受限空间不同照度环境下VDT作业视觉疲劳

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 受限空间不同照度环境下VDT作业视觉疲劳 徐明伟金龙哲田兴华魏璇王丽君 Visual fatigue of VDT operation under different illumination conditions in confined space XU Ming-wei,JIN Long-zhe,TIAN Xing-hua,WEI Yi-xuan,WANG Li-jun 引用本文： 徐明伟，金龙哲，田兴华，魏璇，王丽君.受限空间不同照度环境下VDT作业视觉疲劳U.工程科学学报，2020,42(12：1605- 1612.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.08.20.002 XU Ming-wei,JIN Long-zhe,TIAN Xing-hua,WEI Yi-xuan,WANG Li-jun.Visual fatigue of VDT operation under different illumination conditions in confined space[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(12):1605-1612.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.08.20.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.08.20.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 立体深度运动引发的立体视觉疲劳的脑电评估 Using EEG for assessment of stereoscopic visual fatigue caused by motion-in-depth 工程科学学报.2017,399外：1421htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.09.016 基于光电容积脉搏波的有限空间生理疲劳测量 Confined space physiological fatigue measurement based on photoplethysmography pulse wave signal 工程科学学报.2018.40(10)：1215htps:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.10.008 尾矿库溃坝灾害防控现状及发展 Status and development for the prevention and management of tailings dam failure accidents 工程科学学报.2018.40(5：526 https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.05.002 密闭建筑空间缺氧环境下富氧特性研究 Oxygen enrichment characteristics of an enclosed architectural space under anoxic conditions 工程科学学报.2018,40(11：1380htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.11.012 一种提高图像对比度和视觉质量的新型区域背光算法 A novel local dimming algorithm to improve image contrast and visual quality 工程科学学报.2017,3912头：1888htps:/loi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.12.016 冷却速度对圆形加载路径下A319铝合金多轴疲劳特性的影响 Effects of cooling velocity on multiaxial fatigue behavior of A319 alloy under circular loading conditions 工程科学学报.2017,39(6：875 https::/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.06.009

受限空间不同照度环境下VDT作业视觉疲劳 徐明伟 金龙哲 田兴华 魏璇 王丽君 Visual fatigue of VDT operation under different illumination conditions in confined space XU Ming-wei, JIN Long-zhe, TIAN Xing-hua, WEI Yi-xuan, WANG Li-jun 引用本文: 徐明伟, 金龙哲, 田兴华, 魏璇, 王丽君. 受限空间不同照度环境下VDT作业视觉疲劳[J]. 工程科学学报, 2020, 42(12): 1605- 1612. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.20.002 XU Ming-wei, JIN Long-zhe, TIAN Xing-hua, WEI Yi-xuan, WANG Li-jun. Visual fatigue of VDT operation under different illumination conditions in confined space[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(12): 1605-1612. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.08.20.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.20.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 立体深度运动引发的立体视觉疲劳的脑电评估 Using EEG for assessment of stereoscopic visual fatigue caused by motion-in-depth 工程科学学报. 2017, 39(9): 1421 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.016 基于光电容积脉搏波的有限空间生理疲劳测量 Confined space physiological fatigue measurement based on photoplethysmography pulse wave signal 工程科学学报. 2018, 40(10): 1215 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.008 尾矿库溃坝灾害防控现状及发展 Status and development for the prevention and management of tailings dam failure accidents 工程科学学报. 2018, 40(5): 526 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.002 密闭建筑空间缺氧环境下富氧特性研究 Oxygen enrichment characteristics of an enclosed architectural space under anoxic conditions 工程科学学报. 2018, 40(11): 1380 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.012 一种提高图像对比度和视觉质量的新型区域背光算法 A novel local dimming algorithm to improve image contrast and visual quality 工程科学学报. 2017, 39(12): 1888 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.12.016 冷却速度对圆形加载路径下A319铝合金多轴疲劳特性的影响 Effects of cooling velocity on multiaxial fatigue behavior of A319 alloy under circular loading conditions 工程科学学报. 2017, 39(6): 875 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.009

工程科学学报.第42卷，第12期：1605-1612.2020年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.12:1605-1612,December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.20.002;http://cje.ustb.edu.cn 受限空间不同照度环境下VDT作业视觉疲劳 徐明伟2)，金龙哲)区，田兴华)，魏沛璇)，王丽君) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)西弗吉尼亚大学工业工程系，摩根墩26505 ☒通信作者，E-mail:zin@ustb.edu.cn 摘要受限空间内视觉疲劳是造成事故的主要原因之一.为探究有限空间内光照对视屏显示终端(Visual display terminals, VDT)作业视觉疲劳的影响，选取24名作业人员，在搭建的受限空间平台内进行VDT打字作业1h,在50~700x范围内设 置7个光照梯度使用眼动仪采集瞳孔直径数据.将采集数据进行归一化和降噪处理.实验结果表明，随着照度增大，瞳孔直 径总体呈减小趋势，且瞳孔-照度关系符合幂函数关系；照度400,550和700lx环境下瞳孔直径变化率在-12%-8%之间浮 动，且随着光照强度的增强，作业人员视觉疲劳发生的程度增加：在低照度50.100和200x环境下，瞳孔直径变化率在 -8%~4%之间浮动.且随着强度的减弱，作业人员视觉疲劳发生的程度也会增加.本研究提出使用窗口化的瞳孔直径标准 差σ判断视觉疲劳出现时间，低照度下的σ峰值出现时间早于高照度下σ峰值出现的时刻，300ⅸ照度下σ峰值出现的时刻 最晚，50~300x弱光照下对视觉造成的疲劳程度大于300~7001x强光照下造成的疲劳 关键词受限空间：安全管理；视觉疲劳：视频显示终端作业：瞳孔直径 分类号TG142.71 Visual fatigue of VDT operation under different illumination conditions in confined space XU Ming-wei2),JIN Long-zhe,TIAN Xing-hua,WEI Yi-xuan,WANG Li-jun) 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Department of Industry Engineering,West Virginia University,Morgantown 26505,US Corresponding author,E-mail:Izjin@ustb.edu.cn ABSTRACT Using eyes with high concentration for long periods can cause visual fatigue.With the continuous development and progression of modern electronic devices,screens have become an integral part of many aspects of life.Watching a screen for a long time can cause extreme eye fatigue and accidents.A wireless monitoring system including multiple communication platforms is a new means of monitoring in confined spaces,which requires people to perform visual display terminal (VDT)operations in common operating places such as dispatch rooms,cabins,and shipyards.Visual fatigue in a confined space is one of the main causes of accidents. To explore the effect of lighting in a limited space on visual fatigue of VDT,24 operators were selected to perform VDT typing in a confined space platform for I h,and seven light gradients were set within the range of 50-700 Ix to collect pupil diameter data using an eye tracker.The collected data were normalized to reduce noise.Experimental results show that with an increase in illuminance,the pupil diameter generally decreases and the pupil-illuminance relationship conforms to the power function relationship.In high- illumination environments(400,550,and 700 x),the pupil diameter change rate fluctuates in the-12%-8%range,and with the increase in light intensity,the degree of visual fatigue of workers increases.Under low-illumination environments(50,100,and 200 x),the pupil 收稿日期：2020-08-20 基金项目：国家重点研发计划课题资助项目(2016YFC0801700.2017YFC0805204):国家自然科学基金资助项目(51874015)：国家留学基金 资助项目(201906460049)

受限空间不同照度环境下 VDT 作业视觉疲劳 徐明伟1,2)，金龙哲1) 苣，田兴华1)，魏祎璇1)，王丽君2) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083    2) 西弗吉尼亚大学工业工程系，摩根墩 26505 苣通信作者，E-mail: lzjin@ustb.edu.cn 摘    要    受限空间内视觉疲劳是造成事故的主要原因之一. 为探究有限空间内光照对视屏显示终端（Visual display terminals， VDT）作业视觉疲劳的影响，选取 24 名作业人员，在搭建的受限空间平台内进行 VDT 打字作业 1 h，在 50～700 lx 范围内设 置 7 个光照梯度使用眼动仪采集瞳孔直径数据. 将采集数据进行归一化和降噪处理. 实验结果表明，随着照度增大，瞳孔直 径总体呈减小趋势，且瞳孔‒照度关系符合幂函数关系；照度 400，550 和 700 lx 环境下瞳孔直径变化率在−12%～8% 之间浮 动，且随着光照强度的增强，作业人员视觉疲劳发生的程度增加；在低照度 50，100 和 200 lx 环境下，瞳孔直径变化率在 −8%～4% 之间浮动，且随着强度的减弱，作业人员视觉疲劳发生的程度也会增加. 本研究提出使用窗口化的瞳孔直径标准 差 σ 判断视觉疲劳出现时间，低照度下的 σ 峰值出现时间早于高照度下 σ 峰值出现的时刻，300 lx 照度下 σ 峰值出现的时刻 最晚，50～300 lx 弱光照下对视觉造成的疲劳程度大于 300～700 lx 强光照下造成的疲劳. 关键词    受限空间；安全管理；视觉疲劳；视频显示终端作业；瞳孔直径 分类号    TG142.71 Visual  fatigue  of  VDT  operation  under  different  illumination  conditions  in  confined space XU Ming-wei1,2) ，JIN Long-zhe1) 苣 ，TIAN Xing-hua1) ，WEI Yi-xuan1) ，WANG Li-jun2) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Department of Industry Engineering, West Virginia University, Morgantown 26505, US 苣 Corresponding author, E-mail: lzjin@ustb.edu.cn ABSTRACT    Using  eyes  with  high  concentration  for  long  periods  can  cause  visual  fatigue.  With  the  continuous  development  and progression of modern electronic devices, screens have become an integral part of many aspects of life. Watching a screen for a long time can cause extreme eye fatigue and accidents. A wireless monitoring system including multiple communication platforms is a new means  of  monitoring  in  confined  spaces,  which  requires  people  to  perform  visual  display  terminal  (VDT)  operations  in  common operating places such as dispatch rooms, cabins, and shipyards. Visual fatigue in a confined space is one of the main causes of accidents. To explore the effect of lighting in a limited space on visual fatigue of VDT, 24 operators were selected to perform VDT typing in a confined space platform for 1 h, and seven light gradients were set within the range of 50–700 lx to collect pupil diameter data using an eye tracker. The collected data were normalized to reduce noise. Experimental results show that with an increase in illuminance, the pupil  diameter  generally  decreases  and  the  pupil –illuminance  relationship  conforms  to  the  power  function  relationship.  In  high￾illumination environments (400, 550, and 700 lx), the pupil diameter change rate fluctuates in the −12%–8% range, and with the increase in light intensity, the degree of visual fatigue of workers increases. Under low-illumination environments (50, 100, and 200 lx), the pupil 收稿日期: 2020−08−20 基金项目: 国家重点研发计划课题资助项目（2016YFC0801700，2017YFC0805204）；国家自然科学基金资助项目（51874015）；国家留学基金 资助项目（201906460049） 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期：1605−1612，2020 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 12: 1605−1612, December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.20.002; http://cje.ustb.edu.cn

·1606 工程科学学报，第42卷，第12期 diameter change rate fluctuates in the range of-8%-4%,and the degree of visual fatigue of the workers also increases with decreased intensity.This study proposes to use the windowed pupil diameter standard deviation,o,to determine the time of visual fatigue.The peak value of o under low illumination is earlier than that under high illumination;the peak value of o under 300-lx illumination is the latest, weak illumination.The fatigue degree of vision caused by 50-300 Ix is greater than that caused by strong illumination of 300-700 Ix. KEY WORDS confined space;safety management;visual fatigue;visual display terminal task;pupil diameter 受限空间是指通风不良、容易造成有毒有害 手段也引起了不少人的关注7，脑电信号蕴藏 气体积聚和缺氧的设备、设施和场所.受限空间 很多生理信息，但脑电测量要求较高，需要涂导电 职业危害因素很多，目前研究者关注较多的是受 凝胶等，操作复杂.瞳孔直径作为人眼的一部分， 限空间的室息四中毒叫，爆炸)，高温等方面的 其调节机制对于视觉状态评价标准的建立具有 事故.但随着现代电子设备的不断发展与进步，受 重要意义.疲劳状态尤其是瞌睡状态下瞳孔会有 限空间内作业人员从事视频显示终端(Visual 很大的变化，人们瞌睡时的瞳孔会减小，疲劳时瞳 display terminal,VDT)作业已经非常普遍，比如，煤 孔直径有比较明显的变化，而清醒人的瞳孔尺寸 矿中的监控酮室，轮船中的屏幕作业的船舱等.由 (稳定光照下)保持相对稳定1叨.K00等20在不同 于受限空间结构复杂，视野相对狭窄，这种作业空 观看条件下观看两个不同的视频，监测瞳孔直径 间一般由于作业人员较少，容易忽略采光因素，而 的变化，主观疲劳明显时，瞳孔直径减小.因而，根 光照又是视觉疲劳的重要影响因素.相比正常环 据瞳孔变化的程度分析视觉疲劳水平是有价值的， 境，受限空间作业环境更为恶劣，在这种受限空间 经综合考究，本研究采用测量瞳孔直径的方法 中进行VDT作业，长时间观看屏幕会导致眼睛的 1实验设计 极度疲劳，继而引发事故.由于VDT的自发光原 理，即使在黑暗环境中作业人员依然能够看清屏 1.1实验人员及器材 幕，因此，在实际VDT工作站中，人们对环境的光 为尽可能减少个体差异性的影响，被试的视 照更容易忽略.而光环境对VDT视觉疲劳有重要 觉生理等状态进行严格挑选和控制，挑选视力水 影响.据美国OSHA调查显示，船厂环境中受限 平正常、无佩戴眼镜的受试者.为尽可能减少自 空间损伤率是一般建筑业的两倍.研究显示阿，在 身身体状况影响，要求受试者在测试前7d内未服 工作或娱乐中经常使用屏幕的群体，有70%至 用任何药物，实验前36h内无剧烈运动，24h内不 90%的人会出现电脑视觉综合症(Computer vision 允许饮酒，12h内不允许饮用咖啡、功能性饮料 syndrome,CVS).综上所述，受限空间的光照问题 用心理压力分析仪(DH-600)挑选近期心理压力正 常的受试人员.所选取人员的年龄、身高和体重 对职工的健康和安全生产有重要的影响，因此， 相差较小.综上，所挑选受试者在一定程度上能代 对受限空间内光照对作业人员的研究显得尤为 表受限空间作业人员.本实验共选择了24位符合 重要， 上述实验要求的在校大学生作为受试人员，其中 视觉疲劳的监测方法主要分为主观和客观两 14名男生，10名女生.实验前对受限空间VDT作 种门，主观评估方法通常采用主观评价量表侧方法 业进行调研，并对受试者进行培训，使其尽可能接 对整个实验过程的疲劳程度进行初步定量分析例 近实际情况.其中受试者身体指标如表1. 该方法相对简单，能够明了的分析出疲劳与否，但 易受个体差异和心理影响因素0随着信息技术 表1受试者参数 化的发展，人们也探索了众多客观评估视觉疲劳 Table 1 Subject parameters 方法.孙立斌山利用闪光融合频率(Critical flicker Age Height/cm Weight/kg Vision frequency,CFF)对航空管制员进行视觉疲劳测试， 21.6±1.8 170.9±7.0 61.9±11.5 4.7±0.3 建立了疲劳评价模型，但C℉F容易受近视，散光和 心率等因素影响)，郭梦竹与李世武1用实车装 仪器：眼动仪ASL Mobile Eye,采样频率30Hz 置研究驾驶员的视觉疲劳问题，构建了驾驶员反 ASL Applied science laboratories);ASL EVEVI- 应时概率密度函数，但是反应时测量误差较大 SIN分析软件，录像机：索尼GV-D1O00E,RUM记录 近年来随着脑科学的发展，脑电作为疲劳测试的 器安装单元，可调式眼镜，可调节照度遥控灯Mi.light

diameter change rate fluctuates in the range of −8%−4%, and the degree of visual fatigue of the workers also increases with decreased intensity. This study proposes to use the windowed pupil diameter standard deviation, σ, to determine the time of visual fatigue. The peak value of σ under low illumination is earlier than that under high illumination; the peak value of σ under 300-lx illumination is the latest, weak illumination. The fatigue degree of vision caused by 50−300 lx is greater than that caused by strong illumination of 300−700 lx. KEY WORDS    confined space；safety management；visual fatigue；visual display terminal task；pupil diameter 受限空间是指通风不良、容易造成有毒有害 气体积聚和缺氧的设备、设施和场所. 受限空间 职业危害因素很多，目前研究者关注较多的是受 限空间的窒息[1] ，中毒[2] ，爆炸[3] ，高温[4] 等方面的 事故. 但随着现代电子设备的不断发展与进步，受 限空间内作业人员从事视频显示终端 （ Visual display terminal，VDT）作业已经非常普遍，比如，煤 矿中的监控硐室，轮船中的屏幕作业的船舱等. 由 于受限空间结构复杂，视野相对狭窄，这种作业空 间一般由于作业人员较少，容易忽略采光因素，而 光照又是视觉疲劳的重要影响因素. 相比正常环 境，受限空间作业环境更为恶劣，在这种受限空间 中进行 VDT 作业，长时间观看屏幕会导致眼睛的 极度疲劳，继而引发事故. 由于 VDT 的自发光原 理，即使在黑暗环境中作业人员依然能够看清屏 幕，因此，在实际 VDT 工作站中，人们对环境的光 照更容易忽略. 而光环境对 VDT 视觉疲劳有重要 影响. 据美国 OSHA 调查[5] 显示，船厂环境中受限 空间损伤率是一般建筑业的两倍. 研究显示[6] ，在 工作或娱乐中经常使用屏幕的群体 ，有 70% 至 90% 的人会出现电脑视觉综合症（Computer vision syndrome，CVS）. 综上所述，受限空间的光照问题 对职工的健康和安全生产有重要的影响，因此， 对受限空间内光照对作业人员的研究显得尤为 重要. 视觉疲劳的监测方法主要分为主观和客观两 种[7] . 主观评估方法通常采用主观评价量表[8] 方法 对整个实验过程的疲劳程度进行初步定量分析[9] ， 该方法相对简单，能够明了的分析出疲劳与否，但 易受个体差异和心理影响因素[10] . 随着信息技术 化的发展，人们也探索了众多客观评估视觉疲劳 方法. 孙立斌[11] 利用闪光融合频率（Critical flicker frequency，CFF）对航空管制员进行视觉疲劳测试， 建立了疲劳评价模型，但 CFF 容易受近视，散光和 心率等因素影响[12] . 郭梦竹与李世武[13] 用实车装 置研究驾驶员的视觉疲劳问题，构建了驾驶员反 应时概率密度函数，但是反应时测量误差较大[14] . 近年来随着脑科学的发展，脑电作为疲劳测试的 手段也引起了不少人的关注[15−17] ，脑电信号蕴藏 很多生理信息，但脑电测量要求较高，需要涂导电 凝胶等，操作复杂. 瞳孔直径作为人眼的一部分， 其调节机制[18] 对于视觉状态评价标准的建立具有 重要意义. 疲劳状态尤其是瞌睡状态下瞳孔会有 很大的变化，人们瞌睡时的瞳孔会减小，疲劳时瞳 孔直径有比较明显的变化，而清醒人的瞳孔尺寸 （稳定光照下）保持相对稳定[19] . Koo 等[20] 在不同 观看条件下观看两个不同的视频，监测瞳孔直径 的变化，主观疲劳明显时，瞳孔直径减小. 因而，根 据瞳孔变化的程度分析视觉疲劳水平是有价值的， 经综合考究，本研究采用测量瞳孔直径的方法. 1    实验设计 1.1    实验人员及器材 为尽可能减少个体差异性的影响，被试的视 觉生理等状态进行严格挑选和控制，挑选视力水 平正常、无佩戴眼镜的受试者. 为尽可能减少自 身身体状况影响，要求受试者在测试前 7 d 内未服 用任何药物，实验前 36 h 内无剧烈运动，24 h 内不 允许饮酒，12 h 内不允许饮用咖啡、功能性饮料. 用心理压力分析仪（DH-600）挑选近期心理压力正 常的受试人员. 所选取人员的年龄、身高和体重 相差较小. 综上，所挑选受试者在一定程度上能代 表受限空间作业人员. 本实验共选择了 24 位符合 上述实验要求的在校大学生作为受试人员，其中 14 名男生，10 名女生. 实验前对受限空间 VDT 作 业进行调研，并对受试者进行培训，使其尽可能接 近实际情况. 其中受试者身体指标如表 1. 仪器：眼动仪 ASL Mobile Eye，采样频率 30 Hz （美国 ASL Applied science laboratories）；ASL EVEVI￾SIN 分析软件，录像机：索尼 GV-D1000E，RUM 记录 器安装单元，可调式眼镜，可调节照度遥控灯 Mi.light 表 1    受试者参数 Table 1    Subject parameters Age Height/cm Weight/kg Vision 21.6±1.8 170.9±7.0 61.9±11.5 4.7±0.3 · 1606 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期

徐明伟等：受限空间不同照度环境下VDT作业视觉疲劳 ·1607· 遥控器，光度测量计，测量范围1~50000μW·cm2, 作业试验台，设备组成如图1所示 Adjustable Adjustable glasses illuminance collected by eye LED remote tracker Experimental EVEVISIN control light VDT scene analysis software Control unit Dimming remote control 图2实验场景布置示意图 Illuminometer ASL Mobile Eye Fig.2 Schematic of an experimental scene layout 图1实验主要仪器 2结果 Fig.1 Main instruments of the experiment 2.1瞳孔直径预处理 1.2实验环境设置 (1)归一化处理 Lin等在研究VDT工作站环境光照对视觉 眼动仪的记录数据是以像素为结果记录的， 疲劳的影响时，设置了环境照度为20和3401x.为 像素和分辨率是有关联系的，因此在数据处理前 开展在不同的照度光环境下的研究.Li等四研究 需要将记录的瞳孔数据转化为以长度为单位的瞳 煤矿井下低照度对安全行为的影响时，设置照度 孔直径（式(1）和(2)) 为10,30,50,75和100x,推荐照度在50x以上 Mashkoori等2I在调研工作站光环境对人舒适性 /2254=r21u-M (1) 时，发现所调查的最高照度不超过580x.同时根 dp =50.8rv1/(L.W) (2) 据前期研究和调研，本次实验兼顾到高照度和低 照度，设置在50,100,200,300,400,550和700x 式中：d,mm;r为眼动仪测得瞳孔半径，像素；L为 共计7个照度梯度.在受限空间作业，进人人眼的 录制视频画面像素的长度，像素；W为录制视频分 光主要是由两部分构成，一部分是由环境中灯光 辨率的宽度，像素.L=640像素，W=480像素 等光源提供，另一部分是由VDT发出的光.根据 (2)降噪处理. 前人研究1-]环境光源影响程度较大，且本研究 ASL Mobile Eye采样频率为30Hz,不同光照 主要研究受限空间中环境光源对视觉影响，为此 下，作业人员的视觉疲劳是一个渐进的过程，人眼 本实验将始终保持屏幕亮度恒定，选取正常亮度， 在暗处或者明亮处对光的敏感度产生逐渐暗适 将屏幕亮度设定为150cdm2,设置的照度方法为 应，明适应(Light adaptation)和暗适应（Dark 用照度计测量人眼高度且没有屏幕时的照度.暂 adaptation),这个过程需要几秒完成P4-2,研究发 且不考虑环境光源与VDT发光的交互作用，此实 现，不自觉眨眼对瞳孔直径有明显影响2，因此为 验设计将为下一步深入研究奠定基础 了排除眼睛明暗适应和眨眼干扰，必须进行降噪 处理 1.3工作任务及流程设计 VDT文字输人性工作是常见的用眼较多，且 利用式(2)将瞳孔直径由像素单位转化为长 需要注意力集中的工作.因此本实验设计受试者 度单位.Savitzky-Golay去噪是对移动平滑去噪的 VDT作业内容为文字输入工作，文字内容为网上 改进，滤除噪声的同时可以确保信号的形状、宽度 不变2-2测，因此对其进行Savitzky-Golay卷积平滑 节选的优秀文章合集，生僻字较少，打字难度适 中，此处需要在实验前对每位受试者进行眼动仪 降噪处理，过程如式(3) 使用进行培训.为保证实验效果，每人实验重复 2+1之 X+ (3) 3次实验，实验阶段为上午9：30至10：30，下午 14:30至15：30，整个实验在北京科技大学可移动救 式中，xks为瞳孔直径平滑结果，mm;o为设置窗口 生舱内进行.实验室恒温23℃，湿度40%~50%， 大小 实验场景如图2 考虑到明暗适应时间.本研究选取1min的瞳

遥控器，光度测量计，测量范围 1～50000 μW·cm2 ， 作业试验台，设备组成如图 1 所示. 1.2    实验环境设置 Lin 等[21] 在研究 VDT 工作站环境光照对视觉 疲劳的影响时，设置了环境照度为 20 和 340 lx. 为 开展在不同的照度光环境下的研究. Li 等[22] 研究 煤矿井下低照度对安全行为的影响时，设置照度 为 10，30，50，75 和 100 lx，推荐照度在 50 lx 以上. Mashkoori 等[23] 在调研工作站光环境对人舒适性 时，发现所调查的最高照度不超过 580 lx. 同时根 据前期研究和调研，本次实验兼顾到高照度和低 照度，设置在 50， 100， 200， 300， 400， 550 和 700 lx 共计 7 个照度梯度. 在受限空间作业，进入人眼的 光主要是由两部分构成，一部分是由环境中灯光 等光源提供，另一部分是由 VDT 发出的光. 根据 前人研究[21−23] 环境光源影响程度较大，且本研究 主要研究受限空间中环境光源对视觉影响，为此 本实验将始终保持屏幕亮度恒定，选取正常亮度， 将屏幕亮度设定为 150 cd·m–2，设置的照度方法为 用照度计测量人眼高度且没有屏幕时的照度. 暂 且不考虑环境光源与 VDT 发光的交互作用，此实 验设计将为下一步深入研究奠定基础. 1.3    工作任务及流程设计 VDT 文字输入性工作是常见的用眼较多，且 需要注意力集中的工作. 因此本实验设计受试者 VDT 作业内容为文字输入工作，文字内容为网上 节选的优秀文章合集，生僻字较少，打字难度适 中. 此处需要在实验前对每位受试者进行眼动仪 使用进行培训. 为保证实验效果，每人实验重复 3 次实验 ，实验阶段为上 午 9:30 至 10:30， 下 午 14:30 至 15:30，整个实验在北京科技大学可移动救 生舱内进行. 实验室恒温 23 ℃，湿度 40%～50%， 实验场景如图 2. 2    结果 2.1    瞳孔直径预处理 （1）归一化处理. 眼动仪的记录数据是以像素为结果记录的， 像素和分辨率是有关联系的. 因此在数据处理前 需要将记录的瞳孔数据转化为以长度为单位的瞳 孔直径（式（1）和（2））. 1 2 π ( dp/2 )2 /25.4 2 = 1 2 πr 2 / (L · W) （1） dp = 50.8r √ 1/(L · W) （2） 式中：dp，mm；r 为眼动仪测得瞳孔半径，像素；L 为 录制视频画面像素的长度，像素；W 为录制视频分 辨率的宽度，像素. L=640 像素，W=480 像素. （2）降噪处理. ASL Mobile Eye 采样频率为 30 Hz，不同光照 下，作业人员的视觉疲劳是一个渐进的过程，人眼 在暗处或者明亮处对光的敏感度产生逐渐暗适 应 ， 明 适 应 （ Light  adaptation） 和 暗 适 应 （ Dark adaptation），这个过程需要几秒完成[24−25] ，研究发 现，不自觉眨眼对瞳孔直径有明显影响[26] ，因此为 了排除眼睛明暗适应和眨眼干扰，必须进行降噪 处理. 利用式（2）将瞳孔直径由像素单位转化为长 度单位. Savitzky-Golay 去噪是对移动平滑去噪的 改进，滤除噪声的同时可以确保信号的形状、宽度 不变[27−28] ，因此对其进行 Savitzky-Golay 卷积平滑 降噪处理，过程如式（3）. xk,s = 1 2ω+1 ∑+ω i=−ω xk+i （3） 式中，xk.s 为瞳孔直径平滑结果，mm；ω 为设置窗口 大小. 考虑到明暗适应时间，本研究选取 1 min 的瞳 EVEVISIN analysis software Adjustable bulb Dimming remote control Illuminometer ASL Mobile Eye 图 1    实验主要仪器 Fig.1    Main instruments of the experiment Adjustable illuminance LED remote control light Adjustable glasses collected by eye tracker VDT Control unit Experimental scene 图 2    实验场景布置示意图 Fig.2    Schematic of an experimental scene layout 徐明伟等： 受限空间不同照度环境下 VDT 作业视觉疲劳 · 1607 ·

·1608 工程科学学报.第42卷，第12期 孔直径数据作为研究对象，因此平滑窗口宽度设置 Odp.i p-dp×100% (4) 为60s,数据降噪结果（部分展示）如图3所示 dop 式中：6dp为i时刻瞳孔直径变化率，%；dn为实验 Before smoothing -After smoothing 开始一段时间的瞳孔平均直径，mm,本实验取实 验开始2~5min平均瞳孔直径；dp为i时刻平均 瞳孔直径，mm.瞳孔直径变化率统计结果如图5 (a 00 oiuie -8 -12 2000 4000 6000 Time/s (b) 图3瞳孔直径去噪后处理 Fig.3 Post-processing of pupil diameter denoising 2.2瞳孔直径随照度变化 51015202530354045505560 瞳孔直径的变化与光照度具有很强的相关 Time/min 性，为探究在不同照度条件下瞳孔半径的变化规 图5不同照度下瞳孔直径随作业时间变化 律，将瞳孔直径随不同照度的变化进行统计.田 Fig.5 Changes in pupil diameter with operating time under different illuminances 会娟等研究表明，不同性别之间的标准化瞳 孔直径具有相同的变化趋势，因此将男女瞳孔直 3讨论 径取平均值.瞳孔直径与照度之间的关系如图4 3.1光照对瞳孔影响分析 可明显看到，随着照度的增强，瞳孔直径呈减小 瞳孔直径的扩张变化是通过虹膜扩张器肌 趋势 肉，由交感神经系统支配0，德国慕尼黑大学 6.5 Pfleging等B认为，瞳孔直径也受认知任务的影 6.0 8 Pupil diameter 响，当认知任务增大时，瞳孔直径变大，其变化范 Pupil 围大致在0.1~0.5mm之间，但其导致的变化远远 000p0 小于由于光照导致的变化.华盛顿大学的Binda 等四在研究不同注视内容和不同光照时发现，照 度对瞳孔直径的大小的影响远大于注视的内容， 3.5 照度对瞳孔变化的影响是图片特征对瞳孔变化影 3.0 响的3倍左右，因此本实验控制打字内容为文字， -1000100200300400500600700 所以，实验内容引起的差异远远小于33%.因此， Illuminance/lx 为探究在不同照度条件下瞳孔半径的变化规律， 图4瞳孔直径随照度变化 可以忽视认知（本研究中即为不同打字内容带来 Fig.4 Changes in pupil diameter with illuminance 的差异)的影响因素，单独研究瞳孔随照度变化关 2.3瞳孔直径随作业时间变化 系.Iskander等29在研究3D头盔景深与瞳孔关系 Iskander等29利用瞳孔相对变化率来衡量瞳 变化时，分别用指数函数，直线，二次函数，三次函 孔的变化，如式(4).该方法减少了由于个体差异 数进行拟合，发现指数函数的拟合度最好，因此， 带来的影响，因此本研究在数据处理工程中选用 在此基础上结合数据特征，本研究增加第4种拟 瞳孔直径变化率来评判瞳孔直径变化.工作前几 合方式，即幂函数拟合，拟合曲线和结果如图6和 分钟可以认定为作业人员还未发生视觉疲劳，因 表2. 此选择前5min的瞳孔尺寸.同时，又考虑到因环 从图6和表2可以看出，随着照度增大，瞳孔 境适应过程带来的干扰，别除了前2min的数据， 直径总体呈减小趋势，4种函数拟合结果表明，幂 本研究将第2~5min的瞳孔直径取平均值. 函数拟合效果最好，调整系数R2达到0.9856.该拟

孔直径数据作为研究对象，因此平滑窗口宽度设置 为 60 s，数据降噪结果（部分展示）如图 3 所示. 2.2    瞳孔直径随照度变化 瞳孔直径的变化与光照度具有很强的相关 性，为探究在不同照度条件下瞳孔半径的变化规 律，将瞳孔直径随不同照度的变化进行统计. 田 会娟等研究表明[18] ，不同性别之间的标准化瞳 孔直径具有相同的变化趋势，因此将男女瞳孔直 径取平均值. 瞳孔直径与照度之间的关系如图 4. 可明显看到，随着照度的增强，瞳孔直径呈减小 趋势. 2.3    瞳孔直径随作业时间变化 Iskander 等[29] 利用瞳孔相对变化率来衡量瞳 孔的变化，如式（4）. 该方法减少了由于个体差异 带来的影响，因此本研究在数据处理工程中选用 瞳孔直径变化率来评判瞳孔直径变化. 工作前几 分钟可以认定为作业人员还未发生视觉疲劳，因 此选择前 5 min 的瞳孔尺寸. 同时，又考虑到因环 境适应过程带来的干扰，剔除了前 2 min 的数据， 本研究将第 2～5 min 的瞳孔直径取平均值. δdp,i = d¯ p,i −d¯ b,p d¯ b,p ×100% （4） δdp,i d¯ b,p d¯ p,i 式中： 为 i 时刻瞳孔直径变化率，%； 为实验 开始一段时间的瞳孔平均直径，mm，本实验取实 验开始 2～5 min 平均瞳孔直径； 为 i 时刻平均 瞳孔直径，mm. 瞳孔直径变化率统计结果如图 5. 3    讨论 3.1    光照对瞳孔影响分析 瞳孔直径的扩张变化是通过虹膜扩张器肌 肉 ，由交感神经系统支配 [30] . 德国慕尼黑大 学 Pfleging 等[31] 认为，瞳孔直径也受认知任务的影 响，当认知任务增大时，瞳孔直径变大，其变化范 围大致在 0.1～0.5 mm 之间，但其导致的变化远远 小于由于光照导致的变化. 华盛顿大学的 Binda 等[32] 在研究不同注视内容和不同光照时发现，照 度对瞳孔直径的大小的影响远大于注视的内容， 照度对瞳孔变化的影响是图片特征对瞳孔变化影 响的 3 倍左右. 因此本实验控制打字内容为文字， 所以，实验内容引起的差异远远小于 33%. 因此， 为探究在不同照度条件下瞳孔半径的变化规律， 可以忽视认知（本研究中即为不同打字内容带来 的差异）的影响因素，单独研究瞳孔随照度变化关 系. Iskander 等[29] 在研究 3D 头盔景深与瞳孔关系 变化时，分别用指数函数，直线，二次函数，三次函 数进行拟合，发现指数函数的拟合度最好，因此， 在此基础上结合数据特征，本研究增加第 4 种拟 合方式，即幂函数拟合，拟合曲线和结果如图 6 和 表 2. 从图 6 和表 2 可以看出，随着照度增大，瞳孔 直径总体呈减小趋势，4 种函数拟合结果表明，幂 函数拟合效果最好，调整系数 R 2 达到 0.9856. 该拟 2000 4000 6000 1 2 3 4 5 6 7 8 Pupil diameter/mm Time/s Before smoothing After smoothing 图 3    瞳孔直径去噪后处理 Fig.3    Post-processing of pupil diameter denoising −100 0 100 200 300 400 500 600 700 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 Pupil diameter/mm Illuminance/lx Pupil diameter Pupil 图 4    瞳孔直径随照度变化 Fig.4    Changes in pupil diameter with illuminance −12 −8 −4 0 4 8 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 −12 −8 −4 0 4 8 300 lx 400 lx 550 lx 700 lx Pupil diameter change rate/ % Time/min 50 lx 100 lx 200 lx 300 lx (a) (b) 图 5    不同照度下瞳孔直径随作业时间变化 Fig.5     Changes  in  pupil  diameter  with  operating  time  under  different illuminances · 1608 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期