观察立体影像时的视觉疲劳及其缓解措施

王 飞， 王晨升， 刘晓杰

（1. 北京邮电大学自动化学院，北京 100876；2. 长春大学机械工程学院，吉林 长春 130022）

立体视技术可以追溯到 1600年，但发展最快的时期是近20多年的时间。上个世纪80年代，人们对具有深度信息的立体图像的表示（显示）和观察方式等相关技术进行了广泛的研究，取得了许多的研究成果，如两眼式、多眼式、超多眼式（super multi-view display）、深度信息扫描式（Depth-Fused 3-D DFD）、全息式(holographic display)等。这些方式在虚拟现实、广播电视、通信、机械、医学等领域具有广泛的应用前景。其中的两眼式、多眼式技术是最为简便和普及的，相关的设备也已经商品化。

两眼式又可分为眼镜方式和裸眼方式；眼镜方式有互补色、偏振光和液晶快门等方式；裸眼方式中利用两眼视差获得立体视的有视差壁障(Parallax barrier)方式和双凸透镜(Lenticular Lens)等方式。由于以上方式是主要是利用两眼视差获得立体视效果，因此都存在视觉疲劳（也称视疲劳和眼睛疲劳）、盆景效应、贴画效应、布景效应、及不能表达运动视差等问题。其中的视觉疲劳是最为突出的问题。当人们长时间观察（30分钟左右）体视影像时，就可能会产生不同程度的视觉疲劳，严重的甚至出现头疼、恶心等症状。关于这一点，看过立体电影的人都有所体会。立体电影的片长较短（最多 1小时），易引起视觉疲劳可能是其原因之一，这也在一定程度上影响了立体显示技术的普及和应用。观察立体影像引发的视觉疲劳可能会对人体造成伤害，应引起人们的高度重视。因此，有必要研究产生视觉疲劳的原因，对其进行评价和制定相应的标准，提出减轻视觉疲劳的对策，在制作和观看立体影像时予以注意，以减少对人体的伤害，并研究开发出视觉疲劳较轻和没有视觉疲劳的方式。近年来，许多学者从不同方面对观察立体影像时产生的视觉疲劳问题进行了研究和探讨，取得了许多的成果。文献[1-3]对立体显示技术因焦点调节和辐辏不一致所产生的视觉疲劳进行了研究。文献[4]研究了观察立体图像时两眼水平视差和视觉疲劳的关系。文献[5]从眼科学的角度研究了由于立体显示的视觉负荷所引起的眼睛疲劳问题。文献[6]研究了两眼式立体映像评价系统的制作。

本文探讨了因焦点调节和辐辏的矛盾产生视觉疲劳的原因和视觉疲劳的症状，针对立体视提出了缓解视觉疲劳的几种措施。

1 立体视引起视觉疲劳的原因

立体视可能引起视觉疲劳的原因很多，一般认为主要有以下 4种：① 左右眼图像的几何学歪斜；② 左右眼图像的电气特性差；③ 辐辏和焦点调节的不一致；及④ 过度的视差和视差的不连续变化。前两种属硬件问题，后两种则源自立体影像的原理性问题，本文将着重探讨后两种情况引起的视觉疲劳及其缓解对策。

2 辐辏和调节的不一致问题

如图1所示，在观察实物时，左右眼视线交于注视点而产生辐辏，同时为对应其距离d，左右眼的焦点调节发挥作用，因此辐辏和焦点调节是一致的，如图1(a)所示。两眼式立体显示根据两眼视差而诱发辐辏，空间点A和注视点一致，而焦点调节却在画面上，辐辏距D与视距（调节距离）d不相等，即D≠d，这就使辐辏和焦点调节不一致，造成两者的矛盾，如图1(b)所示。当视距一定，的值越大，这种矛盾就越突出，如图2所示。

图1 实物视和立体视的辐辏和焦点调节

图2 不同的辐辏距离

辐辏和焦点调节深度信息的矛盾所引起视觉疲劳的机理还不清楚，但有两点可以肯定：一是由于辐辏和焦点调节不一致，观看立体图像时，为了能够看清楚体视融像而使焦点调节更加紧张，造成睫状肌负担过重，易产生视觉疲劳；二是与不自然的视觉信息有关，由于体视融像与现实世界看到的物体不同，造成人脑信息的混乱，长时间处于这种状态，就会导致视觉疲劳和映像晕眩。

3 视觉疲劳的症状

对疲劳一词的解释众说纷纭，莫衷一是。医学科学家认为，疲劳是机体的一种防御性反应，或者说是因为过度活动而造成暂时性机能降低时生理和心理状态的综合性变化。视觉疲劳是视觉作业中由于紧张或不适而引起视觉效能降低的现象。视觉疲劳又可分为暂时性视觉疲劳和永久性视觉疲劳，前者为休息一段时间后即可恢复的疲劳，后者是指不能恢复的疲劳，造成永久性的视觉效能降低。暂时性视觉疲劳如果长期反复的话，也可能发展成永久性视觉疲劳。

一般认为，观察立体图像时的辐辏和焦点调节不整合是造成视觉疲劳的主要原因之一[1-2]。根据作者对 10名学生观察大型立体显示（环形屏幕和平面屏幕）动态立体影像的实验，其中大部分人在 15分钟之后开始出现症状不同的不适，感觉到头疼，眼睛疲劳甚至恶心。但这些症状的发生也是因人而异的，有的人仅观察了1分钟后就明显感到不舒服。根据被验对象的回答，具体的症状有：视力模糊、眼周疼、额窦和鼻窦酸疼、眼睛干涩、流泪、畏光等，有的还伴随着眩晕、植物神经紊乱等症状，如太阳穴疼、头疼、头沉、头晕、心悸、恶心呕吐等。

长时间辐辏和焦点调节的不整合，还可能会使焦点调节机理出现变化和紊乱，引起调节机能下降，需要一定的时间才能恢复。

4 减轻视觉疲劳的措施

通过对立体视引所起的视觉疲劳成因的分析，针对辐辏和焦点调节不一致及过度的视差和视差的不连续变化所引起的视觉疲劳，提出以下4点减缓措施。

4.1 不要让眼睛机能负担过度

减轻视觉疲劳最好的方法是在发生辐辏和调节机能低下前去休息[5]。作者对眼镜方式的互补色和偏振光方式以及裸眼式的视差壁障方式进行实验后发现，当连续观察 15分钟后，调节应答开始变得低下了；30分钟后，增加了焦点调节的时间；60分钟后，近视的调节不能持续，这时开始出现眼疲劳，伴随着眼睛疼、眼睛干涩、眼睛沉等症状。因此，连续观察的时间最好不超过15分钟。

4.2 将焦点调节和辐辏的不一致限制在一个合理的范围内

事实上，人的视觉系统允许两眼辐辏与焦点调节有一定程度的不一致，如果这种不一致在一个合理的范围内，就会减轻视觉疲劳，这个范围称为舒适视域。

辐辏角与辐辏距离D有关，辐辏角

式中 B为两眼瞳间的距离，约65mm，参见图1。上式表明，辐辏距离越小，辐辏角就越大。实验证明，辐辏距离小于 103mm时，辐辏角将超过36°，即超过了融像辐辏域（调节一定，辐辏变化能够融像的范围，也叫相对辐辏），这时为了能够合像，眼睛就会异常紧张[7]。从图2看出，当融像在表示面前方时，辐辏角越大，也意味着焦点调节和辐辏的不一致变大了，这样会得到更大的纵深感，体视效果更加强烈，但也更加容易引起视觉疲劳。但辐辏角太小，即D≈d时，体视效果不强，近似于平面图形。因此，将焦点调节和辐辏的矛盾控制在舒适视域是重要的。显然，形成立体视时，浮出画面量小的映像，这个矛盾将得以缓和。

4.3 避免过大的视差和视差的不连续变化

如图3所示，两眼的水平角视差为

图3 两眼视差

水平角视差的大小与辐辏距离 D的平方成反比，当D变小时，角视差会急剧增加。过大的两眼视差和视差的不连续变化也被认为是造成视觉疲劳的原因。文献[4]经过实验得到以下结论：两眼水平视差量大和其随时间的不连续变化，容易引起视觉疲劳。因此，在摄制或用软件制作立体图像时，应使用两眼水平视差计算系统计算视差量，避免过大的两眼视差和两眼视差的不连续变化，这对于减轻视觉疲劳是有效的。

文献[6]对8名20～30岁的健康成人进行了实验。实验装置为透镜前安装偏振光滤器的两台液晶放映机，分上下放在高度60cm的可升降台上，将图像用偏振光方式投影到100英寸的银白色屏幕上，被验者带偏振光眼镜从3m的距离观察样本立体图像。得出以下结论：对样本图像安全性的评价结果是同侧方向和交叉方向的视差量均为1º时是安全的；舒适性的评价结果是同侧方向和交叉方向最大视差量的和为2º时是舒适的。

4.4 利用补正透镜减轻视觉负担

在显示系统和观察者之间附加补正透镜来移动调节距离，使调节距离和辐辏距离趋于一致而接近自然视，进而达到减轻视觉疲劳的目的。可以用单透镜或多个透镜补正，单焦点透镜简单方便，在视距50cm的观察条件下，根据补正透镜使调节距离向远方移动，但补正范围有限，不能对应多种立体成像位置。文献[8]采用4个透镜构成透镜系统，在观察孔安装偏振光滤光镜，在透镜系统后面安装可移动的6英寸LCD，在LCD上贴了叫做微级(Micro pole)的特殊结构的薄膜，微级是由微细的偏振光电极构成的光学系统，它对应着 LCD像素的线，每线配置互相平行的偏振光电极，左右眼镜分别对应奇数行和偶数行。观察时偏振光滤光镜分离出左右眼图像。LCD可以向眼前移动+55mm，向屏幕后方移动-65mm，以调整调节距离。

5 结束语

长时间观看立体影像引起的视觉疲劳可能会对观察者造成很大的伤害，而且对儿童的伤害可能会更大，必须予以高度重视。本文通过对辐辏和焦点调节不一致及过度的视差和视差的不连续变化所引起的视觉疲劳的成因分析，针对性地提出了缓解视觉疲劳的四项措施。作者认为只要在观看和制作立体影像时遵从本文的建议，预防和减轻视觉疲劳是可能的。

然而，解决视觉疲劳最根本的办法，是研究开发自然立体显示技术，近年来这方面的研究已经取得有了一些可喜的研究成果，如超多眼方式、空中像方式和全息方式等。其中的超多眼方式是通过给观察者单眼瞳内提供多幅视差图像来达到将焦点调节到融像位置的方式，辐辏和焦点调节趋于一致，故而减轻了视觉疲劳；空中像方式的表示面是透明的自由屏幕，观察者感觉不到表示面的存在，焦点调节合于融像位置，因此没有视觉疲劳；全息方式是完全再现物体反射光的方式，属于非视差方式，当然也没有视觉疲劳问题。但这些方式技术难度高，目前还没有到实用阶段，需要进一步研究和开发。

[1]Yano Sumio, Emoto Masaki, Mitsuhashi Tetuso. Two factors in visual fatigue caused from stereoscopic images [J]. The Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, 2003, 57(9):1187-1193.

[2]Yano Sumio, Shinji Ide, Hal Thwaites. A study of visual comfort and visual fatigue at the point of accommodation response in viewing stereoscopic image [J]. The Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, 2001, 55(5):711-717.

[3]Emoto Masaki, Yano Sumio. The influence of the dissociation of vergence and accommodation on visual fatigue in watching stereoscopic images [J]. ITE Technical Report, 2001, 25(48): 7-14.

[4]Masaki EMOTO.Watching stereoscopic images causes the decline of visual functions[R]. ITE Technical Report .2007, 31(18): 33-39.

[5]IWASAKI T. Eyestrain induced by stereogram on 3-D display [J]. The Japanese Journal of Ergonomics, 2002,38(1): 44-53.

[6]Shinsuke Kishi. An ergonomic evaluation system for stereoscopic 3D-images [J]. The Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, 2006, 60(6): 934-942.

[7]董国耀. 透视与体视[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1992. 231.

[8]SHIBATA Takashi, KAWAI Takashi, OHTA Keiji, et al.Improvement of the mismatch of visual information by the stereoscopic 3-D display system using mono-focal lens [J]. The Japanese Journal of Ergonomics, 2004,40(2): 99-106.