3D显示方式与视差对视觉疲劳的影响研究*

王嘉辉，程 义，李焜阳，崔 峻，常胜倩，蔡志岗，周建英

(中山大学光电材料与技术国家重点实验室，广东广州 510275)

近几年，3D产业，包括3D制作，3D储存和传输以及3D显示设备均得以迅速发展。3D已经开始走入生产生活的方方面面，也即将从银幕走进家庭，从家庭转移到手掌，从生活走向医疗、科研等高端场合［1－3］。但长时间观看3D将导致不同程度的视觉疲劳，并伴随有身体不舒适的情况［4－6］，因此3D引发的生理安全问题也越来越得到了人们的重视。

国内外学者开展了3D与视觉疲劳和不适间关联的研究。Yano S等［7］测量了观看3D投影显示的调节能力相对于观看前有很大减弱，认为视觉疲劳影响了调节能力。Emoto M等［8］发现在观看3D电视前后的辐辏能力的有所下降。Donghyun K等［9］用摄像机记录了被试在观看3D电视的眨眼次数要多。Li H C O研究发现3D的bete频率 (在压力情况下，会出现的频率在12～30 Hz的bete脑电波)比2D要强;3D产生的P700电位 (P700电位为在700 ms处出现事件相关电位信号)要迟于2D［10］。王琼华等［11］研究了自由立体显示器观看者瞳孔直径与视疲劳的关系，得到了视觉疲劳越严重瞳孔直径越大。刘运周［12］用客观作业研究了立体图像的视觉疲劳问题。但是未涉及不同的3D视差导致视觉疲劳的严重程度方面。因此，寻找能让观众长期使用的3D显示方式和视差范围，在保证优秀立体视觉体验的同时，提高观看的舒适度，尤为必要。本文用客观作业为评价手段，研究了不同的3D显示方式和视差对视觉疲劳的影响。

1 原理

双眼视差是指由于两眼在水平方向上有一定的距离，使得物体在双眼的视网膜上成像有所差异，此差异称为双眼视差。视差一般都用角度表示，从视觉感受而言，即物体在视觉上的出屏和入屏。如图1所示。

图1 双眼视差 (a)2D;(b)出屏;(c)入屏Fig.1 Binocular disparity(a)2D;(b)Out of the screen;(c)Into the screen

基于色分的互补色3D显示将左、右两幅立体图像用红青 (俗称红蓝)等色进行着色，通过红青眼镜后，使得左右眼分别看到各自的图像。如图2(a)所示。互补色3D显示方式存在色彩失真严重、串扰大等问题。

基于光分的偏振式3D显示其原理主要是分奇偶行或者列来显示左右视频。如奇数行用左旋偏振光显示左视频，偶数行用右旋偏振光显示右视频，通过偏振眼镜后，分别保留各自眼的视频，然后经过大脑融合成具有深度感知的立体。如图2(b)所示。偏振3D显示的分辨率减半，并且上下的视角要求严格。

基于时分的快门式3D显示技术采用快速的交替显示左右视频及同频率开关的快门眼镜进行左右眼图像的分离，现在主流的刷新频率是120 Hz。如图2(c)所示。由于背景照明光的影响，所以大部分时分3D显示视觉效果具有闪烁感。

图2 不同3D显示方式的原理(a)色分3D;(b)偏振3D;(c)主动快门3DFig.2 Different 3D display schematics(a)Anaglyphic 3D;(b)Polarization 3D;(c)Active shutter 3D

客观作业，也称数字校对，是沿用心理学测量的一种方法，利用人在疲劳状态下大脑工作能力下降的原理工作。一般客观作业的流程是，实验人员预先设计一个二维数组作为客观作业。该数组的列数为2，行数若干，同一行内的两个单元的数字一致或非常近似。被试者在完成相应的实验刺激后，阅读客观作业，并判断同一行两个单元内的内容是否一致。通过统计整个作业的识别准确率，评价被试者的视觉疲劳程度，识别准确率越高代表疲劳度越低，反之则代表疲劳度越低。按照实际需要，可有若干套不同的客观作业用于实验中随机选做。为了减少因为熟练程度带来的误差，在正式实验前被试者将有一个熟悉客观作业的训练过程。客观作业文稿的示例如下。

2 立体显示方式对视觉疲劳的影响

2.1 装置和样片

普通2D显示器 (戴尔E228WFP)用于显示2D和红青式3D图像;偏振式3D显示器 (LG D2342)用于显示光分式3D图像;快门式显示器(三星S23A750)用于显示时分式3D图像，三台显示器都为23英寸 (58.4 cm)，分辨率同为1 920×1 080。在距离显示器正前方50 cm处，放置照度计，调节显示器的亮度，得到一致。从《阿凡达》中剪取了15 min的视频作为样片。

2.2 方法

实验被试者限定为视力正常或者近视与散光小于100°者，有13名男性和3名女性，年龄在20～26周岁，平均年龄为22.7岁。

让被试者在距离显示器约50 cm观看样片，播放软件为PowerDVD。播放的方式分为2D、色分3D、偏振3D、时分3D。播放2D无需佩戴3D眼镜，播放3D需分别佩戴对应的3D眼镜。四种播放方式对被试者的次序为伪随机的。

在正式实验前有一个的演示部分，意在告知被试者整个实验前有一次客观作业，接着观看缩短观看时间的演示视频，观看完后进行客观作业，正式实验总共有4次观看视频。被试者观看样片前先做一次客观作业，以作基准，每看完一种显示方式显示样片后随即再完成一次客观作业。每份客观作业为纸质版，由40组不同的数组需要校对。被试者每次观看样片之间休息30 min。将40组数组按百分制来计算最后的成绩。

2.3 结果及讨论

图3为观看不同显示方式视频的客观作业分值图，横坐标为被试者编号，纵坐标为分值。通过不同显示方式后客观作业的分值和实验前的分值差距，可以看出该种显示方式造成疲劳感的严重程度，分值差距越高疲劳度越严重，反之则越轻微。

为更明显体现分值差距，用不同显示方式的数据减去基准数据，再取平均得到了图4所示。图4的横坐标从左至右分别为偏振式3D、快门式3D、红青式3D和2D四种显示类型，纵坐标是实验前后的客观作业的分值下降的百分比。

由图可知，观看2D影像后数字校对正确率下降了4.4%，观看偏振式、时分式、色分式3D影像后分别下降了10.5%、12.2%和13.4% 。不难发现，任何显示方式的客观作业正确率都出现了下降，表明不管是观看2D或3D影像后都会引起了视觉疲劳。

其中，观看2D影像造成的疲劳程度明显比观看3D影像造成的疲劳程度要小得多 (2D:4.4%;3D:10%以上)。而在不同的3D显示方式当中，偏振3D造成的疲劳程度最小 (10.5%)，红青3D造成的疲劳程度最大 (13.4%)，时分式3D则居中(12.2%)。

图4 不同显示类型与实验前的差值Fig.4 The d-value of objective assignment between different types of display and pre-experiment

实际上，偏振式3D显示佩戴的眼镜能够滤掉某些线偏振的眩光，使视觉感觉更加柔和，降低眼睛疲劳度。而时分式由于时分眼镜造成亮度降低严重，且再有背景照明的情况存在明显闪烁感，眼镜与显示器可能不完全同步，故容易导致视觉疲劳、呕吐等不适症状。色分式图片颜色严重失真，屏幕三原色滤色片透过光谱与眼镜镜片透过光谱的不匹配，极易看到重影，而重影是造成视觉疲劳的一大原因。现在大部分3D电影院采用的都是偏振式显示方式，其中一个原因是偏振式给观众的视觉感觉最好，很少出现明显的眼睛疲劳、头疼、呕吐等不适症状。

通过这个实验，找出了最适合长期观看的3D显示方式——偏振式3D，并以此为实验手段，开展后续的视差对视觉疲劳度影响的实验。

3 视差与视觉疲劳的关系

过大的出屏视差，会引起辐辏和调节的强烈不一致，从而导致复视，产生视觉疲劳。一个合适的出屏视差能够减轻辐辏和调节的不一致，并减缓其带来的视觉疲劳的累积速度。

3.1 装置和样片

由实验一的结论，选用偏振3D显示作为此次实验的显示平台，继续采用。LG D2342为实验用显示器。在显示器正前方50 cm，放置头托用以固定被试者的观看位置，减少头部的运动带来的误差。

样片用3ds Max建模，制作了简单的几何体，并设计左、中、右三个摄像机，渲染得到120组图片，每组有左、中、右三张图片。使用Photoshop调整左、右图的间距，得到视差 (即出屏距离)为0、4、8、12、16 cm等的3D图片，它们对应视差角分别为 0°、0.61°、1.33°、2.20°、3.27°。其中出屏0 cm使用中间摄像机渲染的2D图片。再从中选出75组立体感比较好且无明显感情色彩的图片作为最终样片。

3.2 方法

被试者均为视力正常或者轻度近视者，有13名男性和6名女性，年龄在20～26周岁，平均年龄为22.4岁。

让被试者的下巴轻放在距离显示器50 cm的头托上，佩戴偏光眼镜，观看立体图片，每张立体图片播放8 s，75张图片共10 min，播放软件为Stereoscopic Player。这五种不同视差对于被试者的次序为伪随机的。

在正式实验前有一个的演示部分，意在告知被试者整个实验前有一次客观作业，接着观看缩短观看时间的演示图片，观看完后进行客观作业，正式实验总共有5次观看图片。被试者在观看样片前先做一次客观作业以作基准，每看完一种视差的样片后立即完成客观作业。每次客观作业为电脑编程进行，限时1 min，不限完成数量。然后休息15 min。

3.3 结果及讨论

各视差数字校对结果平均值后与实验前相比较，得到如下图5。由图可知，视差为0～0.61°之间，错误率并没有明显的增加和减少;在出屏为0.61°～2.2°之间，错误率出现比较迅速上升;而视差为2.2°～3.27°情况更加糟糕，但是错误率增长得相对平缓，有趋于饱和的趋势。

图5 不同出屏距离与实验前的差值Fig.5 The d-value of different parallax

根据被试者叙述，视差为0.61°的图片没有重影，立体清晰;视差为1.33°的图片大多数人能看到清晰的立体效果，个别看到边缘稍微有点重影;视差达到2.2°时，部分被试者表示图像出现明显重影;视差增大到3.27°时，所有被试者表示看到重影。而且出屏越大重影越明显，并伴随着有头晕及眨眼增多等现象。这可能是由于视差太大，影响了立体图像在大脑的融合。这都与理论相符合。在看到重影后，错误率并没有飞速上升，表现为比较平缓，并有饱和的趋势;而在无重影到即将出现重影的区间内，错误率上升得非常迅速。这意味着在重影出现前，视觉疲劳就开始出现，错误率呈现增长迅速，其他视觉疲劳变现并不是很明显;而当重影出现后，错误率增长缓慢，客观作业不再明显体现视觉疲劳，需要其它方式进行检测。

在制作和拍摄3D影像资料时，因为3D影像中大部分镜头的视差是长时间相对固定的，针对这种长时间观看的视差，建议最好控制在1°以内。对于一些在短时间内需体现视觉冲击效果的镜头，可采取较大视差表现出屏感，但也应控制在2°以内。根据被试者的反映，不建议在3D影像资料中加入视差超过2°的镜头。

4 结语

通过实验结果表明，在红蓝3D、快门3D、偏振3D显示中，偏振3D给人的视觉舒适度较佳，且不易产生视觉疲劳。在观看不同视差的3D时，提出了几点关于镜头视差控制建议。本文的研究有利于对个人电脑3D显示器的选择，及3D图像、影像的制作提供了参考。

致谢:本论文的工作的顺利开展，得到了中山大学中山医学院的顾怀宇教授、中山眼科中心眼科学国家重点实验室的罗燕教授、中山大学心理学系的高定国教授以及华南师范大学教育科学学院心理学系的曾祥炎教授的帮助，在此，向以上老师致以最诚挚的谢意。

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