王嘉輝，程 義，李焜陽，崔 峻，常勝倩，蔡志崗，周建英

(中山大學光電材料與技術(shù)國家重點實驗室，廣東廣州 510275)

近幾年，3D產(chǎn)業(yè)，包括3D制作，3D儲存和傳輸以及3D顯示設(shè)備均得以迅速發(fā)展。3D已經(jīng)開始走入生產(chǎn)生活的方方面面，也即將從銀幕走進家庭，從家庭轉(zhuǎn)移到手掌，從生活走向醫(yī)療、科研等高端場合［1－3］。但長時間觀看3D將導致不同程度的視覺疲勞，并伴隨有身體不舒適的情況［4－6］，因此3D引發(fā)的生理安全問題也越來越得到了人們的重視。

國內(nèi)外學者開展了3D與視覺疲勞和不適間關(guān)聯(lián)的研究。Yano S等［7］測量了觀看3D投影顯示的調(diào)節(jié)能力相對于觀看前有很大減弱，認為視覺疲勞影響了調(diào)節(jié)能力。Emoto M等［8］發(fā)現(xiàn)在觀看3D電視前后的輻輳能力的有所下降。Donghyun K等［9］用攝像機記錄了被試在觀看3D電視的眨眼次數(shù)要多。Li H C O研究發(fā)現(xiàn)3D的bete頻率 (在壓力情況下，會出現(xiàn)的頻率在12～30 Hz的bete腦電波)比2D要強;3D產(chǎn)生的P700電位 (P700電位為在700 ms處出現(xiàn)事件相關(guān)電位信號)要遲于2D［10］。王瓊?cè)A等［11］研究了自由立體顯示器觀看者瞳孔直徑與視疲勞的關(guān)系，得到了視覺疲勞越嚴重瞳孔直徑越大。劉運周［12］用客觀作業(yè)研究了立體圖像的視覺疲勞問題。但是未涉及不同的3D視差導致視覺疲勞的嚴重程度方面。因此，尋找能讓觀眾長期使用的3D顯示方式和視差范圍，在保證優(yōu)秀立體視覺體驗的同時，提高觀看的舒適度，尤為必要。本文用客觀作業(yè)為評價手段，研究了不同的3D顯示方式和視差對視覺疲勞的影響。

1 原理

雙眼視差是指由于兩眼在水平方向上有一定的距離，使得物體在雙眼的視網(wǎng)膜上成像有所差異，此差異稱為雙眼視差。視差一般都用角度表示，從視覺感受而言，即物體在視覺上的出屏和入屏。如圖1所示。

圖1 雙眼視差 (a)2D;(b)出屏;(c)入屏Fig.1 Binocular disparity(a)2D;(b)Out of the screen;(c)Into the screen

基于色分的互補色3D顯示將左、右兩幅立體圖像用紅青 (俗稱紅藍)等色進行著色，通過紅青眼鏡后，使得左右眼分別看到各自的圖像。如圖2(a)所示?；パa色3D顯示方式存在色彩失真嚴重、串擾大等問題。

基于光分的偏振式3D顯示其原理主要是分奇偶行或者列來顯示左右視頻。如奇數(shù)行用左旋偏振光顯示左視頻，偶數(shù)行用右旋偏振光顯示右視頻，通過偏振眼鏡后，分別保留各自眼的視頻，然后經(jīng)過大腦融合成具有深度感知的立體。如圖2(b)所示。偏振3D顯示的分辨率減半，并且上下的視角要求嚴格。

基于時分的快門式3D顯示技術(shù)采用快速的交替顯示左右視頻及同頻率開關(guān)的快門眼鏡進行左右眼圖像的分離，現(xiàn)在主流的刷新頻率是120 Hz。如圖2(c)所示。由于背景照明光的影響，所以大部分時分3D顯示視覺效果具有閃爍感。

圖2 不同3D顯示方式的原理(a)色分3D;(b)偏振3D;(c)主動快門3DFig.2 Different 3D display schematics(a)Anaglyphic 3D;(b)Polarization 3D;(c)Active shutter 3D

客觀作業(yè)，也稱數(shù)字校對，是沿用心理學測量的一種方法，利用人在疲勞狀態(tài)下大腦工作能力下降的原理工作。一般客觀作業(yè)的流程是，實驗人員預先設(shè)計一個二維數(shù)組作為客觀作業(yè)。該數(shù)組的列數(shù)為2，行數(shù)若干，同一行內(nèi)的兩個單元的數(shù)字一致或非常近似。被試者在完成相應的實驗刺激后，閱讀客觀作業(yè)，并判斷同一行兩個單元內(nèi)的內(nèi)容是否一致。通過統(tǒng)計整個作業(yè)的識別準確率，評價被試者的視覺疲勞程度，識別準確率越高代表疲勞度越低，反之則代表疲勞度越低。按照實際需要，可有若干套不同的客觀作業(yè)用于實驗中隨機選做。為了減少因為熟練程度帶來的誤差，在正式實驗前被試者將有一個熟悉客觀作業(yè)的訓練過程?？陀^作業(yè)文稿的示例如下。

2 立體顯示方式對視覺疲勞的影響

2.1 裝置和樣片

普通2D顯示器 (戴爾E228WFP)用于顯示2D和紅青式3D圖像;偏振式3D顯示器 (LG D2342)用于顯示光分式3D圖像;快門式顯示器(三星S23A750)用于顯示時分式3D圖像，三臺顯示器都為23英寸 (58.4 cm)，分辨率同為1 920×1 080。在距離顯示器正前方50 cm處，放置照度計，調(diào)節(jié)顯示器的亮度，得到一致。從《阿凡達》中剪取了15 min的視頻作為樣片。

2.2 方法

實驗被試者限定為視力正?；蛘呓暸c散光小于100°者，有13名男性和3名女性，年齡在20～26周歲，平均年齡為22.7歲。

讓被試者在距離顯示器約50 cm觀看樣片，播放軟件為PowerDVD。播放的方式分為2D、色分3D、偏振3D、時分3D。播放2D無需佩戴3D眼鏡，播放3D需分別佩戴對應的3D眼鏡。四種播放方式對被試者的次序為偽隨機的。

在正式實驗前有一個的演示部分，意在告知被試者整個實驗前有一次客觀作業(yè)，接著觀看縮短觀看時間的演示視頻，觀看完后進行客觀作業(yè)，正式實驗總共有4次觀看視頻。被試者觀看樣片前先做一次客觀作業(yè)，以作基準，每看完一種顯示方式顯示樣片后隨即再完成一次客觀作業(yè)。每份客觀作業(yè)為紙質(zhì)版，由40組不同的數(shù)組需要校對。被試者每次觀看樣片之間休息30 min。將40組數(shù)組按百分制來計算最后的成績。

2.3 結(jié)果及討論

圖3為觀看不同顯示方式視頻的客觀作業(yè)分值圖，橫坐標為被試者編號，縱坐標為分值。通過不同顯示方式后客觀作業(yè)的分值和實驗前的分值差距，可以看出該種顯示方式造成疲勞感的嚴重程度，分值差距越高疲勞度越嚴重，反之則越輕微。

為更明顯體現(xiàn)分值差距，用不同顯示方式的數(shù)據(jù)減去基準數(shù)據(jù)，再取平均得到了圖4所示。圖4的橫坐標從左至右分別為偏振式3D、快門式3D、紅青式3D和2D四種顯示類型，縱坐標是實驗前后的客觀作業(yè)的分值下降的百分比。

由圖可知，觀看2D影像后數(shù)字校對正確率下降了4.4%，觀看偏振式、時分式、色分式3D影像后分別下降了10.5%、12.2%和13.4% 。不難發(fā)現(xiàn)，任何顯示方式的客觀作業(yè)正確率都出現(xiàn)了下降，表明不管是觀看2D或3D影像后都會引起了視覺疲勞。

其中，觀看2D影像造成的疲勞程度明顯比觀看3D影像造成的疲勞程度要小得多 (2D:4.4%;3D:10%以上)。而在不同的3D顯示方式當中，偏振3D造成的疲勞程度最小 (10.5%)，紅青3D造成的疲勞程度最大 (13.4%)，時分式3D則居中(12.2%)。

圖4 不同顯示類型與實驗前的差值Fig.4 The d-value of objective assignment between different types of display and pre-experiment

實際上，偏振式3D顯示佩戴的眼鏡能夠濾掉某些線偏振的眩光，使視覺感覺更加柔和，降低眼睛疲勞度。而時分式由于時分眼鏡造成亮度降低嚴重，且再有背景照明的情況存在明顯閃爍感，眼鏡與顯示器可能不完全同步，故容易導致視覺疲勞、嘔吐等不適癥狀。色分式圖片顏色嚴重失真，屏幕三原色濾色片透過光譜與眼鏡鏡片透過光譜的不匹配，極易看到重影，而重影是造成視覺疲勞的一大原因?，F(xiàn)在大部分3D電影院采用的都是偏振式顯示方式，其中一個原因是偏振式給觀眾的視覺感覺最好，很少出現(xiàn)明顯的眼睛疲勞、頭疼、嘔吐等不適癥狀。

通過這個實驗，找出了最適合長期觀看的3D顯示方式——偏振式3D，并以此為實驗手段，開展后續(xù)的視差對視覺疲勞度影響的實驗。

3 視差與視覺疲勞的關(guān)系

過大的出屏視差，會引起輻輳和調(diào)節(jié)的強烈不一致，從而導致復視，產(chǎn)生視覺疲勞。一個合適的出屏視差能夠減輕輻輳和調(diào)節(jié)的不一致，并減緩其帶來的視覺疲勞的累積速度。

3.1 裝置和樣片

由實驗一的結(jié)論，選用偏振3D顯示作為此次實驗的顯示平臺，繼續(xù)采用。LG D2342為實驗用顯示器。在顯示器正前方50 cm，放置頭托用以固定被試者的觀看位置，減少頭部的運動帶來的誤差。

樣片用3ds Max建模，制作了簡單的幾何體，并設(shè)計左、中、右三個攝像機，渲染得到120組圖片，每組有左、中、右三張圖片。使用Photoshop調(diào)整左、右圖的間距，得到視差 (即出屏距離)為0、4、8、12、16 cm等的3D圖片，它們對應視差角分別為 0°、0.61°、1.33°、2.20°、3.27°。其中出屏0 cm使用中間攝像機渲染的2D圖片。再從中選出75組立體感比較好且無明顯感情色彩的圖片作為最終樣片。

3.2 方法

被試者均為視力正?；蛘咻p度近視者，有13名男性和6名女性，年齡在20～26周歲，平均年齡為22.4歲。

讓被試者的下巴輕放在距離顯示器50 cm的頭托上，佩戴偏光眼鏡，觀看立體圖片，每張立體圖片播放8 s，75張圖片共10 min，播放軟件為Stereoscopic Player。這五種不同視差對于被試者的次序為偽隨機的。

在正式實驗前有一個的演示部分，意在告知被試者整個實驗前有一次客觀作業(yè)，接著觀看縮短觀看時間的演示圖片，觀看完后進行客觀作業(yè)，正式實驗總共有5次觀看圖片。被試者在觀看樣片前先做一次客觀作業(yè)以作基準，每看完一種視差的樣片后立即完成客觀作業(yè)。每次客觀作業(yè)為電腦編程進行，限時1 min，不限完成數(shù)量。然后休息15 min。

3.3 結(jié)果及討論

各視差數(shù)字校對結(jié)果平均值后與實驗前相比較，得到如下圖5。由圖可知，視差為0～0.61°之間，錯誤率并沒有明顯的增加和減少;在出屏為0.61°～2.2°之間，錯誤率出現(xiàn)比較迅速上升;而視差為2.2°～3.27°情況更加糟糕，但是錯誤率增長得相對平緩，有趨于飽和的趨勢。

圖5 不同出屏距離與實驗前的差值Fig.5 The d-value of different parallax

根據(jù)被試者敘述，視差為0.61°的圖片沒有重影，立體清晰;視差為1.33°的圖片大多數(shù)人能看到清晰的立體效果，個別看到邊緣稍微有點重影;視差達到2.2°時，部分被試者表示圖像出現(xiàn)明顯重影;視差增大到3.27°時，所有被試者表示看到重影。而且出屏越大重影越明顯，并伴隨著有頭暈及眨眼增多等現(xiàn)象。這可能是由于視差太大，影響了立體圖像在大腦的融合。這都與理論相符合。在看到重影后，錯誤率并沒有飛速上升，表現(xiàn)為比較平緩，并有飽和的趨勢;而在無重影到即將出現(xiàn)重影的區(qū)間內(nèi)，錯誤率上升得非常迅速。這意味著在重影出現(xiàn)前，視覺疲勞就開始出現(xiàn)，錯誤率呈現(xiàn)增長迅速，其他視覺疲勞變現(xiàn)并不是很明顯;而當重影出現(xiàn)后，錯誤率增長緩慢，客觀作業(yè)不再明顯體現(xiàn)視覺疲勞，需要其它方式進行檢測。

在制作和拍攝3D影像資料時，因為3D影像中大部分鏡頭的視差是長時間相對固定的，針對這種長時間觀看的視差，建議最好控制在1°以內(nèi)。對于一些在短時間內(nèi)需體現(xiàn)視覺沖擊效果的鏡頭，可采取較大視差表現(xiàn)出屏感，但也應控制在2°以內(nèi)。根據(jù)被試者的反映，不建議在3D影像資料中加入視差超過2°的鏡頭。

4 結(jié)語

通過實驗結(jié)果表明，在紅藍3D、快門3D、偏振3D顯示中，偏振3D給人的視覺舒適度較佳，且不易產(chǎn)生視覺疲勞。在觀看不同視差的3D時，提出了幾點關(guān)于鏡頭視差控制建議。本文的研究有利于對個人電腦3D顯示器的選擇，及3D圖像、影像的制作提供了參考。

致謝:本論文的工作的順利開展，得到了中山大學中山醫(yī)學院的顧懷宇教授、中山眼科中心眼科學國家重點實驗室的羅燕教授、中山大學心理學系的高定國教授以及華南師范大學教育科學學院心理學系的曾祥炎教授的幫助，在此，向以上老師致以最誠摯的謝意。

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