3D顯示技術(shù)之視覺(jué)疲勞初步研究報告

　　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(jué)疲勞引起不良生理反應等問(wèn)題，限制了3D技術(shù)的普及。對于前兩個(gè)問(wèn)題，國內外投入了大量研究，但生理安全方面的研究目前較少，進(jìn)展不大。文章對3D技術(shù)的生理安全問(wèn)題進(jìn)行了初步探索，對輻輳反射實(shí)驗進(jìn)行探討并進(jìn)行數據分析，根據不同出屏距離對雙眼間距的影響，分析視覺(jué)疲勞的形成機制及其影響因素。

　　關(guān)鍵詞：3D顯示；立體視覺(jué)；輻輳；調節；視覺(jué)疲勞

　　與傳統的2D圖像相比，3D圖像提供更加豐富的視覺(jué)信息，觀(guān)看者通過(guò)屏幕呈現的畫(huà)面，可以真實(shí)的感知到物體的遠近、縱深等立體信息，給人身臨其境的立體感和沉浸感�；�于這些優(yōu)勢，3D顯示技術(shù)近年來(lái)發(fā)展非常迅速。3D電影、3D電視、3D手機迅速普及，國內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(cháng)虹紛紛召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì )，力推3D電視；在手機領(lǐng)域，已經(jīng)有HTC、夏普、LG、卓普等多品牌多款機型支持裸眼3D技術(shù)，用戶(hù)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(kāi)賽之后，3D廣告頻繁的出現在中央五套，同時(shí)，戶(hù)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、醫療、工業(yè)設計、軍事等各種領(lǐng)域也具有廣闊的應用前景。

　　1 研究目的及意義

　　3D電影、3D電視作為一種新的娛樂(lè )手段無(wú)疑是激動(dòng)人心的，但人們也越來(lái)越多的開(kāi)始意識到過(guò)度觀(guān)看3D顯示畫(huà)面對身體存在的危害。2010年，三星曾經(jīng)公開(kāi)發(fā)布了警告，稱(chēng)觀(guān)看3D電視會(huì )對身體健康不利，長(cháng)時(shí)間觀(guān)看有可能導致一系列不健康的癥狀，包括視力下降、視線(xiàn)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。尤其對兒童和青少年比對成年人的危害更大。然而到目前為止，國內外始終沒(méi)有對3D顯示技術(shù)的舒適度及其對人體視覺(jué)健康的影響做一個(gè)系統性的評估研究，目前亟需一個(gè)國內外都公認的3D視覺(jué)健康標準和評測體系，指導研發(fā)、生產(chǎn)等各個(gè)環(huán)節的質(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?jì)r(jià)值的角度，對3D顯示技術(shù)導致的視覺(jué)疲勞研究及相關(guān)安全標準的探索都很有必要。

　　2 立體視覺(jué)形成機理

　　立體視覺(jué)簡(jiǎn)稱(chēng)立體視，是指用雙眼觀(guān)察景物時(shí)能夠分辨物體的遠近形態(tài)的感覺(jué)。人眼立體視覺(jué)的建立過(guò)程如下：當雙眼同時(shí)注視目標物體上的某一點(diǎn)時(shí)，左右眼的視線(xiàn)交叉于一點(diǎn)，這一點(diǎn)稱(chēng)為注視點(diǎn)。從注視點(diǎn)反射回到左右眼視網(wǎng)膜上的是一對左右對應并稍有差異的光點(diǎn)，這兩個(gè)光點(diǎn)的信號傳入大腦的視中樞，并融合成一幅完整的像，這一過(guò)程通常稱(chēng)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?chē)�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(jué)的形成，源于人眼對所接收的視覺(jué)信息具有相當深度的感知能力，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)調節、運動(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。下面對本實(shí)驗涉及的輻輳和調節機制加以介紹。

　　2.1 輻 輳

　　輻輳指雙眼視軸的輻輳。當眼睛在休息狀態(tài)或者注視遠處的物體時(shí)，左右眼的視軸是平行的，而當我們注視近處的物體時(shí)，眼部肌肉不僅要調節晶狀體使聚焦到近處，同時(shí)兩眼的視軸也要向內側旋轉，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)將這種改變信號傳輸給大腦，從而形成一種對深度信息的感知。

　　2.2 調 節

　　人眼為了把不同遠近距離的物像成像在視網(wǎng)膜上，會(huì )通過(guò)眼部肌肉作用調節晶狀體的屈光能力，看遠處物體時(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象，稱(chēng)為調節。調節過(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)眼睛的這種適應調節狀態(tài)，大腦可以估計出所看物體的遠近距離。

　　為了保證雙眼能看清不同遠近距離處的物體，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)行調節，所以雙眼的輻輳與調節是互相協(xié)同聯(lián)合運動(dòng)的。

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

　　3 實(shí)驗及結果分析

　　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(zhù)導致視覺(jué)疲勞的因素。例如色分式的顏色丟失嚴重，而且由于眼鏡鏡片顏色純度不夠導致濾光不完全，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(huà)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(guān)看2D、3D和實(shí)物圖像時(shí)眼睛運動(dòng)的情況，以期找出導致觀(guān)看3D圖像比2D圖像和實(shí)物更疲勞的原因。實(shí)驗所用的是加拿大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)驗中眼睛運動(dòng)的各個(gè)參數，包括注視點(diǎn)位置、注視次數、注視時(shí)間、瞳孔大小、眨眼、眼動(dòng)軌跡圖等。

　　在實(shí)驗中，每名被試分別觀(guān)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)驗用圖片如圖3所示，（a）為沒(méi)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(guān)看2D、3D圖片以及實(shí)物時(shí)雙眼間距的變化曲線(xiàn)如圖4所示（a）～（h）所示，橫坐標為視差（即不同的出屏距離）/parallax，縱坐標為雙眼間距dx/pixel。其中黑色方點(diǎn)的曲線(xiàn)對應觀(guān)看2D圖片時(shí)雙眼間距的變化情況，紅色圓點(diǎn)的曲線(xiàn)對應3D，藍色三角形點(diǎn)的曲線(xiàn)對應實(shí)物。

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

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

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