上海交通大学学报(医学版), 2023, 43(8): 1038-1043 doi: 10.3969/j.issn.1674-8115.2023.08.012

综述

立体视频显示终端相关视疲劳的研究进展

刘璐,, 柯碧莲,

上海交通大学医学院附属第一人民医院眼科,上海 200080

Research progress in visual fatigue related to stereoscopic video display terminals

LIU Lu,, KE Bilian,

Department of Ophthalmology, Shanghai General Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai 200080, China

通讯作者: 柯碧莲,电子信箱:kebilian@126.com

编委: 吴洋

收稿日期: 2023-03-16   接受日期: 2023-06-29   网络出版日期: 2023-08-28

基金资助: 国家重点研发计划.  2020YFC2003904
国家自然科学基金.  82070992
上海交通大学“交大之星”计划医工交叉研究基金.  YG2021ZD18

Corresponding authors: KE Bilian, E-mail:kebilian@126.com.

Received: 2023-03-16   Accepted: 2023-06-29   Online: 2023-08-28

作者简介 About authors

刘璐(1995—),女,博士生;电子信箱:kimliu@sjtu.edu.cn。 E-mail:kimliu@sjtu.edu.cn

摘要

近年来,随着科学技术的发展,立体视频显示终端的应用范围越来越广泛。与此同时,其对于人眼乃至全身健康的影响逐渐引起了人们的关注。立体视频显示终端大多基于双眼视差原理,为左右眼分别呈现具有视差的图像对,经大脑融合后形成立体图像。目前,大部分关于立体显示设备对人眼生理功能影响的研究单独描述了某类眼部指标的变化,其中调节与集合能力、泪膜及眼表功能等视觉功能的改变显得尤为重要。相关视疲劳症状的出现可能与调节集合的冲突、过量过快的视差变化、视网膜过高的空间频率、立体影像畸变以及使用环境不当等有关。该文结合立体显示的原理,就立体视频显示终端所引起的视疲劳症状和视觉功能改变及其产生的原因进行综述,以期为健康使用立体视频显示终端以及相关症状的临床诊疗提供一定依据。

关键词: 立体视频 ; 视疲劳 ; 视功能 ; 双眼视差

Abstract

In recent years, with the development of science and technology, stereoscopic video display terminals have become more and more widely used in many fields. Meanwhile, their influence on the eyes and even the whole body has gradually attracted people's attention. Most stereoscopic video display terminals are based on the principle of binocular parallax. They present image pairs with parallax for the left and right eyes respectively, and form stereoscopic images after brain fusion. At present, most studies about the influence of stereoscopic video display terminals on the physiological function of human eyes describe the changes of a certain type of ocular indicators independently, in which changes in visual functions, such as accommodation and convergence ability, tear film and ocular surface functions are particularly important. The appearance of related visual fatigue symptoms may be due to accommodation-vergence conflicts, excessive and rapid parallax changes, excessive retinal spatial frequencies, stereoscopic image distortion, and improper use environment. This paper introduces the principle of stereoscopic display, summarizes related symptoms and changes in visual functions, and discusses the causes of visual discomfort, in order to provide some bases for the healthy use of stereoscopic video display terminals and the clinical diagnosis and treatment of related symptoms.

Keywords: stereoscopic video ; visual fatigue ; visual function ; binocular parallax

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本文引用格式

刘璐, 柯碧莲. 立体视频显示终端相关视疲劳的研究进展. 上海交通大学学报(医学版)[J], 2023, 43(8): 1038-1043 doi:10.3969/j.issn.1674-8115.2023.08.012

LIU Lu, KE Bilian. Research progress in visual fatigue related to stereoscopic video display terminals. Journal of Shanghai Jiao Tong University (Medical Science)[J], 2023, 43(8): 1038-1043 doi:10.3969/j.issn.1674-8115.2023.08.012

近年来,随着科学技术的高速发展,虚拟现实及增强技术逐渐进入人们的日常生活与工作中。虚拟现实(virtual reality,VR)是利用计算机模拟出虚拟的三维环境,用户能自然地与虚拟环境交互,产生亲临真实环境的体验1。人类从外部世界获取的信息绝大部分来源于视觉。因此,VR技术的实现需要立体显示终端将物体的三维立体结构以图像的方式呈现出来2。立体显示终端的应用范围越来越广泛,除了传统的军事、工业仿真等领域外,还可应用于建筑、考古、农业、医疗、教育和娱乐等多个领域。特别是在医疗领域,由于其三维视觉刺激及沉浸式特点对脑神经通路的构建作用,可用于辅助各类精神疾病的治疗、神经疾病患者的康复训练以及弱视患儿的视觉训练等3-6。另有研究发现,用于视力训练的VR立体视频可以模拟交替视远视近的状态,训练睫状肌的调节功能7,解除睫状肌痉挛,改善视疲劳,有助于暂时恢复视力8-9

随着立体视频显示终端逐渐应用于生活中的多个领域,其对于人眼甚至是全身健康的影响越来越引起人们的关注。与生活中观察真实的三维世界不同,观看三维立体视频可能导致视疲劳症状10-12。舒适度是各种显示终端的重要评价指标,虽然立体显示技术在近年来不断地发展成熟,但观看立体视频显示终端引起的视觉不适仍是制约其行业技术发展的瓶颈。因此,了解立体视频显示终端相关的视疲劳症状和视觉功能改变及其可能的机制显得尤为重要。目前,关于不同类型的立体视频显示终端对人眼生理功能的影响还没有统一的定论,大部分相关研究仅单独描述了某类眼部指标的变化,少有研究全面系统地评估立体视频显示终端对眼部的影响。故本文基于立体显示技术的原理,就立体视频显示终端所引起的视疲劳症状和视觉功能改变及其产生的原因进行综述,以期为健康使用立体视频显示终端以及相关症状的临床诊疗提供一定依据。

1 立体显示技术的原理及分类

人的双眼间有一定的曈距。看近物时,双眼视轴并非平行,而是稍稍向内倾斜,从2个不同的角度去观察,双眼所接收到的视觉图像产生差异,即双眼视差。双眼视差所导致的双眼视网膜上成像轻微的差异在经大脑的融合处理后,产生双眼的深径知觉,即立体视觉。

立体显示技术可根据其工作原理是否基于双眼视差而分为两大类。基于双眼视差原理的立体显示通过模拟正常双眼立体视觉成像原理,为用户左右眼分别呈现同一场景相应的左右眼视差立体图像对,经大脑融合处理后使观看者感知到立体的影像13。主要包括眼镜/头盔式立体显示和光栅式自由立体显示。眼镜式立体显示根据分色、分时、分光原理可分为互补色立体眼镜、快门式立体眼镜和偏振式立体眼镜14,通过配戴相应的立体眼镜观看显示屏上的左右眼视差图像,可以得到立体的视觉效果。而头盔式立体显示则通过左右眼前的2个显示屏分别呈现的视差图像对来实现立体感,其沉浸感高于其他显示器,用户佩戴后可以自由运动,实现更自然的人机交互,广泛应用于VR技术中15。眼镜/头盔等头戴式立体显示技术发展较为成熟,相应的眼镜、头盔等辅助设备应用广泛,但存在引起视疲劳的问题。非基于双眼视差原理的立体显示,又称真三维立体显示,利用光学干涉衍射原理、人眼视觉暂留效应以及人眼视错原理等,主要包括全息式立体显示、集成成像立体显示以及体显示16。光栅式自由立体显示及真三维立体显示为裸眼式立体显示技术,无需使用任何辅助设备即可达到立体效果,目前发展尚未成熟。

2 立体视频显示终端引起的视疲劳及视觉功能改变

目前,对于头戴式以及裸眼式立体显示设备的研究均发现,与传统的平面视频相比,立体视频更能诱发主观视觉不适症状10-1217-21。立体显示引起的视觉不适症状主要可以分为3种:视疲劳症状,包括眼酸痛、视物模糊、复视等;眼表症状,包括眼烧灼感、异物感、干涩、眼红、流泪等;眼外症状,包括眩晕、恶心、头痛、肩颈痛、背痛等。现有的立体显示设备大多基于双眼视差原理,与在现实生活中观察立体世界不同,容易引起视觉信息与身体运动信息的冲突。因此,除了眼部症状以外,立体视频相较于平面视频更易诱发恶心、眩晕、定向障碍等眼外症状22

当前对于头戴式立体显示设备的研究大多针对眼镜式立体显示。相关研究发现,观看偏振及快门式立体显示所造成的调节与集合能力的下降可能是导致视疲劳发生的重要因素17-182023-25。观看快门式立体显示可导致眼位向外隐斜视方向发展2026,这可能与集合能力的下降有关。不仅如此,与平面显示相比,观看快门式立体显示会诱导更大程度的短暂性近视,可能会对永久性近视的发生和发展产生更大的影响27。此外,偏振式立体显示还会影响泪膜和眼表的功能,使泪膜稳定性下降1823-24。与平面显示相比,观看偏振式立体显示时,眨眼频率降低28,更易引起眼干涩症状。

少数研究聚焦于VR头盔式立体显示设备的眼部影响,发现使用VR设备不仅诱发了主观视疲劳症状,也会引起调节与集合能力的下降1229-31。除此之外,LEE等12发现了观看VR设备后的近视性偏移,而LIN等29则观察到了眼压及立体视的下降。然而,也有研究732发现,短时间内使用VR设备观看用于视觉训练的立体视频,可以提高调节幅度及调节灵活度。

对于光栅式自由立体显示设备,WANG等33发现观看自由立体显示后的融合范围减小,且隐斜受试者观看后的视疲劳较正常人更显著。而HUANG等34的研究则发现,观看自由立体视觉训练视频可以在短期内缓解近视人群的调节滞后,提高其调节灵活度。

3 立体视频显示终端引起视疲劳的因素

目前的研究普遍认为立体视频显示终端造成视疲劳的原因主要有以下几点:调节与集合的冲突35-37、过量的水平视差2338、过快的视差变化2439、视网膜过高的空间频率17、立体影像畸变40-44等。此外,不同的立体显示方式、观看距离与方向以及使用者的生理因素对视觉的影响也有所不同。

3.1 调节与集合的冲突

看近物时,调节通过增加晶状体的曲率来增加眼的屈光力,集合使双眼视轴转向被注视物体,最终使双眼物象落在视网膜黄斑中心凹,经过视中枢合二为一,形成清晰的双眼单视。在调节系统中,晶状体景深范围内的视网膜散焦,仍能保持图像清晰,不会引起调节36;而在集合系统中,位于Panum融合区内的较小视差也能形成单一物象,不会引起集合45。在自然状态下,调节与集合联动协同,相互一致。

但在观看立体视频显示终端时,随着物体深度的改变,双眼视差首先驱动反应性集合,随之引起集合性调节;但物体的真实显示平面仍在屏幕上,调节离开屏幕将引起视网膜图像模糊,而模糊又驱动反应性调节返回屏幕,随之引起的调节性集合也趋向屏幕46。因此,集合性调节离开屏幕,与反应性调节方向相反;调节性集合趋向屏幕,与反应性集合方向相反。集合与调节反复波动,无法达到稳定状态。这种调节与集合的冲突增加了调节系统的负担,扰乱了双眼视觉的正常融像,打破了大脑正常的视觉反射环,引起视疲劳47。并且,随着调节集合冲突变化率的增加,观看立体显示引起的视疲劳会更加显著48

3.2 视网膜过高的空间频率

在自然环境中注视一个物体时,目标物体前方或后方的其他物体会根据其距离注视目标的远近而出现不同程度的离焦模糊。图像的空间频率在离焦平面上有所丢失。Panum融合区是双眼图像融合所允许的最小视差范围。即使双眼物像不在视网膜对应点上,只要视差位于Panum融合区内,仍能形成单一图像。Panum融合区的大小与视网膜的空间频率呈负相关45,因此,目标物体前方或后方的Panum融合区与注视目标相比会更大,以促进其融像,形成模糊的单像49。而立体视频显示终端通过增加视差来使物体离开注视平面,但调节始终保持在屏幕位置上。当注视屏幕上的一个物体时,其他物体也位于其同一平面上而全部聚焦,并未通过离焦来降低空间频率。这种图像的高空间频率使Panum融合区变小,难以融像。因此,在注视目标的前方或后方会出现清晰的复像,从而刺激融像功能,但在Panum融合区外是无法融像的。双眼的融像尝试增加了大脑的融像负荷,造成了视疲劳。

3.3 过量的水平视差和过快的视差变化

当立体视频的视差超过1°时,调节反应量明显增加,因此,更易导致视觉不适症状50-51。除了过大的视差外,视差随时间过多、过快的变化也会对视觉功能造成影响243952。过量的双眼水平视差和其过多、过快的变化增加了短时间内驱动调节与集合的需求,加重了大脑的融像负担,也会引起视觉疲劳。

3.4 立体影像畸变

立体影像的各种畸变,如几何畸变、窗口畸变等,会影响到图像显示的质量,从而引起视疲劳。立体影像的畸变存在于整个立体影像内容的拍摄与显示过程中40-44,可以通过严格控制拍摄条件或后期处理消除。

3.5 其他影响因素

立体显示方式、观看距离与角度以及观看者的生理因素等也是相关视疲劳症状的重要影响因素。

有研究发现,在不同的立体显示方式中,偏振式立体显示造成的视疲劳程度最小,互补色立体显示造成的视疲劳程度最大,快门式立体显示则居中50;观看偏振式立体显示后的调节与集合能力也较观看快门式立体显示后更好53。由于快门式立体显示设备的刷新频率高于家用日光灯的频率,在日光灯下观看立体影像时会产生闪烁感,从而使人眼产生视觉疲劳。

立体显示观看时的距离与角度也会影响观看者的视觉舒适度。近距离观看,视觉方向偏移过大会增加观看立体显示后的视觉不适症状54-55。立体显示的观看距离过近加重了调节系统的负担,而视觉方向偏离屏幕中心则增加了双眼的融像负荷,最终导致视疲劳加重。

另有研究发现,与20至30岁人群相比,40至50岁人群观看立体显示后的调节集合能力以及泪膜稳定性下降更显著,所需的恢复时间更长23-24。观看人群的视功能随着年龄的增大出现了不同程度的退化,可能更容易出现视疲劳。

4 总结与展望

综上所述,随着显示技术的发展,各种立体视频显示终端逐渐进入人们的日常生活中。因此,评估其舒适度,特别是其对视觉功能的影响显得尤为重要。目前,商用化的头戴式立体视频显示终端均基于双眼视差原理,为左右眼分别呈现具有视差的图像对,需经大脑融合后形成立体图像。这种不同于观看真实场景的视觉机制,将引起调节与集合能力的异常,还会影响泪膜及眼表的功能,从而导致各种主观视觉不适症状。这些症状的出现可能与调节集合的冲突、过量过快的视差变化、视网膜过高的空间频率、立体影像畸变以及使用环境不当等有关。

未来,立体显示技术将进一步发展。随着立体视频显示终端的普及,使用立体视频显示终端对于视觉功能的长期影响,及其对儿童、视功能障碍者等特殊人群的视觉影响仍有待进一步研究。更全面深入的临床研究不仅能为立体显示技术的改进提供相关依据,而且有助于优化并规范立体视频显示终端的使用。通过筛选合适的使用人群、优化使用环境、规范化评估使用者的视功能,可以提高使用立体视频显示终端的视觉安全性及舒适度,并为相关症状的临床诊疗提供依据。

作者贡献声明

刘璐负责搜集、整理文献,撰写论文。柯碧莲负责审阅、修订论文。所有作者均阅读并同意了最终稿件的提交。

AUTHOR's CONTRIBUTIONS

LIU Lu was responsible for collecting literature and writing the review. KE Bilian was responsible for checking and correcting the content of the review. Both authors have read the last version of the paper and approved the submission.

利益冲突声明

所有作者声明不存在利益冲突。

COMPETING INTERESTS

All authors disclose no relevant conflict of interests.

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