3D顯示方式與視差對(duì)視覺疲勞的影響研究*

王嘉輝，程 義，李焜陽，崔 峻，常勝倩，蔡志崗，周建英

(中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510275)

近幾年，3D產(chǎn)業(yè)，包括3D制作，3D儲(chǔ)存和傳輸以及3D顯示設(shè)備均得以迅速發(fā)展。3D已經(jīng)開始走入生產(chǎn)生活的方方面面，也即將從銀幕走進(jìn)家庭，從家庭轉(zhuǎn)移到手掌，從生活走向醫(yī)療、科研等高端場(chǎng)合［1－3］。但長(zhǎng)時(shí)間觀看3D將導(dǎo)致不同程度的視覺疲勞，并伴隨有身體不舒適的情況［4－6］，因此3D引發(fā)的生理安全問題也越來越得到了人們的重視。

國內(nèi)外學(xué)者開展了3D與視覺疲勞和不適間關(guān)聯(lián)的研究。Yano S等［7］測(cè)量了觀看3D投影顯示的調(diào)節(jié)能力相對(duì)于觀看前有很大減弱，認(rèn)為視覺疲勞影響了調(diào)節(jié)能力。Emoto M等［8］發(fā)現(xiàn)在觀看3D電視前后的輻輳能力的有所下降。Donghyun K等［9］用攝像機(jī)記錄了被試在觀看3D電視的眨眼次數(shù)要多。Li H C O研究發(fā)現(xiàn)3D的bete頻率 (在壓力情況下，會(huì)出現(xiàn)的頻率在12～30 Hz的bete腦電波)比2D要強(qiáng);3D產(chǎn)生的P700電位 (P700電位為在700 ms處出現(xiàn)事件相關(guān)電位信號(hào))要遲于2D［10］。王瓊?cè)A等［11］研究了自由立體顯示器觀看者瞳孔直徑與視疲勞的關(guān)系，得到了視覺疲勞越嚴(yán)重瞳孔直徑越大。劉運(yùn)周［12］用客觀作業(yè)研究了立體圖像的視覺疲勞問題。但是未涉及不同的3D視差導(dǎo)致視覺疲勞的嚴(yán)重程度方面。因此，尋找能讓觀眾長(zhǎng)期使用的3D顯示方式和視差范圍，在保證優(yōu)秀立體視覺體驗(yàn)的同時(shí)，提高觀看的舒適度，尤為必要。本文用客觀作業(yè)為評(píng)價(jià)手段，研究了不同的3D顯示方式和視差對(duì)視覺疲勞的影響。

1 原理

雙眼視差是指由于兩眼在水平方向上有一定的距離，使得物體在雙眼的視網(wǎng)膜上成像有所差異，此差異稱為雙眼視差。視差一般都用角度表示，從視覺感受而言，即物體在視覺上的出屏和入屏。如圖1所示。

圖1 雙眼視差 (a)2D;(b)出屏;(c)入屏Fig.1 Binocular disparity(a)2D;(b)Out of the screen;(c)Into the screen

基于色分的互補(bǔ)色3D顯示將左、右兩幅立體圖像用紅青 (俗稱紅藍(lán))等色進(jìn)行著色，通過紅青眼鏡后，使得左右眼分別看到各自的圖像。如圖2(a)所示?；パa(bǔ)色3D顯示方式存在色彩失真嚴(yán)重、串?dāng)_大等問題。

基于光分的偏振式3D顯示其原理主要是分奇偶行或者列來顯示左右視頻。如奇數(shù)行用左旋偏振光顯示左視頻，偶數(shù)行用右旋偏振光顯示右視頻，通過偏振眼鏡后，分別保留各自眼的視頻，然后經(jīng)過大腦融合成具有深度感知的立體。如圖2(b)所示。偏振3D顯示的分辨率減半，并且上下的視角要求嚴(yán)格。

基于時(shí)分的快門式3D顯示技術(shù)采用快速的交替顯示左右視頻及同頻率開關(guān)的快門眼鏡進(jìn)行左右眼圖像的分離，現(xiàn)在主流的刷新頻率是120 Hz。如圖2(c)所示。由于背景照明光的影響，所以大部分時(shí)分3D顯示視覺效果具有閃爍感。

圖2 不同3D顯示方式的原理(a)色分3D;(b)偏振3D;(c)主動(dòng)快門3DFig.2 Different 3D display schematics(a)Anaglyphic 3D;(b)Polarization 3D;(c)Active shutter 3D

客觀作業(yè)，也稱數(shù)字校對(duì)，是沿用心理學(xué)測(cè)量的一種方法，利用人在疲勞狀態(tài)下大腦工作能力下降的原理工作。一般客觀作業(yè)的流程是，實(shí)驗(yàn)人員預(yù)先設(shè)計(jì)一個(gè)二維數(shù)組作為客觀作業(yè)。該數(shù)組的列數(shù)為2，行數(shù)若干，同一行內(nèi)的兩個(gè)單元的數(shù)字一致或非常近似。被試者在完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)刺激后，閱讀客觀作業(yè)，并判斷同一行兩個(gè)單元內(nèi)的內(nèi)容是否一致。通過統(tǒng)計(jì)整個(gè)作業(yè)的識(shí)別準(zhǔn)確率，評(píng)價(jià)被試者的視覺疲勞程度，識(shí)別準(zhǔn)確率越高代表疲勞度越低，反之則代表疲勞度越低。按照實(shí)際需要，可有若干套不同的客觀作業(yè)用于實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)選做。為了減少因?yàn)槭炀毘潭葞淼恼`差，在正式實(shí)驗(yàn)前被試者將有一個(gè)熟悉客觀作業(yè)的訓(xùn)練過程?？陀^作業(yè)文稿的示例如下。

2 立體顯示方式對(duì)視覺疲勞的影響

2.1 裝置和樣片

普通2D顯示器 (戴爾E228WFP)用于顯示2D和紅青式3D圖像;偏振式3D顯示器 (LG D2342)用于顯示光分式3D圖像;快門式顯示器(三星S23A750)用于顯示時(shí)分式3D圖像，三臺(tái)顯示器都為23英寸 (58.4 cm)，分辨率同為1 920×1 080。在距離顯示器正前方50 cm處，放置照度計(jì)，調(diào)節(jié)顯示器的亮度，得到一致。從《阿凡達(dá)》中剪取了15 min的視頻作為樣片。

2.2 方法

實(shí)驗(yàn)被試者限定為視力正常或者近視與散光小于100°者，有13名男性和3名女性，年齡在20～26周歲，平均年齡為22.7歲。

讓被試者在距離顯示器約50 cm觀看樣片，播放軟件為PowerDVD。播放的方式分為2D、色分3D、偏振3D、時(shí)分3D。播放2D無需佩戴3D眼鏡，播放3D需分別佩戴對(duì)應(yīng)的3D眼鏡。四種播放方式對(duì)被試者的次序?yàn)閭坞S機(jī)的。

在正式實(shí)驗(yàn)前有一個(gè)的演示部分，意在告知被試者整個(gè)實(shí)驗(yàn)前有一次客觀作業(yè)，接著觀看縮短觀看時(shí)間的演示視頻，觀看完后進(jìn)行客觀作業(yè)，正式實(shí)驗(yàn)總共有4次觀看視頻。被試者觀看樣片前先做一次客觀作業(yè)，以作基準(zhǔn)，每看完一種顯示方式顯示樣片后隨即再完成一次客觀作業(yè)。每份客觀作業(yè)為紙質(zhì)版，由40組不同的數(shù)組需要校對(duì)。被試者每次觀看樣片之間休息30 min。將40組數(shù)組按百分制來計(jì)算最后的成績(jī)。

2.3 結(jié)果及討論

圖3為觀看不同顯示方式視頻的客觀作業(yè)分值圖，橫坐標(biāo)為被試者編號(hào)，縱坐標(biāo)為分值。通過不同顯示方式后客觀作業(yè)的分值和實(shí)驗(yàn)前的分值差距，可以看出該種顯示方式造成疲勞感的嚴(yán)重程度，分值差距越高疲勞度越嚴(yán)重，反之則越輕微。

為更明顯體現(xiàn)分值差距，用不同顯示方式的數(shù)據(jù)減去基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，再取平均得到了圖4所示。圖4的橫坐標(biāo)從左至右分別為偏振式3D、快門式3D、紅青式3D和2D四種顯示類型，縱坐標(biāo)是實(shí)驗(yàn)前后的客觀作業(yè)的分值下降的百分比。

由圖可知，觀看2D影像后數(shù)字校對(duì)正確率下降了4.4%，觀看偏振式、時(shí)分式、色分式3D影像后分別下降了10.5%、12.2%和13.4% 。不難發(fā)現(xiàn)，任何顯示方式的客觀作業(yè)正確率都出現(xiàn)了下降，表明不管是觀看2D或3D影像后都會(huì)引起了視覺疲勞。

其中，觀看2D影像造成的疲勞程度明顯比觀看3D影像造成的疲勞程度要小得多 (2D:4.4%;3D:10%以上)。而在不同的3D顯示方式當(dāng)中，偏振3D造成的疲勞程度最小 (10.5%)，紅青3D造成的疲勞程度最大 (13.4%)，時(shí)分式3D則居中(12.2%)。

圖4 不同顯示類型與實(shí)驗(yàn)前的差值Fig.4 The d-value of objective assignment between different types of display and pre-experiment

實(shí)際上，偏振式3D顯示佩戴的眼鏡能夠?yàn)V掉某些線偏振的眩光，使視覺感覺更加柔和，降低眼睛疲勞度。而時(shí)分式由于時(shí)分眼鏡造成亮度降低嚴(yán)重，且再有背景照明的情況存在明顯閃爍感，眼鏡與顯示器可能不完全同步，故容易導(dǎo)致視覺疲勞、嘔吐等不適癥狀。色分式圖片顏色嚴(yán)重失真，屏幕三原色濾色片透過光譜與眼鏡鏡片透過光譜的不匹配，極易看到重影，而重影是造成視覺疲勞的一大原因?，F(xiàn)在大部分3D電影院采用的都是偏振式顯示方式，其中一個(gè)原因是偏振式給觀眾的視覺感覺最好，很少出現(xiàn)明顯的眼睛疲勞、頭疼、嘔吐等不適癥狀。

通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，找出了最適合長(zhǎng)期觀看的3D顯示方式——偏振式3D，并以此為實(shí)驗(yàn)手段，開展后續(xù)的視差對(duì)視覺疲勞度影響的實(shí)驗(yàn)。

3 視差與視覺疲勞的關(guān)系

過大的出屏視差，會(huì)引起輻輳和調(diào)節(jié)的強(qiáng)烈不一致，從而導(dǎo)致復(fù)視，產(chǎn)生視覺疲勞。一個(gè)合適的出屏視差能夠減輕輻輳和調(diào)節(jié)的不一致，并減緩其帶來的視覺疲勞的累積速度。

3.1 裝置和樣片

由實(shí)驗(yàn)一的結(jié)論，選用偏振3D顯示作為此次實(shí)驗(yàn)的顯示平臺(tái)，繼續(xù)采用。LG D2342為實(shí)驗(yàn)用顯示器。在顯示器正前方50 cm，放置頭托用以固定被試者的觀看位置，減少頭部的運(yùn)動(dòng)帶來的誤差。

樣片用3ds Max建模，制作了簡(jiǎn)單的幾何體，并設(shè)計(jì)左、中、右三個(gè)攝像機(jī)，渲染得到120組圖片，每組有左、中、右三張圖片。使用Photoshop調(diào)整左、右圖的間距，得到視差 (即出屏距離)為0、4、8、12、16 cm等的3D圖片，它們對(duì)應(yīng)視差角分別為 0°、0.61°、1.33°、2.20°、3.27°。其中出屏0 cm使用中間攝像機(jī)渲染的2D圖片。再從中選出75組立體感比較好且無明顯感情色彩的圖片作為最終樣片。

3.2 方法

被試者均為視力正?；蛘咻p度近視者，有13名男性和6名女性，年齡在20～26周歲，平均年齡為22.4歲。

讓被試者的下巴輕放在距離顯示器50 cm的頭托上，佩戴偏光眼鏡，觀看立體圖片，每張立體圖片播放8 s，75張圖片共10 min，播放軟件為Stereoscopic Player。這五種不同視差對(duì)于被試者的次序?yàn)閭坞S機(jī)的。

在正式實(shí)驗(yàn)前有一個(gè)的演示部分，意在告知被試者整個(gè)實(shí)驗(yàn)前有一次客觀作業(yè)，接著觀看縮短觀看時(shí)間的演示圖片，觀看完后進(jìn)行客觀作業(yè)，正式實(shí)驗(yàn)總共有5次觀看圖片。被試者在觀看樣片前先做一次客觀作業(yè)以作基準(zhǔn)，每看完一種視差的樣片后立即完成客觀作業(yè)。每次客觀作業(yè)為電腦編程進(jìn)行，限時(shí)1 min，不限完成數(shù)量。然后休息15 min。

3.3 結(jié)果及討論

各視差數(shù)字校對(duì)結(jié)果平均值后與實(shí)驗(yàn)前相比較，得到如下圖5。由圖可知，視差為0～0.61°之間，錯(cuò)誤率并沒有明顯的增加和減少;在出屏為0.61°～2.2°之間，錯(cuò)誤率出現(xiàn)比較迅速上升;而視差為2.2°～3.27°情況更加糟糕，但是錯(cuò)誤率增長(zhǎng)得相對(duì)平緩，有趨于飽和的趨勢(shì)。

圖5 不同出屏距離與實(shí)驗(yàn)前的差值Fig.5 The d-value of different parallax

根據(jù)被試者敘述，視差為0.61°的圖片沒有重影，立體清晰;視差為1.33°的圖片大多數(shù)人能看到清晰的立體效果，個(gè)別看到邊緣稍微有點(diǎn)重影;視差達(dá)到2.2°時(shí)，部分被試者表示圖像出現(xiàn)明顯重影;視差增大到3.27°時(shí)，所有被試者表示看到重影。而且出屏越大重影越明顯，并伴隨著有頭暈及眨眼增多等現(xiàn)象。這可能是由于視差太大，影響了立體圖像在大腦的融合。這都與理論相符合。在看到重影后，錯(cuò)誤率并沒有飛速上升，表現(xiàn)為比較平緩，并有飽和的趨勢(shì);而在無重影到即將出現(xiàn)重影的區(qū)間內(nèi)，錯(cuò)誤率上升得非常迅速。這意味著在重影出現(xiàn)前，視覺疲勞就開始出現(xiàn)，錯(cuò)誤率呈現(xiàn)增長(zhǎng)迅速，其他視覺疲勞變現(xiàn)并不是很明顯;而當(dāng)重影出現(xiàn)后，錯(cuò)誤率增長(zhǎng)緩慢，客觀作業(yè)不再明顯體現(xiàn)視覺疲勞，需要其它方式進(jìn)行檢測(cè)。

在制作和拍攝3D影像資料時(shí)，因?yàn)?D影像中大部分鏡頭的視差是長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)固定的，針對(duì)這種長(zhǎng)時(shí)間觀看的視差，建議最好控制在1°以內(nèi)。對(duì)于一些在短時(shí)間內(nèi)需體現(xiàn)視覺沖擊效果的鏡頭，可采取較大視差表現(xiàn)出屏感，但也應(yīng)控制在2°以內(nèi)。根據(jù)被試者的反映，不建議在3D影像資料中加入視差超過2°的鏡頭。

4 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在紅藍(lán)3D、快門3D、偏振3D顯示中，偏振3D給人的視覺舒適度較佳，且不易產(chǎn)生視覺疲勞。在觀看不同視差的3D時(shí)，提出了幾點(diǎn)關(guān)于鏡頭視差控制建議。本文的研究有利于對(duì)個(gè)人電腦3D顯示器的選擇，及3D圖像、影像的制作提供了參考。

致謝:本論文的工作的順利開展，得到了中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院的顧懷宇教授、中山眼科中心眼科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的羅燕教授、中山大學(xué)心理學(xué)系的高定國教授以及華南師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院心理學(xué)系的曾祥炎教授的幫助，在此，向以上老師致以最誠摯的謝意。

［1］中國投影網(wǎng)投影資訊［EB/OL］.http://www.ty360.com/2013/1/2013_1_55188.htm，［s.n.］，2013.

［2］林晶霞，VOLLMAR C.使用三維立體成像定義大腦負(fù)性運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào):醫(yī)學(xué)科學(xué)版，2008，29(4S):12－14.

［3］肖平喜，王禮春.動(dòng)態(tài)三維超聲心動(dòng)圖診斷左心瓣膜疾病的價(jià)值研究［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào):醫(yī)學(xué)科學(xué)版，2008，29(3):353 －355.

［4］SHEEHY J B，WILKINSON M.Depth perception after prolonged usage of night vision goggles［J］.Aviation，Space，and Environmental Medicine，1989，60(6):573 －579.

［5］孔彬.3D電視的健康觀看問題初探［J］.中國數(shù)字電視，2011(10):34－36.

［6］王玲，王淮慶.兒童雙眼視覺三級(jí)功能研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.國際眼科雜志，2007(03):796－798.

［7］YANO S，IDE S，MITSUHASHI T，et al.A study of visual fatigue and visual comfort for 3D HDTV/HDTV images［J］.Displays，2002，23(4):191 －201.

［8］EMOTO M，NOJIRI Y，OKANO F.Changes in fusional vergence limit and its hysteresis after viewing stereoscopic TV［J］.Displays，2004，25(2/3):67 －76.

［9］DONGHYUN K，SUNGHWAN C，SANGIL P，et al.Stereoscopic visual fatigue measurement based on fusional response curve and eye-blinks［C］∥17th International Conference on Digital Signal Processing，DSP 2011，Academic，Corfu，2011:1－6.

［10］Li H C O，JUNHO S，KEETAEK K，et al.Measurement of 3D visual fatigue using event-related potential(ERP):3D oddball paradigm［C］∥2008 3DTV-Conference:The True Vision－Capture，Transmission and Display of 3D Video，Academic，Istanbul，2008:213 －216.

［11］李小方，王瓊?cè)A，李大海，等.柱透鏡光柵3D顯示器的視差范圍與立體觀看視疲勞的關(guān)系［J］.光電子:激光，2012，23(5):873 －877.

［12］劉運(yùn)周.觀看立體圖像時(shí)視覺疲勞的研究及改進(jìn)措施［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2010:51－58.