不同照明环境下2D/3D显示视疲劳研究*

陈燕燕，王莉莉，杨兰兰

（东南大学电子科学与工程学院，南京210096）

不同照明环境下2D/3D显示视疲劳研究*

陈燕燕，王莉莉，杨兰兰*

（东南大学电子科学与工程学院，南京210096）

为比较不同照明环境下观看2D和3D视频所产生的视疲劳的差异，采用主观问卷和客观测量两种方法进行实验研究。主观问卷结果表明，在4种实验条件下，被试产生了明显的视疲劳；客观视觉参量测量结果显示，两种照明环境下，CFF、NRA和PRA值在实验之后下降显著（p<0.01），且LED照明环境下CFF值的下降更大。照明对CFF影响的显著性水平为0.038，其他各项参数在两种电影版本和两种照明环境下均没有显著性差异。结果表明，实验之后主客观的疲劳均显著增加，但没有证据表明观看3D视频比观看2D视频更易产生视疲劳。

显示技术；视疲劳；视觉参量；照明环境

视疲劳表现为一系列视觉不适症状：眼睛疲劳、眼干、流泪、眼睛痛、睁眼不适、眼部灼热、聚焦困难、重影、肩部僵硬和头疼等［1］。视疲劳早期的致因可分为两种，其一在于视觉功能调动，例如为了近距离观察物体所动用的视觉调节和集合；其二，大脑的中央皮层中有关视觉的运动也可能诱发视疲劳，比如涉及注视大范围、高对比度的几何图形等［2］。日常生活中的许多活动都可能引发视疲劳，例如进行精细作业、阅读印刷质量欠佳的图书、照明光源亮度不足或者过强或者存在闪烁，甚至是屈光不正未矫正都会导致不同程度的视疲劳［3］。20世纪70年代开始由于电视和个人计算机的普及，人们开始重视视频显示终端引起的视疲劳问题，并开展了相关研究。近年来，随着三维立体显示技术的出现，三维显示引发的视疲劳问题引起了人们越来越多的关注。目前电影院和家用的较多的是眼镜式的3D显示，大多数3D技术较为成熟，但它们只提供了两种视觉线索（双目视差和辐辏），这样导致的结果是产生和其他视觉线索（调节和运动视差）的冲突［4］，这种实现原理存在调节和辐辏不一致、视差过大和双眼不匹配等因素，长时间观看会产生严重的视觉不适或者视疲劳。在观察两眼视差式立体影像时，人眼的辐辏是由立体显示所产生的双眼视差诱发的，位于屏前或屏后，但焦点调节仍然停留在显示屏上，此时焦点调节和辐辏是不一致的。由于这种不一致，会严重增加睫状肌负荷，容易引发视疲劳；而人眼在观察实际物体时，焦点调节和辐辏是一致的。另一方面，观看立体视的融像和观看现实世界不同，接收这些不自然的视觉信息会使人脑处理信息混乱，长时间处于这种不自然的状态，将会导致眩晕和视疲劳。观看3D视频较之观看2D视频是否存在视疲劳的显著差异，值得本文做进一步的探讨和研究。

研究表明照明光源同样会影响视疲劳，在观看电视的时候，有环境照明光源会比没有环境照明光源更不易产生视疲劳［5］，光源的种类、亮度分布以及色温等因素都有可能影响视疲劳的结果。

LED照明光源以其发光效率高、能耗低、使用寿命长等优势正在逐步取代传统的荧光灯照明光源进入人们的日常生活中。其中用交流电直接驱动的AC-LED光源可有效降低成本［6］，是一种较有应用前景的光源。但AC-LED也带来了闪烁、频闪效应、眩光等弊端，而采用AC-LED作为日常工作和生活的照明光源对视觉疲劳的影响的研究还非常有限。

本文将结合主客观测量对两种光源（荧光灯和AC-LED灯）环境下观看两种视频（2D和3D）之间的视疲劳差异进行研究。

1　实验方法

1.1实验设计

研究视疲劳的方法可以分为两类，一类是主观评价法，另一类是客观参量测量法。主观测量法发展得比较成熟，比较常用的是SSQ评分量表，并且有5分制、7分制和13分制可供选择，主观评价的指标也比较多，可以根据实验需要进行筛选；客观测量方法所采用的参量有眼参数指标、事件相关电位（ERP）和生理信号等，其中眼参数指标包括临界闪烁频率、眨眼频率、瞳孔直径、反应速度等方面。Iwasaki和Akiya的研究［7］证实了临界闪烁频率（CFF）的下降反映了视网膜功能的弱化，所以CFF值的变化可以在一定程度上反映人眼的疲劳程度。另外在测量视疲劳研究中经常使用的两个重要的参数是调节和辐辏，文献研究表明，在景深范围内眼动辐辏和调节功能可能会影响视觉疲劳［8］，衡量调节和辐辏的参数也很多，有正负相对调节量（PRA/NRA），调节近点和集合近点（NPA/NPC），调节滞后等。有实验研究证明，在经过8 h视频终端工作之后，被试者的调节近点和集合近点值下降显著［9］。因此实验选择正负相对调节量和调节、集合近点作为测量视疲劳的指标。

用上述客观参量来反映视疲劳比单纯的主观打分要更加可靠，因为主观评分无法准确反映经过一段时间的眼睛负荷之后眼睛的各项功能的疲劳程度，而上述几个客观参量正好可以从眼睛自身机制来反映视觉疲劳，使得实验结果更加可靠准确。

实验采用主观和客观结合的方式，主观部分采用的是5分制评分方式，被试基于自己的真实感受在实验前后分别进行两次评分，评分等级及具体意义见表1。评价的指标包括12项：眼睛疲劳、眼睛酸、眼睛痛、眼干、灼热感、重影、远近调节缓慢、视物模糊、头晕、头疼、恶心以及颈肩背痛。

表1　五分制评价表

客观部分是对被试的各项眼睛参数进行测量，包括正负相对调节量、调节近点、集合近点和临界闪烁频率一共5个参量。

实验采用2×2被试内设计方法，一共设置4种实验条件，分别为LED灯×3D电影、荧光灯×3D电影、LED灯×2D电影、荧光灯×2D电影，其中3D电影和2D电影各两部，每部电影的播放时长约为1 h 30 min，为了避免电影内容对实验结果的影响，在每种环境灯照明下都有一半被试观看版本1的3D/2D电影，另一半的被试观看版本2的2D/3D电影，观看哪种版本的电影是随机的。

1.2实验设备

实验中使用的交流LED照明光源由频率为120HZ的正弦波产生。图1和图2分别为实验中使用的交流LED照明光源和荧光灯照明光源，光源的照度调节为显示屏前照度200 lx。显示器为三星3DLED液晶彩色电视机，实验中的2D电影和3D电影均由此台电视机播放。测量正负相对调节量的仪器为NIDEK型号为SSC-330的综合验光仪，图3为使用该仪器测量的场景。实验选择的2D电影为《肖申克的救赎》和《Frozen》，3D电影为《Alice in wonderland》和《龙门飞甲》。

图1　交流LED照明光源

图2　荧光灯照明光源

图3　NIDEK型号SSC-330综合验光仪

1.3实验对象

一共18人参加了本次实验，其中男性8人，女性10人，年龄在23岁至26岁之间。被试均没有色盲、色弱、无立体视觉、弱视等症状，矫正视力达到1.0及以上。被试在参加实验之前都有充足的休息，被试参加实验时均佩戴屈光完全矫正眼镜。

1.4实验过程

实验开始之前被试在实验环境光下适应3分钟左右时间，完成问卷，接着分别测量正负相对调节量，调节近点和集合近点，最后测量临界闪烁频率值，参数测量完毕后被试开始观看电影，调节被试眼睛距离屏幕3倍屏高距离（2.1 m），调节座椅高度使视线位于屏幕正中央，图4为被试观看电影时的场景；实验结束之后按照上述步骤再次测量各项参数，记录实验结果，实验结束。

图4　实验场景

1.5测量方法

使用综合验光仪上的PRA和NRA功能来测量正负相对调节量，输入被试主导眼的近视度数、散光度数和轴向值，拉下近视力标杆，同时打开近用照明灯和NRA测量功能，将印有G字视标的表盘安置于距离被试双眼40 cm处，确保被试在进行调节之前所看到的G字视标清晰，开始以每次0.25D增加正镜片数直到被试所看视标首次持续模糊，记录所加度数值即为NRA的数值；NRA测量结束后，调到PRA测量，同样先确保被试所看到的G视标是清晰的，接着仍以每次0.25D增加负镜片直到被试所看视标首次持续模糊为止，记录所加度数即为PRA值。

集合近点的测量采用推近法（图5），被试佩戴屈光完全矫正的眼镜，额头固定，注视距离双眼约35cm远处的G视标，以均匀缓慢的速度由远及近推近视标，推近的过程中被试双眼一直注视视标，直到所看视标出现复视，即视标由一个变为两个，此点即记录为集合近点，双眼距离集合近点的长度（cm）即为集合幅度。

图5　推近法测量NPA和NPC值

调节近点同样采用推近法，只测量被试的主导眼，测量过程中遮住被试非主导眼，移近至被试所看G视标首次模糊，该点即为调节近点，眼睛距离调节近点的值（cm）的倒数即为调节幅度（D）。调节近点和集合近点均测量2次，实验结果取两次均值来分析。

测量临界闪烁频率时为了避免灯光闪烁的影响，实验选择在暗环境中进行，使用人眼反应比较敏感的红光，被试佩戴眼镜，双眼距离光源50 cm左右，光源频率从0到30 Hz以每2 s增加5 Hz的速度调节，30 Hz之后以每2 s增加0.5 Hz的速度调节，直到被试报告光源恰好无闪烁时停止，记录为上调频率（Hz），接着增加2 Hz的频率，再以每2 s减少0.5 Hz的速度调节，直到被试报告光源首次出现闪烁时停止，记录频率（Hz）值，重复进行两次调节。最后实验结果取两次上调频率和下调频率的均值，图6为测量装置。

图6　测量临界闪烁频率装置

2　实验结果

2.1实验准备阶段的可重复性结果

在准备阶段，先对实验的几项眼参数进行重复性研究，即对一批被试进行多次测量，分析结果之间有无显著性差异。实验中选择18名被试进行4次测量，可重复性实验结果如下表2，结果发现各项参数4次测量之间的结果均没有显著性差异，各项参数的重复性和稳定性较好，可以用来进行视疲劳实验。

表2　可重复性结果

2.2实验结果

2.2.1问卷评分结果

图7～图10为在4种实验环境下观看电影前后主观问卷评分的平均值及95%的置信区间，可以看出各项疲劳指标的评分值在实验之后都出现不同程度的增加，表明各种症状在实验之后都得到加重。

图7　LED照明观看2D电影前后评分

图8　荧光灯照明观看2D电影前后评分

图9　LED照明观看3D电影前后评分

图10　荧光灯照明观看3D电影前后评分

对4种实验环境下的问卷前后评分进行成对样本T检验，结果如表3所示。在LED照明环境下，观看2D和3D电影前后颈肩背痛、眼干、眼睛疲劳、重影等症状均有显著加重；另外，观看3D电影之后头晕症状明显加重。荧光灯照明环境下观看2D和3D电影之后都发生显著性变化的指标有：颈肩背痛、视物模糊、眼干、眼睛疲劳、眼睛酸、远近调节缓慢和重影，另外2D情况下灼热感也有显著性增加，而3D情况下头晕和头疼的症状也有显著性的增加。

表3　荧光灯、LED灯照明环境下问卷评分前后显著性水平

对4种实验环境下的问卷评分做了多因素方差分析，把评分值的变化百分比作为因变量，电影版本和照明类型作为自变量，结果表明，电影版本和照明类型之间没有交互作用，2D和3D电影版本之间评分没有显著性差异，荧光灯和LED灯照明环境下评分没有显著性差异。在主观评分部分，4种实验条件下均发生显著性变化的症状包括：颈肩背痛、眼睛疲劳、眼干和重影这表明观看一段时间视频之后确实产生了主观视疲劳感受，而观看3D视频较2D视频更易产生头晕、头痛、眼睛酸痛的症状。

2.2.2眼参数结果

表4是4种实验环境下各项参数值的变化量以及进行成对样本T检验下的显著性水平值；CFF值在LED照明环境下观看2D电影和3D电影前后以及荧光灯照明环境下观看3D电影前后下降显著；而NRA值和PRA值在4种实验条件下都显著变化；NPA值除了在LED照明下观看2D电影前后没有显著变化外，其他3种情况下都有显著性变化；NPC值在LED照明下观看2D电影和荧光灯照明环境下观看3D电影前后有显著性变化；为了得出更加直观的结论，对各项参数进行多因素方差分析，把各项参数前后变化百分比作为因变量，照明类型和电影版本作为自变量，被试作为随机变量，表5为分析的结果，照明类型，电影版本和被试之间没有交互影响，照明环境对CFF值影响显著（p=0.038<0.05），对其他几项参数没有显著影响，电影版本对各项参数均无显著的影响。

表4　4种实验环境下各项参数的前后变化

表5　多因素方差分析结果

对4种照明环境下观看2D和3D电影的各项参数绘制95%置信区间内的误差条，结果如图11～图15；可以看到CFF值、NRA、PRA值均下降显著，NPA和NPC值在实验之后都变大。其中CFF的变化还受到照明类型的影响，被试在LED照明环境下观看电影以后CFF下降更多。

3　结论

结果显示，在观看一段时间的电影之后，被试产生了明显的颈肩背痛感、眼干、眼睛疲劳和重影，说明被试在两种照明条件下观看2D和3D电影均产生了视觉疲劳。此外，视功能测量结果显示CFF、NRA 和PRA在实验后下降显著；而NPA和NPC则在实验后呈上升趋势，并在大部分实验条件下变化显著。

综上，经一段时间的视觉负荷之后，问卷的大部分症状都呈现显著上升趋势，主观的疲劳感受提增，眼睛对光瞬时变化的敏感度下降，同时眼睛的相对性调节力下降，调节近点和集合近点均变远。此外，照明类型对CFF的变化也有影响，LED照明环境使人眼对光的瞬时敏感度下降更大。并且，本次实验没有证据表明观看3D电影较之观看2D电影更容易产生客观上的视疲劳症状。

图11　LED和荧光灯环境下CFF前后变化

图12　4种实验条件下NRA前后变化

图13　4种实验条件下PRA前后变化

图14　4种实验条件下NPA前后变化

图15　4种实验条件下NPC前后变化

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［9］Gur S，Ron S，Heicklen-Klein A.Objective Evaluation of Visual Fatigue in VDU Workers［J］.Occupational Medicine，1994，44 （4）：201-204.

陈燕燕（1991-），女，汉族，东南大学电子科学与工程学院硕士研究生，1280129660@qq.com；

杨兰兰（1978-），女，汉族，东南大学电子科学与工程学院副教授，研究方向为物理电子学和显示科学与技术，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

项目来源：教育部博士点基金（20120092120024）

2015-04-28修改日期：2015-05-19