3D顯示技術(shù)之視覺疲勞初步研究

吳莉芳

摘 要：3D顯示技術(shù)近年發(fā)展非常迅速，但片源少、需佩戴3D眼鏡、視覺疲勞引起不良生理反應(yīng)等問(wèn)題，限制了3D技術(shù)的普及。對(duì)于前兩個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外投入了大量研究，但生理安全方面的研究目前較少，進(jìn)展不大。文章對(duì)3D技術(shù)的生理安全問(wèn)題進(jìn)行了初步探索，對(duì)輻輳反射實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探討并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)不同出屏距離對(duì)雙眼間距的影響，分析視覺疲勞的形成機(jī)制及其影響因素。

關(guān)鍵詞：3D顯示；立體視覺；輻輳；調(diào)節(jié)；視覺疲勞

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）15-0003-03

與傳統(tǒng)的2D圖像相比，3D圖像提供更加豐富的視覺信息，觀看者通過(guò)屏幕呈現(xiàn)的畫面，可以真實(shí)的感知到物體的遠(yuǎn)近、縱深等立體信息，給人身臨其境的立體感和沉浸感?；谶@些優(yōu)勢(shì)，3D顯示技術(shù)近年來(lái)發(fā)展非常迅速。3D電影、3D電視、3D手機(jī)迅速普及，國(guó)內(nèi)外的電視品牌都已經(jīng)生產(chǎn)了3D電視，夏普、LG、康佳、索尼、三星、創(chuàng)維、TCL、長(zhǎng)虹紛紛召開新聞發(fā)布會(huì)，力推3D電視；在手機(jī)領(lǐng)域，已經(jīng)有HTC、夏普、LG、卓普等多品牌多款機(jī)型支持裸眼3D技術(shù)，用戶可以隨時(shí)隨地享受3D電影，瀏覽3D照片，玩3D游戲等；南非世界杯開賽之后，3D廣告頻繁的出現(xiàn)在中央五套，同時(shí)，戶外廣告也積極地引進(jìn)3D技術(shù)；除了商用，3D顯示技術(shù)在教育、醫(yī)療、工業(yè)設(shè)計(jì)、軍事等各種領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 研究目的及意義

3D電影、3D電視作為一種新的娛樂手段無(wú)疑是激動(dòng)人心的，但人們也越來(lái)越多的開始意識(shí)到過(guò)度觀看3D顯示畫面對(duì)身體存在的危害。2010年，三星曾經(jīng)公開發(fā)布了警告，稱觀看3D電視會(huì)對(duì)身體健康不利，長(zhǎng)時(shí)間觀看有可能導(dǎo)致一系列不健康的癥狀，包括視力下降、視線模糊、眼睛干澀、眼睛疼痛、頭痛、頭暈、乏力、惡心、方位感知障礙等。尤其對(duì)兒童和青少年比對(duì)成年人的危害更大。然而到目前為止，國(guó)內(nèi)外始終沒有對(duì)3D顯示技術(shù)的舒適度及其對(duì)人體視覺健康的影響做一個(gè)系統(tǒng)性的評(píng)估研究，目前亟需一個(gè)國(guó)內(nèi)外都公認(rèn)的3D視覺健康標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)測(cè)體系，指導(dǎo)研發(fā)、生產(chǎn)等各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量和安全，保障產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展。因此，不論是從產(chǎn)業(yè)化的角度，還是從理論研究?jī)r(jià)值的角度，對(duì)3D顯示技術(shù)導(dǎo)致的視覺疲勞研究及相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的探索都很有必要。

2 立體視覺形成機(jī)理

立體視覺簡(jiǎn)稱立體視，是指用雙眼觀察景物時(shí)能夠分辨物體的遠(yuǎn)近形態(tài)的感覺。人眼立體視覺的建立過(guò)程如下：當(dāng)雙眼同時(shí)注視目標(biāo)物體上的某一點(diǎn)時(shí)，左右眼的視線交叉于一點(diǎn)，這一點(diǎn)稱為注視點(diǎn)。從注視點(diǎn)反射回到左右眼視網(wǎng)膜上的是一對(duì)左右對(duì)應(yīng)并稍有差異的光點(diǎn)，這兩個(gè)光點(diǎn)的信號(hào)傳入大腦的視中樞，并融合成一幅完整的像，這一過(guò)程通常稱為雙眼單視，使得人們不但看清了物體上的這一點(diǎn)，并且連這一點(diǎn)同周圍物體的間距、深度、凹凸等信息都能辨別出來(lái)，這樣，人們就看到了一幅立體的像，如圖1所示。

上述立體視覺的形成，源于人眼對(duì)所接收的視覺信息具有相當(dāng)深度的感知能力，而深度感知能力是在人眼的生理因素及大腦的心理因素雙重作用下產(chǎn)生的，其中生理因素包括雙目視差、輻輳、焦點(diǎn)調(diào)節(jié)、運(yùn)動(dòng)視差等，心理因素包括遮蓋或重疊、透視、陰影、顏色等，相比于生理因素，心理因素的作用要小得多。下面對(duì)本實(shí)驗(yàn)涉及的輻輳和調(diào)節(jié)機(jī)制加以介紹。

2.1 輻 輳

輻輳指雙眼視軸的輻輳。當(dāng)眼睛在休息狀態(tài)或者注視遠(yuǎn)處的物體時(shí)，左右眼的視軸是平行的，而當(dāng)我們注視近處的物體時(shí)，眼部肌肉不僅要調(diào)節(jié)晶狀體使聚焦到近處，同時(shí)兩眼的視軸也要向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，使左右眼的視軸相交于被注視的物體。這種作用就叫輻輳。當(dāng)被注視的物體向人慢慢靠近時(shí)，雙眼的輻輳程度也隨之慢慢增加，這種改變主要由眼部肌肉完成，并通過(guò)將這種改變信號(hào)傳輸給大腦，從而形成一種對(duì)深度信息的感知。

2.2 調(diào) 節(jié)

人眼為了把不同遠(yuǎn)近距離的物像成像在視網(wǎng)膜上，會(huì)通過(guò)眼部肌肉作用調(diào)節(jié)晶狀體的屈光能力，看遠(yuǎn)處物體時(shí)晶狀體比較扁平，看近處物體時(shí)比較凸起，使不同距離外的景象清晰成像在視網(wǎng)膜上。這種對(duì)于注視不同距離的物體時(shí)眼睛晶狀體的屈光能力隨之改變的現(xiàn)象，稱為調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過(guò)程通過(guò)眼睛晶狀體的可塑性和睫狀肌的收縮來(lái)完成，通過(guò)眼睛的這種適應(yīng)調(diào)節(jié)狀態(tài)，大腦可以估計(jì)出所看物體的遠(yuǎn)近距離。

為了保證雙眼能看清不同遠(yuǎn)近距離處的物體，既要能時(shí)刻保持雙眼單視，又要不停的進(jìn)行距離判斷進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以雙眼的輻輳與調(diào)節(jié)是互相協(xié)同聯(lián)合運(yùn)動(dòng)的。

輻輳與調(diào)節(jié)之間的關(guān)系如圖2所示。A圖表示當(dāng)眼睛觀看生活中的實(shí)際物體時(shí)，輻輳距離與調(diào)節(jié)距離總是保持一致的，B圖表示在觀看平面3D顯示的立體圖像時(shí)，輻輳距離與調(diào)節(jié)距離不一致。正是由于觀看3D顯示時(shí)輻輳與調(diào)節(jié)的不一致，導(dǎo)致了視覺疲勞。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

目前的主流立體顯示技術(shù)主要有眼鏡式和裸眼式兩種，眼鏡式的主要有色分式、光分式、時(shí)分式等，裸眼的目前應(yīng)用較多的是視差屏障式和柱狀透鏡式。它們各自有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)都不可避免地存在著導(dǎo)致視覺疲勞的因素。例如色分式的顏色丟失嚴(yán)重，而且由于眼鏡鏡片顏色純度不夠?qū)е聻V光不完全，造成重影；偏振式的同樣由于偏振眼鏡也無(wú)法將左右眼圖像完美分離；時(shí)分式的亮度下降，且容易產(chǎn)生閃爍感；視差屏障式和柱狀透鏡式顯示都易降低畫面質(zhì)量。

本文選取了眼動(dòng)儀記錄的8名被試者分別在觀看2D、3D和實(shí)物圖像時(shí)眼睛運(yùn)動(dòng)的情況，以期找出導(dǎo)致觀看3D圖像比2D圖像和實(shí)物更疲勞的原因。實(shí)驗(yàn)所用的是加拿大SRResearch公司生產(chǎn)的EyelinkⅡ眼動(dòng)儀，該眼動(dòng)儀可以記錄被試者在實(shí)驗(yàn)中眼睛運(yùn)動(dòng)的各個(gè)參數(shù)，包括注視點(diǎn)位置、注視次數(shù)、注視時(shí)間、瞳孔大小、眨眼、眼動(dòng)軌跡圖等。

在實(shí)驗(yàn)中，每名被試分別觀看了6組圖片，每組圖片包含2D、3D圖片各一張以及在相同背景下出屏的實(shí)物一張。6組圖片的背景均相同，每組圖片的視差大小不相同，即被試看到的物體出屏距離不相同。

一組實(shí)驗(yàn)用圖片如圖3所示，（a）為沒有出屏感的2D圖片，（b）為出屏約6cm的3D圖片，相同的背景圖片圖未示。

不同被試在觀看2D、3D圖片以及實(shí)物時(shí)雙眼間距的變化曲線如圖4所示（a）～（h）所示，橫坐標(biāo)為視差（即不同的出屏距離）/parallax，縱坐標(biāo)為雙眼間距dx/pixel。其中黑色方點(diǎn)的曲線對(duì)應(yīng)觀看2D圖片時(shí)雙眼間距的變化情況，紅色圓點(diǎn)的曲線對(duì)應(yīng)3D，藍(lán)色三角形點(diǎn)的曲線對(duì)應(yīng)實(shí)物。

綜合以上各圖可以看出，比較而言，被試觀看2D圖片時(shí)雙眼間距的變化不太大，而觀看3D圖片和實(shí)物時(shí)，隨著視差和出屏距離的增大，雙眼間距有明顯減小的趨勢(shì)。這就說(shuō)明觀看時(shí)隨著3D圖片視差的增大，和實(shí)物的出屏距離增加效果一樣，被試的雙眼出現(xiàn)了會(huì)聚眼動(dòng)，即通常所稱的輻輳反射。

為了清楚地使物體在視網(wǎng)膜上成像，人眼的輻輳和調(diào)節(jié)功能是聯(lián)動(dòng)的。觀看2D影像時(shí)，眼睛的輻輳與調(diào)節(jié)距離保持一致，沒有明顯的視覺疲勞；而觀看3D影像時(shí)，人眼的輻輳距離為物體出屏的位置，調(diào)節(jié)距離為顯示屏的距離，所以輻輳距離與調(diào)節(jié)距離往往是不一致的，并且這種不一致隨著視差的增大而增大，這樣長(zhǎng)時(shí)間觀看就會(huì)導(dǎo)致人眼的不適和疲勞。

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