测不同显示设备闪烁程度的具体指标，当亮度越高时，人眼对闪烁的冲击越不敏感；同时，闪烁能量越大，闪烁现象越严重，人眼疲劳感会变得越强，人眼越容易疲劳。

通过测量不同显示设备在2 m处的闪烁能量(以谐波分量与直流分量的比值表示)，从表3可以看出，两套FPD系统的闪烁能量远高于投影系统，FPD系统闪烁能量分别约是投影系统闪烁能量的11倍、2倍、27倍。由此可见，长期观看FPD系统相对投影系统更易发生由闪烁而产生的疲劳感。

表3 闪烁测试结果常规条件 W/sr

4 工作噪声

室内的噪声对人的身心健康会产生较大影响。有研究表明：

1)噪声级为30～40 dB是比较安静的正常环境；

2)超过50 dB就会使人有不舒适的感觉；

3)70 dB以上则会干扰谈话，造成心烦意乱，精神不集中，影响工作效率，甚至发生事故；

4)长期工作或生活在90 dB以上的噪声环境，会严重影响听力和导致其他疾病的发生。

根据GB/T 17249.1—1998《声学——低噪声工作场所设计》[2]中推荐的各种工作场所背景噪声级(详见表4)，教室环境条件的背景噪声级应处于30～40 dB(A)之间。

表4 各种工作场所背景噪声级

此外，GB 3096—2013《声环境质量标准》规定了环境噪声的限值，并将包括居民住宅、医疗卫生、文化教育、科研设计、行政办公等界定为需要保持安静的区域，即I类声环境功能区[3]，详见表5。其中，白天教室环境条件的环境噪声级规定为55 dB(A)。

表5 环境噪声限值 dB(A)

工作噪声(单位：dB(A))是模拟真实场景条件，如距离和角度等。长期处于高工作噪声环境条件中，容易使人有不舒适感。更使得学生在课堂上接收的信息量降低，注意力受损，昏昏欲睡。为检验不同类型的显示系统在工作噪声方面的差异性，有必要通过工作噪声试验进行测试，对液晶投影机与平板显示系统工作噪声测试系统如图3和图4所示。

图3 投影机工作噪声测试系统框图

图4 电视工作噪声测试系统框图

一般而言，工作噪声越大，所带来的不适感和烦躁感越强，进而对人体影响越大。经试验，不同显示设备在模拟教室环境中的工作噪声测试结果如图5、表6所示。

图5 工作噪声测试结果分布图

表6 工作噪声测试结果

由表6可知，3 m处FPD系统工作噪声平均值为29.6 dB(A)，投影系统在ECO模式下工作噪声为30.8 dB(A)，此时环境底噪为29.1 dB(A)。两种显示系统的工作噪声差小于1 dB，人耳较难分辨，与底噪极为接近，均在可接受的理想范围内。人们一般认为电视机的工作噪声大于投影机，但本次测试结果不符合人们常规印象的原因在于，本次测试以模拟实际教学环境为主，投影机为倒装且距离地面1.8 m处，此时工作噪声在传播过程中已经衰减到不可察觉的程度。

5 亮度衰减

亮度衰减(单位：cd/m2)用于量化亮度的动态变化过程。本研究主要衡量两种条件下的亮度衰减：1)从2 m至6 m区间内(间隔为0.5 m)的全白场亮度值，详见图6；2)在同一距离条件下，不同亮度等级的信号输入时的亮度值，详见图7。

图6 全白场亮度衰减分布图

图7 同一距离条件100%～37%输入时亮度衰减分布图

2 m和6 m条件，投影系统和FPD系统的亮度差分别为5.7 cd/m2，9.5 cd/m2，22.3 cd/m2，9.8 cd/m2，投影系统的亮度衰减最小。

100%，75%，50%，37%亮度电平输入条件下，投影机在75%，50%，37%亮度电平时分别为100%亮度电平时亮度的60.6%，24.9%，11.4%，投影系统的亮度平均衰减小于FPD系统，详细数据见表7。

表7 亮度衰减测试结果 cd/m2

6 对比度

对比度对视觉效果的影响非常关键，一般来说对比度越大，图像越清晰醒目，色彩也越鲜明艳丽；而对比度越小，会使整个画面显得晦暗。通常用一幅图像中明暗区域最亮的白色和最暗的黑色之间不同亮度层级来表示对比度大小，差异范围越大表示对比越大，差异范围越小表示对比越小，效果如图8所示。

图8 对比度效果示意图

对比度也常用来表示“看得清”的程度，对比度大小决定了学生是否能够看清老师书写的内容，在不同距离对比度决定了前排和后排的同学是否都能够看清。

对比度(单位：倍)是测试不同显示设备在各种不同测试图例条件下的白色与黑色比值，其中包括通断比(全白/全黑的对比度)和棋盘格对比度两种；不同的测试图可以从多个角度衡量对比度特性。

在2 m和6 m测试距离时衡量对比度，不同的测试图例输入条件下会对测试结果产生影响，因此选择黑白对比度和棋盘格对比度分别进行评价，测试结果详见图9、图10。

图9 黑白对比度

图10 棋盘格对比度

黑白对比度方面，投影系统远高于FPD系统；棋盘格对比度方面，FPD系统略优于投影系统。但实际应用中，画面对比度在50∶1以上即可，因此二者水平相当，互有进退。

7 视角

根据网络定义，可视角度(以下简称“视角”)就是人眼在观察物体时从物体两端(上、下或左、右)发出的光线在人眼光心处所成的夹角，因此将视角定义为视线与显示设备的垂直方向所形成的角度。可视角度越大，视野越开阔；显示设备的可视角度越大，观看者就能从更宽角度看清显示图像。垂直和水平视角示意如图11所示。

图11 视角效果示意图

正常眼能区分物体上的两个点的最小视角约为1″，相对而言物体尺寸越小，离观看者距离越远，视角会越小。

实验过程中，视角(单位：度)是检测不同显示设备在不同距离的亮度可视角度，亮度可视角度为屏幕中心亮度减小到1/2时的水平可视角。视角大小决定教室不同位置的同学是否都能够看到同样的授课内容，视角越大对于学生而言越好。通过测量不同设备在不同距离的可视角度所得结果如图12所示，标注点颜色越深表示亮度越高。

图12 视角测试结果分布图

上述结果显示，FPD显示系统的可视角则在40°～60°之间，而投影系统在不同距离、不同角度的亮度基本一致，在观看时全程无死角，其视角优势由投影机和漫反射投影幕共同作用产生。

8 能效指数

在选择实验指标时首先应区分功耗与能效两个概念。功耗是指功率的损耗，简而言之就是用电量。同等时间内功耗越高，用电量越高。但显示设备的功耗与其亮度、显示尺寸等因素都存在密切关联，因而仅用功耗来衡量显示设备的系统性能存在一定片面性。

能效指数充分考虑到了产品本身的性能和功耗之间的关系，即性能越高，功耗越小，能效指数越高。在绿色、节能、环保的大环境下，用能效指数高的产品自然是优先选择。另一方面，能效指数在长期来看也与显示设备寿命(或MTBF)存在一定关联性，同等尺寸、亮度条件下，能效指数越高，功耗会越小，其设备自身内散热也可能会越小，进而设备老化程度会延缓，自然而然设备寿命会相对较长。因此，以能效作为评判综合性能的考量指标更为科学合理，

因此，实验首先测量了不同显示设备在播放不同片源时的功耗，之后再计算其能效指数，详细数据如表8所示。分析数据可知，投影系统在能效指数方面比一般平板显示系统更具优势。

表8 功耗及能效指数测试结果

8 结论

综合考量蓝光能量、闪烁、工作噪声、亮度衰减、对比度、视角、能效指数等指标，投影显示系统、平板显示系统的综合性能评价如表9、表10所示，其中“★★★★★”表示性能或评价最优，逐渐次之。

表10 投影显示系统与平板显示系统分类综合评价

通过分析表9、表10可知：在教育领域实践环境下，投影系统综合评价以五颗星领先平板显示系统两颗星。

[1] 规划纲要工作小组办公室. 国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)[EB/OL].[2016-03-20].http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/moe_838/201008/93704.html.

[2] 国家技术监督局.声学——低噪声工作场所设计：GB/T 17249.1—1998[S].[S.l.]:中国标准出版社，1998.

[3] 中华人民共和国环境保护部.声环境质量标准：GB 3096—2013[S].[S.l.]:中国标准出版社，2013.

齐 琪(1980— )，女，工程师，主要从事音视频、多媒体标准化与测试方面的研究工作；

陈仁伟(1982— )，高级工程师，主要从事音视频、多媒体标准化与测试方面的研究工作；

胡 鹏(1983— )，高级工程师，主要从事音视频、多媒体标准化与测试方面的研究工作。

责任编辑：许 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

齐琪，胡鹏，陈仁伟. 液晶投影与平板显示健康安全、系统性能分析[J].电视技术，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