平板3D电视与人眼生理

摘要：文章从人眼生理学角度分析了在观看平板3D电视时产生眼疲劳的原因。

关键词： 平板3D电视；眼疲劳；视差；会聚；聚焦

中图分类号：TN141.9 文献标识码：B

引 言

于2011年5月在美国加州洛杉矶举行的第49届SID年会上，共收到论文669篇，其中280篇分别在72个专场宣读，221篇张贴公示。

其中最为突出的是3D课题，占了十个专场，这些专场的名称分别是：用于3D的LC透镜、用于3D的LC工艺、3D-TV、立体AMOLED显示的驱动技术、OLED 3D-TV、自动立体成像和整体成像、立体显示和3D图像的捕捉、新3D显示、立体显示中的交叉效应、3D的人眼因素、3D的人眼因素和特性。此外，在张贴公示中还有两个有关3D的专栏。3D显示类课题占了全部宣读专场数的约1/7，这是SID年会历史上从来没有过的。

而到了2012年的第50届SID年会上，在75个专场中3D类课题占了13个专场，即3D类专场增加到占全部宣读专场数的约1/6，由此可以看出近年来全球显示界中不断升温的平板3D显示热。

图像显示技术经历了从静止到活动、从低分辨率（100多行）到高分辨率（1，000多行至几千行）、从黑白到彩色和从2D到3D四个发展阶段。而大屏幕高分辨率彩色3D电视图像的问世是最为震撼人心的，因为它最接近真实显示人们日常生活中接触到的立体景色。虽然平板3D电视还处于发展初期，存在着3D显示效果离完美还有不少距离、播放节目也很少、观看中容易疲劳等缺点，但是其发展前途是远大的，需要对3D电视技术的各个方面做深入细致的研究工作。

本文着重在3D显示技术与人眼生理之间的关系作一些描述。

1 序 言

平板3D成像技术，基本分为眼镜式与裸眼式两大类。

眼镜式基本分为三大类，其中起步较早效果较差的分色3D成像技术基本已经被淘汰了，现在主力3D技术分别是主动式电子快门（Active Shutter）式3D技术和偏振光式（pattern retarder）3D技术。

较成熟的裸眼式3D有视差照明（Parallax Illumination）式和光屏障式（Barrier）（又称光栅式，根据所用光栅的不同，主要有狭缝光栅和柱状透镜光栅两种）两种，但是分辨率、可视角度和可视距离等方面都还存在很多不足。

新开发出的裸眼式3D技术有多层显示MLD、景深融合技术DFD、扫描式背光立体显示技术、扫描体积显示和固体体积显示四种，都处于发展中。

裸眼式3D技术最大的优势便是摆脱了眼镜的束缚，现在裸眼3D显示技术还只能应用在小屏幕的数码产品上，裸眼3D显示在大尺寸屏幕上的效果并不理想，近看时会有很明显的垂直阴影，而且3D效果也并不是太明显。

当然，数字全息3D技术是最完美的3D显示技术，但是所要处理的数据量太大，还无法用于3D电视中。不过现在有一种集成成像3D显示，较之全息3D显示数据量相对较小，目前已成为国际上一种前沿裸眼3D显示技术，有可能是未来实现裸眼式真3D电视的希望。

2 两种眼镜式3D技术优劣的比较

主动快门式3D使用液晶制成的快门眼镜，两块液晶上交迭地加以不同的电压，使两块镜片交迭地开关。若显示屏以奇、偶场分别发送左、右眼所看到的图像，则以场触发信号控制快门眼镜，使在发送奇场图像时，左镜片开启，右镜片关闭；在发送偶场图像时，右镜片开启，左镜片关闭，如此反复切换。当切换频率大于50Hz时，大脑认为双眼是在同时观看，并且将它们融合成一幅立体图像。

由上述可知，采用主动快门式3D技术可使现在的广播电视基础设备不需要为了播送3D图像进行升级，但是电视图像的垂直分辨率减半。主动快门式3D的优点在于它的余像少，价格适中，而且不论是电视、电脑屏幕还是投影机，只要切换频率能达到要求，就能导入这个技术，因此现在市面上大部分已上市的3D电视，包括索尼、松下、三星、康佳等3D电视和部分数字电影院，都采用主动电子快门式3D技术。

主动快门式3D技术最严重的缺点是亮度损失严重，戴上这种加入黑膜的3D眼镜以后，每只眼睛实际上只能得到观看2D电视时约2/10的光，因此从主动快门看出去，就好像戴了墨镜看电视一样。我们知道，高亮度是显示高画质的基础，亮度过低时对比度和彩色重显度都会大打折扣，从而影响3D图像的质量。主动快门眼镜带有电池和电路，价格较高，也较重。此外，对于戴眼镜的观众，由于会很容易看到四周的黑框，观看感觉非常不好。另一个缺点是由于不易避免的双眼间的交叉效应和不同的帧变化间断时间，眼睛和大脑很容易疲劳，长时间观看严重时可能引发呕吐等现象。

偏振式3D眼镜是左右眼分别使用极化方向相互垂直的偏振镜片，即一个镜片用垂直偏振片，另一个镜片用水平偏振片。显示屏发送相应的偏振光图像，使左右双眼分别观看到左视和右视的图像，经大脑融合后形成立体图像。戴线偏振的3D眼镜观看3D电视时，观看者的头不能倾斜，否则偏振片滤不掉与之正交的偏振光，发生双眼间的图像交叉干扰，使观看不适。台湾友达光电采用旋转方向相反的圆偏振片制作偏振式3D眼镜，可以解决上述问题。

偏振3D技术要在电视机上实现，成本较高，并且在观看角度和显示面积上还有所限制。偏振3D技术的优势是偏振光眼镜成本非常低，所以电影院中大量使用之。

现在大力推广偏振3D液晶技术的是友达光电，其产品屏幕尺寸包括从32英寸到65英寸；国内仅有TCL在试生产偏振式3D液晶电视。不过已有报道，索尼、松下意图在今年生产偏振光3D电视产品。

这两种3D技术性能的全面比较，如图1所示。由图1可知，除了分辨率这个指标，偏振光3D技术都优于主动快门式3D技术。

3 人眼立体视觉的生理基础

我们看到的各种图像、影像（包括电视、计算机图像、电影、广告牌）大多是平面的， 但是现实世界是立体的三度（维）空间（3D），显示三维立体影像的技术一直在发展着。三维影像系列是用模拟人眼左、右视角拍摄的平面影像经计算机或电视屏幕输出，利用立体眼镜或在屏幕前加一个光栅系统合成具有深度感的真实立体影像，称为3D技术。

3.1 深度暗示（立体视觉）的产生

现代心理学公认有十种暗示用来感觉影像的深度，这些暗示又分两大类：生理学上四种，心理学上六种，但是生理学上的暗示起主要作用。下面介绍这四种生理学上的暗示。

3.1.1 晶状体调节

晶状体调节是睫状肌伸缩以调节晶状体的焦距，即使用单眼观看物体时，这种暗示也是存在的，这就是单眼深度暗示。可是，这种暗示只有在与其它双眼暗示组合在一起，而眼距又在2m之内时才是有效的。

3.1.2 单眼移动视差

如用单眼观物，当观看位置固定时，则晶状体调节成为对深度的唯一有效暗示。但是当观看运动的景物时，就可以从不同方向观物，眼珠会随着景物位置而移动，形成单眼移动视差，成为对深度的暗示，人坐在快速运动车上观物即如此。

3.1.3 辐辏

当用双眼凝视某一目标物时，若目标很远，则两眼视线基本平行；而当所看目标近时，为了把注视点成像在双眼的中央凹，双眼的眼球会略微向内旋转，使视线在目标处相交。两眼的这种运动叫做辐辏，辐辏给出了一种深度感觉的暗示。两眼至被注视点视线间的夹角α称为会聚角或光角（Optical Angle），人眼离注视点越远，会聚角就越小（如图所示）。当目视F点时，双眼视线交于该点，称为注视点。从注视点射来的光分别在双眼视网膜的中央凹f和f'处成像。在会聚角α、瞳距p0和视距d之间的关系为

α=p0 / d（弧度）=57.3p0/d（度） （1）

取瞳距p0=65mm，当视距d由无穷远移近到3.58m处，会聚角α只变化1°；当视距d由25cm移近到23.4cm处，会聚角α也变化1°。由此可知，虽然可以利用会聚角检测距离信息，但由于距离远时会聚角随距离改变量变小，因此利用会聚角可检测的距离信息限于20m以内。

3.1.4 双眼视差

由于两眼瞳孔在水平方向上有一定距离（瞳距p0），所以目标物在左右两眼视网膜上的成像是不完全一样的，一般要产生错移，称这种错移或差异为双眼视差。当观看物体上某一点（设为A点）时，先由眼球的辐辏将注视点落在A点上，由该点发出的光线就聚焦于双眼视网膜的中央凹处，眼内两个中心凹在视网膜上给出了物点的“对应像位置”。来自注视点以外各点的光线并不总能聚焦在两个视网膜的“对应像位置”上，这种效应即双眼视差。图3所示为双眼视差示意图，O、O'为晶状体中心或节点，物点A成像在视网膜上中心凹a、a'处。过A、O、O'作一大圆，大圆上的各物点在两个视网膜上的像点都处于“对应像位置”，即左眼的像到中心凹的距离与右眼的像到中心凹的距离相等。处于大圆上的各物点不存在双眼视差，如大圆上的C点在双眼视网膜中心凹上的像点分别为c、b'，而∠cOa与∠b'O'a'是相等的。所以大圆是根据双眼视差给出的等距轨迹，称为单视圆（也称维特-缪勒圆）。而来自圆外之点（如B点）的光线是绝不可能聚焦在中心凹的两个“对应像位置”上的，因此可以感觉到双眼视差，并且可以识别其距离差别。

其它六种心理学上暗示是指：视网膜上成像大小、线性透视、面积透视、重叠、阴影和影子。

由上述讨论可知，虽然产生深度暗示的原因有多种，但是人眼产生立体视觉主要是由于非单视圆上的物点在左、右两眼视网膜上成像位置略有差异，即左眼看到的物体稍偏左侧，右眼看到的物体稍偏右侧，这种差异经大脑加工后构成深度暗示，即立体视觉。

立体视觉的产生过程可以看作是先由辐辏确定注视点，然后由双眼视差进行精确的深度判断这样两个阶段，才能在较宽的范围内得出正确的立体视觉。

这里要指出视角（Visual Angle）与会聚角的差别。视角是指被观察物体对单眼所张之角度，视角越大，感觉此物体越大，即可以利用视角来判断物体大小，完全是单眼效应；而会聚角是双眼对注视点的夹角，用于判断物体的远近，完全是双眼效应。

3.2 关于视差的定量表达

如图3所示，A和B是距离双眼分别为L和L+Δ的两个观察点。A点在两眼中心凹处的像点分别为a、a'；B点在两眼中心凹处的像点分别为b、b'。显然，两眼视网膜上的像ba和b'a'的长度差即双眼视差，用角度表示为Δθ=θA-θB。

当观察距离足够远时，式（2）可简化为

4 立体显示的人眼因素

为了引入立体的深度感觉，立体显示对视觉系统呈现了双眼的不同信息。从人眼因素的观点看，在设计和使用任何一种立体显示系统时，都会涉及一些共同的问题。

需要强调的是在考虑设计任何立体显示系统时，必须将双眼视觉系统的知识以及人的认识力放在首位，因为任何一个为特定应用开发的立体显示系统工作得是否好，最后的判定决定于人的视觉和认识力。

4.1 双眼视差是立体显示或立体观察的基础

由上述内容可知，立体观察是基于相对于单眼图像的侧向位置有一个位移的双眼差异的深度感觉。当注视一个物体时，它的像落在两个眼睛相应的视网膜面积上，被注视物体或点的像为零视差。通过双眼晶状体中心和注视点的虚拟圆构成的单视圆（维特-缪勒圆）（如图4所示）不是唯一的，是随双眼的辐辏程度而改变的。单视圆是零视差参考面，是判断其它物点深度的参考面。在注视点前的处于深度平面中的物体具有交叉视差，这时观众感觉到的是该物体由屏幕向观众方向突出；在注视点后的处于深度平面中的物体具有未交叉视差，这时观众感觉到的是该物体由屏幕背向观众方向延伸。

有保证的立体显示是指这样的一个深度感受范围：在这个范围内，感受到的深度随视差大小单调地增加，这个视差或者是向着观察者方向的随着离开单视圆距离而增加的有交叉视差；或者是背着观察者方向的随着离开单视圆距离而增加的无交叉视差。这是可靠的深度感受范围，在该范围内，双眼所接收的刺激经过大脑加工后，观众感觉到的是一个具有深度感的单一的像，即所谓双眼融合。

在有保证的立体显示限外，即刺激发生在Panum融合面积（图3中单视圆弧上下两条虚线圆弧所包围的面积）外，双眼融合消失，将看到双像（复视）。有保证的立体显示的视差范围取决于被显示图像的空间频率内容（细节的细微度），对于高的空间频率（2周期/秒～20周期/秒），有保证的立体观察的视差范围是60arcmin（弧分）；对于低的空间频率（0.1周期/秒），有保证的立体观察的视差范围是8arc（弧度）。

当透视观察一个静止的从底（较低的空间频率）到顶（较高的空间频率）具有空间频率梯度的现实世界景物时，显示的底部具有较大的视差，越靠近顶部，视差越小。对于动态的景物，显示空间频率低而时间频率适度的底部的视差灵敏度，要高于显示空间频率与时间频率都高的顶部的视差灵敏度。

4.2 影响立体显示质量和人眼疲劳的几个人眼因素

观看现实世界物体时，两眼的会聚和眼睛的焦点调节是一致的，而在观看眼镜式3D或光屏障式（或视差照明式）裸眼3D时，两眼会聚在立体图像上，而眼睛的焦点调节在2D显示屏上。会聚点和焦点调节之间的不一致是产生立体观看疲劳的根本原因。

4.2.1 两眼间的交叉干扰

两眼间的交叉干扰发生在一只眼睛的视野的信息漏入到另一只眼睛中，只要一小部分（10%～15%）就能蜕化立体图像质量和减少双眼融合范围。在采用空间叠加法情况下（即裸眼3D），若用有色差的透镜组显示或用具有显著衍射的平行栅显示时，都会产生两眼间的交叉干扰，补救的办法是限制色差和衍射。在采用时间叠加法情况下（即戴眼镜3D），若存在显著的显示延迟，会产生两眼间的交叉干扰，一个补救的办法是限制延迟在一个短的间隔内，理想的情况是低于1ms。在采用时间叠加法系统中，较高的帧率非常有助于使两眼间的交叉干扰最小化。

4.2.2 视差会随视距L而变化

以我为中心的观察距离是指观察者与出现在视场中某个物体间的距离，而相关的感觉深度是指该物体与某个参考点（单视园）之间的距离。立体观察提供了一个相关的深度信息和不是以我为中心的观察距离。然而，视觉系统需要距离信息以使在景物中立体深度不是幻觉，而是确定的，所以在立体显示中，距离信息对于深度感受也是重要的。

在现实世界中，视差大小近似反比于视距的平方（如图5所示）。当视距远大于深度间隔的情况下，视差的计算公式是Δθ（弧度）=dΔL/L2，其中Δθ是视差，ΔL是深度间隔，d是瞳孔间距，L是视距。这意味着当观看立体显示时，视差大小以近似反比于视距的一次方变化。当会聚是对称的并且目标位于中弧矢面上时，视差的计算近似为Δθ（弧度）=S/L，其中Δθ是视差，S是半像间隔，L是视距。对于在显示图像上半像间隔是给定的情况下，在立体显示中感受到的深度ΔL'将正比于视距，其计算公式是 ΔL'=SL/（d±S），其中ΔL'是被预测的深度间隔，S是半像间隔，L是视距，d是瞳孔间距。对于交叉视差，分母用（d+S）；对于非交叉视差，分母用（d-S）。

在立体显示中，视距变化影响视差大小的程度大于现实世界中这个事实暗示有增大深度的真实应用。随着增大的真实应用，虚拟的（立体的）物体被投入到一个现实世界景物中，如果观看者改变与3D电视机的距离，被感受到的立体物的深度可以随视距改变而变化，而现实世界中的物的深度是不变的。

4.2.3 自适应调节-会聚度失配

当观看一个立体显示时，对调节的激励将是显示屏的表面。然而，当一个人改变他的（或她的）会聚度以会聚到在深度上出现在显示屏之前或之后的一个虚物上时，会聚角相对于自适应调节的要求可能失配。由于在自适应调节和会聚之间的共同作用，存在的自适应调节-会聚失配会产生一些问题，例如眼睛疲劳，被显示的影像变模糊，使这个问题最小化的方法是考虑场深度概念。

对于每一个给定的焦深，场深都有一个相对应的固定距离：图像的聚焦范围，从远处观看时眼睛对深度间隔的允认度比从近处观看时要大得多。例如，假设总焦深大约是0.66屈光度，对于1m的固定距离，总的场深范围是从该固定距离前的0.25m到该固定距离后的0.5m；对于2m的固定距离，总的场深范围是从该固定距离前的1m到该固定距离后的4m；对于3m的固定距离，总的场深范围是从该固定距离前的1.5m到固定距离后的无穷远。因此，当观察者注视处于几米或更远处的物体时，人眼的自适应调节状态或许只有非常小的改变，这或许有助于使自适应调节-聚散度失配最小化。

这说明观看3D-TV的距离以3m为佳，这样人眼不易疲劳。

4.2.4 立体视觉异常

应该被看作相对于单视圆为前深度的由交叉视差所产生的深度，实际上被感受为后深度，或者，应该被看作相对于单视圆为后深度的由非交叉视差所产生的深度，实际上被感受为前深度，被称为立体异常。有大约30%的个体在退化的激励条件下，例如一个短暂的激励，呈现立体异常，这个估计不包括人群中6%～8%的立体盲个体。对立体异常的一种解释是：在视觉系统中存在着能敏感地区别交叉视差和非交叉视差的皮层神经元。立体盲的个体可能具有灵敏度不对称的视差调谐神经元：将交叉视差感受为后深度的个体可能具有相对不灵敏的交叉视差细胞，将非交叉视差感受为前深度的个体可能具有相对不灵敏的非交叉视差细胞，而立体盲的个体可能缺乏视差调谐细胞的活动。在进行用人群评价立体显示效果试验时，应该将立体视觉异常和立体盲筛除，否则试验数据不准确。

4.2.5 直觉的推理

在观察现实世界时，对于深度关系除了双眼视差还存在着多种的暗示，诸如运动视差、线性透视、结构透视以及晶体调节等。这样，对于企图模拟现实世界情景的虚拟的立体显示，为了使观测者具有一个容易的和有益的观看体验，需要一整套的能传达相同深度大小的深度暗示记录，否则，观看一段时间显示后，观测者会感觉很不舒服。这就是高级别暗示矛盾命题，源于多个暗示对观察者传达不同的深度关系，造成不舒服。这类暗示矛盾也包括在自然界中本应作为特色存在的一个或多个深度暗示，在给你看的立体显示中即不存在这种情况。

在观看立体显示时，为什么暗示矛盾是重要的，在于：

在认知生理学文献中许多作者已指出，人类的推理是由两个互补系统（一个分析系统和一个直觉系统）的一种混合组成。分析推理指的是翻译由推导各选项的对比和评定它们的可能性以及可能的结论意识到的判定，直觉推理（不用深思熟虑就知道）指的是翻译由基于情景图像识别的判定，并且后者的步伐大部分是无意识的。因此，直觉系统是与高级别感觉相关的。当观看虚拟立体电视和其它描写现实世界情景的虚拟显示时，或许是直觉推理在起作用。与观看实景相比，缺少分析推理，大脑会有点儿不舒服。如果描绘现实世界情景的虚拟的立体显示提供了互相矛盾的感知信息，而直觉推理还企图去作出合理的感觉时，便会产生心理紧张，这些都会导致人眼疲劳。

4.2.6 对设计和使用立体显示者的建议

为设计和使用立体显示提供下列建议：（1）了解所显示影像的时空特性；（2）限制双眼间的交叉干扰；（3）了解观看距离如何影响感受深度；（4）了解观看距离如何使会聚调节的失配最小化；（5）筛除立体异常和立体盲；（6）使高级别暗示矛盾为最小。

5 对立体图像源的要求

用摄像机模拟左右眼拍摄图像时，为了使两幅视差图像合成后不引起观看疲劳，在偏振光3D的情况下测得的左右视差图像各类参数差异的阈值如表1所示。对于其它方式的3D显示器，左右视差图像各类参数差异的阈值会与表中所列的值有所不同。

6 如何减少观看立体电视时的视觉疲劳

6.1 控制水平视差的范围

虽然水平视差是产生立体视觉的基础，但是水平视差越大，立体图像的纵深感越强，双眼的会聚与焦点调节的不一致程度越严重，从而引起严重的立体观看疲劳，所以应该将水平视差控制在人眼能融合的范围内。

6.2 消除垂直视差

在正确的拍摄情况下，是不存在垂直视差的，即正常观看时，同一个物体在双眼视网膜上的像是等高的。存在垂直视差时，它们不等高了，会引起观看疲劳，所以应该消除垂直视差。

6.3 创造合适的观看环境

（1）屏幕尺寸：从理论上讲，显示屏越大越好。因为显示屏边缘常常是分散注意力的因素，屏幕越大，越能填满观看者的视野，从而减轻观看3D-TV的疲劳。

（2）观看距离：距离远观看舒服，特别是在观看体育比赛时，但是考虑到观看的视野，以取屏幕对角线长的三倍为佳。

（3）环境光线：在黑暗屋中观看较之在亮屋中观看更易视觉疲劳。

6.4 儿童与老人更易疲劳

在拍摄3D图像时两架摄像机的间距是模拟成人的双眼间距的，为65mm。儿童双眼间距是50mm，较，视差被加强。一般认为，儿童应该少看或不看3D-TV。老人的眼调节能力差，也更易产生视觉疲劳。

参考文献

[1] Robert Patterson. SID Symposium Digest 54.1， 805（2009）.

[2] C. Y. Chen， et al. SID Symposium Digest 37.1， 519（2010）.

[3] 王琼华. 3D显示技术与器件[M]. 北京：科学出版社，第11章，2011.

[4] 李景镇. 光学手册下卷[M]. 西安：陕西科学技术出版社，第29章，2010.