不同照明環境下2D/3D顯示視疲勞研究*

陳燕燕，王莉莉，楊蘭蘭

（東南大學電子科學與工程學院，南京210096）

不同照明環境下2D/3D顯示視疲勞研究*

陳燕燕，王莉莉，楊蘭蘭*

（東南大學電子科學與工程學院，南京210096）

為比較不同照明環境下觀看2D和3D視頻所產生的視疲勞的差異，采用主觀問卷和客觀測量兩種方法進行實驗研究。主觀問卷結果表明，在4種實驗條件下，被試產生了明顯的視疲勞；客觀視覺參量測量結果顯示，兩種照明環境下，CFF、NRA和PRA值在實驗之后下降顯著（p<0.01），且LED照明環境下CFF值的下降更大。照明對CFF影響的顯著性水平為0.038，其他各項參數在兩種電影版本和兩種照明環境下均沒有顯著性差異。結果表明，實驗之后主客觀的疲勞均顯著增加，但沒有證據表明觀看3D視頻比觀看2D視頻更易產生視疲勞。

顯示技術；視疲勞；視覺參量；照明環境

視疲勞表現為一系列視覺不適癥狀：眼睛疲勞、眼干、流淚、眼睛痛、睜眼不適、眼部灼熱、聚焦困難、重影、肩部僵硬和頭疼等［1］。視疲勞早期的致因可分為兩種，其一在于視覺功能調動，例如為了近距離觀察物體所動用的視覺調節和集合；其二，大腦的中央皮層中有關視覺的運動也可能誘發視疲勞，比如涉及注視大范圍、高對比度的幾何圖形等［2］。日常生活中的許多活動都可能引發視疲勞，例如進行精細作業、閱讀印刷質量欠佳的圖書、照明光源亮度不足或者過強或者存在閃爍，甚至是屈光不正未矯正都會導致不同程度的視疲勞［3］。20世紀70年代開始由于電視和個人計算機的普及，人們開始重視視頻顯示終端引起的視疲勞問題，并開展了相關研究。近年來，隨著三維立體顯示技術的出現，三維顯示引發的視疲勞問題引起了人們越來越多的關注。目前電影院和家用的較多的是眼鏡式的3D顯示，大多數3D技術較為成熟，但它們只提供了兩種視覺線索（雙目視差和輻輳），這樣導致的結果是產生和其他視覺線索（調節和運動視差）的沖突［4］，這種實現原理存在調節和輻輳不一致、視差過大和雙眼不匹配等因素，長時間觀看會產生嚴重的視覺不適或者視疲勞。在觀察兩眼視差式立體影像時，人眼的輻輳是由立體顯示所產生的雙眼視差誘發的，位于屏前或屏后，但焦點調節仍然停留在顯示屏上，此時焦點調節和輻輳是不一致的。由于這種不一致，會嚴重增加睫狀肌負荷，容易引發視疲勞；而人眼在觀察實際物體時，焦點調節和輻輳是一致的。另一方面，觀看立體視的融像和觀看現實世界不同，接收這些不自然的視覺信息會使人腦處理信息混亂，長時間處于這種不自然的狀態，將會導致眩暈和視疲勞。觀看3D視頻較之觀看2D視頻是否存在視疲勞的顯著差異，值得本文做進一步的探討和研究。

研究表明照明光源同樣會影響視疲勞，在觀看電視的時候，有環境照明光源會比沒有環境照明光源更不易產生視疲勞［5］，光源的種類、亮度分布以及色溫等因素都有可能影響視疲勞的結果。

LED照明光源以其發光效率高、能耗低、使用壽命長等優勢正在逐步取代傳統的熒光燈照明光源進入人們的日常生活中。其中用交流電直接驅動的AC-LED光源可有效降低成本［6］，是一種較有應用前景的光源。但AC-LED也帶來了閃爍、頻閃效應、眩光等弊端，而采用AC-LED作為日常工作和生活的照明光源對視覺疲勞的影響的研究還非常有限。

本文將結合主客觀測量對兩種光源（熒光燈和AC-LED燈）環境下觀看兩種視頻（2D和3D）之間的視疲勞差異進行研究。

1　實驗方法

1.1實驗設計

研究視疲勞的方法可以分為兩類，一類是主觀評價法，另一類是客觀參量測量法。主觀測量法發展得比較成熟，比較常用的是SSQ評分量表，并且有5分制、7分制和13分制可供選擇，主觀評價的指標也比較多，可以根據實驗需要進行篩選；客觀測量方法所采用的參量有眼參數指標、事件相關電位（ERP）和生理信號等，其中眼參數指標包括臨界閃爍頻率、眨眼頻率、瞳孔直徑、反應速度等方面。Iwasaki和Akiya的研究［7］證實了臨界閃爍頻率（CFF）的下降反映了視網膜功能的弱化，所以CFF值的變化可以在一定程度上反映人眼的疲勞程度。另外在測量視疲勞研究中經常使用的兩個重要的參數是調節和輻輳，文獻研究表明，在景深范圍內眼動輻輳和調節功能可能會影響視覺疲勞［8］，衡量調節和輻輳的參數也很多，有正負相對調節量（PRA/NRA），調節近點和集合近點（NPA/NPC），調節滯后等。有實驗研究證明，在經過8 h視頻終端工作之后，被試者的調節近點和集合近點值下降顯著［9］。因此實驗選擇正負相對調節量和調節、集合近點作為測量視疲勞的指標。

用上述客觀參量來反映視疲勞比單純的主觀打分要更加可靠，因為主觀評分無法準確反映經過一段時間的眼睛負荷之后眼睛的各項功能的疲勞程度，而上述幾個客觀參量正好可以從眼睛自身機制來反映視覺疲勞，使得實驗結果更加可靠準確。

實驗采用主觀和客觀結合的方式，主觀部分采用的是5分制評分方式，被試基于自己的真實感受在實驗前后分別進行兩次評分，評分等級及具體意義見表1。評價的指標包括12項：眼睛疲勞、眼睛酸、眼睛痛、眼干、灼熱感、重影、遠近調節緩慢、視物模糊、頭暈、頭疼、惡心以及頸肩背痛。

表1　五分制評價表

客觀部分是對被試的各項眼睛參數進行測量，包括正負相對調節量、調節近點、集合近點和臨界閃爍頻率一共5個參量。

實驗采用2×2被試內設計方法，一共設置4種實驗條件，分別為LED燈×3D電影、熒光燈×3D電影、LED燈×2D電影、熒光燈×2D電影，其中3D電影和2D電影各兩部，每部電影的播放時長約為1 h 30 min，為了避免電影內容對實驗結果的影響，在每種環境燈照明下都有一半被試觀看版本1的3D/2D電影，另一半的被試觀看版本2的2D/3D電影，觀看哪種版本的電影是隨機的。

1.2實驗設備

實驗中使用的交流LED照明光源由頻率為120HZ的正弦波產生。圖1和圖2分別為實驗中使用的交流LED照明光源和熒光燈照明光源，光源的照度調節為顯示屏前照度200 lx。顯示器為三星3DLED液晶彩色電視機，實驗中的2D電影和3D電影均由此臺電視機播放。測量正負相對調節量的儀器為NIDEK型號為SSC-330的綜合驗光儀，圖3為使用該儀器測量的場景。實驗選擇的2D電影為《肖申克的救贖》和《Frozen》，3D電影為《Alice in wonderland》和《龍門飛甲》。

圖1　交流LED照明光源

圖2　熒光燈照明光源

圖3　NIDEK型號SSC-330綜合驗光儀

1.3實驗對象

一共18人參加了本次實驗，其中男性8人，女性10人，年齡在23歲至26歲之間。被試均沒有色盲、色弱、無立體視覺、弱視等癥狀，矯正視力達到1.0及以上。被試在參加實驗之前都有充足的休息，被試參加實驗時均佩戴屈光完全矯正眼鏡。

1.4實驗過程

實驗開始之前被試在實驗環境光下適應3分鐘左右時間，完成問卷，接著分別測量正負相對調節量，調節近點和集合近點，最后測量臨界閃爍頻率值，參數測量完畢后被試開始觀看電影，調節被試眼睛距離屏幕3倍屏高距離（2.1 m），調節座椅高度使視線位于屏幕正中央，圖4為被試觀看電影時的場景；實驗結束之后按照上述步驟再次測量各項參數，記錄實驗結果，實驗結束。

圖4　實驗場景

1.5測量方法

使用綜合驗光儀上的PRA和NRA功能來測量正負相對調節量，輸入被試主導眼的近視度數、散光度數和軸向值，拉下近視力標桿，同時打開近用照明燈和NRA測量功能，將印有G字視標的表盤安置于距離被試雙眼40 cm處，確保被試在進行調節之前所看到的G字視標清晰，開始以每次0.25D增加正鏡片數直到被試所看視標首次持續模糊，記錄所加度數值即為NRA的數值；NRA測量結束后，調到PRA測量，同樣先確保被試所看到的G視標是清晰的，接著仍以每次0.25D增加負鏡片直到被試所看視標首次持續模糊為止，記錄所加度數即為PRA值。

集合近點的測量采用推近法（圖5），被試佩戴屈光完全矯正的眼鏡，額頭固定，注視距離雙眼約35cm遠處的G視標，以均勻緩慢的速度由遠及近推近視標，推近的過程中被試雙眼一直注視視標，直到所看視標出現復視，即視標由一個變為兩個，此點即記錄為集合近點，雙眼距離集合近點的長度（cm）即為集合幅度。

圖5　推近法測量NPA和NPC值

調節近點同樣采用推近法，只測量被試的主導眼，測量過程中遮住被試非主導眼，移近至被試所看G視標首次模糊，該點即為調節近點，眼睛距離調節近點的值（cm）的倒數即為調節幅度（D）。調節近點和集合近點均測量2次，實驗結果取兩次均值來分析。

測量臨界閃爍頻率時為了避免燈光閃爍的影響，實驗選擇在暗環境中進行，使用人眼反應比較敏感的紅光，被試佩戴眼鏡，雙眼距離光源50 cm左右，光源頻率從0到30 Hz以每2 s增加5 Hz的速度調節，30 Hz之后以每2 s增加0.5 Hz的速度調節，直到被試報告光源恰好無閃爍時停止，記錄為上調頻率（Hz），接著增加2 Hz的頻率，再以每2 s減少0.5 Hz的速度調節，直到被試報告光源首次出現閃爍時停止，記錄頻率（Hz）值，重復進行兩次調節。最后實驗結果取兩次上調頻率和下調頻率的均值，圖6為測量裝置。

圖6　測量臨界閃爍頻率裝置

2　實驗結果

2.1實驗準備階段的可重復性結果

在準備階段，先對實驗的幾項眼參數進行重復性研究，即對一批被試進行多次測量，分析結果之間有無顯著性差異。實驗中選擇18名被試進行4次測量，可重復性實驗結果如下表2，結果發現各項參數4次測量之間的結果均沒有顯著性差異，各項參數的重復性和穩定性較好，可以用來進行視疲勞實驗。

表2　可重復性結果

2.2實驗結果

2.2.1問卷評分結果

圖7～圖10為在4種實驗環境下觀看電影前后主觀問卷評分的平均值及95%的置信區間，可以看出各項疲勞指標的評分值在實驗之后都出現不同程度的增加，表明各種癥狀在實驗之后都得到加重。

圖7　LED照明觀看2D電影前后評分

圖8　熒光燈照明觀看2D電影前后評分

圖9　LED照明觀看3D電影前后評分

圖10　熒光燈照明觀看3D電影前后評分

對4種實驗環境下的問卷前后評分進行成對樣本T檢驗，結果如表3所示。在LED照明環境下，觀看2D和3D電影前后頸肩背痛、眼干、眼睛疲勞、重影等癥狀均有顯著加重；另外，觀看3D電影之后頭暈癥狀明顯加重。熒光燈照明環境下觀看2D和3D電影之后都發生顯著性變化的指標有：頸肩背痛、視物模糊、眼干、眼睛疲勞、眼睛酸、遠近調節緩慢和重影，另外2D情況下灼熱感也有顯著性增加，而3D情況下頭暈和頭疼的癥狀也有顯著性的增加。

表3　熒光燈、LED燈照明環境下問卷評分前后顯著性水平

對4種實驗環境下的問卷評分做了多因素方差分析，把評分值的變化百分比作為因變量，電影版本和照明類型作為自變量，結果表明，電影版本和照明類型之間沒有交互作用，2D和3D電影版本之間評分沒有顯著性差異，熒光燈和LED燈照明環境下評分沒有顯著性差異。在主觀評分部分，4種實驗條件下均發生顯著性變化的癥狀包括：頸肩背痛、眼睛疲勞、眼干和重影這表明觀看一段時間視頻之后確實產生了主觀視疲勞感受，而觀看3D視頻較2D視頻更易產生頭暈、頭痛、眼睛酸痛的癥狀。

2.2.2眼參數結果

表4是4種實驗環境下各項參數值的變化量以及進行成對樣本T檢驗下的顯著性水平值；CFF值在LED照明環境下觀看2D電影和3D電影前后以及熒光燈照明環境下觀看3D電影前后下降顯著；而NRA值和PRA值在4種實驗條件下都顯著變化；NPA值除了在LED照明下觀看2D電影前后沒有顯著變化外，其他3種情況下都有顯著性變化；NPC值在LED照明下觀看2D電影和熒光燈照明環境下觀看3D電影前后有顯著性變化；為了得出更加直觀的結論，對各項參數進行多因素方差分析，把各項參數前后變化百分比作為因變量，照明類型和電影版本作為自變量，被試作為隨機變量，表5為分析的結果，照明類型，電影版本和被試之間沒有交互影響，照明環境對CFF值影響顯著（p=0.038<0.05），對其他幾項參數沒有顯著影響，電影版本對各項參數均無顯著的影響。

表4　4種實驗環境下各項參數的前后變化

表5　多因素方差分析結果

對4種照明環境下觀看2D和3D電影的各項參數繪制95%置信區間內的誤差條，結果如圖11～圖15；可以看到CFF值、NRA、PRA值均下降顯著，NPA和NPC值在實驗之后都變大。其中CFF的變化還受到照明類型的影響，被試在LED照明環境下觀看電影以后CFF下降更多。

3　結論

結果顯示，在觀看一段時間的電影之后，被試產生了明顯的頸肩背痛感、眼干、眼睛疲勞和重影，說明被試在兩種照明條件下觀看2D和3D電影均產生了視覺疲勞。此外，視功能測量結果顯示CFF、NRA 和PRA在實驗后下降顯著；而NPA和NPC則在實驗后呈上升趨勢，并在大部分實驗條件下變化顯著。

綜上，經一段時間的視覺負荷之后，問卷的大部分癥狀都呈現顯著上升趨勢，主觀的疲勞感受提增，眼睛對光瞬時變化的敏感度下降，同時眼睛的相對性調節力下降，調節近點和集合近點均變遠。此外，照明類型對CFF的變化也有影響，LED照明環境使人眼對光的瞬時敏感度下降更大。并且，本次實驗沒有證據表明觀看3D電影較之觀看2D電影更容易產生客觀上的視疲勞癥狀。

圖11　LED和熒光燈環境下CFF前后變化

圖12　4種實驗條件下NRA前后變化

圖13　4種實驗條件下PRA前后變化

圖14　4種實驗條件下NPA前后變化

圖15　4種實驗條件下NPC前后變化

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陳燕燕（1991-），女，漢族，東南大學電子科學與工程學院碩士研究生，1280129660@qq.com；

楊蘭蘭（1978-），女，漢族，東南大學電子科學與工程學院副教授，研究方向為物理電子學和顯示科學與技術，jujube_yang@seu.edu.cn。

Investigation of Visual Fatigue Caused by 2D/3D Display under Different Illuminations*

CHEN Yanyan，WANG Lili，YANG Lanlan*
（School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Subjective and objective measurements are used to compare the differences of visual fatigue caused by watching 2D and 3D movies under LED and fluorescent illuminations.The results of subjective questionnaires showed that，watching movies can lead to apparent visual fatigue.And results of objective measurements showed that CFF，NRA and PRA decreased significantly after watching movies（p<0.01）under two different lighting condi?tions.CFF has a more significant decline under LED lighting condition，the p value of influence of lighting condi?tion on CFF is 0.038.There are no significant differences between 2D and 3D movies under two kinds of lighting conditions in terms of the objective measurements.The conclusion is that the visual fatigue increased significantly after the experiment while no evidence shows that watching 3D movies can cause more visual fatigue than watching 2D movies.

display technology；visual fatigue；ophthalmological parameter；lighting conditions

TN27

A

1005-9490（2016）02-0242-06

EEACC：7260；853010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.002

項目來源：教育部博士點基金（20120092120024）

2015-04-28修改日期：2015-05-19