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本研究主旨在探討環境照明、觀看角度和螢幕亮 度，對觀看立體顯示器（Stereoscopic 3-Dimensional display, S3D）之視覺疲勞與主觀偏好的影響。實驗結 果顯示，環境照明對主觀視覺身體不舒適與主觀沈浸 感影響顯著。觀看角度對 CFF 變化、主觀視覺身體 不舒適與主觀沈浸感的影響顯著。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 變化似乎有愈大的趨勢。當觀看角度隨 著愈向右偏離正面時，主觀視覺身體不舒適與主觀沈 浸感之平均估計值似乎有愈大的趨勢。本研究發現螢 幕亮度對 CFF 變化、主觀視覺身體不舒適與主觀沈 浸感的影響不顯著。 ᙯᔣෟ：立體顯示器、CFF 變化、主觀視覺身體不舒 適、沈浸感1. ݈֏
隨著時代潮流的演進，顯示器也隨著材料的進 步，由 CRT、LCD、PDP、e-Paper，在產品外觀上具 有愈來愈輕薄的趨勢，同時具備省電與無輻射線之優 點。影片的發展在 1890 年代從無聲影片到有聲影 片，從黑白播送到彩色播送，由類比訊號到數位訊 號，近幾年來，傳統的 2D 平面影像，漸漸轉型為 3D 立體影像，3D 影像的熱潮將全面朝向 3D 電視播送 服務方向前進。[1]隨著 3C（Computer, Communication, Consumer Electronics）產品的發展，使得現代人之生活習慣隨 之改變，尤其在 3C 顯示器上的接觸愈加頻繁，譬如 電腦、電腦周邊、數位相機、手機、電子錶、電話、 通訊器材、電視、…等產品之顯示器上，顯示器是人 與 3C 產品的主要介面形式。由於環保與節能減碳是 世界潮流之趨勢，不管在技術或材質上皆有明顯的進 步，琳琅滿目、各式各樣的顯示器充塞整個市場，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。Futuresource Consulting 研究分析師 Sam Leech 指出在 2017 年， 3DTVs 將佔全球各地所有電視的 58％，比 2012 年增 加 18％的銷售量。[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 1 亞東技術學院工業管理系 * 通訊作者：李德松 E-mail：dslee@mail.oit.edu.tw
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 影像經驗之間的比較，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，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。觀看角度對偏好 視距的影響顯著，視線偏離螢幕正面，影像的扭曲程 度增加（Meister, 1966）[36]，因此視距會變短。此 外，一群人在觀看電視時只能有少數人正對電視螢 幕，其它人多少會與螢幕形成一些偏角，實地調查關 於家庭收看電視節目的平均視角約為 20 度到 60 度之 最大水平（Nathan et al., 1985; Kubota et al., 2006）[37, 38]。偏角對視覺疲勞與主觀偏好有什麼影響有待進 一步的分析。
螢幕亮度是影響視距的一個重要因素。螢幕亮度 低影像不清楚，觀看距離會縮短。太高的螢幕亮度除 了耗損能源外，也可能形成眩光，使眼睛敏銳度下降 而造成視覺不適。Lee & Huang（2012）[39] 指出螢 幕亮度對偏好視距的影響顯著，偏好視距隨螢幕亮度 由刻度 10 增至刻度 60 而增加，但 60 至 90 有些微下 降的趨勢，螢幕亮度是否對視覺疲勞與主觀偏好有什 麼影響值得探討。
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）[40] 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）[41] 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，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、螢幕亮度將在本研究中予 以探討。一般擺設 S3D-TV 的客廳照明大概在 500 lx ~ 700 lx 附近。一般在電影院裡的環境照度為 0 lx。 因此，有必要進行更多的實證分析以瞭解觀看 S3D
顯示器的視覺疲勞和視覺身體不舒適。 因此，本研究即在探討環境照度（亮和暗）、觀 看角度和螢幕亮度對觀看立體 3D 顯示器之視覺疲勞 與主觀偏好的影響，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。
2. ࡁտ͞ڱ
2.1 ၁រనࢍ 自變項有三個：（1）環境照度：有 2 個水準，暗 （0 lx）和亮（750 lx）；（2）觀看角度：有 3 個水準， 0 度、左 60 度（+60 度）、右 60 度（-60 度），如圖 1 所示；（3）螢幕亮度：有 3 個水準，控制在 S3D 影 像上的刻度 0、刻度 50 和刻度 100，刻度範圍從 0 到 100，數值愈大表示影像亮度愈大。三個因子均為受 試者間設計。 ဦ 1 ៍࠻֎ޘ 因變項有三個：視覺疲勞、主觀視覺身體不舒適 與主觀沈浸感。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影像觀看之後，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 環境照明Ű3 個觀看角度Ű3 個螢幕亮度），每一個不 同的受試者間處理安排 4 名研究參與者。 主觀沈浸感評估分數：研究參與者在每一期間完 成影像觀看之後，以 Kennedy et al.（1993）[42] 5 項 沈浸感問卷，衡量參與者之沈浸感（(1)這部電影在顯 示物體穿越空間的移動是有說服力的。(2)你有在電影 裡面移動的感覺。(3)在劇情中你涉入的程度？(4)視 覺顯示的品質是否讓你分心或干擾欣賞電影？(5)你 深深涉入電影，使你忘了時間的流失？），每題 1-10 分，分數愈高表示愈有沈浸感。 2.2 ࡁտણᄃ۰ 共 72 位研究參與者參加本實驗，都是大學生。 年齡在 18 到 23 之間（M = 20.4, SD = 1.2）。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。 2.3 ၁រጡՄ (1) 42 型 LG CINEMA3D 智 慧 型 TV ， 眼 鏡 （ AG-F310 偏 光 式 ） 13.5g ， Oppo Digital BDP-103 Blu-ray Disc Player 播放機。(2) 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。 (3) 實 驗 時 之 光 源 照 度 以 照 明 度 計 （ TOPCON IM-2D）量測之。 (4) 視距以直尺量測。
(5) 資料分析以 SAS 軟體進行。
(6) 以 Lafayette Flicker Fusion System 12023A 量 測 CFF。 2.4 VDT ̍ү৭ 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，42 型 LG CINEMA3D 智慧型 TV，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 2000 mm。使用一般日光燈光源， 環境照明在設計之水準±1%內，電視影像模式為標 準，觀看時間固定為 35 分鐘，這些尺寸皆固定不變。 2.5 ၁រԔ 電影標題為電影標題為“環太平洋（PACIFIC RIM）”（刺激材料），影片的顯示格式是藍光 3D， 螢幕解析度設定為 1920Ű1080 點。。電影由 Blu-ray Disc Player 軟件播放。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) 觀看 35 分鐘的電影。 (5) 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。
3.ඕڍ̶ژ
表 1 中分別顯示自變數各水準下 CFF 變化 （Hz）、主觀視覺身體不舒適與沈浸感之平均數與標 準差。以下為 CFF 變化、主觀視覺身體不舒適與沈 浸感的變異數分析結果。 ܑ 1 ҋតᇴЧͪ˭ CFF ត̼ĞHzğă៍ෛᛇ֗ វ̙නዋᄃՔওຏ̝πӮᇴᇾम 3.1 CFF ត̼ 表 1 中顯示在環境照度：暗（0 lx）與亮（750 lx） 上之平均 CFF 變化，分別為 -2.76 Hz 與 -1.04 Hz。 表 2 CFF 變化變異數分析的結果，環境照度對 CFF 變化影響顯著（F（2, 54） = 7.45， p < 0.01）。似乎在 環境照度在“暗”的條件下，CFF 遞減量增加，表示 增加視覺疲勞，以及視覺靈敏度的下降。 表 1 中顯示在觀看角度-60、0 與 60 上之平均 CFF 變化，分別為 -2.55 Hz、-0.76 與 -2.39 Hz。表 2 CFF 變化變異數分析的結果，觀看角度對 CFF 變化影響 顯著（F（2, 54） = 3.29， p < 0.05）。 以 LSD 多重檢定求得二組間的臨界差異值為 1.54 。表 3 LSD 多重檢定結果顯示，隨著觀看角度 愈偏離正面右邊時（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。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。 ܑ 2 CFF ត̼̝តளᇴ̶ژܑܑ 3 LSD кࢦᑭؠܑ 螢幕亮度對 CFF 變化影響不顯著。 3.2 ៍ෛᛇ֗វ̙නዋ 表 1 中主觀視覺身體不舒適在環境照度：暗（0 lx）與亮（750 lx）上之平均估計值，分別為 53.06 與 41.31。表 4 主觀視覺身體不舒適變異數分析結果 顯示，環境照度對主觀視覺身體不舒適影響顯著（F （1, 54） = 5.29， p < 0.05）。環境照度“暗”之主觀視 覺身體不舒適平均評估值高於環境照度“亮”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-60、0、60 上之主觀視覺 身體不舒適之平均評估值，分別為 56.46、42.67 和 42.42，觀看角度對主觀視覺身體不舒適影響顯著（F （2, 54） = 3.30, p < 0.05）。以 LSD 多重檢定求得二組間 的臨界差異值為 12.54。表 3 LSD 多重檢定結果顯 示，隨著觀看角度愈向右偏離正面時（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。 ܑ 4 ៍ෛᛇ֗វ̙නዋ̝តளᇴ̶ژܑ 螢幕亮度對主觀視覺身體不舒適影響不顯著。 3.3 ៍Քওຏ 表 1 中主觀沈浸感平均評估值在環境照度：暗 （0 lx）與亮（750 lx）上，分別為 27.56 與 31.33。 表 5 主觀沈浸感變異數分析結果顯示，環境照度對 主觀沈浸感適影響顯著（F（1, 54） = 4.67， p < 0.05）。 環境照度“暗”之主觀沈浸感平均評估值低於環境 照度“亮”之主觀沈浸感平均評估值。 表 2 中顯示在觀看角度-60、0、60 上之主觀沈浸 感之平均評估值，分別為 24.83、33.17 和 30.33，觀 看角度對主觀沈浸感影響顯著（F（2, 54） = 7.83, p < 0.05）。以 LSD 多重檢定求得二組間的臨界差異值為 4.29。表 3 LSD 多重檢定結果顯示，隨著觀看角度愈 向右偏離正面時（觀看角度為 00，即研究參與者正對 著螢幕），主觀沈浸感似乎有愈小的趨勢。螢幕亮度 對主觀沈浸感影響不顯著。 ܑ 5 ៍Քওຏ̝តளᇴ̶ژܑ
4. ኢᄃඕኢ
本研究的主要目的在探討觀看角度和螢幕亮度 對觀看立體 3D 顯示器之視覺疲勞與主觀偏好的影 響。 就環境照度而言，本研究發現在“暗”的環境照 度下觀看 3D 電影，視覺疲勞 CFF 增量似乎較大，也 就是較容易疲勞。同樣地，在主觀視覺身體不舒適的 影響上，在“暗”的環境照度下觀看 3D 電影，也較 在“亮”的環境照度下在觀看 3D 電影之主觀視覺身 體不舒適平均估計值高。 就觀看角度而言，本研究發現觀看角度對 CFF 變化、主觀視覺身體不舒適與主觀沈浸感的影響顯 著。對 CFF 而言，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。另外，當觀看角度隨著愈向右偏離正面時，主觀 視覺身體不舒適與主觀沈浸感之平均估計值似乎有 愈大的趨勢。 就螢幕亮度而言，本研究發現螢幕亮度對 CFF 變化、主觀視覺身體不舒適與主觀沈浸感的影響不顯 著。 當然已有許多文獻指出 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 [14, 15] 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 [16-18]）。 本研究的結果可以作為消費者在觀看 S3D 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 MOST 103-2221-E-161-003 補助，特此致謝。ણ҂͛ᚥ
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EFFECTS OF ambient illumination, viewing angle AND SCREEN
LUMINANCE ON visual fatigue and subjective preferences IN
STEREOSCOPIC 3-DIMENSIONAL DISPLAY
Der-Song Lee
1,*Ya-Hsien Ko
1ABSTRACT
This study explored the effect of ambient illumination, viewing angle and screen luminance on visual fatigue and subjective preferences in stereoscopic 3-dimensional display (S3D). Ambient illumination had significant effects on subjective sense of immersion, subjective visual and physical discomfort. Viewing angle had significant effects on CFF change, subjective sense of immersion, subjective visual and physical discomfort. Viewing angle also correlated significantly with CFF change, subjective sense of immersion, subjective visual and physical discomfort. The more deflected from direct frontal view, the higher the CFF change seemed to be. The more deflected from direct frontal view to the right with the more positive, the higher the subjective sense of immersion, subjective visual and physical discomfort seemed to be. Screen luminance had no significant effects on subjective sense of immersion, subjective visual and physical discomfort.
Keywords: Stereoscopic 3-dimensional (S3D); CFF change; Subjective visual and physical discomfort; Subjective sense of immersion.
1
Department of Industrial Management, Oriental Institute of Technology
*
Correspondence author: Der-Song Lee E-mail：dslee@mail.oit.edu.tw
