觀看角度和觀看時間對觀看裸視立體3D 顯示器之視覺疲勞與主觀偏好的影響

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本研究主旨在探討電影型式、觀看角度和觀看時 間 ， 對 觀 看 裸 視 立 體 顯 示 器 （Naked-Stereoscopic 3-Dimensional display, NS3D）之視覺疲勞與主觀偏好 的影響。先由實驗一中找出偏好環境照明，實驗二再 依實驗一所得之偏好環境照明進行實驗。實驗結果顯 示 ， 電 影 型 式 對 閃 光 融 合 閾 值 （Critical Fusion Frequency, CFF）變化與主觀視覺身體不舒適影響顯 著。觀看角度對 CFF 變化與主觀視覺身體不舒適的 影響顯著。當觀看角度隨著愈偏離正面時（觀看角度 為00_{，即研究參與者正對著螢幕），CFF 變化量似乎} 有愈大的趨勢。就觀看時間而言，本研究發現觀看時 間對 CFF 變化與主觀視覺身體不舒適的影響顯著。 當觀看時間愈長，CFF 變化量與主觀視覺身體不舒適 似乎有愈大的趨勢。研究結果顯示，影像型式2D 和 3D 之偏好環境照明度（PI）分別為 230 lx 與 281 lx。 ᙯᔣෟ：裸視立體顯示器、主觀視覺身體不舒適、 CFF 變化

ಥă݈֏

科技的發展和生活型式的改變，已經導致在每天 觀看電視環境的顯著變化。在技術方面上，有大尺寸 寬銀幕的PDP 和 LCD 已經迅速地取代 CRT 電視。 顯示器是人與TV 的主要介面形式。好的顯示器介面 及資訊顯示設計，可以增加更豐富訊息之傳遞和創造 一種更豐富的視覺文化，並減少視覺和認知的負荷。 立體三維（Stereoscopic 3-Dimensional, S3D）顯示器 是現在視覺顯示器之新類型的最熱門的話題。iSuppli 預估，2010 年 3D 立體電視出貨量可達 420 萬台，甚 至到了2014 年將超過 5 千多萬台[1]。日本研究機構 富士總研預估在 2015 年 3D 立體電視出貨量可達 8,500 萬台，約佔整體數位電視比例達 47%，甚至到 2020 年可達 1.3 億台的水準，佔整體數位電視比例達 65%[2]。 在很多文獻探討中[3-12]，Tam et al.（2011）[3] 指出當與標準的 2D 電視相比較時，3D 電視的最大 興趣來自於這種立體三維的技術大大提高多媒體節 目之娛樂價值。顯然地，S3D 顯示器和觀看內容的設 計之主要好處是增強深度知覺[5, 6, 9]，以及觀眾臨場 的感覺[13, 14]和更沈浸於顯示內容（例如，電視，電 影院，移動設備，科學視覺化[15-17]）。許多研究結 果顯示當注視立體影像時，有些觀眾感覺視覺、眼睛 和身體不舒適[3, 18-19]。Berezin（2010）[20]發現在 他的研究中看完立體3D 影片之後，30％的觀眾報告 眼睛疲勞。Yang et al.（2011）[19]也發現觀看同一主 題之2D 和 3D 電影經驗之間的比較，對立體 3D 的觀 看也呈現顯著較大的視力模糊的症狀，複視，噁心， 1 _{亞東技術學院工業管理系} 2 _{亞東技術學院體育室} * _{通訊作者：李德松} E-mail：dersonglee@gmail.com

頭暈。當觀看立體影像時，影響視覺不舒適和疲勞有 數個潛在因素。Tam et al.（2011）[3]將這些因素分為 五類：(a)輻輳調節衝突[21]，(b)視差分佈[22, 23]，(c) 雙眼不匹配[23]，(d)深度不一致[24]，以及(e)感知和 認知不一致[25]。 在顯示器上影響視覺績效和視覺疲勞有很多因 素，譬如：環境照明、觀看角度、螢幕亮度等。環境

照明為視覺顯示終端機（Visual Display Terminal,

VDT）作業環境設計的重要考慮因素之一，目前已有 許多研究建議VDT 的環境照明水準。一般而言，對 CRT 工作站，均建議環境照明應介於 200 lx 至 500 lx 之間。Helander 與 Rupp（1984）[26]指出環境照明度 水準的選擇，應視作業內容而定。Ostberg（1980）[27] 認為，環境照明必需適當，對於需要直接從 CRT 閱 讀的工作環境更是重要。Xu 和 Zhu（1990）[28]的研 究則發現，較高環境照明的視覺績效比較低的環境照

明佳。Chen and Lin（2004）[29]指出 TFT-LCD 與 CRT

相比較，就視覺辨別和主觀偏好而言，更低的環境照 明度（200 lx）比更高的環境照明度（700 lx）稍微好 一點。Shieh and Lin（2000）[30]發現螢幕類型明顯

地影響視覺績效，研究參與者以LCD 執行較以 CRT

執行的好，以及對 200 lx 而言，視覺績效在 450 lx

的 環 境 照 明 度 下 較 好 。 美 國 照 明 工 程 學 會 （Illumination Engineering Society)（1981）[31]建議

一般性辦公作業的照明水準為750 lx，德國工業標準

（1981）[32]建議為 500 lx。有關 VDT 設備辦公室的 實際照明水準調查研究發現，大部份的照明水準介於 300 到 500 lx 之間（Laubli et al., 1982; Stammerjohn et al., 1981）[33, 34]。綜上所述，對 CRT 和 LCD 螢幕 之環境照明建議約 500 lx 或更低，因為他們是背光。 較高的環境照明可能會沖刷在螢幕上的影像，並可能 導致刺眼而干擾視覺作業。Shen et al.（2009）[35] 指出對E-paper 顯示器之環境照明建議大於 700 lx 或 更高。 視覺疲勞和視覺身體不舒適的量測有許多方法 可用，Chi and Lin（1998）[36]研究揭示閃光融合閾

值（Critical Fusion Frequency, CFF）適合作較長期作

業的視覺疲勞評估指標。Li et al.（2004）[37]指出 CFF 閾值下降，顯示視覺疲勞的增加。相反地，CFF 閾值 的增加表示視覺靈敏度的增加。 總之，裸視 S3D 顯示器之視覺疲勞與主觀偏好 有什麼影響的人因工程評估相當地缺乏。當觀看S3D 影像時，有數個潛在因素（例如，輻輳調節衝突、視 差分佈、雙眼不匹配、深度不一致，以及感知和認知 不一致）影響視覺疲勞和視覺不舒適。除此之外，觀 看人員的特質及以觀看環境特性都必須考量。這些因 素中，環境照明、觀看角度、觀看時間將在本研究中 予以探討。一般擺設S3D-TV 的客廳照明大概在 500 lx ~ 700 lx 附近，高一點或低一點的照明對視覺疲勞 和主觀偏好的影響，以及一般大眾在觀看NS3D 之偏 好環境照明如何皆值得探討。因此，有必要進行更多 的實證分析以瞭解觀看裸視 S3D 顯示器的視覺疲勞 和視覺身體不舒適，以提供使用者、節目內容製作 者、節目提供商、廣播電視、以及研究人員及顯示器 製造商指引與建議。 因此，本研究即在探討環境照明、觀看角度和觀 看時間，對觀看 NS3D 之視覺疲勞與主觀偏好的影 響，以及一般大眾在觀看NS3D 之偏好環境照明的影 響，共有兩個實驗。

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˘ă၁រనࢍ 實驗一：自變項只有一個：影像型式：有2 個水 準，2D 和 3D。因變項為偏好環境照明（Preferred Illumination, PI）。共有兩個受試者間處理（2 個影像 型式），每一個不同的受試者間處理隨機安排45 名研 究參與者。 實驗二：自變項有三個：(1)影像型式：有 2 個水 準，2D 和 3D；(2)觀看角度：有 3 個水準，0 度、左 45 度(+45 度)、右 45 度(-45 度)，如圖 1 所示；（3） 觀看時間：有3 個水準，10 分鐘、20 分鐘和 30 分鐘。

ဦ1 ៍࠻֎ޘ 因變項有兩個：視覺疲勞與主觀視覺身體不舒適 與。視覺疲勞：研究參與者實驗前及實驗後，量測閃 光融合閾值（CFF），以前後兩次差異，作為視覺疲 勞指標。主觀視覺身體不舒適評估:研究參與者在每 一期間完成電影觀看之後，以Yang et al.（2011）[19] 的15 個題目衡量主觀視覺身體不舒適（(1) 一般來說 你有沒有感覺身體更不舒服？(2)你覺得眼睛有沒有 感覺更累？(3)你覺得眼睛有沒有更疲勞或抽拉的感 覺？(4)你覺得頭很漲，或頭很痛嗎？(5)你覺得愈加 的神誌不清或暈眩嗎？(6)你覺得現在所觀看的場景 更加的模糊嗎？(7)你覺得在場景直觀聚焦上有很困 難嗎？(8)你覺得頭暈更嚴重嗎？(9)你看到的場景有 更多的多重影像嗎？(10)你看到的字詞會移動，跳 躍，搖晃，或出現在頁面上的字詞更浮動嗎？(11)你 覺得頸部很酸痛嗎？(12)你有沒有覺得更加疲倦或昏 昏欲睡嗎？(13)你覺得在工作中集中精神很困難嗎？ (14)你覺得清晰地思考很困難嗎？(15)你覺得記住你 曾經看到的很困難嗎？），每題1-10 分，分數愈高表 示愈疲勞。共有18 個受試者間處理（2 個影像型式 × 3 個觀看角度 × 3 個觀看時間），每一個不同的受試 者間處理安排5 名研究參與者。 ˟ăצྏ۰ 實驗一受測者：共 90 位研究參與者參加本實 驗，都是大學生。年齡在18 到 22 之間（M = 20.1, SD = 1.2）。實驗二受測者：共90 位研究參與者參加本實 驗，都是大學生。年齡在18 到 24 之間（M = 20.5, SD = 1.1）。均沒有色盲或其他眼疾，其裸視與矯正後視 力在0.8 以上，男女不拘。在學校的網際網站及佈告 欄上張貼公告招募研究參與者。在研究中所有的參與 者簽下書面同意書。 ˬă၁រጡՄ 1. 視 力 計 與 色 盲 檢 驗 圖 ： 用 Topcon 視 力 計 （Topcon SS-3）來檢查研究參與者的視力，並 以標準色盲檢驗圖檢查研究參與者是否有色 盲。 2. 實 驗 時 之 光 源 照 度 以 照 明 度 計 （ TOPCON IM-2D）量測之。 3.視距以直尺量測。 4.資料分析以 SAS 軟體進行。 5.以 VeriVide CAC 120-5 照明箱控制光源及照

度。並以Lafayette Flicker Fusion System 12023A 量

測CFF。

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實驗在亞東技術學院工業管理系人因工程實驗

室進行。VDT 工作站的安排，立體 3D 顯示器（Toshiba

Qosmio F750 3D notebook, 15.6 inches, 顯示器大 小：345 mm (W) × 195 mm (H), 解析度: 1920 × 1080 dots）置於照明箱，，離桌緣 320 mm，以及離 地面高度為730 mm 的桌面上，S3D 的螢幕角度垂直 於桌面上，座椅高度為460 mm，研究參與者頭部緊 靠著支撐架控制。實驗室溫度控制在26 度 C，電視 機音量的大小設定在55~60 db（離 S3D 之 500 mm 處 測量）。觀看距離固定在離桌緣 620 mm。使用 D65 （日光燈）光源。螢幕亮度固定控制在 S3D 影像上 的刻度4（約為 135 cd/m2_{），刻度範圍從1 到 7，數} 值愈大表示影像亮度愈大。螢幕亮度對比以 Blu-ray 磁碟播放軟體固定控制在S3D 影像的刻度 0，數值愈 大表示影像亮度對比愈大。實驗二之環境照明度乃依 據實驗一所得平均偏好照明度固定為255 lx，這些尺 寸皆固定不變。 ̣ă၁រ඀Ԕ

電影標題為“Pirates of the caribbean on stranger tides”（刺激材料），在實驗過程中可以使用 2D 或 3D 格式顯示，從藍光 DVD 播放。影片的顯示格式是

藍光3D，螢幕解析度設定為 1920 × 1080 點。電影由 Blu-ray Disc Player 軟件播放。

實驗一偏好環境照明之量測，每一名研究參與者 都需要進行以下步驟： 1.檢查視力與色盲。 2.受測者依隨機指派的影像型式，在你的眼睛最 舒適與看清楚的情境下，請你看電視約5 分鐘 之後，開始調整出最適的環境照明度，共兩 次，第一次先從照明度由暗往上調整至最適的 照明度，確定之後，量測照明度；第二次從照 明度由最亮往下調整至最適的照明度，確定之 後，量測照明度。 實驗二觀看角度和觀看時間對裸視立體3D 顯示 器之主觀偏好的量測，每一名研究參與者都需要進行 以下步驟： 1.檢查視力與色盲。 2.觀看電影之前進行測量 CFF。 3.坐在可移動的椅子，高 460 mm，並觀看 S3D 顯示器上的電影。 4.研究參與者完成觀看之後，再進行測量 CFF， 每一位研究參與者並立即回應視覺/身體症狀 問卷。 實驗一每一位研究參與者完成整個實驗約需 10 分鐘，研究參與者實驗報酬為80 元。實驗二研究參 與者實驗報酬分為 100 元（10 分鐘）、150 元（20 分鐘）和200 元（30 分鐘）。

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˘ă၁រ˘ 表1 中顯示影像型式各水準下 PI 之平均數與標 準差。以下為PI 的 t 檢定分析結果。 ܑ1 ᇆညݭёЧͪ໤˭ PI ̝πӮᇴ׶ᇾ໤म 影像型式 平均數(lx) 標準差 2D 230 85.4 3D 281 107.0 表1 中顯示在影像型式 2D 與 3D 上之 PI，分別 為 230 lx 與 281 lx。t 檢定分析結果，影像型式對 PI 影響顯著（t = -2.50， p < 0.05）。觀看 3D 電影之 PI 高於觀看2D 電影之 PI。 ˟ă၁រ˟ 表2 中分別顯示自變數各水準下 CFF 變化（Hz） 與主觀視覺身體不舒適之平均數與標準差。以下為 CFF 變化與主觀視覺身體不舒適的變異數分析結果。 ܑ2 ҋតᇴЧͪ໤˭ CFF ត̼(Hz)ᄃ͹៍ෛᛇ֗វ ̙නዋ̝πӮᇴ׶ᇾ໤म 平均數 標準差 平均數 標準差 影像型式 2D -2.36 2.32 52.67 27.89 3D -3.70 3.18 65.13 26.53 觀看角度(度) -45 -3.84 2.45 66.37 31.94 0 -1.85 2.69 48.90 26.06 45 -3.40 3.06 61.43 22.40 觀看時間(分) 10 -2.14 3.00 51.23 30.20 20 -3.12 2.30 56.77 24.56 30 -3.83 3.02 68.70 26.24 總平均 -3.03 2.83 58.90 27.63 自變數 CF F 變化 (H z) 主觀視覺身體不舒適 Ğ˘ğCFF ត̼ 表2 中顯示在影像型式 2D 與 3D 上之平均 CFF 變化，分別為 -2.36 Hz 與 -3.70 Hz。表 3 CFF 變化 變異數分析的結果，影像型式對 CFF 變化影響顯著 （F(1, 72) = 6.12， p < 0.05）。觀看 3D 電影之 CFF 變 化的平均數高於觀看2D 電影之 CFF 變化的平均數。 CFF 遞減量的增加表示增加視覺疲勞，以及視覺靈敏 度的下降。 表2 中顯示在觀看角度-45、0、45 上之平均 CFF 變化，分別為 -3.84 Hz、-1.85 Hz 和 -3.40 Hz，觀看 角度對CFF 變化影響顯著（F(2, 72) = 5.00, p < 0.01）。 以 LSD 多重檢定求得二組間的臨界差異值為 1.32 Hz。表 4 LSD 多重檢定結果顯示，除了-45 度與 45 度兩者之間在 CFF 變化上無顯著差異之外，其他觀 看角度之間在 CFF 變化上有顯著差異。同時地，隨

著觀看角度愈偏離正面時(觀看角度為 00_{，即研究參} 與者正對著螢幕)，CFF 變化似乎有愈大的趨勢。 表2 中顯示在觀看時間 10、20、30 上之平均 CFF 變化，分別為 -2.14 Hz、-3.12 Hz 和 -3.83 Hz。表 3 CFF 變化之變異數分析結果顯示，觀看時間對 CFF 變化影響顯著（F(2, 72) = 3.29, p < 0.05）。以 LSD 多重 檢定求得二組間的臨界差異值為1.32 Hz。表 4 LSD 多重檢定結果顯示，除了 10 分鐘與 20 分鐘兩者之 間，以及20 分鐘與 30 分鐘之間在 CFF 變化上無顯 著地差異之外，其他觀看時間之間在 CFF 變化有顯 著地差異。同時地，隨著觀看時間愈長，CFF 變化似 乎有愈大的趨勢。 ܑ3 CFF ត̼̝តளᇴ̶ژܑ 變異來源 自由度 SS MS F 影像型式 1 40.00 40.00 6.12 * 觀看角度 2 65.33 32.66 5.00 * 影像型式*觀看角度 2 7.56 3.78 0.58 觀看時間 2 43.03 21.51 3.29 * 影像型式*觀看時間 2 23.76 11.88 1.82 觀看角度*觀看時間 4 33.33 8.33 1.28 影像型式*觀看角度*觀看時間 4 36.61 9.15 1.40 誤差 72 470.30 6.53 * Significant at α = 0.05 level. * *_{Significant at α = 0.01 level.} ܑ4 LSD кࢦᑭؠܑ 自變數 水準 CF F 變化a 主觀視覺和身體不舒適a -45 -3.84 A 66.37 A 0 -1.85 B 48.90 B 45 -3.40 A 61.43 A 10 -2.14 A 51.23 A 20 -3.12 AB 56.77 AB 30 -3.83 B 68.70 B 觀看角度 觀看時間 a 在同一欄位中，緊跟著平均數之相同字母，代表沒有顯著差異。 Ğ˟ğ͹៍ෛᛇ֗វ̙නዋ 表 2 中主觀視覺身體不舒適之平均評估值在影 像型式2D 與 3D 上，分別為 52.67 與 65.13。表 5 主 觀視覺身體不舒適變異數分析結果顯示，影像型式對 主觀視覺身體不舒適影響顯著（F(1, 72) = 5.99，p < 0.05）。觀看3D 電影之主觀視覺身體不舒適平均評估 值高於觀看2D 電影之主觀視覺身體不舒適平均評估 值。 表2 中顯示在觀看角度-45、0、45 上之主觀視覺 身體不舒適之平均評估值，分別為 66.37、48.90 和 61.43，觀看角度對主觀視覺身體不舒適影響顯著（F(2, 72) = 4.17, p < 0.05）。以 LSD 多重檢定求得二組間的 臨界差異值為12.43。表 4 LSD 多重檢定結果顯示， 除了-45 度與 45 度兩者之間在主觀視覺身體不舒適 上無顯著地差異之外，其他觀看角度之間在主觀視覺 身體不舒適上有顯著地差異。同時地，隨著觀看角度 愈偏離正面時（觀看角度為00_{，即研究參與者正對著} 螢幕），主觀視覺身體不舒適似乎有愈大的趨勢。 ܑ5 ͹៍ෛᛇ֗វ̙නዋ̝តளᇴ̶ژܑ 變異來源 自由度 SS MS F 影像型式 1 3496.90 3496.90 5.99 * 觀看角度 2 4865.07 2432.53 4.17 * 影像型式*觀看角度 2 5969.07 2984.53 5.11 ** 觀看時間 2 4781.07 2390.53 4.09 * 影像型式*觀看時間 2 427.47 213.73 0.37 觀看角度*觀看時間 4 3739.07 934.77 1.60 影像型式*觀看角度*觀看時間 4 3378.67 844.67 1.45 誤差 72 42042.80 583.93 * _{Significant at α = 0.05 level.} * *_{Significant at α = 0.01 level.} ဦ2 ᇆညݭё x ៍࠻֎ޘ̝ม۞Ϲ̢үϡ 影像型式與觀看角度之間的交互作用效果顯著 （F(2, 72) = 5.11, p < 0.01），如圖 2 所示。觀看角度 在-45 與 0 度時，影像型式 3D 的主觀視覺身體不舒 適皆為最大。但隨著觀看角度為45 度時，影像型式 2D 的主觀視覺身體不舒適高於 3D 的影像型式。

表2 中顯示在觀看時間 10、20、30 上之主觀視 覺身體不舒適之平均評估值，分別為51.23、56.77 和 68.70。表 5 主觀視覺身體不舒適之變異數分析結果 顯示，觀看時間對主觀視覺身體不舒適影響顯著(F(2, 72) = 4.09, p < 0.05)。以 LSD 多重檢定求得二組間的 臨界差異值為12.44。表 4 LSD 多重檢定結果顯示， 除了10 分鐘與 20 分鐘兩者之間，以及 20 分鐘與 30 分鐘之間在主觀視覺身體不舒適上無顯著地差異之 外，其他觀看時間之間在主觀視覺身體不舒適有顯著 地差異。同時地，隨著觀看時間愈長，主觀視覺身體 不舒適似乎有愈大的趨勢。

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本研究的主要目的在探討影像型式、觀看角度和 觀看時間，對觀看裸視立體顯示器之主觀偏好的影 響。 研究參與者在觀看3D 的影像型式之偏好環境照 明（281 lx）高於影像型式 2D 的偏好環境照明（230 lx）。 就影像型式而言，本研究發現在觀看3D 電影之 視覺疲勞比觀看2D 電影之視覺疲勞為大，另外，在 主觀視覺身體不舒適的影響上，觀看3D 電影也較觀 看2D 電影的影響稍為大一些。本研究與許多研究觀 看立體影像的結果互相一致[3, 18-19, 23]。 就觀看角度而言，本研究發現觀看角度對 CFF 變化與主觀視覺身體不舒適的影響顯著。當觀看角度 隨著愈偏離正面時，CFF 變化量似乎有愈大的趨勢。 就觀看時間而言，本研究發現觀看時間對 CFF 變化與主觀視覺身體不舒適的影響顯著。當觀看時間 愈長，CFF 變化量與主觀視覺身體不舒適似乎有愈大 的趨勢。本研究的結果可以作為消費者在觀看NS3D 時之注意事項，以及製造廠商之設計指引。

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本研究由國科會計畫NSC 102 - 2221 - E - 161 - 009 補助，特此致謝。

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EFFECTS OF viewing angle AND LUMINANCE ON subjective preferences IN

NAKED-STEREOSCOPIC 3-DIMENSIONAL DISPLAY

Der-Song Lee

1,

Ya-Hsien Ko

1

_{Din-Lin Wang}

2

Abstract

This study explored the effect of display type, viewing angle and viewing time on visual fatigue and subjective preferences in naked-stereoscopic 3-dimensional display (NS3D). Display type had significant effects on change of critical flicker fusion (CFF) change, subjective visual and physical discomfort. Viewing angle had significant effects on CFF change, subjective visual and physical discomfort. Viewing angle also correlated significantly with CFF change, subjective visual and physical discomfort. The more deflected from direct frontal view, the higher the CFF change seemed to be. Viewing time had significant effects on CFF change, subjective visual and physical discomfort. As viewing time increased, the greater the CFF change, subjective visual and physical discomfort increment became. This study explored the effect of display type (2D and 3D) on preferred illumination (PI) in NS3D. Results showed that the PIs for 2D and 3D were 230 lx and 281 lx respectively.

Keywords: Naked-stereoscopic 3-dimensional (NS3D); Subjective visual and physical discomfort; CFF change.

1 _{Department of Industrial Management, Oriental Institute of Technology} 2 _{Physical Education Office, Oriental Institute of}

 _{Correspondence author: Der-Song Lee}