王 飛， 王晨升， 劉曉杰

（1. 北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100876；2. 長(zhǎng)春大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

立體視技術(shù)可以追溯到 1600年，但發(fā)展最快的時(shí)期是近20多年的時(shí)間。上個(gè)世紀(jì)80年代，人們對(duì)具有深度信息的立體圖像的表示（顯示）和觀察方式等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，取得了許多的研究成果，如兩眼式、多眼式、超多眼式（super multi-view display）、深度信息掃描式（Depth-Fused 3-D DFD）、全息式(holographic display)等。這些方式在虛擬現(xiàn)實(shí)、廣播電視、通信、機(jī)械、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其中的兩眼式、多眼式技術(shù)是最為簡(jiǎn)便和普及的，相關(guān)的設(shè)備也已經(jīng)商品化。

兩眼式又可分為眼鏡方式和裸眼方式；眼鏡方式有互補(bǔ)色、偏振光和液晶快門等方式；裸眼方式中利用兩眼視差獲得立體視的有視差壁障(Parallax barrier)方式和雙凸透鏡(Lenticular Lens)等方式。由于以上方式是主要是利用兩眼視差獲得立體視效果，因此都存在視覺疲勞（也稱視疲勞和眼睛疲勞）、盆景效應(yīng)、貼畫效應(yīng)、布景效應(yīng)、及不能表達(dá)運(yùn)動(dòng)視差等問題。其中的視覺疲勞是最為突出的問題。當(dāng)人們長(zhǎng)時(shí)間觀察（30分鐘左右）體視影像時(shí)，就可能會(huì)產(chǎn)生不同程度的視覺疲勞，嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)頭疼、惡心等癥狀。關(guān)于這一點(diǎn)，看過立體電影的人都有所體會(huì)。立體電影的片長(zhǎng)較短（最多 1小時(shí)），易引起視覺疲勞可能是其原因之一，這也在一定程度上影響了立體顯示技術(shù)的普及和應(yīng)用。觀察立體影像引發(fā)的視覺疲勞可能會(huì)對(duì)人體造成傷害，應(yīng)引起人們的高度重視。因此，有必要研究產(chǎn)生視覺疲勞的原因，對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)和制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，提出減輕視覺疲勞的對(duì)策，在制作和觀看立體影像時(shí)予以注意，以減少對(duì)人體的傷害，并研究開發(fā)出視覺疲勞較輕和沒有視覺疲勞的方式。近年來，許多學(xué)者從不同方面對(duì)觀察立體影像時(shí)產(chǎn)生的視覺疲勞問題進(jìn)行了研究和探討，取得了許多的成果。文獻(xiàn)[1-3]對(duì)立體顯示技術(shù)因焦點(diǎn)調(diào)節(jié)和輻輳不一致所產(chǎn)生的視覺疲勞進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]研究了觀察立體圖像時(shí)兩眼水平視差和視覺疲勞的關(guān)系。文獻(xiàn)[5]從眼科學(xué)的角度研究了由于立體顯示的視覺負(fù)荷所引起的眼睛疲勞問題。文獻(xiàn)[6]研究了兩眼式立體映像評(píng)價(jià)系統(tǒng)的制作。

本文探討了因焦點(diǎn)調(diào)節(jié)和輻輳的矛盾產(chǎn)生視覺疲勞的原因和視覺疲勞的癥狀，針對(duì)立體視提出了緩解視覺疲勞的幾種措施。

1 立體視引起視覺疲勞的原因

立體視可能引起視覺疲勞的原因很多，一般認(rèn)為主要有以下 4種：① 左右眼圖像的幾何學(xué)歪斜；② 左右眼圖像的電氣特性差；③ 輻輳和焦點(diǎn)調(diào)節(jié)的不一致；及④ 過度的視差和視差的不連續(xù)變化。前兩種屬硬件問題，后兩種則源自立體影像的原理性問題，本文將著重探討后兩種情況引起的視覺疲勞及其緩解對(duì)策。

2 輻輳和調(diào)節(jié)的不一致問題

如圖1所示，在觀察實(shí)物時(shí)，左右眼視線交于注視點(diǎn)而產(chǎn)生輻輳，同時(shí)為對(duì)應(yīng)其距離d，左右眼的焦點(diǎn)調(diào)節(jié)發(fā)揮作用，因此輻輳和焦點(diǎn)調(diào)節(jié)是一致的，如圖1(a)所示。兩眼式立體顯示根據(jù)兩眼視差而誘發(fā)輻輳，空間點(diǎn)A和注視點(diǎn)一致，而焦點(diǎn)調(diào)節(jié)卻在畫面上，輻輳距D與視距（調(diào)節(jié)距離）d不相等，即D≠d，這就使輻輳和焦點(diǎn)調(diào)節(jié)不一致，造成兩者的矛盾，如圖1(b)所示。當(dāng)視距一定，的值越大，這種矛盾就越突出，如圖2所示。

圖1 實(shí)物視和立體視的輻輳和焦點(diǎn)調(diào)節(jié)

圖2 不同的輻輳距離

輻輳和焦點(diǎn)調(diào)節(jié)深度信息的矛盾所引起視覺疲勞的機(jī)理還不清楚，但有兩點(diǎn)可以肯定：一是由于輻輳和焦點(diǎn)調(diào)節(jié)不一致，觀看立體圖像時(shí)，為了能夠看清楚體視融像而使焦點(diǎn)調(diào)節(jié)更加緊張，造成睫狀肌負(fù)擔(dān)過重，易產(chǎn)生視覺疲勞；二是與不自然的視覺信息有關(guān)，由于體視融像與現(xiàn)實(shí)世界看到的物體不同，造成人腦信息的混亂，長(zhǎng)時(shí)間處于這種狀態(tài)，就會(huì)導(dǎo)致視覺疲勞和映像暈眩。

3 視覺疲勞的癥狀

對(duì)疲勞一詞的解釋眾說紛紜，莫衷一是。醫(yī)學(xué)科學(xué)家認(rèn)為，疲勞是機(jī)體的一種防御性反應(yīng)，或者說是因?yàn)檫^度活動(dòng)而造成暫時(shí)性機(jī)能降低時(shí)生理和心理狀態(tài)的綜合性變化。視覺疲勞是視覺作業(yè)中由于緊張或不適而引起視覺效能降低的現(xiàn)象。視覺疲勞又可分為暫時(shí)性視覺疲勞和永久性視覺疲勞，前者為休息一段時(shí)間后即可恢復(fù)的疲勞，后者是指不能恢復(fù)的疲勞，造成永久性的視覺效能降低。暫時(shí)性視覺疲勞如果長(zhǎng)期反復(fù)的話，也可能發(fā)展成永久性視覺疲勞。

一般認(rèn)為，觀察立體圖像時(shí)的輻輳和焦點(diǎn)調(diào)節(jié)不整合是造成視覺疲勞的主要原因之一[1-2]。根據(jù)作者對(duì) 10名學(xué)生觀察大型立體顯示（環(huán)形屏幕和平面屏幕）動(dòng)態(tài)立體影像的實(shí)驗(yàn)，其中大部分人在 15分鐘之后開始出現(xiàn)癥狀不同的不適，感覺到頭疼，眼睛疲勞甚至惡心。但這些癥狀的發(fā)生也是因人而異的，有的人僅觀察了1分鐘后就明顯感到不舒服。根據(jù)被驗(yàn)對(duì)象的回答，具體的癥狀有：視力模糊、眼周疼、額竇和鼻竇酸疼、眼睛干澀、流淚、畏光等，有的還伴隨著眩暈、植物神經(jīng)紊亂等癥狀，如太陽穴疼、頭疼、頭沉、頭暈、心悸、惡心嘔吐等。

長(zhǎng)時(shí)間輻輳和焦點(diǎn)調(diào)節(jié)的不整合，還可能會(huì)使焦點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)理出現(xiàn)變化和紊亂，引起調(diào)節(jié)機(jī)能下降，需要一定的時(shí)間才能恢復(fù)。

4 減輕視覺疲勞的措施

通過對(duì)立體視引所起的視覺疲勞成因的分析，針對(duì)輻輳和焦點(diǎn)調(diào)節(jié)不一致及過度的視差和視差的不連續(xù)變化所引起的視覺疲勞，提出以下4點(diǎn)減緩措施。

4.1 不要讓眼睛機(jī)能負(fù)擔(dān)過度

減輕視覺疲勞最好的方法是在發(fā)生輻輳和調(diào)節(jié)機(jī)能低下前去休息[5]。作者對(duì)眼鏡方式的互補(bǔ)色和偏振光方式以及裸眼式的視差壁障方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)連續(xù)觀察 15分鐘后，調(diào)節(jié)應(yīng)答開始變得低下了；30分鐘后，增加了焦點(diǎn)調(diào)節(jié)的時(shí)間；60分鐘后，近視的調(diào)節(jié)不能持續(xù)，這時(shí)開始出現(xiàn)眼疲勞，伴隨著眼睛疼、眼睛干澀、眼睛沉等癥狀。因此，連續(xù)觀察的時(shí)間最好不超過15分鐘。

4.2 將焦點(diǎn)調(diào)節(jié)和輻輳的不一致限制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)

事實(shí)上，人的視覺系統(tǒng)允許兩眼輻輳與焦點(diǎn)調(diào)節(jié)有一定程度的不一致，如果這種不一致在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，就會(huì)減輕視覺疲勞，這個(gè)范圍稱為舒適視域。

輻輳角與輻輳距離D有關(guān)，輻輳角

式中 B為兩眼瞳間的距離，約65mm，參見圖1。上式表明，輻輳距離越小，輻輳角就越大。實(shí)驗(yàn)證明，輻輳距離小于 103mm時(shí)，輻輳角將超過36°，即超過了融像輻輳域（調(diào)節(jié)一定，輻輳變化能夠融像的范圍，也叫相對(duì)輻輳），這時(shí)為了能夠合像，眼睛就會(huì)異常緊張[7]。從圖2看出，當(dāng)融像在表示面前方時(shí)，輻輳角越大，也意味著焦點(diǎn)調(diào)節(jié)和輻輳的不一致變大了，這樣會(huì)得到更大的縱深感，體視效果更加強(qiáng)烈，但也更加容易引起視覺疲勞。但輻輳角太小，即D≈d時(shí)，體視效果不強(qiáng)，近似于平面圖形。因此，將焦點(diǎn)調(diào)節(jié)和輻輳的矛盾控制在舒適視域是重要的。顯然，形成立體視時(shí)，浮出畫面量小的映像，這個(gè)矛盾將得以緩和。

4.3 避免過大的視差和視差的不連續(xù)變化

如圖3所示，兩眼的水平角視差為

圖3 兩眼視差

水平角視差的大小與輻輳距離 D的平方成反比，當(dāng)D變小時(shí)，角視差會(huì)急劇增加。過大的兩眼視差和視差的不連續(xù)變化也被認(rèn)為是造成視覺疲勞的原因。文獻(xiàn)[4]經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：兩眼水平視差量大和其隨時(shí)間的不連續(xù)變化，容易引起視覺疲勞。因此，在攝制或用軟件制作立體圖像時(shí)，應(yīng)使用兩眼水平視差計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算視差量，避免過大的兩眼視差和兩眼視差的不連續(xù)變化，這對(duì)于減輕視覺疲勞是有效的。

文獻(xiàn)[6]對(duì)8名20～30歲的健康成人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置為透鏡前安裝偏振光濾器的兩臺(tái)液晶放映機(jī)，分上下放在高度60cm的可升降臺(tái)上，將圖像用偏振光方式投影到100英寸的銀白色屏幕上，被驗(yàn)者帶偏振光眼鏡從3m的距離觀察樣本立體圖像。得出以下結(jié)論：對(duì)樣本圖像安全性的評(píng)價(jià)結(jié)果是同側(cè)方向和交叉方向的視差量均為1o時(shí)是安全的；舒適性的評(píng)價(jià)結(jié)果是同側(cè)方向和交叉方向最大視差量的和為2o時(shí)是舒適的。

4.4 利用補(bǔ)正透鏡減輕視覺負(fù)擔(dān)

在顯示系統(tǒng)和觀察者之間附加補(bǔ)正透鏡來移動(dòng)調(diào)節(jié)距離，使調(diào)節(jié)距離和輻輳距離趨于一致而接近自然視，進(jìn)而達(dá)到減輕視覺疲勞的目的?？梢杂脝瓮哥R或多個(gè)透鏡補(bǔ)正，單焦點(diǎn)透鏡簡(jiǎn)單方便，在視距50cm的觀察條件下，根據(jù)補(bǔ)正透鏡使調(diào)節(jié)距離向遠(yuǎn)方移動(dòng)，但補(bǔ)正范圍有限，不能對(duì)應(yīng)多種立體成像位置。文獻(xiàn)[8]采用4個(gè)透鏡構(gòu)成透鏡系統(tǒng)，在觀察孔安裝偏振光濾光鏡，在透鏡系統(tǒng)后面安裝可移動(dòng)的6英寸LCD，在LCD上貼了叫做微級(jí)(Micro pole)的特殊結(jié)構(gòu)的薄膜，微級(jí)是由微細(xì)的偏振光電極構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，它對(duì)應(yīng)著 LCD像素的線，每線配置互相平行的偏振光電極，左右眼鏡分別對(duì)應(yīng)奇數(shù)行和偶數(shù)行。觀察時(shí)偏振光濾光鏡分離出左右眼圖像。LCD可以向眼前移動(dòng)+55mm，向屏幕后方移動(dòng)-65mm，以調(diào)整調(diào)節(jié)距離。

5 結(jié)束語

長(zhǎng)時(shí)間觀看立體影像引起的視覺疲勞可能會(huì)對(duì)觀察者造成很大的傷害，而且對(duì)兒童的傷害可能會(huì)更大，必須予以高度重視。本文通過對(duì)輻輳和焦點(diǎn)調(diào)節(jié)不一致及過度的視差和視差的不連續(xù)變化所引起的視覺疲勞的成因分析，針對(duì)性地提出了緩解視覺疲勞的四項(xiàng)措施。作者認(rèn)為只要在觀看和制作立體影像時(shí)遵從本文的建議，預(yù)防和減輕視覺疲勞是可能的。

然而，解決視覺疲勞最根本的辦法，是研究開發(fā)自然立體顯示技術(shù)，近年來這方面的研究已經(jīng)取得有了一些可喜的研究成果，如超多眼方式、空中像方式和全息方式等。其中的超多眼方式是通過給觀察者單眼瞳內(nèi)提供多幅視差圖像來達(dá)到將焦點(diǎn)調(diào)節(jié)到融像位置的方式，輻輳和焦點(diǎn)調(diào)節(jié)趨于一致，故而減輕了視覺疲勞；空中像方式的表示面是透明的自由屏幕，觀察者感覺不到表示面的存在，焦點(diǎn)調(diào)節(jié)合于融像位置，因此沒有視覺疲勞；全息方式是完全再現(xiàn)物體反射光的方式，屬于非視差方式，當(dāng)然也沒有視覺疲勞問題。但這些方式技術(shù)難度高，目前還沒有到實(shí)用階段，需要進(jìn)一步研究和開發(fā)。

[1]Yano Sumio, Emoto Masaki, Mitsuhashi Tetuso. Two factors in visual fatigue caused from stereoscopic images [J]. The Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, 2003, 57(9):1187-1193.

[2]Yano Sumio, Shinji Ide, Hal Thwaites. A study of visual comfort and visual fatigue at the point of accommodation response in viewing stereoscopic image [J]. The Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, 2001, 55(5):711-717.

[3]Emoto Masaki, Yano Sumio. The influence of the dissociation of vergence and accommodation on visual fatigue in watching stereoscopic images [J]. ITE Technical Report, 2001, 25(48): 7-14.

[4]Masaki EMOTO.Watching stereoscopic images causes the decline of visual functions[R]. ITE Technical Report .2007, 31(18): 33-39.

[5]IWASAKI T. Eyestrain induced by stereogram on 3-D display [J]. The Japanese Journal of Ergonomics, 2002,38(1): 44-53.

[6]Shinsuke Kishi. An ergonomic evaluation system for stereoscopic 3D-images [J]. The Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, 2006, 60(6): 934-942.

[7]董國耀. 透視與體視[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 1992. 231.

[8]SHIBATA Takashi, KAWAI Takashi, OHTA Keiji, et al.Improvement of the mismatch of visual information by the stereoscopic 3-D display system using mono-focal lens [J]. The Japanese Journal of Ergonomics, 2004,40(2): 99-106.