3D电影视觉舒适性研究综述

第２３卷第３期　２０１７年６月　

上海戈　报（自然科学版）　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＡＮＧＨＡＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ）　Ｖｂ１．２３　ＮＯ．３　

Ｊｕｎｅ　２０１７　

ＤＯＩ：１０．１２０６６／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７—２８６１．１９４１　．数字影视技术．　

３Ｄ电影视觉舒适性研究综述　戴帅凡　，　田　丰　，　黄超　，　唐海峰３，　吕　炜４　（１．上海大学上海电影学院，上海２０００７２；　２．上海大学上海电影特效工程技术研究中心，上海２０００７２；　３．国家电网上海市电力公司市北供电公司，上海２０００７２；　４．上海航天信息研究所，上海２０１　１０９）　

摘要：　良好的视觉舒适性是改善３Ｄ观影体验的核心内容．影响视觉舒适性的原因可以分为　观影心理因素和观影生理因素，已有研究具体包括视觉疲劳诱发因素分析、３Ｄ电影舒适度评　估、３Ｄ电影舒适度改善．基于相关研究成果，阐述了３Ｄ视觉舒适性研究现状，归纳了３Ｄ视　觉疲劳度的诱发因素，总结了３Ｄ视觉舒适度评估的实验方法，并对已有的评估模型进行分类，　整理了３Ｄ视觉舒适性解决方案，分析了当前研究重点及其相互关系．最后展望了３Ｄ电影视　觉舒适性研究未来的发展方向．　关键词：立体视觉；视觉舒适性；舒适度评估；舒适度改善　中图分类号：ＴＰ　３９１．４１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００７－２８６１（２０１７）０３—０３６４—１４　

Ｓｕｒｖｅｙ　ｏｎ　ｖｉｓｕａｌ　ｃｏｍｆｏｒｔ　ｏｆ　３Ｄ　ｍｏｖｉｅｓ　

ＤＡＩ　Ｓｈｕａｉｆａｎ１，ＴＩＡＮ　Ｆｅｎｇ１，－，ＨＵＡＮＧ　Ｃｈａｏ１，ＴＡＮＧ　Ｈａｉｆｅｎｇ３，ＬＵ　Ｗｌｅｉ４　（１．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｆｉｌｍ　Ａｃａｄｅｍｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００７２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｍｏｔｉｏｎ　Ｐｉｃｔｕｒｅ　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｅｆｆｅｃｔｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００７２，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｓｔａｔｅ　Ｇｒｉｄ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｓｈｉｂｅｉ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００７２，Ｃｈｉｎａ；　４．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｐａｃｅｆｌｉｇｈｔ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１　１０９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖｉｓｕａｌ　ｃｏｒｎｆｏｒｔ　ｉＳ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｎ　ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ　３Ｄ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｖｉｓｕａｌ　ｃｏｍｆｏｒｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃａｔｅｇｏｒｉｚｅｄ　ｉｎｔｏ　ｐｓｙｃｈｏｌｏｇｉｃａｌ　ａｎｄ　ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆａｃｔｏｒｓ．Ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｗｏｒｋ　ｆｏｃｕｓｅｓ　ｏｎ　ｖｉｓｕａｌ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｆａｃｔｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｃｏｍｆｏｒｔ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｍｆｏｒｔ　ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　３Ｄ　ｍｏｖｉｅｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｖｉｓｕａｌ　ｆａｔｉｇｕｅ，ｒｅｖｉｅｗｓ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｅｖａｌｕａｔｅ　ｖｉｓｕａｌ　ｃｏｍｆｏｒｔ，ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａｎ　ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　ｒｅｃｅｎｔ　ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　３Ｄ　ｉｍａｇｅ　ｑｕａｌｉｔｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｖｉｅｗｓ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｗｏｒｋ　ｆｏｒ　ｖｉｓｕａｌ　ｃｏｍｆｏｒｔ　ｏｆ　３Ｄ　ｍｏｖｉｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ　ｖｉｄｅｏ；ｖｉｓｕａｌ　ｃｏｍｆｏｒｔ；ｃｏｍｆｏｒｔ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ；ｃｏｍｆｏｒｔ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　

３Ｄ作为提升电影沉浸感的重要技术，已被广泛运用于影视制作和传播中［１］．然而，３Ｄ电　影的发展却面临着潜在的阻碍，其主要因素包括视觉舒适和视觉疲劳．这一问题不容忽视，因　为这两个因素涉及作品的心理感知和艺术表达，并直接影响大众的观影体验．　

收稿日期：２０１７　０４—１２　基金项目：上海市科委“科技创新行动计划”高新技术领域资助项目ｆ１５５１１１０５００２）；上海大学电影学高峰学科和上海　电影特效工程技术研究中心资助项目（１６ｄｚ２２５１３００１　通信作者：田　丰（１９７６一），男，博士，研究方向为电影技术．Ｅ—ｍａｉｌ：ｏｕｍａｎ８８８＠１２６．ｃｏｒｎ　第３期　戴帅凡，等：３Ｄ电影视觉舒适性研究综述　３６５　视觉舒适性为观影的主观感受，而视觉疲劳度为客观测量值【２］２．视觉疲劳度的增加意味着　视觉舒适性的降低．视觉疲劳的眼部症状具体表现为视野模糊、肌肉酸胀．若疲劳条件长时间　存在，则会进一步发展成头痛目眩等严重后果【３Ｊ３．视觉疲劳的来源可以分为两部分：观影内容　和观影环境【４Ｊ．观影内容包括影片元素的运动、色彩、图像视差等：观影环境则包括显示与观　看设备的尺寸等参数，以及观影距离与角度等【５Ｊ５．　对于３Ｄ视觉舒适性的探索属于多学科综合研究，其中包括计算机科学、人体工程学、脑　电图学、生物医学等，具有交叉性、实践性、创新性和应用性．这无疑对研究人员的科学素养　提出了更高的要求，如何从已有研究中总结出正确的科学思路、结合研究对象和研究环境使用　合适的科学方法、匹配当前产业需求并提出高效的影视制作解决方案，已成为当前贯穿３Ｄ视　觉舒适性研究的核心思路．　本工作根据已有研究，着重介绍了影响舒适性的几大因素：双目视差、视觉辐辏调节冲突　等．并归纳了视觉舒适性的评估方式：主观评价法、基于人眼活动的客观评价法、基于大脑活　动的客观评价法．随后总结了视觉舒适性的改善方案：基于视差重映射的方法、基于景深模糊　的方法等．最后结合相关研究趋势，探讨了３Ｄ内容舒适度研究未来的发展方向．　

１　３Ｄ视觉疲劳诱发因素　人体视觉系统有着复杂的结构，每只眼睛都有其独自的视野，并且通过心理和生理两方面　来获取图像间的细微差异，产生深度感知．心理方面的因素包括透视、遮挡关系、大气透视、　阴影、纹理和视尺寸；生理方面的因素包括双目视差、运动视差、自适应调节和融合现象【６Ｊ．　产生视觉疲劳的原因多种多样，已有研究多集中在３Ｄ视觉疲劳的早期研究阶段，其中人体双　目视差和观影条件等问题是３Ｄ视觉疲劳研究中的重点内容．　１．１　双目视差诱发因素　在人体双目视觉中，双目视差指的是因瞳孔水平距离（一般为５０￣７５　ｍｍ）导致的双目所见　画面位置的差值［７】＿大脑通过双目视差来提取视网膜上二维图像的深度信息。但在影视制作　中，双目视差同时也指两张立体图像相似特征点之间的坐标差【引．水平视差又可分为零视差、　正视差、负视差和发散视差［９］９．过大的双目视差将破坏双目融合，引起复视，是引起视觉疲劳　的主要因素．　Ｃｈｅｎ等［１０】将视觉系统处理外部信息的过程看作“信噪比”问题，并基于韦伯一弗希纳尔　（Ｗｅｂｅｒ—Ｆｅｃｈｎｅｒ）定律提出了一个对数幂级数形式的一般性模型来评估视觉舒适度，以描述视　觉舒适性和候选因素之间的关系．韦伯一弗希纳尔定律作为最著名的心理量表之一，指的是感　觉的差别阈限随原刺激量的变化而变化，且表现出一定的规律性．实验结果证明，视觉舒适度　随着视差的增加而减小，舒适的视差范围在１２０￣１５０弧分之间．　舒适域是一个与双目视差相关的概念，其界限有着不同的定义，常见的测量方式为屏幕视　差值［１１］．但是这一概念并不能单一为影片视觉舒适度定性，即使场景视差范围控制在舒适域　内，仍会有其他因素引起视觉疲劳，如场景物体间过大的视差梯度也会导致双目融合失败【１２＿．　在自然状态下，人眼通过焦散来创建视觉深度域，在３Ｄ内容制作中，也会通过这种分层模糊　的方式来增加视觉舒适性．双目融合也受立体空间目标的空间频率内容的影响，更小的刺激物　宽度ｆ也就是物体宽度）会减少双目融合的限制ｌ１３Ｊ．　１．２　观影条件诱发因素　观影条件诱发因素包括３Ｄ显示设备和观影环境，前者包括当前立体显示设备所造成的视　觉辐辏调节冲突问题、串扰现象、设备的电性能、左右视图的几何变形以及低刷新率造成的闪　３６６　上淫大　振（自然科学版）　第２３卷　烁等；后者包括观影尺寸、观影距离、观影背景、环境亮度、环境温度等［１２］．　当人们观看３Ｄ电影时，视线在远、近物体之间的变换会导致眼球转向运动、瞳孔大小变　化和晶状体变形［１４］．视觉辐辏调节冲突的本质如下：在如图ｌ（ａ）所示的自然状态下，输入视　觉系统的现实物体的深度刺激是一致的；然而在图ｌ（ｂ）的观影状态下，眼球的转向运动是根　据屏幕视差而变化的，以此来感知物体的深度，而自适应调节仍旧固定在屏幕上．　

Ｓｃｒｅｅｎ　

（ａ）自然状态　（ｂ）观影状态　图１视觉辐辏调节冲突图解［１５］　Ｆｉｇ．１　Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ／ｖｅｒｇｅｎｃｅ　ｍｉｓｍａｔｃｈ　ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｓ［　

２　３Ｄ视觉舒适性评估　２．１　３Ｄ视觉舒适性评估方法　２．１．１主观评价法　由于检测仪器的普及程度低、使用难度高，对３Ｄ电影的视觉舒适性评估仍以基于问卷形　式的主观评价法为主；即使在众多新兴的评估方案中，依旧是将主观评价法作为原始数据来源　和结果对比证实．该类型的实验往往要求被试者对舒适性进行分级，通过感知量化的方式，以　舒适性分数作为分析数据，评估３Ｄ视频对被试者的感知影响．但缺少细节状态记录可能直接　导致受试者忽略自身疲劳表现．如图２所示，在Ｓｈｉｂａｔａ等［４】针对视觉舒适域的舒适性评估实　验中，就采用了眼疲劳、视觉清晰度、脖背状态、头疼等细节评估项目．评估的具体方法主要　有双重刺激连续质量等级（ｄｏｕｂｌｅ　ｓｔｉｍｕｌｕｓ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｓｃａｌｅ，ＤＳＣＱＳ）法、单刺激连续　质量评估（ｓｉｎｇｌｅ　ｓｔｉｍｕｌｕｓ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ＳＳＣＱＥ）、模拟器不适问卷（ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　ｓｉｃｋｎｅｓｓ　ｑｕｅｓｔｉｏｎｎａｉｒｅ，ＳＳＱ）和ＮＡｓＡ任务负荷指数（ＮＡＳＡ　ｔａｓｋ　ｌｏａｄ　ｉｎｄｅｘ，ＮＡＳＡ．ＴＬＸ）等［０　

囵ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　１　（ｆａｒ＆ｎｅｇａｔｉｖｅ１　

衄Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　２　（ｆａｒ＆ｐｏｓｉｔｉｖｅ）　

目Ｃ：ｏｎｄｉｔｉｏｎ　３　（ｍｉｄ＆ｎｅｇａｔｉｖｅ）