基于P300的3D影片上边框效应对人体健康的影响

王 笑，钱志余，邢丽冬，金 帅，刘保玉，李忠强

(南京航空航天大学自动化学院，南京 210016)

基于P300的3D影片上边框效应对人体健康的影响

王 笑，钱志余，邢丽冬，金 帅，刘保玉，李忠强

(南京航空航天大学自动化学院，南京 210016)

针对3D影片中出现的上边框效应是否会引起人体不适的问题，对35名志愿者先后观看明显含有上边框效应和不含上边框效应的3D片段后的P300峰值和潜伏期进行了系统研究．实验结果表明志愿者在观看含有上边框效应的3D片段后P300的峰值明显高于观看相应不含上边框效应的3D片段后P300的峰值，相应的潜伏期无明显差异．结合P300峰值和潜伏期的实验结果以及志愿者主观评价，可知短时间上边框效应会导致人体出现不适感．结果表明为了保证观看观众的舒适感，3D影片中上边框效应内容不宜过多．

3D影片参数；上边框效应；P300；舒适度

近年来3D技术被广泛应用于影片的制作当中．人们通过3D电视感受3D影片带来的前所未有的视觉感受的同时，身体也产生了一些不适的反应．一些观众表示在3D电视上观看过3D影片后会出现不同程度的眼疲劳、头晕甚至呕吐的现象．因此，找出3D影片中何种原因导致人们产生身体不适就显得十分必要．

目前，国外一些相关研究领域的专家已对观看3D影片所带来的不适进行了研究．Kuze等[1]通过对272名志愿者进行主观问卷发现，人们在观看3D影片后，产生了明显的身体不适．除了用主观评价的方法来对3D影片引起的疲劳进行评价外，研究者们还采取了一些客观方法对其进行研究．Li等[2]通过研究眨眼频率发现，在静态立体影像刺激下，人的眨眼频率与不适程度成正比，而在平面运动影像刺激下，眨眼频率与不适程度成反比．李忠强等[3]发现在观看3D电视前后，志愿者脑电中α波和β波相对能量发生了变化，且α波在额部增幅明显．Chen等[4]发现志愿者在分别观看2D和3D电影后脑电波各节律的能量间发生了明显的变化，Lambooij等[5]指出观看3D影片产生的视觉不适可由屏幕视差过大引起，即使视差在1°以内，仍可致使人体产生不适．除了视差，科学家们对观看环境、影片内容、观看时间长短和显示屏幕的大小对观看者的影响也进行了相应的研究，发现以上因素都会对人体产生一些影响[6-8]．Frey等[9]发现，人在观看立体图片后的舒适程度会引起Pz电极处诱发电位的变化．Li等[10]发现当人们长时间观看3D影片后注意度会下降，因而产生了P700．Mun等[11]同样用ERP和SSVEP证实了观看3D影片确实会使人体产生疲劳．

近几年，国内针对3D影片对人体健康影响的研究也越发火热．北京大学艺术学院的邱章红教授及其团队对3D影片制作中可能会出现的一些问题提出了“中国3D立体影视健康安全标准测试序列”，并制作了相应的测试片源，本文就其中的上边框效应(upper board effect，UBE)进行了研究，通过对比志愿者观看含有上边框效应的3D片段和不含上边框效应的3D片段后P300峰值和潜伏期的变化，来确定上边框效应是否会使人体产生不适．

1 研究方法

1.1 上边框效应

所谓上边框效应是指图像中物体的顶部由于某种拍摄原因并未被完全呈现，观众看上去有一种物体顶部被电视机边框削去的感觉．如图1所示，虽然以2D模式播放这种效果已被观众认同，人们可以通过思维上的弥补而不产生逻辑错误；但是当它以3D模式播放时，尤其是当人们感觉物体是以一种立体的方式呈现于电视屏前或屏后时，会给观众一种物体顶部被电视机边框削去的感觉，给人们的逻辑上造成困扰．

图1 上边框效应测试片源样片Fig.1 Test film sample of UBE

1.2 P300原理

P300通常是在靶刺激发生后300,ms左右出现的一个正波，其波幅一般在5～20,μV(见图2)，并且一般在Pz通道附近最高．研究表明，人的知觉和注意度会影响P300的波幅，并且任务的复杂度会影响P300的潜伏期，有时P300的潜伏期甚至可以长达1,000,ms[12]．由于P300可以用来反映人体认知活动中的神经电活动，张崇等[13]将P300用于人体大脑疲劳度的研究，并且发现随着大脑疲劳度的加深，P300的波幅会下降，潜伏期会增加．

图2 P300波形Fig.2 Wave of P300

1.3 Oddball范式

P300一般通过Oddball范式获得．经典的Oddball范式是在一项实验中随机呈现同一感觉通道两种不同概率的刺激[14]．其中，出现概率大的称为标准刺激，一般占总刺激数的80%；而出现概率小的刺激称为偏差刺激(靶刺激)，其出现概率一般为20%[14]．实验中，将白字黑底的阿拉伯数字图片“2”(靶刺激)和“8”(标准刺激)随机呈现在14寸(28.57,cm×21.43,cm)CRT显示器上，每个刺激的呈现时间为50,ms，且呈现时显示器背景色为黑色．所有图片宽均为113像素，高均为175像素．相邻两个刺激的时间间隔为(1,000±200)ms内随机．志愿者需要在接收靶刺激后尽快按下鼠标左键．用于叠加计算P300的脑电数据为刺激出现前100,ms至刺激出现后700,ms，单次实验靶刺激叠加数据为30个．

1.4 主观问卷

同时采用SSQ问卷[1]来记录志愿者在实验中每个环节的主观精神状态．该问卷共16个问题，主要用来了解志愿者当时眼部、头部等方面的感觉，如视力模糊、眼沉重、眼干、眼胀、眼花、异物感、困倦、头痛、头晕、恶心、呕吐等．

2 实验内容

2.1 实验准备

2.1.1 实验条件

35名志愿者参与了本次实验．志愿者均为身体健康、立体视觉功能正常的男性，右利手，年龄分布在23～25岁之间．实验于下午2点，在1间密闭且室温保持在24,℃左右的房间内进行．实验前，志愿者要保持良好的精神状态并保证头皮清洁干净．所有志愿者均先后被要求观看处于静音状态的含有上边框效应的3D片段和相应不含有上边框效应的正常3D片段．其中，含有上边框效应的3D片段取自北京大学艺术学院的邱章红教授及其团队制作的中国3D立体影视健康安全标准测试序列的第一批测试序列片源；正常3D片段是从影片《深海猎奇》中截取的相同时长且画面效果非常缓和的3D片段，该片段经前期实验测试，普遍反映观后感觉较为舒适．所有片段均为213,s，格式为左右通道MPEG，画面大小为1,920×1,080．

2.1.2 实验设备

实验中采用的3D电视及其配套眼镜为海信快门式液晶电视LED46XT39G3D及其配套的3D眼镜FPS3D02．脑电信号采集采用便携式Neuroscan脑电仪，电极选择国际标准的10～20导联(见图3)，30个通道用于采集脑电信号；参考电极A1、A2为双侧乳突；另有4个通道用来采集水平眼电和垂直眼电．采样频率为1,000,Hz．采集过程中各电极电阻均保持在5,kΩ以下．

图3 脑电采集系统电极分布Fig.3 Electrode distribution of EEG acquisition system

2.2 实验流程

如图4所示，在实验开始前，志愿者会被要求填写一张主观问卷记录当前自己的感觉，问卷结束后，志愿者将进行第1次P300测试；之后，他们会观看一段含有上边框效应的3D片段；观看完毕后进行第2次P300测试和主观问卷调查；之后再观看相应不含上边框效应的正常3D片段；观看完毕后进行最后一次P300测试及主观问卷．

2.3 实验数据

使用Neuroscan脑电仪自带的Curry7软件对所有P300脑电数据进行采集和处理．将原始脑电信号经过去基线、工频陷波后，对0.01～30,Hz范围内的脑电信号进行提取．将所得信号采用协方差的方法滤除眼动伪迹，并将幅值高于100,μV的信号作为坏区剔除；将最后得到的数据进行融合，分析Pz电极产生的P300波形及其相关参数，并运用SPSS 13.0对实验结果做统计分析．图5为单次实验Pz通道获得的P300波形．

图4 实验流程Fig.4 Flow chart of the experiment

图5 单次实验获得的P300波形Fig.5 P300 wave of the single-trial

3 实验结果分析与讨论

3.1 实验结果分析

图6是35名志愿者在观看含有上边框效应的3D片段后和观看不含上边框效应的正常3D片段后P300峰值和潜伏期的变化．从图6(a)中可以看出，74%的志愿者在观看含有上边框效应的3D片段后P300的峰值均高于观看不含上边框效应的正常3D片段后P300的峰值，幅度变化集中在1,μV左右(见图7(a))；然而在潜伏期上，图6(b)显示51%的志愿者在观看含有上边框效应的3D片段后的P300的潜伏期比观看不含上边框效应的正常3D片段后P300的潜伏期要长，主要集中在100,ms以内(见图7(b)).

图8为将35名志愿者的有效数据叠加得到的观看含有上边效应3D片段后和不含上边框效应的正常3D片段后P300波形的对比．从图中可以看出，观看含有上边框效应的3D片段后P300的峰值明显高于观看不含上边框效应的正常3D片段后P300的峰值，其中，观看含有上边框效应的3D片段后P300的峰值约为5.07,μV，而不含上边框效应的正常3D片段的P300峰值约为4.05,μV．从潜伏期上看，观看含有上边框效应的3D片段后的潜伏期比观看不含上边框效应的正常3D片段的潜伏期略短，分别约为425,ms和460,ms．统计分析显示观看含有上边框效应的3D片段后P300的峰值与观看不含上边框效应的正常3D片段后P300的峰值相比具有明显的差异性(p＝0.001＜0.01)，具有统计意义；而潜伏期上并无明显差异性(p＝0.623＞0.05)，不具有统计意义.从图8中还可以发现，观看不含上边框效应的正常3D片段后的P300波形没有观看含有上边框效应的3D片段后P300波形明显．

从主观问卷的结果来看，大多数志愿者反映眼部有不适感产生，个别志愿者会有头晕现象，但不严重，均可以承受．

图6 个体观看上边框效应3D片段和正常3D片段后P300的变化Fig.6 Contrast of P300 between watching 3D film with and without UBE of every volunteer

图7 35名志愿者观看上边框效应3D片段和正常3D片段后P300的相对变化趋势Fig.7 Relative contrast of P300 between watching 3D film with and without UBE of 35 volunteers

图8 35名志愿者观看上边框效应3D片段和正常3D片段后P300波形对比Fig.8Contrast of P300 waves between watching 3D film with and without UBE of 35 volunteers

3.2 讨 论

张崇等[13]发现，P300的波幅下降、潜伏期增加，表明大脑的疲劳度在增加．同时大量P300变化对人体疲劳影响的研究表明，P300的波幅或潜伏期发生一定程度的变化，人体就会出现一定程度的疲劳或不适感，而P300波幅、潜伏期与疲劳度相关的变化规律目前还没有绝对定性的标准．从本文上边框效应实验发现观看含有上边框效应的3D片段P300峰值明显升高，而潜伏期无明显差异，可能就是人体不适反应或产生疲劳感的原因，这个结果也直接证明了短时间上边框效应对人体的舒适度有一定程度的影响．

另外，从35位志愿者主观问卷统计发现，大部分人在观看上边框效应片段后眼部有轻度不适，部分志愿者有其他轻度不适感，但由于测试时间较短，没有特别明显疲劳反应．由于不同志愿者身体状况不同，对实验结果有一定影响，这一点不仅反映在P300峰值和潜伏期的变化上，从主观评价中也可以看出，有的志愿者对上边框效应反应比较剧烈，有的反应比较平和．综合P300与志愿者问卷统计结果，上边框效应一定会对人体的舒适度产生一定的影响，这种影响对部分人群的影响可能较大，而部分人群可能很小，但多次上边框效应的累积可能会产生明显的生理学效应，导致明显不舒适反应，因此在3D影片中上边框效应不宜连续或频繁出现，以减少3D影片上边框效应的不利影响．

本研究除P300峰值和潜伏期外还对志愿者观看含有上边框效应的3D片段后和观看不含上边框效应的正常3D片段后P300的反应错误率进行了统计分析，发现志愿者在观看含有上边框效应的3D片段后出现的P300反应错误率要略高于观看不含上边框效应的正常3D片段后P300反应错误率，结果统计意义不明显(p＞0.05)，这部分结果可能也是上边框效应的影响下志愿者个体差异的表现．

由于脑电实验中通道数较多，可能不同通道的P300结果有一定差别，为此对实验中32个采集通道进行了分析．图9和图10分别给出了35名志愿者观看上边框效应的3D片段后和不含上边框效应的正常3D片段后所有通道以及每个通道P300波形．可以看出P300电位在大部分通道的波形变化特征一致．本研究P300的各项参数均由反应明显的Pz通道获得，从图10可以看出除了Pz通道外，Fz、FCz、Cz、CPz、Oz波形类似，其P300峰值、潜伏期结果也相似．因此本文的结果具有一定的代表性意义，同时也具有全脑P300的普遍意义，能够描述人脑功能特性．

图9 35名志愿者观看上边框效应片段和正常片段后所有通道的P300波形对比Fig.9 Contrast of P300 waves in all channels between watching film with and without UBE of 35 volunteers

图1035 名志愿者观看上边框效应片段和正常片段后各个通道的P300波形Fig.10Contrast of P300 waves in each channel between watching film with and without UBE of 35 volunteers

4 结 语

本文通过事件相关电位(event-related potential，ERP)实验研究了3D影片上边框效应对人体舒适度的影响，重点考察P300成分．研究结果表明在观看上边框效应3D影片P300的峰值相比不含上边框效应的正常3D影片明显提高，但在潜伏期上，二者并无明显变化，这个结果证明3D影片上边框效应确实会对人体产生一定影响，而这种对人体舒适度的影响可能因人而不同，如果这种效应进行累积会产生明显的人体生理不舒适反应，这种结果对人体健康显然不利．

论文结果表明3D影片中上边框效应不宜持续过长时间或频繁出现，这个结果对今后3D影片制作具有极其重要的指导意义．

致 谢

向为本文提供中国3D立体影视健康安全标准测试序列片源的北京大学艺术学院的邱章红教授及其团队表示衷心的感谢．

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(责任编辑：赵艳静)

P300 Based Effects of Upper Board Effect from 3D Film on Human Discomfort

Wang Xiao，Qian Zhiyu，Xing Lidong，Jin Shuai，Liu Baoyu，Li Zhongqiang
(School of Automatic Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

This paper explored whether upper board effect(UBE)could lead to human discomfort. 35 volunteers participated in this study. P300 event-related potential(ERP)experiments were conducted before and after watching the 3D segment with and without UBE. The comparison showed that the 3D segment with UBE induced higher P300 amplitude than that without UBE did. However，it almost had no change in latency. Combining P300 results with the subjective evaluation of those 35 volunteers，it can be concluded that short-time upper board effect would lead to human discomfort. Therefore，it is suggested that there should not be appeared too much UBE in 3D films to ensure human comfort level.

3D film parameter；upper board effect；P300；comfort level

R318

A

0493-2137(2015)09-0839-06

10.11784/tdxbz201401023

2014-01-08；

2014-07-15.

国家自然科学基金资助项目(61171059)；科技部十二五国家科技支撑计划资助项目(2012BAI23B07)；南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金资助项目(kfjj20130212)；江苏省研究生培养创新工程资助项目(KYLX_0248)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目.

王 笑（1988— ），女，博士研究生.

钱志余，zhiyu@nuaa.edu.cn.

时间：2014-09-03.

http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20140903.1012.003.html.