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三維顯示器視覺疲勞研究

編輯：chinafpd 2012-09-12 09:07:29 瀏覽：1683 來源：

　　摘要：三維顯示器由于能顯示空間三維信息而具有巨大的應用前景，目前市場上的三維顯示器工作方式大都基于雙目視差原理的。該類三維顯示由于輻輳和焦點調節不一致等原因，將產生視覺疲勞癥狀。本文通過主觀調查問卷和閃光融合頻率，研究了長時間觀看三維顯示對人類視覺疲勞的影響，結果表明長時間觀看三維顯示后，閃光融合頻率值顯著下降，并且多項癥狀有明顯增加。而相同情況下觀看二維顯示后，閃光融合頻率并無顯著下降。可見長時間觀看三維顯示器可使觀看者產生明顯的視覺疲勞。

　　關鍵詞：三維顯示器；視覺疲勞；調查問卷；閃光融合頻率；二維顯示器

　　Key words：3D display；visual fatigue；questionnaire；critical flicker frequency；2D display

　　引言

　　三維立體顯示已成為當今一個引人注目的前沿科技領域，是世界各國大力發展的下一代新型的顯示技術。三維立體顯示種類較多，可按其工作原理是否基于雙目視差而分為兩大類，目前市場上的三維顯示器的工作方式大都基于雙目視差原理，即為觀看者的左右眼提供同一場景不同視角的圖像對，采用光學等手段讓觀看者的左右眼只能看見與之對應的圖像，人腦經過處理就融合成一幅具有立體感的圖像^[1-2]。

　　大量研究表明長時間觀看三維立體顯示將產生眼脹、復視等視覺疲勞癥狀,通過對觀看者視覺疲勞癥狀的度量及評價可判定其不良生理反應程度，從而及時采取措施來預防和消除視覺疲勞^[3]。同時，本研究也對二維顯示器與三維顯示器的視覺疲勞差別進行了比較。

　　視覺疲勞的評價分為主觀評價和客觀評價。前者是讓觀看者表述觀看視覺疲勞的程度；后者主要是測量觀看者的調節近點、閃光融合頻率（critical flicker frequency，CFF）、融合幅度等指標參量^[4]。本研究選擇了主觀調查問卷和閃光融合頻率^[5]作為視覺疲勞度量的指標參量。

　　實驗

　　1. 調查問卷的設計

目前和視覺相關的調查問卷類型很多，比較典型的有SSQ(Simulator Sickness Questionnaire)、CISS(Convergence Insufficiency Symptom Survey)、VFQ(visual Function Questionnaire)、DEQ(Dry Eye Questionnaire)。

　　輻輳和焦點調節不一致是三維顯示器產生視覺疲勞的主要原因^[6]，綜合考慮實際目的及調查問卷長度，本研究最終依據CISS^[7]問卷，設計的調查問卷項目如下：

　　（1）眼睛感到疲倦；（2）眼睛感到不舒適；（3）眼睛感覺疼痛；（4）眼睛感覺酸脹；（5）眼睛周圍有被拉扯感；（6）感覺頭疼；（7）感覺困倦；（8）流汗；（9）惡心，想嘔吐；（10）感覺眩暈；（11）感覺無法集中注意力；（12）無法記住所讀到或看到的內容；（13）出現復視（兩個畫面）；（14）閱讀時或近距離工作時，所看到的字出現移動，跳動，晃動或浮在頁面上的情況；（15）閱讀速度較慢；（16）視力變模糊或感覺失去焦點；（17）心不在焉；（18）閱讀時，必須重復讀同一行文字。

　　被試根據自身感受對每一項癥狀進行0-4分打分，0分表示無影響，1分表示有輕微影響、2分表示有中度影響、3分表示有明顯影響、4分表示難以忍受，分值越大代表癥狀的影響程度越大。

　　2. 閃光融合頻率測試

　　閃爍感恰好消失的光源振蕩頻率稱為閃光融合頻率即CFF。有研究認為，閃爍的感知與個體狀態有關，且在視覺發生疲勞后，人眼的CFF值會下降^[5]。

　　本研究所使用的CFF測量自制設備如圖1所示。圖1（a）是非實驗狀態下的CFF測量設備圖片，圖1（b）是實驗狀態下的CFF測量設備的圖片，圖上的紅色LED點光源為觀看目標。

　　（a）關態

　　（a）the off state

　　（b）開態

　　（b）the on state

　　圖1 CFF測量設備

Fig.1 The device for CFF measurement

　　環境燈關閉，使實驗環境處于暗室情況下，被試者雙眼在距離紅色LED點光源的正上方50cm的位置上，觀看該目標，實驗者調節點光源的頻率，先從0Hz開始以每秒5Hz的步長增加至20Hz，再以每秒0.5Hz的步長增加至被試者第一次看見亮點不再閃爍為止，讀取并記錄該數據，進行三次并取平均值。

　　3. 實驗用顯示器

　　本文的研究中使用了一臺分辨率為1920*1080的46”LCD顯示器，它是基于液晶偏振片的眼鏡式立體顯示器。

　　4. 實驗對象和方法

　　本文研究了長時間觀看三維顯示對人類視覺疲勞的影響，即要求被試者觀看三維電影1小時，實驗前、后通過調查問卷反映主觀感受，并用CFF測量視覺疲勞。實驗選取了25名被試，9名女性，16名男性，平均年齡24歲。

　　為了比較觀看三維與二維顯示的實驗結果，被試又在相同設置下觀看了二維電影1小時。

　　實驗結果

　　1. 調查問卷

　　如圖2（a）所示為在觀看三維顯示前、后各項癥狀的均值變化情況及其95%置信區間；圖2（b）所示為各項癥狀在觀看三維和二維顯示前、后的差值均值情況。圖中癥狀的數字標號與前文調查問卷設計中的癥狀序號一致。

（a）觀看三維顯示前、后的主觀癥狀變化；

（a）The subjective scores of the symptoms under the three-dimensional condition;

（b）觀看三維和二維顯示前、后的主觀癥狀均值差值；

（b）The difference of subjective scores of the symptoms between post-test and pre-test under both three-dimensional and two-dimensional condition;

圖2 主觀問卷

Fig.2 questionnaire

　　2. CFF

　　如圖3所示為觀看三維和二維顯示情況下，歸一化后的CFF平均值及95%置信區間（按實驗前的CFF值做歸一化）。

圖3歸一化CFF值

Fig.3 The normalized value of CFF

　　討論與分析

　　1. 調查問卷

被試在看完1小時的三維電影后，最明顯的癥狀是“眼睛感覺酸脹”。

對各項癥狀實驗前后的變化運用統計軟件SPSS進行ANOVA單因素方差分析，分析結果表明，時間對眼睛感到疲倦、不舒適、疼痛、酸脹、眼睛周圍有被拉扯感、感覺眩暈、出現復視以及視力變模糊等8項癥狀（癥狀序號依次為1、2、3、4、5、10、13、16）有顯著性影響（P<0.05），觀看后比觀看前的癥狀明顯增加。而被試在看完1小時的二維電影后，明顯增加的癥狀則相對較少。

　　2. CFF

　　對實驗所得的數據應用軟件SPSS分析，ANOVA分析結果如表1，可知看完1小時三維電影，CFF值下降顯著（P<0.05），看完1小時的二維電影，CFF值下降并不顯著（P>0.05）。

表1觀看三維與二維顯示情況下實驗時間對CFF值影響的ANOVA分析結果

Table1. The effect of time on CFF under the three-dimensional and two-dimensional condition

Source	Df	F	Sig.
三維顯示下實驗前、后	1	5.851	0.024
二維顯示下實驗前、后	1	2.183	0.153

　　結論

　　長時間觀看三維顯示后，閃光融合頻率值在統計學水平上顯著下降，“眼睛感覺酸脹”是最明顯的癥狀，其中有八項癥狀程度顯著增加。而長時間觀看二維顯示后，閃光融合頻率下降并不顯著，且明顯增加的癥狀相對較少。可見相對二維顯示而言，長時間觀看三維顯示可使觀看者產生明顯的視覺疲勞。在后續工作中，將對三維顯示視覺疲勞的相關影響因素及主客觀評價方法作進一步研究。

　　參考文獻

　　[1] Neil A. Aodgson. Autostereoscopic 3D displays[J]. Computer:2005,38(8): 31-36.

　　[2] Takashi Kawai. 3D displays and applications[J]. Displays:2002,23(1-2):49-56.

[3]王瓊華，潘冬冬，李小方等.自由立體顯示器觀看者瞳孔直徑與視疲勞關系[J].光子學報：2011，40（3）：351-353

　　[4]Marc Lambooij, Wijnand IJsselsteijn, Marten Fortuin, et al. Visual discomfort and visual fatigue of stereoscopic displays: a review[J].Journal of imaging science and technology:2009,53(3): 030201-9- 030201-10

　　[5]Mitsuhashi T. Evaluation of stereoscopic picture quality with CFF[J]. Ergonomics: 1996,39(11):1344-1356

　　[6] Frank L. Kooi, Alexander Toet. Visual comfort of binocular and 3D displays[J]. Displays: 2004,25(2-3): 99-108

　　[7] Eric J. Borsting. Validity and Reliability of the Revised Convergence Insufficiency Symptom Survey in Children Aged 9 to 18 Years[J]. Optometry and Vision Science: 2003,80(12):832-838.

Measuring visual fatigue of stereoscopic display

　　Wang Ying, Tu Yan, Wang Lili

Dongfei Display R&D Center, Electronic Science and Engineering College, SEU, Nanjing,210096

　　Abstract：3D displays are believed to have a great prospect due to their ability to rendering depth information. The most common technologies nowadays are based on binocular disparity. Due to the accommodation and vergence mismatch, visual fatigue exists when watching videos with these 3D displays. Research has been done to investigate the influence of long-time viewing of 3D content on visual fatigue with the method of questionnaire and critical flicker frequency (CFF) measurement. The results show that the value of CFF has a significant decrease after 1hour 3D watching, and as well, subjective scores of several symptoms increase significantly. However, CFF value has no statistically significant difference with 1hour 2D watching. It implies that, long-term watching of 3D content could cause obvious visual fatigue to the viewers.