摘要：三维显示器由于能显示空间三维信息而具有巨大的应用前景，目前市场上的三维显示器工作方式大都基于双目视差原理的。该类三维显示由于辐辏和焦点调节不一致等原因，将产生视觉疲劳症状。本文通过主观调查问卷和闪光融合频率，研究了长时间观看三维显示对人类视觉疲劳的影响，结果表明长时间观看三维显示后，闪光融合频率值显著下降，并且多项症状有明显增加。而相同情况下观看二维显示后，闪光融合频率并无显著下降。可见长时间观看三维显示器可使观看者产生明显的视觉疲劳。

　　关键词：三维显示器；视觉疲劳；调查问卷；闪光融合频率；二维显示器

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

　　引言

　　三维立体显示已成为当今一个引人注目的前沿科技领域，是世界各国大力发展的下一代新型的显示技术。三维立体显示种类较多，可按其工作原理是否基于双目视差而分为两大类，目前市场上的三维显示器的工作方式大都基于双目视差原理，即为观看者的左右眼提供同一场景不同视角的图像对，采用光学等手段让观看者的左右眼只能看见与之对应的图像，人脑经过处理就融合成一幅具有立体感的图像^[1-2]。

　　大量研究表明长时间观看三维立体显示将产生眼胀、复视等视觉疲劳症状,通过对观看者视觉疲劳症状的度量及评价可判定其不良生理反应程度，从而及时采取措施来预防和消除视觉疲劳^[3]。同时，本研究也对二维显示器与三维显示器的视觉疲劳差别进行了比较。

　　视觉疲劳的评价分为主观评价和客观评价。前者是让观看者表述观看视觉疲劳的程度；后者主要是测量观看者的调节近点、闪光融合频率（critical flicker frequency，CFF）、融合幅度等指标参量^[4]。本研究选择了主观调查问卷和闪光融合频率^[5]作为视觉疲劳度量的指标参量。

　　实验

　　1.        调查问卷的设计

目前和视觉相关的调查问卷类型很多，比较典型的有SSQ(Simulator Sickness Questionnaire)、CISS(Convergence Insufficiency Symptom Survey)、VFQ(visual Function Questionnaire)、DEQ(Dry Eye Questionnaire)。

　　辐辏和焦点调节不一致是三维显示器产生视觉疲劳的主要原因^[6]，综合考虑实际目的及调查问卷长度，本研究最终依据CISS^[7]问卷，设计的调查问卷项目如下：

　　（1）眼睛感到疲倦；（2）眼睛感到不舒适；（3）眼睛感觉疼痛；（4）眼睛感觉酸胀；（5）眼睛周围有被拉扯感；（6）感觉头疼；（7）感觉困倦；（8）流汗；（9）恶心，想呕吐；（10）感觉眩晕；（11）感觉无法集中注意力；（12）无法记住所读到或看到的内容；（13）出现复视（两个画面）；（14）阅读时或近距离工作时，所看到的字出现移动，跳动，晃动或浮在页面上的情况；（15）阅读速度较慢；（16）视力变模糊或感觉失去焦点；（17）心不在焉；（18）阅读时，必须重复读同一行文字。

　　被试根据自身感受对每一项症状进行0-4分打分，0分表示无影响，1分表示有轻微影响、2分表示有中度影响、3分表示有明显影响、4分表示难以忍受，分值越大代表症状的影响程度越大。

　　2.        闪光融合频率测试

　　闪烁感恰好消失的光源振荡频率称为闪光融合频率即CFF。有研究认为，闪烁的感知与个体状态有关，且在视觉发生疲劳后，人眼的CFF值会下降^[5]。

　　本研究所使用的CFF测量自制设备如图1所示。图1（a）是非实验状态下的CFF测量设备图片，图1（b）是实验状态下的CFF测量设备的图片，图上的红色LED点光源为观看目标。

　　（a）关态

　　（a）the off state

　　（b）开态

　　（b）the on state

　　图1 CFF测量设备

Fig.1 The device for CFF measurement

　　环境灯关闭，使实验环境处于暗室情况下，被试者双眼在距离红色LED点光源的正上方50cm的位置上，观看该目标，实验者调节点光源的频率，先从0Hz开始以每秒5Hz的步长增加至20Hz，再以每秒0.5Hz的步长增加至被试者第一次看见亮点不再闪烁为止，读取并记录该数据，进行三次并取平均值。

　　3.        实验用显示器

　　   本文的研究中使用了一台分辨率为1920*1080的46”LCD显示器，它是基于液晶偏振片的眼镜式立体显示器。

　　4.        实验对象和方法

　　本文研究了长时间观看三维显示对人类视觉疲劳的影响，即要求被试者观看三维电影1小时，实验前、后通过调查问卷反映主观感受，并用CFF测量视觉疲劳。实验选取了25名被试，9名女性，16名男性，平均年龄24岁。

　　为了比较观看三维与二维显示的实验结果，被试又在相同设置下观看了二维电影1小时。

　　实验结果

　　1.        调查问卷

　　如图2（a）所示为在观看三维显示前、后各项症状的均值变化情况及其95%置信区间；图2（b）所示为各项症状在观看三维和二维显示前、后的差值均值情况。图中症状的数字标号与前文调查问卷设计中的症状序号一致。

（a）观看三维显示前、后的主观症状变化；

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

（b）观看三维和二维显示前、后的主观症状均值差值；

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

图2 主观问卷

Fig.2 questionnaire

　　2.        CFF

　　如图3所示为观看三维和二维显示情况下，归一化后的CFF平均值及95%置信区间（按实验前的CFF值做归一化）。

图3归一化CFF值

   Fig.3 The normalized value of CFF

　　讨论与分析

　　1.        调查问卷

被试在看完1小时的三维电影后，最明显的症状是“眼睛感觉酸胀”。

对各项症状实验前后的变化运用统计软件SPSS进行ANOVA单因素方差分析， 分析结果表明，时间对眼睛感到疲倦、不舒适、疼痛、酸胀、眼睛周围有被拉扯感、感觉眩晕、出现复视以及视力变模糊等8项症状（症状序号依次为1、2、3、4、5、10、13、16）有显著性影响（P<0.05），观看后比观看前的症状明显增加。而被试在看完1小时的二维电影后，明显增加的症状则相对较少。

　　2.        CFF

　　对实验所得的数据应用软件SPSS分析，ANOVA分析结果如表1，可知看完1小时三维电影，CFF值下降显著（P<0.05），看完1小时的二维电影，CFF值下降并不显著（P>0.05）。

表1观看三维与二维显示情况下实验时间对CFF值影响的ANOVA分析结果

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

　　结论

　　长时间观看三维显示后，闪光融合频率值在统计学水平上显著下降，“眼睛感觉酸胀”是最明显的症状，其中有八项症状程度显著增加。而长时间观看二维显示后，闪光融合频率下降并不显著，且明显增加的症状相对较少。可见相对二维显示而言，长时间观看三维显示可使观看者产生明显的视觉疲劳。在后续工作中，将对三维显示视觉疲劳的相关影响因素及主客观评价方法作进一步研究。

　　参考文献

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

[3]王琼华，潘冬冬，李小方等.自由立体显示器观看者瞳孔直径与视疲劳关系[J].光子学报：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.