3D顯示技術之視覺疲勞初步研究報告

摘 要：3D顯示技術近年發展非常迅速，但片源少、需佩戴3D眼鏡、視覺疲勞引起不良生理反應等問題，限制了3D技術的普及。對於前兩個問題，國內外投入了大量研究，但生理安全方面的研究目前較少，進展不大。文章對3D技術的生理安全問題進行了初步探索，對輻輳反射實驗進行探討並進行數據分析，根據不同出屏距離對雙眼間距的影響，分析視覺疲勞的形成機制及其影響因素。

關鍵詞：3D顯示；立體視覺；輻輳；調節；視覺疲勞

與傳統的2D圖像相比，3D圖像提供更加豐富的視覺信息，觀看者通過屏幕呈現的畫面，可以真實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。基於這些優勢，3D顯示技術近年來發展非常迅速。3D電影、3D電視、3D手機迅速普及，國內外的電視品牌都已經生產了3D電視，夏普、LG、康佳、索尼、三星、創維、TCL、長虹紛紛召開新聞發佈會，力推3D電視；在手機領域，已經有HTC、夏普、LG、卓普等多品牌多款機型支持裸眼3D技術，用户可以隨時隨地享受3D電影，瀏覽3D照片，玩3D遊戲等；南非世界盃開賽之後，3D廣告頻繁的出現在中央五套，同時，户外廣告也積極地引進3D技術；除了商用，3D顯示技術在教育、醫療、工業設計、軍事等各種領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手段無疑是激動人心的，但人們也越來越多的開始意識到過度觀看3D顯示畫面對身體存在的危害。20xx年，三星曾經公開發布了警告，稱觀看3D電視會對身體健康不利，長時間觀看有可能導致一系列不健康的症狀，包括視力下降、視線模糊、眼睛乾澀、眼睛疼痛、頭痛、頭暈、乏力、噁心、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，國內外始終沒有對3D顯示技術的舒適度及其對人體視覺健康的影響做一個系統性的評估研究，目前亟需一個國內外都公認的3D視覺健康標準和評測體系，指導研發、生產等各個環節的質量和安全，保障產業的快速健康發展。因此，不論是從產業化的角度，還是從理論研究價值的角度，對3D顯示技術導致的視覺疲勞研究及相關安全標準的探索都很有必要。

2 立體視覺形成機理

立體視覺簡稱立體視，是指用雙眼觀察景物時能夠分辨物體的遠近形態的感覺。人眼立體視覺的建立過程如下：當雙眼同時注視目標物體上的某一點時，左右眼的視線交叉於一點，這一點稱為注視點。從注視點反射回到左右眼視網膜上的是一對左右對應並稍有差異的光點，這兩個光點的信號傳入大腦的視中樞，並融合成一幅完整的像，這一過程通常稱為雙眼單視，使得人們不但看清了物體上的這一點，並且連這一點同周圍物體的間距、深度、凹凸等信息都能辨別出來，這樣，人們就看到了一幅立體的像，如圖1所示。

上述立體視覺的形成，源於人眼對所接收的視覺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生的，其中生理因素包括雙目視差、輻輳、焦點調節、運動視差等，心理因素包括遮蓋或重疊、透視、陰影、顏色等，相比於生理因素，心理因素的作用要小得多。下面對本實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。當眼睛在休息狀態或者注視遠處的物體時，左右眼的視軸是平行的，而當我們注視近處的物體時，眼部肌肉不僅要調節晶狀體使聚焦到近處，同時兩眼的視軸也要向內側旋轉，使左右眼的視軸相交於被注視的物體。這種作用就叫輻輳。當被注視的物體向人慢慢靠近時，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，並通過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膜上，會通過眼部肌肉作用調節晶狀體的屈光能力，看遠處物體時晶狀體比較扁平，看近處物體時比較凸起，使不同距離外的景象清晰成像在視網膜上。這種對於注視不同距離的物體時眼睛晶狀體的屈光能力隨之改變的現象，稱為調節。調節過程通過眼睛晶狀體的可塑性和睫狀肌的收縮來完成，通過眼睛的這種適應調節狀態，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，既要能時刻保持雙眼單視，又要不停的進行距離判斷進行調節，所以雙眼的輻輳與調節是互相協同聯合運動的。

輻輳與調節之間的關係如圖2所示。A圖表示當眼睛觀看生活中的實際物體時，輻輳距離與調節距離總是保持一致的，B圖表示在觀看平面3D顯示的立體圖像時，輻輳距離與調節距離不一致。正是由於觀看3D顯示時輻輳與調節的不一致，導致了視覺疲勞。

3 實驗及結果分析

目前的主流立體顯示技術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缺點，同時都不可避免地存在着導致視覺疲勞的因素。例如色分式的顏色丟失嚴重，而且由於眼鏡鏡片顏色純度不夠導致濾光不完全，造成重影；偏振式的同樣由於偏振眼鏡也無法將左右眼圖像完美分離；時分式的亮度下降，且容易產生閃爍感；視差屏障式和柱狀透鏡式顯示都易降低畫面質量。

本文選取了眼動儀記錄的8名被試者分別在觀看2D、3D和實物圖像時眼睛運動的情況，以期找出導致觀看3D圖像比2D圖像和實物更疲勞的原因。實驗所用的是加拿大SRResearch公司生產的EyelinkⅡ眼動儀，該眼動儀可以記錄被試者在實驗中眼睛運動的各個參數，包括注視點位置、注視次數、注視時間、瞳孔大小、眨眼、眼動軌跡圖等。

在實驗中，每名被試分別觀看了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。

一組實驗用圖片如圖3所示，（a）為沒有出屏感的2D圖片，（b）為出屏約6cm的3D圖片，相同的背景圖片圖未示。

不同被試在觀看2D、3D圖片以及實物時雙眼間距的變化曲線如圖4所示（a）～（h）所示，橫座標為視差（即不同的出屏距離）/parallax，縱座標為雙眼間距dx/pixel。其中黑色方點的曲線對應觀看2D圖片時雙眼間距的變化情況，紅色圓點的曲線對應3D，藍色三角形點的曲線對應實物。

綜合以上各圖可以看出，比較而言，被試觀看2D圖片時雙眼間距的變化不太大，而觀看3D圖片和實物時，隨着視差和出屏距離的增大，雙眼間距有明顯減小的趨勢。這就説明觀看時隨着3D圖片視差的增大，和實物的出屏距離增加效果一樣，被試的雙眼出現了會聚眼動，即通常所稱的輻輳反射。

為了清楚地使物體在視網膜上成像，人眼的輻輳和調節功能是聯動的。觀看2D影像時，眼睛的輻輳與調節距離保持一致，沒有明顯的視覺疲勞；而觀看3D影像時，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，並且這種不一致隨着視差的增大而增大，這樣長時間觀看就會導致人眼的不適和疲勞。