探讨立体显示视差对视觉疲劳的影响

✦ 引言 ✦

立体显示技术与传统的2D显示相比，由于具有更强的沉浸感和呈现感而备受关注。其极具冲击力的视觉效果为观众提供了新颖的视觉体验。然而，视差立体显示的视觉疲劳阻碍了该技术的更广泛应用。原则上，立体显示器的疲劳程度至少应控制在与传统二维标准相当的水平。因此，立体图像引发的视觉疲劳已成为近几十年来的健康和安全问题。 ✦ 研究过程 ✦ 研究对象 19名志愿者参加了实验，其中6名为女性，13名为男性。平均年龄22.7岁(20~26岁)，均无近视或远视，立体视觉都很好，确保眼睛有足够好的视力来检测微小的空间差异。 研究方法 使用LG D2342立体监视器，将头部支架放置在屏幕前方50 cm的距离处，用以固定对象的观看位置，以减少观看者头部移动引起的误差。

具有简单几何图形的示例由3DS MAX(Autodesk®)创建。然后，可以使用方程∠θ =∠α-∠β计算负视差和正视差的距离和角度之间的关系。角视差(由视差角θ表示)定义为显示屏所在的会聚角α与虚拟对象的会聚角β之间的差值。正负视差的示意图如图1所示。正视差表示立体图像的距离显示在屏幕内，而负视差表示屏幕外。零值表示屏幕平面的2D图像。选择具有不同视差的十四组立体图像作为最终实验样本，如表1所示。

图1.（A）负视差和（B）正视差示意图 表1. 不同的离屏距离和相应的角视差

1. 在立体和2D条件下，受试者都被要求佩戴偏光眼镜并观看双目内容物。这些图像被建模为一些简单的几何图形，确保视觉体验完全归因于成像视差。为了减少样品之间的熟悉度，制作了120个具有不同装饰图案的球体，部分如图3所示。球体的图案被选择为与情绪无关，可以排除立体视觉疲劳之外的外部刺激。

图3. 实验中使用的部分与情绪无关的物体

1. 数字校准任务是基于疲劳状态下人类认知能力下降的心理量表测量的主观任务。在数字校准任务中，要求受试者在观看3D前后区分两组数字是否相同。问卷中有200组数字，受试者应尽量在1分钟内完成。如果能够成功区分两组数字，则该选项被标记为正确，而错误的选项或未完成的选项被标记为错误，以平衡时间和正确性之间的矛盾(图5显示了该任务的评分标准)。最后，分析这一主题的正确率，并认为正确率越高，视觉舒适度越好。

图5. 数字校准任务的评分标准。

1. 首先，受试者应在1分钟内完成一项预测数字任务作为基准。任务的正确率被记录为A。然后，他们被要求戴上偏振眼镜，观看一组具有表1所示视差的立体图像。每组角度视差包含75个立体图像，每个立体图像播放8秒。不同角度差异组中的图像以随机顺序出现。在观看完图像后，受试者被要求立即完成另一项数字任务。这项测试中的正确率被标记为B。在休息15分钟后，受试者观看下一组立体图像。上述步骤重复14次。为了确保结果令人信服，受试者被要求遵循一些规则。例如，受试者不能使用手指、尺子和钢笔来协助完成任务。

✦ 研究结果 ✦ 在2D测试情况下，测试前后的平均正确率的差值被标记为： 类似地，立体情况下的这个值可以通过下式获得: 最后，对这组受试者的视觉疲劳进行量化的差值(D值)定义为: 测得的D值分布图如图6所示，对数据点的拟合表明，曲线符合Logistic S曲线。 图6. 不同视差的D值分布 为了比较不同角度视差下的D值，不同角度视差下的D值和绝对值的分布图如图7所示。D值曲线在正视差和负视差中具有相同的趋势，可以分为三个阶段。 图7. 角差的D值与绝对值的拟合曲线。 在第一阶段，视差较小(0≤θ≤1°)。在这个阶段，D值没有明显的增加或减少。然而，值得注意的是，负D值表明被试在观看立体图像后的正确率更高，导致观看立体图像的视觉疲劳比2D图像更少。 在第二阶段，当视差从1.0°持续增加到2.2°(负视差)或者从-1.2°减小到-2.3°(正视差)时，D值迅速增加。这种趋势表明，数字任务的错误率迅速上升，这意味着视觉舒适度随着视差的增加而急剧下降。 在最后阶段，D值趋向于饱和到一个常数，因为视差太大，受试者具有极大的视觉疲劳来融合视差图像。根据图7，还可以发现正视差比负视差引起的视觉疲劳更少。 ✦ 结论 ✦ 在本文中，证明了在大多数情况下，立体显示会产生更大程度的视觉疲劳，而在观看视差小于|1°|的立体图像时，可以获得更舒适的视觉感受。基于视差和视觉疲劳之间的关系，在制作立体照片、电影和娱乐内容时，应该充分考虑屏幕外深度感(视差)和视觉舒适度之间的权衡。设想，这种关系能够在设计立体图像时建立一种新的标准。 ✦ 参考文献 ✦ Yi Liu, Xiang Guo, Yubo Fan, Xiangfeng Meng, Jiahui Wang. Subjective assessment on visual fatigue versus stereoscopic disparities[J]. J Soc Inf Display. 2021;1–8.