3D显示技术之视觉疲劳初步研究报告
摘 要：3D显示技术近年发展非常迅速，但片源少、需佩戴3D眼镜、视觉疲劳引起不良生理反应等问题，限制了3D技术的普及。对于前两个问题，国内外投入了大量研究，但生理安全方面的研究目前较少，进展不大。文章对3D技术的生理安全问题进行了初步探索，对辐辏反射实验进行探讨并进行数据分析，根据不同出屏距离对双眼间距的影响，分析视觉疲劳的形成机制及其影响因素。
关键词：3D显示；立体视觉；辐辏；调节；视觉疲劳
与传统的2D图像相比，3D图像提供更加丰富的视觉信息，观看者通过屏幕呈现的画面，可以真实的感知到物体的远近、纵深等立体信息，给人身临其境的立体感和沉浸感。基于这些优势，3D显示技术近年来发展非常迅速。3D电影、3D电视、3D手机迅速普及，国内外的电视品牌都已经生产了3D电视，夏普、LG、康佳、索尼、三星、创维、TCL、长虹纷纷召开新闻发布会，力推3D电视；在手机领域，已经有HTC、夏普、LG、卓普等多品牌多款机型支持裸眼3D技术，用户可以随时随地享受3D电影，浏览3D照片，玩3D游戏等；南非世界杯开赛之后，3D广告频繁的出现在中央五套，同时，户外广告也积极地引进3D技术；除了商用，3D显示技术在教育、医疗、工业设计、军事等各种领域也具有广阔的应用前景。
1 研究目的及意义
3D电影、3D电视作为一种新的娱乐手段无疑是激动人心的，但人们也越来越多的开始意识到过度观看3D显示画面对身体存在的危害。20xx年，三星曾经公开发布了警告，称观看3D电视会对身体健康不利，长时间观看有可能导致一系列不健康的症状，包括视力下降、视线模糊、眼睛干涩、眼睛疼痛、头痛、头晕、乏力、恶心、方位感知障碍等。尤其对儿童和青少年比对成年人的危害更大。然而到目前为止，国内外始终没有对3D显示技术的舒适度及其对人体视觉健康的影响做一个系统性的评估研究，目前亟需一个国内外都公认的3D视觉健康标准和评测体系，指导研发、生产等各个环节的质量和安全，保障产业的快速健康发展。因此，不论是从产业化的角度，还是从理论研究价值的角度，对3D显示技术导致的视觉疲劳研究及相关安全标准的探索都很有必要。
2 立体视觉形成机理
立体视觉简称立体视，是指用双眼观察景物时能够分辨物体的远近形态的感觉。人眼立体视觉的建立过程如下：当双眼同时注视目标物体上的某一点时，左右眼的视线交叉于一点，这一点称为注视点。从注视点反射回到左右眼视网膜上的是一对左右对应并稍有差异的光点，这两个光点的信号传入大脑的视中枢，并融合成一幅完整的像，这一过程通常称为双眼单视，使得人们不但看清了物体上的这一点，并且连这一点同周围物体的间距、深度、凹凸等信息都能辨别出来，这样，人们就看到了一幅立体的像，如图1所示。
上述立体视觉的形成，源于人眼对所接收的视觉信息具有相当深度的感知能力，而深度感知能力是在人眼的生理因素及大脑的心理因素双重作用下产生的，其中生理因素包括双目视差、辐辏、焦点调节、运动视差等，心理因素包括遮盖或重叠、透视、阴影、颜色等，相比于生理因素，心理因素的作用要小得多。下面对本实验涉及的辐辏和调节机制加以介绍。
2.1 辐 辏
辐辏指双眼视轴的辐辏。当眼睛在休息状态或者注视远处的物体时，左右眼的视轴是平行的，而当我们注视近处的物体时，眼部肌肉不仅要调节晶状体使聚焦到近处，同时两眼的视轴也要向内侧旋转，使左右眼的视轴相交于被注视的物体。这种作用就叫辐辏。当被注视的物体向人慢慢靠近时，双眼的辐辏程度也随之慢慢增加，这种改变主要由眼部肌肉完成，并通过将这种改变信号传输给大脑，从而形成一种对深度信息的感知。
2.2 调 节
人眼为了把不同远近距离的物像成像在视网膜上，会通过眼部肌肉作用调节晶状体的屈光能力，看远处物体时晶状体比较扁平，看近处物体时比较凸起，使不同距离外的景象清晰成像在视网膜上。这种对于注视不同距离的物体时眼睛晶状体的屈光能力随之改变的现象，称为调节。调节过程通过眼睛晶状体的可塑性和睫状肌的收缩来完成，通过眼睛的这种适应调节状态，大脑可以估计出所看物体的远近距离。
为了保证双眼能看清不同远近距离处的物体，既要能时刻保持双眼单视，又要不停的进行距离判断进行调节，所以双眼的辐辏与调节是互相协同联合运动的。
辐辏与调节之间的关系如图2所示。A图表示当眼睛观看生活中的实际物体时，辐辏距离与调节距离总是保持一致的，B图表示在观看平面3D显示的立体图像时，辐辏距离与调节距离不一致。正是由于观看3D显示时辐辏与调节的不一致，导致了视觉疲劳。
3 实验及结果分析
目前的主流立体显示技术主要有眼镜式和裸眼式两种，眼镜式的主要有色分式、光分式、时分式等，裸眼的目前应用较多的是视差屏障式和柱状透镜式。它们各自有自己的优缺点，同时都不可避免地存在着导致视觉疲劳的因素。例如色分式的颜色丢失严重，而且由于眼镜镜片颜色纯度不够导致滤光不完全，造成重影；偏振式的同样由于偏振眼镜也无法将左右眼图像完美分离；时分式的亮度下降，且容易产生闪烁感；视差屏障式和柱状透镜式显示都易降低画面质量。
本文选取了眼动仪记录的8名被试者分别在观看2D、3D和实物图像时眼睛运动的情况，以期找出导致观看3D图像比2D图像和实物更疲劳的原因。实验所用的是加拿大SRResearch公司生产的EyelinkⅡ眼动仪，该眼动仪可以记录被试者在实验中眼睛运动的各个参数，包括注视点位置、注视次数、注视时间、瞳孔大小、眨眼、眼动轨迹图等。
在实验中，每名被试分别观看了6组图片，每组图片包含2D、3D图片各一张以及在相同背景下出屏的实物一张。6组图片的背景均相同，每组图片的视差大小不相同，即被试看到的物体出屏距离不相同。
一组实验用图片如图3所示，（a）为没有出屏感的2D图片，（b）为出屏约6cm的3D图片，相同的背景图片图未示。
不同被试在观看2D、3D图片以及实物时双眼间距的变化曲线如图4所示（a）～（h）所示，横坐标为视差（即不同的出屏距离）/parallax，纵坐标为双眼间距dx/pixel。其中黑色方点的曲线对应观看2D图片时双眼间距的变化情况，红色圆点的曲线对应3D，蓝色三角形点的曲线对应实物。
综合以上各图可以看出，比较而言，被试观看2D图片时双眼间距的变化不太大，而观看3D图片和实物时，随着视差和出屏距离的增大，双眼间距有明显减小的趋势。这就说明观看时随着3D图片视差的增大，和实物的出屏距离增加效果一样，被试的双眼出现了会聚眼动，即通常所称的辐辏反射。
为了清楚地使物体在视网膜上成像，人眼的辐辏和调节功能是联动的。观看2D影像时，眼睛的辐辏与调节距离保持一致，没有明显的视觉疲劳；而观看3D影像时，人眼的辐辏距离为物体出屏的位置，调节距离为显示屏的距离，所以辐辏距离与调节距离往往是不一致的，并且这种不一致随着视差的增大而增大，这样长时间观看就会导致人眼的不适和疲劳。