觀察立體影像時的視覺疲勞及其緩解措施

王 飛， 王晨升， 劉曉杰

（1. 北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100876；2. 長春大學(xué)機械工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

立體視技術(shù)可以追溯到 1600年，但發(fā)展最快的時期是近20多年的時間。上個世紀(jì)80年代，人們對具有深度信息的立體圖像的表示（顯示）和觀察方式等相關(guān)技術(shù)進行了廣泛的研究，取得了許多的研究成果，如兩眼式、多眼式、超多眼式（super multi-view display）、深度信息掃描式（Depth-Fused 3-D DFD）、全息式(holographic display)等。這些方式在虛擬現(xiàn)實、廣播電視、通信、機械、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其中的兩眼式、多眼式技術(shù)是最為簡便和普及的，相關(guān)的設(shè)備也已經(jīng)商品化。

兩眼式又可分為眼鏡方式和裸眼方式；眼鏡方式有互補色、偏振光和液晶快門等方式；裸眼方式中利用兩眼視差獲得立體視的有視差壁障(Parallax barrier)方式和雙凸透鏡(Lenticular Lens)等方式。由于以上方式是主要是利用兩眼視差獲得立體視效果，因此都存在視覺疲勞（也稱視疲勞和眼睛疲勞）、盆景效應(yīng)、貼畫效應(yīng)、布景效應(yīng)、及不能表達運動視差等問題。其中的視覺疲勞是最為突出的問題。當(dāng)人們長時間觀察（30分鐘左右）體視影像時，就可能會產(chǎn)生不同程度的視覺疲勞，嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)頭疼、惡心等癥狀。關(guān)于這一點，看過立體電影的人都有所體會。立體電影的片長較短（最多 1小時），易引起視覺疲勞可能是其原因之一，這也在一定程度上影響了立體顯示技術(shù)的普及和應(yīng)用。觀察立體影像引發(fā)的視覺疲勞可能會對人體造成傷害，應(yīng)引起人們的高度重視。因此，有必要研究產(chǎn)生視覺疲勞的原因，對其進行評價和制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，提出減輕視覺疲勞的對策，在制作和觀看立體影像時予以注意，以減少對人體的傷害，并研究開發(fā)出視覺疲勞較輕和沒有視覺疲勞的方式。近年來，許多學(xué)者從不同方面對觀察立體影像時產(chǎn)生的視覺疲勞問題進行了研究和探討，取得了許多的成果。文獻[1-3]對立體顯示技術(shù)因焦點調(diào)節(jié)和輻輳不一致所產(chǎn)生的視覺疲勞進行了研究。文獻[4]研究了觀察立體圖像時兩眼水平視差和視覺疲勞的關(guān)系。文獻[5]從眼科學(xué)的角度研究了由于立體顯示的視覺負荷所引起的眼睛疲勞問題。文獻[6]研究了兩眼式立體映像評價系統(tǒng)的制作。

本文探討了因焦點調(diào)節(jié)和輻輳的矛盾產(chǎn)生視覺疲勞的原因和視覺疲勞的癥狀，針對立體視提出了緩解視覺疲勞的幾種措施。

1 立體視引起視覺疲勞的原因

立體視可能引起視覺疲勞的原因很多，一般認為主要有以下 4種：① 左右眼圖像的幾何學(xué)歪斜；② 左右眼圖像的電氣特性差；③ 輻輳和焦點調(diào)節(jié)的不一致；及④ 過度的視差和視差的不連續(xù)變化。前兩種屬硬件問題，后兩種則源自立體影像的原理性問題，本文將著重探討后兩種情況引起的視覺疲勞及其緩解對策。

2 輻輳和調(diào)節(jié)的不一致問題

如圖1所示，在觀察實物時，左右眼視線交于注視點而產(chǎn)生輻輳，同時為對應(yīng)其距離d，左右眼的焦點調(diào)節(jié)發(fā)揮作用，因此輻輳和焦點調(diào)節(jié)是一致的，如圖1(a)所示。兩眼式立體顯示根據(jù)兩眼視差而誘發(fā)輻輳，空間點A和注視點一致，而焦點調(diào)節(jié)卻在畫面上，輻輳距D與視距（調(diào)節(jié)距離）d不相等，即D≠d，這就使輻輳和焦點調(diào)節(jié)不一致，造成兩者的矛盾，如圖1(b)所示。當(dāng)視距一定，的值越大，這種矛盾就越突出，如圖2所示。

圖1 實物視和立體視的輻輳和焦點調(diào)節(jié)

圖2 不同的輻輳距離

輻輳和焦點調(diào)節(jié)深度信息的矛盾所引起視覺疲勞的機理還不清楚，但有兩點可以肯定：一是由于輻輳和焦點調(diào)節(jié)不一致，觀看立體圖像時，為了能夠看清楚體視融像而使焦點調(diào)節(jié)更加緊張，造成睫狀肌負擔(dān)過重，易產(chǎn)生視覺疲勞；二是與不自然的視覺信息有關(guān)，由于體視融像與現(xiàn)實世界看到的物體不同，造成人腦信息的混亂，長時間處于這種狀態(tài)，就會導(dǎo)致視覺疲勞和映像暈眩。

3 視覺疲勞的癥狀

對疲勞一詞的解釋眾說紛紜，莫衷一是。醫(yī)學(xué)科學(xué)家認為，疲勞是機體的一種防御性反應(yīng)，或者說是因為過度活動而造成暫時性機能降低時生理和心理狀態(tài)的綜合性變化。視覺疲勞是視覺作業(yè)中由于緊張或不適而引起視覺效能降低的現(xiàn)象。視覺疲勞又可分為暫時性視覺疲勞和永久性視覺疲勞，前者為休息一段時間后即可恢復(fù)的疲勞，后者是指不能恢復(fù)的疲勞，造成永久性的視覺效能降低。暫時性視覺疲勞如果長期反復(fù)的話，也可能發(fā)展成永久性視覺疲勞。

一般認為，觀察立體圖像時的輻輳和焦點調(diào)節(jié)不整合是造成視覺疲勞的主要原因之一[1-2]。根據(jù)作者對 10名學(xué)生觀察大型立體顯示（環(huán)形屏幕和平面屏幕）動態(tài)立體影像的實驗，其中大部分人在 15分鐘之后開始出現(xiàn)癥狀不同的不適，感覺到頭疼，眼睛疲勞甚至惡心。但這些癥狀的發(fā)生也是因人而異的，有的人僅觀察了1分鐘后就明顯感到不舒服。根據(jù)被驗對象的回答，具體的癥狀有：視力模糊、眼周疼、額竇和鼻竇酸疼、眼睛干澀、流淚、畏光等，有的還伴隨著眩暈、植物神經(jīng)紊亂等癥狀，如太陽穴疼、頭疼、頭沉、頭暈、心悸、惡心嘔吐等。

長時間輻輳和焦點調(diào)節(jié)的不整合，還可能會使焦點調(diào)節(jié)機理出現(xiàn)變化和紊亂，引起調(diào)節(jié)機能下降，需要一定的時間才能恢復(fù)。

4 減輕視覺疲勞的措施

通過對立體視引所起的視覺疲勞成因的分析，針對輻輳和焦點調(diào)節(jié)不一致及過度的視差和視差的不連續(xù)變化所引起的視覺疲勞，提出以下4點減緩措施。

4.1 不要讓眼睛機能負擔(dān)過度

減輕視覺疲勞最好的方法是在發(fā)生輻輳和調(diào)節(jié)機能低下前去休息[5]。作者對眼鏡方式的互補色和偏振光方式以及裸眼式的視差壁障方式進行實驗后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)連續(xù)觀察 15分鐘后，調(diào)節(jié)應(yīng)答開始變得低下了；30分鐘后，增加了焦點調(diào)節(jié)的時間；60分鐘后，近視的調(diào)節(jié)不能持續(xù)，這時開始出現(xiàn)眼疲勞，伴隨著眼睛疼、眼睛干澀、眼睛沉等癥狀。因此，連續(xù)觀察的時間最好不超過15分鐘。

4.2 將焦點調(diào)節(jié)和輻輳的不一致限制在一個合理的范圍內(nèi)

事實上，人的視覺系統(tǒng)允許兩眼輻輳與焦點調(diào)節(jié)有一定程度的不一致，如果這種不一致在一個合理的范圍內(nèi)，就會減輕視覺疲勞，這個范圍稱為舒適視域。

輻輳角與輻輳距離D有關(guān)，輻輳角

式中 B為兩眼瞳間的距離，約65mm，參見圖1。上式表明，輻輳距離越小，輻輳角就越大。實驗證明，輻輳距離小于 103mm時，輻輳角將超過36°，即超過了融像輻輳域（調(diào)節(jié)一定，輻輳變化能夠融像的范圍，也叫相對輻輳），這時為了能夠合像，眼睛就會異常緊張[7]。從圖2看出，當(dāng)融像在表示面前方時，輻輳角越大，也意味著焦點調(diào)節(jié)和輻輳的不一致變大了，這樣會得到更大的縱深感，體視效果更加強烈，但也更加容易引起視覺疲勞。但輻輳角太小，即D≈d時，體視效果不強，近似于平面圖形。因此，將焦點調(diào)節(jié)和輻輳的矛盾控制在舒適視域是重要的。顯然，形成立體視時，浮出畫面量小的映像，這個矛盾將得以緩和。

4.3 避免過大的視差和視差的不連續(xù)變化

如圖3所示，兩眼的水平角視差為

圖3 兩眼視差

水平角視差的大小與輻輳距離 D的平方成反比，當(dāng)D變小時，角視差會急劇增加。過大的兩眼視差和視差的不連續(xù)變化也被認為是造成視覺疲勞的原因。文獻[4]經(jīng)過實驗得到以下結(jié)論：兩眼水平視差量大和其隨時間的不連續(xù)變化，容易引起視覺疲勞。因此，在攝制或用軟件制作立體圖像時，應(yīng)使用兩眼水平視差計算系統(tǒng)計算視差量，避免過大的兩眼視差和兩眼視差的不連續(xù)變化，這對于減輕視覺疲勞是有效的。

文獻[6]對8名20～30歲的健康成人進行了實驗。實驗裝置為透鏡前安裝偏振光濾器的兩臺液晶放映機，分上下放在高度60cm的可升降臺上，將圖像用偏振光方式投影到100英寸的銀白色屏幕上，被驗者帶偏振光眼鏡從3m的距離觀察樣本立體圖像。得出以下結(jié)論：對樣本圖像安全性的評價結(jié)果是同側(cè)方向和交叉方向的視差量均為1o時是安全的；舒適性的評價結(jié)果是同側(cè)方向和交叉方向最大視差量的和為2o時是舒適的。

4.4 利用補正透鏡減輕視覺負擔(dān)

在顯示系統(tǒng)和觀察者之間附加補正透鏡來移動調(diào)節(jié)距離，使調(diào)節(jié)距離和輻輳距離趨于一致而接近自然視，進而達到減輕視覺疲勞的目的?？梢杂脝瓮哥R或多個透鏡補正，單焦點透鏡簡單方便，在視距50cm的觀察條件下，根據(jù)補正透鏡使調(diào)節(jié)距離向遠方移動，但補正范圍有限，不能對應(yīng)多種立體成像位置。文獻[8]采用4個透鏡構(gòu)成透鏡系統(tǒng)，在觀察孔安裝偏振光濾光鏡，在透鏡系統(tǒng)后面安裝可移動的6英寸LCD，在LCD上貼了叫做微級(Micro pole)的特殊結(jié)構(gòu)的薄膜，微級是由微細的偏振光電極構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，它對應(yīng)著 LCD像素的線，每線配置互相平行的偏振光電極，左右眼鏡分別對應(yīng)奇數(shù)行和偶數(shù)行。觀察時偏振光濾光鏡分離出左右眼圖像。LCD可以向眼前移動+55mm，向屏幕后方移動-65mm，以調(diào)整調(diào)節(jié)距離。

5 結(jié)束語

長時間觀看立體影像引起的視覺疲勞可能會對觀察者造成很大的傷害，而且對兒童的傷害可能會更大，必須予以高度重視。本文通過對輻輳和焦點調(diào)節(jié)不一致及過度的視差和視差的不連續(xù)變化所引起的視覺疲勞的成因分析，針對性地提出了緩解視覺疲勞的四項措施。作者認為只要在觀看和制作立體影像時遵從本文的建議，預(yù)防和減輕視覺疲勞是可能的。

然而，解決視覺疲勞最根本的辦法，是研究開發(fā)自然立體顯示技術(shù)，近年來這方面的研究已經(jīng)取得有了一些可喜的研究成果，如超多眼方式、空中像方式和全息方式等。其中的超多眼方式是通過給觀察者單眼瞳內(nèi)提供多幅視差圖像來達到將焦點調(diào)節(jié)到融像位置的方式，輻輳和焦點調(diào)節(jié)趨于一致，故而減輕了視覺疲勞；空中像方式的表示面是透明的自由屏幕，觀察者感覺不到表示面的存在，焦點調(diào)節(jié)合于融像位置，因此沒有視覺疲勞；全息方式是完全再現(xiàn)物體反射光的方式，屬于非視差方式，當(dāng)然也沒有視覺疲勞問題。但這些方式技術(shù)難度高，目前還沒有到實用階段，需要進一步研究和開發(fā)。

[1]Yano Sumio, Emoto Masaki, Mitsuhashi Tetuso. Two factors in visual fatigue caused from stereoscopic images [J]. The Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, 2003, 57(9):1187-1193.

[2]Yano Sumio, Shinji Ide, Hal Thwaites. A study of visual comfort and visual fatigue at the point of accommodation response in viewing stereoscopic image [J]. The Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, 2001, 55(5):711-717.

[3]Emoto Masaki, Yano Sumio. The influence of the dissociation of vergence and accommodation on visual fatigue in watching stereoscopic images [J]. ITE Technical Report, 2001, 25(48): 7-14.

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[6]Shinsuke Kishi. An ergonomic evaluation system for stereoscopic 3D-images [J]. The Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, 2006, 60(6): 934-942.

[7]董國耀. 透視與體視[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 1992. 231.

[8]SHIBATA Takashi, KAWAI Takashi, OHTA Keiji, et al.Improvement of the mismatch of visual information by the stereoscopic 3-D display system using mono-focal lens [J]. The Japanese Journal of Ergonomics, 2004,40(2): 99-106.