觀看3D影像所致不適感的腦電功率譜特征分析

靳靜娜 劉志朋 李穎 尹杰 殷濤

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192)

引言

自2009年底3D電影《阿凡達(dá)》放映以來，3 D影像在國內(nèi)外都得到了廣泛的關(guān)注，相關(guān)3 D影像播放設(shè)備及3 D電影產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，并已有3 D電視進(jìn)入家庭。但是，由于觀看3D影像引起一些人不同程度的不適感，包括：疲勞、頭疼、眩暈甚至惡心嘔吐等癥狀，成為其發(fā)展的一個重要障礙[1]。因此，評估3 D影像引起的不適，促進(jìn)“健康3 D”的發(fā)展被提上了議程。

在評估3D影像所致不適的研究中，大多數(shù)研究者采用基于問卷的主觀評估方法。該方法簡單、方便，但是受個體主觀感受影響較大，評估結(jié)果準(zhǔn)確度較差[2]。也有研究者使用客觀的方法從視覺不適角度進(jìn)行評價，如使用紅外跟蹤法進(jìn)行測量[3]，但這個檢測需要在光照強(qiáng)度100 lux的環(huán)境中進(jìn)行追蹤，且3 D眼鏡需安裝紅外設(shè)備，無疑加重了受試者的負(fù)擔(dān)。也有研究者使用光學(xué)方法進(jìn)行檢測，但是需要棱鏡進(jìn)行矯正[4-5]，實驗過程繁瑣，不適于大樣本實驗。使用生物電的方法對3 D影像所致不適的研究還比較少[6-8]，在現(xiàn)有的研究中，只關(guān)注了3 D影像的生物電變化，沒有與2 D影像的對比，結(jié)果也只進(jìn)行了簡單的功率譜密度分析，沒有形成統(tǒng)一的表征3D所致不適感的特征指標(biāo)，不能有效評估3D影像所致不適感。

生物電信號是生物體生命活動狀態(tài)的反映，是生物醫(yī)學(xué)工程研究的重要手段，廣泛應(yīng)用于生理狀態(tài)監(jiān)測、腦功能研究、情感與心理分析等方面。其中腦電已成為最廣泛的評定中樞神經(jīng)系統(tǒng)變化的指標(biāo)之一，被譽(yù)為檢測疲勞的“金指標(biāo)”[9]，且該測試設(shè)備不會引起受試者的不適，能準(zhǔn)確的記錄受試者的腦電變化。3 D影像的產(chǎn)生利用雙眼視差的原理實現(xiàn)，在觀看過程中視神經(jīng)、腦神經(jīng)對視差的強(qiáng)力調(diào)節(jié)引起感覺上的不適，這種不適會引起神經(jīng)電生理上的變化。因此，采用2 D和3 D對比的方法，選用了主觀感受信息結(jié)合客觀指標(biāo)——腦電功率譜及重心頻率，對該不適進(jìn)行探討。功率譜和重心頻率是腦電信號頻域的兩個特征量，反映了大腦皮層的興奮或抑制狀態(tài)時的電活動。通過設(shè)計分組實驗，在觀看2 D影像和觀看3 D影像條件下采集腦電，分析兩種腦電功率譜和腦電重心頻率特征的變化并進(jìn)行了探討。

1 實驗方法

快波是大腦皮層興奮時的主要波形，反映大腦神經(jīng)元興奮的程度;慢波是大腦皮層處于抑制狀態(tài)時電活動的主要表現(xiàn)，反映了大腦神經(jīng)元抑制的程度;腦電功率譜是反映大腦神經(jīng)元興奮或抑制程度的一個指標(biāo);重心頻率是頻譜中分量較大的信號成分的頻率，反映在不同條件下整個EEG功率譜的遷移情況。在疲勞狀態(tài)時，慢波增加，快波減少，大腦神經(jīng)元處于抑制狀態(tài)，使腦電功率譜降低，重心頻率也向低頻遷移。

通過設(shè)計分組實驗，在觀看2 D影像和觀看3 D影像條件下采集腦電，分析兩種腦電功率譜和腦電重心頻率特征的變化。對觀看影像所致不適分別采用主觀感受評價和腦電功率譜及重心頻率相結(jié)合的方法進(jìn)行分析。

1.1 實驗設(shè)計

受試者共分為2組，每組5人，每人進(jìn)行兩次實驗，共計取得20組實驗數(shù)據(jù)。為了消除觀看順序?qū)嶒灲Y(jié)果的影響，第1組(3男2女)先觀看2D模式，后觀3 D模式。第2組(2男3女)先觀看3 D模式，后觀看2D模式。同時，對于每名受試者的實驗時間進(jìn)行隨機(jī)化設(shè)計，使得每名受試者兩次實驗時間間隔在10 d以上，以消除時間間隔較短造成的適應(yīng)性。為了排除其他因素對實驗數(shù)據(jù)的影響，有關(guān)的實驗條件如實驗室溫度、觀測距離等均保持一致。

實驗中播放2 D影像和3D影像的設(shè)備采用三星電子公司生產(chǎn)的55 C8000XF3 D電視，該電視用雙眼視差技術(shù)實現(xiàn)3 D立體效果，配合主動快門眼鏡進(jìn)行3D影像觀看，電視也可放映普通2D影像。實驗室環(huán)境：用不透光的窗簾遮擋外部光源，兩層窗戶進(jìn)行隔音，實驗過程中溫度和濕度保持恒定，且室內(nèi)沒有震動或異味。實驗中觀看距離為3 m，眼睛與電視屏幕中點保持水平。

測試視頻源為兩個內(nèi)容類似的3D動畫電影，《Monsters Aliens》和《Megamind》，長度均大于 80 min。當(dāng)觀看3D影像時佩戴主動快門眼鏡，觀看2 D電影時將這兩部電影由3D模式轉(zhuǎn)換為2D模式。腦電信號檢測采用Neroscan32導(dǎo)腦電儀，采用國際常用的10～20導(dǎo)聯(lián)頭皮電極系統(tǒng)，記錄了 FP1、FPz、FP2、F7、F3、Fz、F4、F8、T7、C3、Cz、C4、T8、P7、P3、Pz、P4、P8、O1、Oz和 O2 共 21 通道腦電信號，同時記錄了水平眼電和垂直眼電，兩個參考電極(M1和M2)位于兩耳乳突，系統(tǒng)采樣率為1000 Hz，電極與皮膚間的阻抗在5 KΩ以下。

實驗受試者身體健康，年齡在20～30歲之間，自愿參加的在讀研究生。受試者視力或矯正視力正常，且在實驗前睡眠狀況良好，沒有吸煙、飲酒或喝含咖啡因的飲品，所有受試者均在早飯0.5 h后進(jìn)行實驗。

主觀感受問卷選用參考文獻(xiàn)[3]中所述的25個問題[3]，包括視覺疲勞以及相關(guān)方面的癥狀，問答采用五分制，分為：非常嚴(yán)重、嚴(yán)重、一般、輕微、無。

1.2 實驗步驟

實驗流程如圖1所示，分為以下幾個步驟：

步驟1：受試者填寫第1次問卷，記錄觀看影片前的主觀感受信息;

步驟2：分別采集1 min靜息閉眼狀態(tài)下腦電、1 min靜息睜眼狀態(tài)腦電;

步驟3：觀看影片，記錄觀看過程中80 min的腦電與眼電信號;

步驟4：觀看結(jié)束后，受試者填寫第2次問卷，記錄在觀看影片后的主觀感受信息;

步驟5：受試者自由活動15 min;

步驟6：受試者填寫第3次問卷，記錄觀看影片后休息一段時間的主觀感受信息;

步驟7：采集5 min鐘靜息腦電信號。

圖1 實驗流程圖Fig.1 Diagram of the experimental process

2 實驗結(jié)果處理方法

采用Matlab軟件工具進(jìn)行腦電信息處理和結(jié)果的統(tǒng)計分析。

2.1 腦電預(yù)處理

采集到的腦電信號默認(rèn)參考點為頭頂電極ref和end，由于其緊鄰腦電采集電極，使采集到的腦電信號幅度較小。將采集到的腦電信號重新以兩耳乳突電極為參考電極進(jìn)行重設(shè)，對信號進(jìn)行濾波，提取50 Hz以下的信號、降采樣(采樣率由1000 Hz變?yōu)?00 Hz)，并利用ICA方法去除垂直眼電和水平眼電。

2.2 腦電信號處理

將預(yù)處理后的21通道腦電信號進(jìn)行FFT變換，求得21通道的在每個時間段的功率譜，并計算各個通道腦電的重心頻率。

重心頻率反映信號功率譜密度的分布情況。計算0.5～30 Hz功率譜曲線的重心頻率，用于考察觀看不同影像時EEG功率譜重心遷移情況的計算公式為

式中，fg為重心頻率，f1到 f2為頻率范圍，p(f)為信號的功率譜，f為頻率值。

2.3 統(tǒng)計分析

分別對觀看影像前后以及休息一段時間后受試者的主觀量表得分進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)t檢驗，腦電的各功率譜特征比較采用配對t檢驗。

3 結(jié)果

3.1 主觀感受評價

主觀感受問卷共設(shè)有25個問題，對觀看前后的主觀感受各問題進(jìn)行打分：非常嚴(yán)重(1分)、嚴(yán)重(2分)、一般(3 分)、輕微(4 分)、無(5 分)，即：得分越低，表明所致不適感越高，問卷的最高得分為125分。對采集的各受試者主觀信息得分進(jìn)行疊加，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差如圖1所示。

圖2 主觀感受評價信息得分Fig.2 Score of subjective evaluation information

從圖2可以看出，兩種觀影條件下，觀看后相對于觀看前主觀感受的得分都顯著降低，且觀看3 D影像的主觀感受得分更低，表明被試者經(jīng)過80 min的觀看影像，主觀不適程度增加，且觀看3D影像所致的主觀感受不適更為嚴(yán)重，說明觀看影像對受試者產(chǎn)生了較大的影響，導(dǎo)致主觀感受不適程度增加。而休息一段時間后相對于觀看后，主觀疲勞量表得分又顯著增加，表明主觀感覺不適程度降低，這是由于休息緩解了受試者的不適程度。

每位受試者分別進(jìn)行2 D影像和3 D影像的觀看，對比在觀看前、后及休息一段時間3個不同時間段對受試者的影響，同時對2種觀影條件的影響也進(jìn)行統(tǒng)計分析。對該主觀感受問卷結(jié)果進(jìn)行配對t檢驗，所得結(jié)果如表1和表2所示。

表1 觀看影像時不同時間段問卷比較的t檢驗P值Tab.1 P values for the t test of the questionnaires in different periods

表2 兩種影像相同時間段問卷比較的t檢驗P值Tab.2 P values for the t test of the same questionnaires when watching two different videos

統(tǒng)計分析表明，對2 D影像，觀看前與觀看中、觀看中與休息一段時間后存在顯著性差異;對3 D影像，觀看前與觀看中、觀看中與休息一段時間后、觀看前與休息一段時間后的主觀感受存在顯著性差異(P＜0.05)，并且對觀看前與觀看中、觀看中與休息一段時間后3 D影像表現(xiàn)出更為顯著的差異(P＜0.01);對同一次問卷，兩種影像之間的統(tǒng)計結(jié)果沒有明顯差異(P＞0.05)。

3.2 腦電特征分析

3.2.1 功率譜

3.2.1.1 整體腦電的功率譜

對觀看前、觀看中及觀看后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到兩種觀影時的腦電功率譜。圖3所示為觀看2 D影像與3 D影像功率譜的差值腦地形圖及統(tǒng)計結(jié)果。

圖3 2D影像與3D影像功率譜差值的腦地形圖。(a)觀看前;(b)觀看中;(c)休息一段時間后Fig.3 Subtraction power spectrum of the brain mapping for 2D and 3D videos.(a)Before viewing;(b)Viewing;(c)After a rest time

圖4 2 D影像與3D影像功率譜差值的統(tǒng)計結(jié)果(圈表示P＜0.05)。(a)觀看前;(b)觀看中;(c)休息一段時間后Fig.4 Statitstics results of the subtraction power spectrum for 2D and 3D videos.(a)Before viewing;(b)Viewing;(c)After a rest time

在觀看前，有如圖3(a)所示，2 D影像功率譜與3 D影像功率譜相差不大，對其進(jìn)行統(tǒng)計分析，所得的圖4(a)表明，在各導(dǎo)聯(lián)沒有顯著性差異;在觀看中，圖3(b)在所有的21個導(dǎo)聯(lián)，2D影像的功率譜要比3D影像的高，且在枕區(qū)表現(xiàn)更為明顯。統(tǒng)計結(jié)果有如，圖 4(b)所示，除 FP1、FPz、T7 通道外，其余通道均存在顯著性差異(P＜0.05)。由圖3(c)和圖4(c)可以看出，休息一段時間后，2D影像的功率譜與3D影像功率譜相差不大，統(tǒng)計顯示在各導(dǎo)聯(lián)沒有顯著性差異。

3.2.1.2 重心頻率

(1)整體腦電的重心頻率

對觀看前、觀看中及休息一段時間后的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到2 D與3D兩種觀影條件下腦電的重心頻率的差值腦地形圖及其統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。

圖5 2D影像與3D影像重心頻率差值的腦地形圖。(a)觀看前;(b)觀看中;(c)休息一段時間后Fig.5 Subtraction gravity frequency of the brain mapping for 2D and 3D videos.(a)Before viewing;(b)Viewing;(c)After a period of resting

在觀看前，如圖5(a)及6(a)所示，腦電重心頻率相差不大，統(tǒng)計顯示在各導(dǎo)聯(lián)沒有顯著性差異。在觀看中，如圖5(b)所示，在前額區(qū)，2 D影像的重心頻率大于3D影像，在后枕區(qū)，3 D影像的重心頻率大于2 D影像。通過統(tǒng)計檢驗，如圖6(b)所示，在前額區(qū)(導(dǎo)聯(lián) FP1、FPz、FP2、F3、Fz)處兩種播放影像的重心頻率有顯著性差異(P＜0.05)。休息一段時間后，圖5(c)及6(c)表明，2 D腦電的重心頻率與3 D重心頻率相差不大，統(tǒng)計顯示在各導(dǎo)聯(lián)不存在顯著性差異。

(2)分段的腦電重心頻率

將采集到的觀看過程中腦電信號進(jìn)行細(xì)化，每10 min分為一段，共有8段。分別計算21個通道在每個時間段的重心頻率，圖7為其中兩個通道(FP1和FPz)的結(jié)果。

將第一段(1～10 min)和第七段(61～70 min)兩個時間段進(jìn)行分析，在該兩個時間段，2 D腦電減去3 D腦電所得的重心頻率的腦電地形圖及統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示。

圖6 2D影像與3D影像重心頻率統(tǒng)計結(jié)果(圈表示P＜0.05)。(a)觀看前;(b)觀看中;(c)休息一段時間后Fig.6 Statitstics result of the subtraction gravity frequency for 2D and 3D videos.(a)Before viewing;(b)Viewing;(c)After a rest time

圖7 腦電在通道FP1(上)和FPz(下)每個時間段的重心頻率Fig.7 The gravity frequency of the FP1 channel(up)and FPz channel(down)in each period

在0～10 min時，兩種影像重心頻率的差異主要表現(xiàn)在額區(qū)，如圖8(a)所示，結(jié)果為2 D的重心頻率大于3 D，統(tǒng)計結(jié)果如圖9(a)顯示，在額區(qū)(導(dǎo)聯(lián)FP1、FPz、FP2、F3、Fz)兩種播放影像的重心頻率有顯著性差異(P＜0.05);在61～70 min時，除顳區(qū)外兩種影像腦電的重心差異表現(xiàn)為整個腦區(qū)，如圖8(b)所示，結(jié)果為2 D的重心頻率大于3 D，統(tǒng)計結(jié)果在圖 9(b)顯示，除顳區(qū)(導(dǎo)聯(lián) F7、F8、T7、T8、P8)外兩種觀影腦電的重心頻率都有顯著性差異(P＜0.05)。

圖8 2D影像與3D影像重心頻率差值的腦地形圖。(a)第1段(1～10 min);(b)第7段(61～70 min)Fig.8 Brain mapping of the subtraction gravity frequency for 2D and 3D videos.(a)The first period;(b)The seventh period

圖9 2D影像與3D影像重心頻率統(tǒng)計結(jié)果(圈表示P＜0.05)。(a)第1段(1～10 min);(b)第7段(61～70 min)Fig.9 Statitstics result of the subtraction gravity frequency for 2D and 3D videos.(a)The first period;(b)The seventh period

由以上分析可知，通過主觀信息的統(tǒng)計方法分析觀看2D影像和觀看3D影像的感受，由圖2及表1結(jié)果表明，觀看3 D影像的主觀信息比觀看2 D影像的得分低，說明3D影像所致不適程度較重;經(jīng)過休息后，兩種影像主觀信息得分差異不大，表明所致的不適得到緩解;分析腦電功率譜特征，從圖3～圖9可見，受試者觀看3 D影像腦電的功率譜及重心頻率比觀看2D影像的低，休息后腦電的功率譜及重心頻率差異變小。由此可以看出，主觀信息與腦電特征量之間有較好的一致性：相比于觀看2 D影像，觀看3D影像時主觀信息得分降低，腦電功率譜及重心頻率也較低，說明觀看3D影像所致不適程度增加時，腦電功率譜及重心頻率相應(yīng)降低，這種不適在休息一段時間后緩解。

4 討論和結(jié)論

腦力疲勞是指日常工作或者學(xué)習(xí)過程中，因長時間從事腦力勞動而導(dǎo)致人們作業(yè)機(jī)能衰退、腦力活動能力下降的現(xiàn)象。從電生理學(xué)的角度來看，腦神經(jīng)細(xì)胞的活動是興奮與抑制互相作用、互相轉(zhuǎn)化、互相誘導(dǎo)的過程。大腦在工作時，神經(jīng)細(xì)胞活動相對處于比較有序的狀態(tài)，大腦神經(jīng)元表現(xiàn)為興奮;在疲倦時，神經(jīng)細(xì)胞處于比較無序的狀態(tài)，大腦神經(jīng)元表現(xiàn)為抑制。

從實驗結(jié)果可以看出，受試者觀看3 D影像腦電要比觀看2D影像的功率譜低，這個結(jié)果反映出相比于觀看2 D影像，觀看3 D時大腦神經(jīng)元興奮性降低，抑制程度增強(qiáng)，說明觀看3 D影像比觀看2 D影像受試者的疲勞度增大，且該現(xiàn)象在整個腦部區(qū)域都有表現(xiàn)。

功率譜曲線的重心頻率不僅可以很好地反應(yīng)信號功率譜密度的分布情況，表征頻譜中分量較大的信號成分的頻率，而且還可以反映在不同條件下整個EEG功率譜的遷移情況。在清醒狀態(tài)時，快波增加，慢波減少，大腦神經(jīng)元處于興奮狀態(tài)，使重心頻率向高頻遷移。在疲勞狀態(tài)時，慢波增加，快波減少，大腦神經(jīng)元處于抑制狀態(tài)，使重心頻率向低頻遷移。本實驗中受試者觀看3 D影像比觀看2 D影像的腦電重心頻率低，且在額區(qū)表現(xiàn)出明顯差異，說明觀看3D影像使額區(qū)的頻譜向低頻移動，頻譜中分量較大的信號成分的頻率降低，大腦皮層興奮性降低，受抑制程度增加，這與額葉主要反映掌控人體的注意力及視覺通訊傳導(dǎo)應(yīng)該有重要的聯(lián)系。

以腦電作為評價方法探討觀看3 D影像所致不適感是一種全新的方法，目前國內(nèi)外研究都較少，且沒有得出比較一致的結(jié)果，在該方面的研究仍需做很多工作。包括：

(1)主觀感受問卷

所采用的主觀感受問卷引自前人的研究文章，共包括25個問題，涵蓋了視覺不適相關(guān)的眼部及所致的身體其他部分的感受，其結(jié)果顯示：兩種影像在時間上的差異都是顯著的，但是并沒有顯示出在觀看完后兩種影像之間的差異。用來評價某一指標(biāo)的主觀感受問卷，往往都是經(jīng)過層層優(yōu)化及驗證得出的最后結(jié)果，而目前用來評價3 D所致不適的相關(guān)主觀感受問卷并沒有一個標(biāo)準(zhǔn)，有好多研究3 D所致不適的學(xué)者都采用了比較簡單的問卷[11-12]，該種問卷并沒有涵蓋觀看3 D影像所致的全部不適。本研究所采用的問卷不是評價兩種影像之間的差異的最優(yōu)結(jié)果，這就需要采取一定的措施對主觀感受問卷進(jìn)行優(yōu)化，如修改每個問題的權(quán)重或去除某些受試者都沒有表現(xiàn)相應(yīng)不適感的問題等。我們對本文所采用的問卷進(jìn)行了修正，從中提取出了11個問題(包括1：眼睛疲勞;2：眼睛沉重;3：眼睛內(nèi)部疼痛;12：頭沉;13：頭疼;17：肩膀僵硬;20：背部疼痛;21：消化能力弱;22：惡心;23：腿沉;24：腿疼)。對該改進(jìn)的問卷進(jìn)行計算統(tǒng)計，結(jié)果顯示兩種影像在不同時間段及其之間都能表現(xiàn)出明顯差異(P＜0.05)，且3 D影像所引起的差異是顯著的(P ＜0.01)，但是對該問卷的正確性需要進(jìn)一步通過實驗來驗證。

(2)2D影像和3 D影像播放內(nèi)容影響及實驗的進(jìn)一步細(xì)化

所采用的2 D影像和3D影像為不同播放內(nèi)容，但其都為相同類型，且影片情節(jié)比較平緩，沒有出現(xiàn)很大的起伏。但是所得結(jié)果受播放內(nèi)容的影響并不能確定。因此，不同內(nèi)容引起的情緒、感情變化對腦電特征量的影響需要設(shè)計相應(yīng)的實驗去除。

有研究顯示：3D影像所致不適與播放設(shè)備關(guān)系不大，主要受影片的內(nèi)容及后期制作的影響。下一步將對3 D的內(nèi)容參數(shù)，如景深、圖像的運動速度等進(jìn)行考慮，通過生物電的評價方法對其進(jìn)行特征量提取并進(jìn)行評價，得出觀看3 D影像比較舒適的內(nèi)容參數(shù)范圍。

(3)評價方式

本研究初步嘗試采用腦電的客觀評價方法進(jìn)行分析。大腦作為中樞神經(jīng)中樞，精確控制著人體的各個部分，各部分的不適也將在大腦中有一定的反應(yīng)，通過采集大腦皮層的腦電信號，并對其進(jìn)行處理，是分析3D影像不適感的較客觀的分析方法。除此以外，3D影像的成像原理及調(diào)節(jié)和輻輳不一致必然使眼部肌肉頻繁調(diào)節(jié)，引起眼部肌肉的疲勞，因此也可以嘗試采集處理相關(guān)肌肉肌電信號進(jìn)行分析，或許將能得到理想的特征量。

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