基于P300的3D影片上邊框效應(yīng)對人體健康的影響

王 笑，錢志余，邢麗冬，金 帥，劉保玉，李忠強(qiáng)

(南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，南京 210016)

基于P300的3D影片上邊框效應(yīng)對人體健康的影響

王 笑，錢志余，邢麗冬，金 帥，劉保玉，李忠強(qiáng)

(南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，南京 210016)

針對3D影片中出現(xiàn)的上邊框效應(yīng)是否會引起人體不適的問題，對35名志愿者先后觀看明顯含有上邊框效應(yīng)和不含上邊框效應(yīng)的3D片段后的P300峰值和潛伏期進(jìn)行了系統(tǒng)研究．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明志愿者在觀看含有上邊框效應(yīng)的3D片段后P300的峰值明顯高于觀看相應(yīng)不含上邊框效應(yīng)的3D片段后P300的峰值，相應(yīng)的潛伏期無明顯差異．結(jié)合P300峰值和潛伏期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及志愿者主觀評價(jià)，可知短時(shí)間上邊框效應(yīng)會導(dǎo)致人體出現(xiàn)不適感．結(jié)果表明為了保證觀看觀眾的舒適感，3D影片中上邊框效應(yīng)內(nèi)容不宜過多．

3D影片參數(shù)；上邊框效應(yīng)；P300；舒適度

近年來3D技術(shù)被廣泛應(yīng)用于影片的制作當(dāng)中．人們通過3D電視感受3D影片帶來的前所未有的視覺感受的同時(shí)，身體也產(chǎn)生了一些不適的反應(yīng)．一些觀眾表示在3D電視上觀看過3D影片后會出現(xiàn)不同程度的眼疲勞、頭暈甚至嘔吐的現(xiàn)象．因此，找出3D影片中何種原因?qū)е氯藗儺a(chǎn)生身體不適就顯得十分必要．

目前，國外一些相關(guān)研究領(lǐng)域的專家已對觀看3D影片所帶來的不適進(jìn)行了研究．Kuze等[1]通過對272名志愿者進(jìn)行主觀問卷發(fā)現(xiàn)，人們在觀看3D影片后，產(chǎn)生了明顯的身體不適．除了用主觀評價(jià)的方法來對3D影片引起的疲勞進(jìn)行評價(jià)外，研究者們還采取了一些客觀方法對其進(jìn)行研究．Li等[2]通過研究眨眼頻率發(fā)現(xiàn)，在靜態(tài)立體影像刺激下，人的眨眼頻率與不適程度成正比，而在平面運(yùn)動影像刺激下，眨眼頻率與不適程度成反比．李忠強(qiáng)等[3]發(fā)現(xiàn)在觀看3D電視前后，志愿者腦電中α波和β波相對能量發(fā)生了變化，且α波在額部增幅明顯．Chen等[4]發(fā)現(xiàn)志愿者在分別觀看2D和3D電影后腦電波各節(jié)律的能量間發(fā)生了明顯的變化，Lambooij等[5]指出觀看3D影片產(chǎn)生的視覺不適可由屏幕視差過大引起，即使視差在1°以內(nèi)，仍可致使人體產(chǎn)生不適．除了視差，科學(xué)家們對觀看環(huán)境、影片內(nèi)容、觀看時(shí)間長短和顯示屏幕的大小對觀看者的影響也進(jìn)行了相應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)以上因素都會對人體產(chǎn)生一些影響[6-8]．Frey等[9]發(fā)現(xiàn)，人在觀看立體圖片后的舒適程度會引起Pz電極處誘發(fā)電位的變化．Li等[10]發(fā)現(xiàn)當(dāng)人們長時(shí)間觀看3D影片后注意度會下降，因而產(chǎn)生了P700．Mun等[11]同樣用ERP和SSVEP證實(shí)了觀看3D影片確實(shí)會使人體產(chǎn)生疲勞．

近幾年，國內(nèi)針對3D影片對人體健康影響的研究也越發(fā)火熱．北京大學(xué)藝術(shù)學(xué)院的邱章紅教授及其團(tuán)隊(duì)對3D影片制作中可能會出現(xiàn)的一些問題提出了“中國3D立體影視健康安全標(biāo)準(zhǔn)測試序列”，并制作了相應(yīng)的測試片源，本文就其中的上邊框效應(yīng)(upper board effect，UBE)進(jìn)行了研究，通過對比志愿者觀看含有上邊框效應(yīng)的3D片段和不含上邊框效應(yīng)的3D片段后P300峰值和潛伏期的變化，來確定上邊框效應(yīng)是否會使人體產(chǎn)生不適．

1 研究方法

1.1 上邊框效應(yīng)

所謂上邊框效應(yīng)是指圖像中物體的頂部由于某種拍攝原因并未被完全呈現(xiàn)，觀眾看上去有一種物體頂部被電視機(jī)邊框削去的感覺．如圖1所示，雖然以2D模式播放這種效果已被觀眾認(rèn)同，人們可以通過思維上的彌補(bǔ)而不產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤；但是當(dāng)它以3D模式播放時(shí)，尤其是當(dāng)人們感覺物體是以一種立體的方式呈現(xiàn)于電視屏前或屏后時(shí)，會給觀眾一種物體頂部被電視機(jī)邊框削去的感覺，給人們的邏輯上造成困擾．

圖1 上邊框效應(yīng)測試片源樣片F(xiàn)ig.1 Test film sample of UBE

1.2 P300原理

P300通常是在靶刺激發(fā)生后300,ms左右出現(xiàn)的一個(gè)正波，其波幅一般在5～20,μV(見圖2)，并且一般在Pz通道附近最高．研究表明，人的知覺和注意度會影響P300的波幅，并且任務(wù)的復(fù)雜度會影響P300的潛伏期，有時(shí)P300的潛伏期甚至可以長達(dá)1,000,ms[12]．由于P300可以用來反映人體認(rèn)知活動中的神經(jīng)電活動，張崇等[13]將P300用于人體大腦疲勞度的研究，并且發(fā)現(xiàn)隨著大腦疲勞度的加深，P300的波幅會下降，潛伏期會增加．

圖2 P300波形Fig.2 Wave of P300

1.3 Oddball范式

P300一般通過Oddball范式獲得．經(jīng)典的Oddball范式是在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)呈現(xiàn)同一感覺通道兩種不同概率的刺激[14]．其中，出現(xiàn)概率大的稱為標(biāo)準(zhǔn)刺激，一般占總刺激數(shù)的80%；而出現(xiàn)概率小的刺激稱為偏差刺激(靶刺激)，其出現(xiàn)概率一般為20%[14]．實(shí)驗(yàn)中，將白字黑底的阿拉伯?dāng)?shù)字圖片“2”(靶刺激)和“8”(標(biāo)準(zhǔn)刺激)隨機(jī)呈現(xiàn)在14寸(28.57,cm×21.43,cm)CRT顯示器上，每個(gè)刺激的呈現(xiàn)時(shí)間為50,ms，且呈現(xiàn)時(shí)顯示器背景色為黑色．所有圖片寬均為113像素，高均為175像素．相鄰兩個(gè)刺激的時(shí)間間隔為(1,000±200)ms內(nèi)隨機(jī)．志愿者需要在接收靶刺激后盡快按下鼠標(biāo)左鍵．用于疊加計(jì)算P300的腦電數(shù)據(jù)為刺激出現(xiàn)前100,ms至刺激出現(xiàn)后700,ms，單次實(shí)驗(yàn)靶刺激疊加數(shù)據(jù)為30個(gè)．

1.4 主觀問卷

同時(shí)采用SSQ問卷[1]來記錄志愿者在實(shí)驗(yàn)中每個(gè)環(huán)節(jié)的主觀精神狀態(tài)．該問卷共16個(gè)問題，主要用來了解志愿者當(dāng)時(shí)眼部、頭部等方面的感覺，如視力模糊、眼沉重、眼干、眼脹、眼花、異物感、困倦、頭痛、頭暈、惡心、嘔吐等．

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1.1 實(shí)驗(yàn)條件

35名志愿者參與了本次實(shí)驗(yàn)．志愿者均為身體健康、立體視覺功能正常的男性，右利手，年齡分布在23～25歲之間．實(shí)驗(yàn)于下午2點(diǎn)，在1間密閉且室溫保持在24,℃左右的房間內(nèi)進(jìn)行．實(shí)驗(yàn)前，志愿者要保持良好的精神狀態(tài)并保證頭皮清潔干凈．所有志愿者均先后被要求觀看處于靜音狀態(tài)的含有上邊框效應(yīng)的3D片段和相應(yīng)不含有上邊框效應(yīng)的正常3D片段．其中，含有上邊框效應(yīng)的3D片段取自北京大學(xué)藝術(shù)學(xué)院的邱章紅教授及其團(tuán)隊(duì)制作的中國3D立體影視健康安全標(biāo)準(zhǔn)測試序列的第一批測試序列片源；正常3D片段是從影片《深海獵奇》中截取的相同時(shí)長且畫面效果非常緩和的3D片段，該片段經(jīng)前期實(shí)驗(yàn)測試，普遍反映觀后感覺較為舒適．所有片段均為213,s，格式為左右通道MPEG，畫面大小為1,920×1,080．

2.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中采用的3D電視及其配套眼鏡為海信快門式液晶電視LED46XT39G3D及其配套的3D眼鏡FPS3D02．腦電信號采集采用便攜式Neuroscan腦電儀，電極選擇國際標(biāo)準(zhǔn)的10～20導(dǎo)聯(lián)(見圖3)，30個(gè)通道用于采集腦電信號；參考電極A1、A2為雙側(cè)乳突；另有4個(gè)通道用來采集水平眼電和垂直眼電．采樣頻率為1,000,Hz．采集過程中各電極電阻均保持在5,k?以下．

圖3 腦電采集系統(tǒng)電極分布Fig.3 Electrode distribution of EEG acquisition system

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

如圖4所示，在實(shí)驗(yàn)開始前，志愿者會被要求填寫一張主觀問卷記錄當(dāng)前自己的感覺，問卷結(jié)束后，志愿者將進(jìn)行第1次P300測試；之后，他們會觀看一段含有上邊框效應(yīng)的3D片段；觀看完畢后進(jìn)行第2次P300測試和主觀問卷調(diào)查；之后再觀看相應(yīng)不含上邊框效應(yīng)的正常3D片段；觀看完畢后進(jìn)行最后一次P300測試及主觀問卷．

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用Neuroscan腦電儀自帶的Curry7軟件對所有P300腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理．將原始腦電信號經(jīng)過去基線、工頻陷波后，對0.01～30,Hz范圍內(nèi)的腦電信號進(jìn)行提?。畬⑺眯盘柌捎脜f(xié)方差的方法濾除眼動偽跡，并將幅值高于100,μV的信號作為壞區(qū)剔除；將最后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，分析Pz電極產(chǎn)生的P300波形及其相關(guān)參數(shù)，并運(yùn)用SPSS 13.0對實(shí)驗(yàn)結(jié)果做統(tǒng)計(jì)分析．圖5為單次實(shí)驗(yàn)Pz通道獲得的P300波形．

圖4 實(shí)驗(yàn)流程Fig.4 Flow chart of the experiment

圖5 單次實(shí)驗(yàn)獲得的P300波形Fig.5 P300 wave of the single-trial

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖6是35名志愿者在觀看含有上邊框效應(yīng)的3D片段后和觀看不含上邊框效應(yīng)的正常3D片段后P300峰值和潛伏期的變化．從圖6(a)中可以看出，74%的志愿者在觀看含有上邊框效應(yīng)的3D片段后P300的峰值均高于觀看不含上邊框效應(yīng)的正常3D片段后P300的峰值，幅度變化集中在1,μV左右(見圖7(a))；然而在潛伏期上，圖6(b)顯示51%的志愿者在觀看含有上邊框效應(yīng)的3D片段后的P300的潛伏期比觀看不含上邊框效應(yīng)的正常3D片段后P300的潛伏期要長，主要集中在100,ms以內(nèi)(見圖7(b)).

圖8為將35名志愿者的有效數(shù)據(jù)疊加得到的觀看含有上邊效應(yīng)3D片段后和不含上邊框效應(yīng)的正常3D片段后P300波形的對比．從圖中可以看出，觀看含有上邊框效應(yīng)的3D片段后P300的峰值明顯高于觀看不含上邊框效應(yīng)的正常3D片段后P300的峰值，其中，觀看含有上邊框效應(yīng)的3D片段后P300的峰值約為5.07,μV，而不含上邊框效應(yīng)的正常3D片段的P300峰值約為4.05,μV．從潛伏期上看，觀看含有上邊框效應(yīng)的3D片段后的潛伏期比觀看不含上邊框效應(yīng)的正常3D片段的潛伏期略短，分別約為425,ms和460,ms．統(tǒng)計(jì)分析顯示觀看含有上邊框效應(yīng)的3D片段后P300的峰值與觀看不含上邊框效應(yīng)的正常3D片段后P300的峰值相比具有明顯的差異性(p＝0.001＜0.01)，具有統(tǒng)計(jì)意義；而潛伏期上并無明顯差異性(p＝0.623＞0.05)，不具有統(tǒng)計(jì)意義.從圖8中還可以發(fā)現(xiàn)，觀看不含上邊框效應(yīng)的正常3D片段后的P300波形沒有觀看含有上邊框效應(yīng)的3D片段后P300波形明顯．

從主觀問卷的結(jié)果來看，大多數(shù)志愿者反映眼部有不適感產(chǎn)生，個(gè)別志愿者會有頭暈現(xiàn)象，但不嚴(yán)重，均可以承受．

圖6 個(gè)體觀看上邊框效應(yīng)3D片段和正常3D片段后P300的變化Fig.6 Contrast of P300 between watching 3D film with and without UBE of every volunteer

圖7 35名志愿者觀看上邊框效應(yīng)3D片段和正常3D片段后P300的相對變化趨勢Fig.7 Relative contrast of P300 between watching 3D film with and without UBE of 35 volunteers

圖8 35名志愿者觀看上邊框效應(yīng)3D片段和正常3D片段后P300波形對比Fig.8Contrast of P300 waves between watching 3D film with and without UBE of 35 volunteers

3.2 討 論

張崇等[13]發(fā)現(xiàn)，P300的波幅下降、潛伏期增加，表明大腦的疲勞度在增加．同時(shí)大量P300變化對人體疲勞影響的研究表明，P300的波幅或潛伏期發(fā)生一定程度的變化，人體就會出現(xiàn)一定程度的疲勞或不適感，而P300波幅、潛伏期與疲勞度相關(guān)的變化規(guī)律目前還沒有絕對定性的標(biāo)準(zhǔn)．從本文上邊框效應(yīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)觀看含有上邊框效應(yīng)的3D片段P300峰值明顯升高，而潛伏期無明顯差異，可能就是人體不適反應(yīng)或產(chǎn)生疲勞感的原因，這個(gè)結(jié)果也直接證明了短時(shí)間上邊框效應(yīng)對人體的舒適度有一定程度的影響．

另外，從35位志愿者主觀問卷統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大部分人在觀看上邊框效應(yīng)片段后眼部有輕度不適，部分志愿者有其他輕度不適感，但由于測試時(shí)間較短，沒有特別明顯疲勞反應(yīng)．由于不同志愿者身體狀況不同，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定影響，這一點(diǎn)不僅反映在P300峰值和潛伏期的變化上，從主觀評價(jià)中也可以看出，有的志愿者對上邊框效應(yīng)反應(yīng)比較劇烈，有的反應(yīng)比較平和．綜合P300與志愿者問卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果，上邊框效應(yīng)一定會對人體的舒適度產(chǎn)生一定的影響，這種影響對部分人群的影響可能較大，而部分人群可能很小，但多次上邊框效應(yīng)的累積可能會產(chǎn)生明顯的生理學(xué)效應(yīng)，導(dǎo)致明顯不舒適反應(yīng)，因此在3D影片中上邊框效應(yīng)不宜連續(xù)或頻繁出現(xiàn)，以減少3D影片上邊框效應(yīng)的不利影響．

本研究除P300峰值和潛伏期外還對志愿者觀看含有上邊框效應(yīng)的3D片段后和觀看不含上邊框效應(yīng)的正常3D片段后P300的反應(yīng)錯(cuò)誤率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)志愿者在觀看含有上邊框效應(yīng)的3D片段后出現(xiàn)的P300反應(yīng)錯(cuò)誤率要略高于觀看不含上邊框效應(yīng)的正常3D片段后P300反應(yīng)錯(cuò)誤率，結(jié)果統(tǒng)計(jì)意義不明顯(p＞0.05)，這部分結(jié)果可能也是上邊框效應(yīng)的影響下志愿者個(gè)體差異的表現(xiàn)．

由于腦電實(shí)驗(yàn)中通道數(shù)較多，可能不同通道的P300結(jié)果有一定差別，為此對實(shí)驗(yàn)中32個(gè)采集通道進(jìn)行了分析．圖9和圖10分別給出了35名志愿者觀看上邊框效應(yīng)的3D片段后和不含上邊框效應(yīng)的正常3D片段后所有通道以及每個(gè)通道P300波形．可以看出P300電位在大部分通道的波形變化特征一致．本研究P300的各項(xiàng)參數(shù)均由反應(yīng)明顯的Pz通道獲得，從圖10可以看出除了Pz通道外，F(xiàn)z、FCz、Cz、CPz、Oz波形類似，其P300峰值、潛伏期結(jié)果也相似．因此本文的結(jié)果具有一定的代表性意義，同時(shí)也具有全腦P300的普遍意義，能夠描述人腦功能特性．

圖9 35名志愿者觀看上邊框效應(yīng)片段和正常片段后所有通道的P300波形對比Fig.9 Contrast of P300 waves in all channels between watching film with and without UBE of 35 volunteers

圖1035 名志愿者觀看上邊框效應(yīng)片段和正常片段后各個(gè)通道的P300波形Fig.10Contrast of P300 waves in each channel between watching film with and without UBE of 35 volunteers

4 結(jié) 語

本文通過事件相關(guān)電位(event-related potential，ERP)實(shí)驗(yàn)研究了3D影片上邊框效應(yīng)對人體舒適度的影響，重點(diǎn)考察P300成分．研究結(jié)果表明在觀看上邊框效應(yīng)3D影片P300的峰值相比不含上邊框效應(yīng)的正常3D影片明顯提高，但在潛伏期上，二者并無明顯變化，這個(gè)結(jié)果證明3D影片上邊框效應(yīng)確實(shí)會對人體產(chǎn)生一定影響，而這種對人體舒適度的影響可能因人而不同，如果這種效應(yīng)進(jìn)行累積會產(chǎn)生明顯的人體生理不舒適反應(yīng)，這種結(jié)果對人體健康顯然不利．

論文結(jié)果表明3D影片中上邊框效應(yīng)不宜持續(xù)過長時(shí)間或頻繁出現(xiàn)，這個(gè)結(jié)果對今后3D影片制作具有極其重要的指導(dǎo)意義．

致 謝

向?yàn)楸疚奶峁┲袊?D立體影視健康安全標(biāo)準(zhǔn)測試序列片源的北京大學(xué)藝術(shù)學(xué)院的邱章紅教授及其團(tuán)隊(duì)表示衷心的感謝．

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(責(zé)任編輯：趙艷靜)

P300 Based Effects of Upper Board Effect from 3D Film on Human Discomfort

Wang Xiao，Qian Zhiyu，Xing Lidong，Jin Shuai，Liu Baoyu，Li Zhongqiang
(School of Automatic Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

This paper explored whether upper board effect(UBE)could lead to human discomfort. 35 volunteers participated in this study. P300 event-related potential(ERP)experiments were conducted before and after watching the 3D segment with and without UBE. The comparison showed that the 3D segment with UBE induced higher P300 amplitude than that without UBE did. However，it almost had no change in latency. Combining P300 results with the subjective evaluation of those 35 volunteers，it can be concluded that short-time upper board effect would lead to human discomfort. Therefore，it is suggested that there should not be appeared too much UBE in 3D films to ensure human comfort level.

3D film parameter；upper board effect；P300；comfort level

R318

A

0493-2137(2015)09-0839-06

10.11784/tdxbz201401023

2014-01-08；

2014-07-15.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61171059)；科技部十二五國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAI23B07)；南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實(shí)驗(yàn)室)開放基金資助項(xiàng)目(kfjj20130212)；江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(KYLX_0248)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目.

王 笑（1988— ），女，博士研究生.

錢志余，zhiyu@nuaa.edu.cn.

時(shí)間：2014-09-03.

http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20140903.1012.003.html.