CN106725281A - 一种基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测方法 - Google Patents

一种基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测方法，通过理论分析和实验验证，发现心电信号中表征心率变异性参数的近似熵ApEn与视疲劳之间存在对应关系，因此，基于测量近似熵ApEn实现三维显示视疲劳的评测，具有易于测量，设备成本低和使用简便的特点；同时测量用户的闪光融合频率，能够和心电分析结果采用数据融合等方式进行结合，从而提高基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测的客观性和准确性。

Description

一种基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测方法
技术领域
本发明属于三维立体显示技术领域，具体涉及到一种基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测方法。
背景技术
目前，三维显示技术在娱乐、教育、医疗等领域的开发和应用越来越多。但由于技术和成本的限制，观看三维显示设备存在很多风险隐患。其中，三维显示设备的成像特点导致的双目辐辏和聚焦系统不匹配问题，容易引起用户在观看三维显示设备后出现头痛、眼睛干涩、视物有重影、视野模糊等不适症状。视疲劳问题的存在不利于用户长期观看三维显示设备，这不仅严重影响了用户体验，同时制约了三维显示技术的发展和产品的普及。因此，必须合理地预测和评价观看三维显示设备引起的视疲劳状况，以获取和生成更加符合用户观看习惯的三维显示内容，提供健康、舒适的三维体验。
目前用来评测三维显示视疲劳程度的方法主要分为主观评测和客观评测两种。其中，主观评测方法主要是利用问卷调查的方法，使得用户在观看三维显示设备之后填写相关的视疲劳问卷；客观评测方法主要是通过测量与视疲劳相关的脑电等生理指标，来间接反映视疲劳程度。通常，主观评测存在一定的局限性，主观问卷受个体影响较大，单独利用主观评测方法评测视疲劳缺乏一定的合理性。利用测量脑电信号进行视疲劳的客观评测时，所需的脑电信号测量设备价值昂贵，并且对测量环境的要求很高，甚至要求测量者具备较多的专业领域知识，也存在一定的局限性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测方法，利用本方法，能够简单快速地客观评测观看三维显示设备所引起的视疲劳程度，可用于检测三维显示设备和内容，并用于指导三维显示设备的生产和制作舒适的三维显示资源等。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测方法，包括：
分别采集用户观看三维显示内容之前和观看三维显示内容期间的心电信号，检测心电信号中的R峰峰值，计算相邻R峰峰值的时间间距，得到R-R间期值；然后再进一步提取心电信号中表征心率变异性参数的近似熵ApEn；通过比较用户观看三维显示内容之前的近似熵和观看三维显示内容期间的近似熵，评测用户观看三维显示内容后出现视疲劳程度。
较佳的，观看三维显示内容前，采集用户平静时的3-5分钟心电信号作为用户不疲劳状态下的心电信号。
较佳的，采用心电信号采集模块采集用户心电信号。
较佳的，采用三维显示器显示所述三维显示内容，该三维显示器为红蓝立体显示器、偏振式立体显示器、频闪式立体显示器或裸眼立体显示器。
较佳的，当用户采用红蓝立体显示器、偏振式立体显示器或频闪式立体显示器进行观看时，用户需要佩戴相应的红蓝眼镜、偏光眼镜或者频闪式眼镜。
较佳的，评测前对用户用验光仪进行视力测试和用随机点立体侧视图进行立体视觉筛选，排除不合适参与评测的用户。
进一步的，采用闪光融合频率计测量用户观看三维显示内容之前和观看三维显示内容期间的闪光融合频率值，对用户视疲劳程度进行测评，得到测评结果1；将采用近似熵对用户的视疲劳程度的测评结果定义为测评结果2；将测评结果1和测评结果2进行融合，得到综合测评结果，用于最后测评用户观看三维显示内容后出现视疲劳程度。
较佳的，测试用户的闪光融合频率值时，首先将闪光融合频率计的亮点调至明显闪烁，使用户看到一个闪烁的亮点，再调节旋钮直到用户刚刚看到亮点不闪烁为止，记录此次闪光融合频率值F1；然后将亮点调至明显不闪烁，使用户看到一个不闪烁的亮点，再调节旋钮指导刚刚看到亮点闪烁为止，记录此次闪光融合频率值F2；取F1与F2的平均值F作为本阶段用户的闪光融合频率值。
较佳的，所述的闪光融合频率计设定光强为1/16，亮黑比为1/1，光源颜色为红色，背景无光。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明通过理论分析和实验验证，发现心电信号中表征心率变异性参数的近似熵ApEn与视疲劳之间存在对应关系，因此，基于测量近似熵ApEn实现三维显示视疲劳的评测，具有易于测量，设备成本低和使用简便的特点；同时测量用户的闪光融合频率，能够和心电分析结果采用数据融合等方式进行结合，从而提高基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测的客观性和准确性。
附图说明
图1是本发明提出的三维显示视疲劳评测系统的硬件布局示意图。
图2是实施例中主观疲劳度量表的主体内容示意图。
图3是本发明的心电信号分析的流程图。
图4是实施例中主观疲劳度量表的结果示意图。
图5是实施例中闪光融合频率的结果示意图。
具体实施
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述得到进一步的了解。
基于心电分析的三维显示视疲劳评测包括以下几个步骤：
1、硬件布局图如图1所示，观看环境为温度、湿度适宜且光照充足的室内环境。三维显示器用于显示三维内容，包括一系列三维图片和三维视频。所述三维显示器可以是下列显示器中的一种：红蓝立体显示器、偏振式立体显示器、频闪式立体显示器、裸眼立体显示器。所述三维刺激内容是一系列三维图像或者三维视频。
2、观看时，用户需坐在到显示器一定距离的位置上，该位置约为三倍的显示器高度处，符合国际电信联盟ITU标准中的用户舒适观看三维显示器时的距离标准。当采用红蓝立体显示器、偏振式立体显示器、频闪式立体显示器进行观看时，用户需要佩戴相应的红蓝眼镜、偏光眼镜或者频闪式眼镜等。
3、闪光融合频率计，用于在观看过程中测量用户的闪光融合频率值，该测量值常被应用于视觉功能、脑功能及疲劳状态等生理心理学指标的研究，是一种检测大脑皮质活动兼测定疲劳的方法。测试时首先实验人员将亮点调至明显闪烁，此时用户看到的是一个闪烁的亮点，用户需调节旋钮直到刚刚看到亮点不闪烁为止，实验人员记录此次频率值F1；然后实验人员将亮点调至明显不闪烁，此时用户看到的是一个不闪烁的亮点，用户需调节旋钮指导刚刚看到亮点闪烁为止，实验人员记录此次频率值F2。一般取F1与F2的平均值F作为该阶段用户的闪光融合频率值。通常，闪光融合频率值随着视觉疲劳程度的加重而降低。
4、观看前对用户用验光仪进行视力测试和用随机点立体侧视图进行立体视觉筛选，排除不合适接受测量的用户。对通过筛选的用户，需要让用户填写观看前主观疲劳度问卷，如图2所示，观看结束后用户需填写同样内容的主观疲劳度问卷，以便收集用户观看三维显示内容前各种视疲劳症状的程度。该主观疲劳度问卷包含了9种不同的症状，用户可以针对这些症状给出0-100的不同分值。
5、观看前，需用心电信号采集模块采集用户的心电数据，所述的心电信号采集模块，采用肢导联的电极连接方法，遵循“下正上负，左正右负”的原则，选择左下肢正极，右下肢为地线，右上肢为负极。心电信号采集需要使用放大器，实验需要屏蔽导线2根、非屏蔽导线1根和一次性贴片电极3个。
通常选取用户平静时的3-5分钟心电信号作为用户不疲劳状态下的心电数据，以便与观看过程中的心电数据进行对比分析。同时测量用户在不疲劳状态时的闪光融合频率值，以便与观看过程中的闪光融合频率数据进行对比分析。
6、之后，就进入正式观看阶段。由三维显示器显示三维内容(图片或视频)，用户观看时进行相应的客观指标测量，包括心电数据采集和闪光融合频率测量。其中，利用心电信号采集模块采集用户观看三维显示设备的心电信号，实时的心电信号显示在心电信号采集软件界面上，并对所需心电数据进行记录保存；闪光融合频率可以多次在观看间期进行测量，以便统计分析用户观看三维显示内容时闪光融合频率数据的变化趋势。
7、当观看阶段全部完成之后，测量用户的闪光融合频率，并再次要求用户填写观看后主观疲劳度问卷，记录观看三维显示内容后各种视疲劳症状的程度。
8、通过上述步骤，就采集到了评测三维显示视疲劳所需的客观指标参数：心电数据和闪光融合频率。同时，也收集到了用于验证分析所需的主观疲劳度量表结果。
9、针对闪光融合频率的数据，利用单因素方差分析的方法，寻找它们随时间的变化趋势及显著性等。针对主观疲劳度量表统计结果，对比分析观看前后各种症状的分数，得到用户观看三维显示内容后明显出现的视疲劳症状。
10、针对心电数据，如图3所示。首先在得到用户原始的心电数据后，检测心电信号中的R峰峰值，计算相邻R峰峰值的时间间距，即后一个R峰时间值T后和与之相邻的前一个R峰时间值T前之差，得到R-R间期值。依据心率变异性的计算公式，对得到的R-R间期值进行计算分别得到近似熵(ApEn)，它描述了信息量的变化，可通过将R-R间期值输入到KubiosHRV软件中，直接获得。
然后对心率变异性参数进行统计分析，包括：选取不同观看时间段的心率变异性参数，对每一个心率变异性参数随时间的变化进行统计分析，并运用单因素方差分析的方法计算各参数变化的显著性。表1为部分心率变异性参数的变化结果。其中，ApEn在观看后出现显著的变化，观看后数值较观看前有所增加，反映了用户观看三维显示内容后出现视疲劳。
表1.部分心率变异性参数的变化结果
注：观看时值指的是观看最后一个时间段时的心率变异性值。*为P值小于0.05时，参数的变化是显著的。
如图4-5所示，用户的闪光融合频率在观看后出现显著下降，且观看后用户出现明显的眼睛干涩、紧绷、视野模糊等症状。
表2.ApEn与视疲劳症状的相关性分析结果
表3.ApEn与闪光融合频率值的相关性分析结果
注：*为P值小于0.05时，相关性是显著的。
同时与主观疲劳度量表结果进行相关性分析。如表2所示，心率变异性参数ApEn与眼睛灼热感、眼睛撕裂感、视物有重影、眼睛干涩等症状具有显著的关联性，其显著性水平小于0.05，可以认为心率变异性参数是监测用户的视疲劳程度的有效参数。
如表3所示，心率变异性参数ApEn与闪光融合频率值具有显著的负相关性，结合以上结果，验证了运用心电参数变化的方法评测三维显示视疲劳的有效性和可靠性。
将采用闪光融合频率值方法对用户视疲劳程度进行测评的结果定义为测评结果1；将采用近似熵对用户观看三维显示内容的视疲劳程度的测评结果定义为测评结果2；将测评结果1和测评结果2进行融合，得到综合测评结果，用于最后测评用户观看三维显示内容后出现视疲劳程度，如此可提高测评的客观性和准确性。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测方法，其特征在于，包括：
分别采集用户观看三维显示内容之前和观看三维显示内容期间的心电信号，检测心电信号中的R峰峰值，计算相邻R峰峰值的时间间距，得到R-R间期值；然后再进一步提取心电信号中表征心率变异性参数的近似熵ApEn；通过比较用户观看三维显示内容之前的近似熵和观看三维显示内容期间的近似熵，评测用户观看三维显示内容后出现视疲劳程度。
2.如权利要求1所述的一种基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测方法，其特征在于，观看三维显示内容前，采集用户平静时的3-5分钟心电信号作为用户不疲劳状态下的心电信号。
3.如权利要求1或2所述的一种基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测方法，其特征在于，采用心电信号采集模块采集用户心电信号。
4.如权利要求1或2所述的一种基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测方法，其特征在于，采用三维显示器显示所述三维显示内容，该三维显示器为红蓝立体显示器、偏振式立体显示器、频闪式立体显示器或裸眼立体显示器。
5.如权利要求4所述的一种基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测方法，其特征在于，当用户采用红蓝立体显示器、偏振式立体显示器或频闪式立体显示器进行观看时，用户需要佩戴相应的红蓝眼镜、偏光眼镜或者频闪式眼镜。
6.如权利要求1或2所述的一种基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测方法，其特征在于，评测前对用户用验光仪进行视力测试和用随机点立体侧视图进行立体视觉筛选，排除不合适参与评测的用户。
7.如权利要求1或2所述的一种基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测方法，其特征在于，采用闪光融合频率计测量用户观看三维显示内容之前和观看三维显示内容期间的闪光融合频率值，对用户视疲劳程度进行测评，得到测评结果1；将采用近似熵对用户的视疲劳程度的测评结果定义为测评结果2；将测评结果1和测评结果2进行融合，得到综合测评结果，用于最后测评用户观看三维显示内容后出现视疲劳程度。
8.如权利要求7所述的一种基于心电信号分析的三维显示视疲劳评测方法，其特征在于，测试用户的闪光融合频率值时，首先将闪光融合频率计的亮点调至明显闪烁，使用户看到一个闪烁的亮点，再调节旋钮直到用户刚刚看到亮点不闪烁为止，记录此次闪光融合频率值F1；然后将亮点调至明显不闪烁，使用户看到一个不闪烁的亮点，再调节旋钮指导刚刚看到亮点闪烁为止，记录此次闪光融合频率值F2；取F1与F2的平均值F作为本阶段用户的闪光融合频率值。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的闪光融合频率计设定光强为1/16，亮黑比为1/1，光源颜色为红色，背景无光。
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