功能性近红外光谱（fNIRS）应用于研究色彩饱和度对视觉不适的影响
2026-04-29 来源:本站 点击次数:53
色彩饱和度对视觉不适的影响：一项功能性近红外光谱（fNIRS）研究
引言\背景
宽色域（WCG）显示技术通过扩展色彩呈现范围，显著提升画面鲜艳度与真实感，已成为高端显示的重要发展方向。但过度追求高饱和度往往适得其反，现有研究表明，高饱和度并不总能提升主观偏好，还会降低图像自然感与观看喜好。目前，色彩饱和度与视觉不适的关系及其背后神经机制仍不清晰。
传统研究多依靠主观问卷评价，存在主观性强、易受干扰的局限。为此，东南大学Shi、Tu等人采用功能性近红外光谱（fNIRS）技术，无创测量大脑视觉皮层的氧合血红蛋白（HbO₂）响应，并结合主观问卷，从客观生理与主观体验两方面，系统揭示饱和度对视觉舒适度的影响及脑机制。
文章信息
论文概要
本文发表于《IEEE Photonics Journal》，题为“How Visual Discomfort Is Affected by Colour Saturation: A fNIRS Study”。研究以宽色域显示为应用场景，围绕色彩饱和度展开系统探究，采用主观问卷与功能性近红外光谱（fNIRS）双路径测量，对比不同饱和度自然图像对图像质量、视觉舒适度、主观偏好及脑血流动力学响应的影响。
研究方法
1. 刺激材料
研究选取了三张原生饱和度较高的4K自然图像（鹦鹉、人物、花卉）。通过专业的色彩空间转换（RGB -> XYZ -> CIELAB），在保持亮度和色调恒定的前提下，对图像的彩度成分进行线性缩放，生成了低（0.3倍）、中（0.7倍）、高（1.0倍，即原始） 三种饱和度水平。最终显示色域分别覆盖了NTSC标准的13%、73%和92%。
2. 被试与流程
16名视力与色觉正常的健康参与者加入了实验。实验分为客观（fNIRS记录）和主观（问卷评分）两部分，间隔至少一周，以排除学习效应。在fNIRS部分，参与者会在暗室中观看随机呈现的不同饱和度图像块（每次呈现16秒），同时其枕叶视觉皮层的血氧信号被持续记录。
客观指标：从fNIRS信号中提取出血氧响应峰值振幅。峰值越高，通常意味着神经活动越强。
主观指标：在问卷部分，参与者从图像质量、视觉舒适度、个人偏好三个方面对图片进行5分制评分。
结果分析
1. 客观结果：HbO2 反应揭示中等饱和度最舒适
fNIRS结果显示，大脑对色彩饱和度高度敏感，饱和度水平对血氧响应峰值（PA）的影响具有极强的统计显著性（F=21.555, p<0.001），观看中等饱和度图像时视觉皮层的血氧峰值最低，仅为0.24 μmol/L，低饱和度图像会使峰值升至0.30 μmol/L，而高饱和度图像会让峰值进一步升高至0.37 μmol/L，血氧峰值越高代表视觉皮层神经活动越强、视觉不适程度越高，这项研究成功将视觉不适的主观感受与HbO₂峰值这一客观生理指标建立可靠关联，也证实中等饱和度带来的舒适体验，在大脑生理层面对应着更低的神经活动与代谢负担。
表2 激活峰值（PA）与峰值时刻（PT）的重复测量方差分析结果
2. 主观结果：高饱和度提升质量与偏好，却损害舒适度
与脑成像数据相互印证，主观评分结果呈现出一个耐人寻味的反差。在图像质量与个人偏好上，饱和度提升带来了明显加分：画质评分从低饱和度的 2.34（较差）提升至中、高饱和度的 3.83 和 3.89（良好），偏好评分也从 1.87（不喜欢）大幅上升到 3.45 和 3.43（喜欢），说明更鲜艳的色彩确实更抓人眼球、更易获得好感。但在视觉舒适度上，趋势却完全相反 —— 高饱和度图像的舒适度得分仅 2.70，明显低于低饱和度的 3.55 与中等饱和度的 3.60，进入 “不舒适” 区间。这揭示了当下显示设备中一个常被忽略的矛盾：那些让我们觉得 “更好看、更艳丽” 的高饱和色彩，往往会悄悄牺牲我们的视觉舒适感。
表3 问卷数据的弗里德曼检验结果
3. 核心洞察：找到色彩应用的“最优解”
将主客观数据整合分析，本研究明确提出中等饱和度是兼顾视觉体验与舒适的最佳平衡点。结合图3、图4与图5的结果可见，中等饱和度在三项关键指标上实现最优匹配：大脑视觉皮层的血氧响应峰值最低（PA=0.24 μmol/L），视觉舒适度主观评分最高（3.60），同时图像质量与偏好评分（3.83）与高饱和度（3.89）无显著差异。本研究结果提示，将饱和度控制在NTSC色域约73%的中等水平，可在保证画面表现力的同时，最大程度降低视觉不适。从视觉机制来看，高饱和度色彩偏离自然场景的色彩分布特征，会使视觉皮层活动增强、血流动力学响应升高，进而引发更明显的视觉不适。
研究结论
该研究的核心在于揭示了宽色域显示设计中画质与视觉舒适之间的关键矛盾：高饱和度虽能显著提升图像质量与主观偏好，却会加剧视觉不适并增加大脑神经代谢负荷；而中等饱和度区间，能够在保持良好画面表现力的同时，实现最低的视觉不适与最轻松的脑生理响应。研究明确指出，宽色域显示的色彩优化不应一味追求高饱和度，而应立足人因视觉舒适，在色域拓展与观看体验之间找到科学平衡点。
不足与展望
该研究也存在一定局限性：
1.仅采用3幅图像与3档饱和度，难以更精准地界定最优舒适区间；
2.被试数量、显示设备类型较为有限，结论的普适性有待进一步验证；
3.未将图像色彩与自然场景的偏离程度作为直接实验变量进行操控。
未来可扩大图像样本库、增加饱和度梯度与设备类型，并结合fNIRS、EEG、眼动等多模态指标，构建更完善的人因视觉舒适评价体系，为实际显示系统的色彩调校提供更可靠的科学依据。
原文信息链接
Shi Y, Tu Y, Wang L, et al. How visual discomfort is affected by colour saturation: A fNIRS study[J]. IEEE Photonics Journal, 2022, 14(6): 1-7.
DOI:10.1109/JPHOT.2022.3213336
作者及单位介绍
第一作者为 Yunyang Shi ，通讯作者为 Yan Tu，均来自东南大学电子科学与工程学院信息显示与可视化联合国际研究实验室。该课题组长期围绕显示器件、显示参数优化、观看体验评价与脑成像测量等方向开展交叉研究。
该研究获得中国国家重点研发计划（2016YFB0401201）、中央高校基本科研业务费（2242021k30002）以及中国国家留学基金委员会（202006090077）资助。
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引言\背景
宽色域（WCG）显示技术通过扩展色彩呈现范围，显著提升画面鲜艳度与真实感，已成为高端显示的重要发展方向。但过度追求高饱和度往往适得其反，现有研究表明，高饱和度并不总能提升主观偏好，还会降低图像自然感与观看喜好。目前，色彩饱和度与视觉不适的关系及其背后神经机制仍不清晰。
传统研究多依靠主观问卷评价，存在主观性强、易受干扰的局限。为此，东南大学Shi、Tu等人采用功能性近红外光谱（fNIRS）技术，无创测量大脑视觉皮层的氧合血红蛋白（HbO₂）响应，并结合主观问卷，从客观生理与主观体验两方面，系统揭示饱和度对视觉舒适度的影响及脑机制。
文章信息
本文发表于《IEEE Photonics Journal》，题为“How Visual Discomfort Is Affected by Colour Saturation: A fNIRS Study”。研究以宽色域显示为应用场景，围绕色彩饱和度展开系统探究，采用主观问卷与功能性近红外光谱（fNIRS）双路径测量，对比不同饱和度自然图像对图像质量、视觉舒适度、主观偏好及脑血流动力学响应的影响。
研究方法
1. 刺激材料
研究选取了三张原生饱和度较高的4K自然图像（鹦鹉、人物、花卉）。通过专业的色彩空间转换（RGB -> XYZ -> CIELAB），在保持亮度和色调恒定的前提下，对图像的彩度成分进行线性缩放，生成了低（0.3倍）、中（0.7倍）、高（1.0倍，即原始） 三种饱和度水平。最终显示色域分别覆盖了NTSC标准的13%、73%和92%。
图1 不同饱和度的图像。从上到下：鹦鹉、人、花。从左到右：高（原始）、中、低饱和度
2. 被试与流程
16名视力与色觉正常的健康参与者加入了实验。实验分为客观（fNIRS记录）和主观（问卷评分）两部分，间隔至少一周，以排除学习效应。在fNIRS部分，参与者会在暗室中观看随机呈现的不同饱和度图像块（每次呈现16秒），同时其枕叶视觉皮层的血氧信号被持续记录。
图2 客观和主观实验的实验流程
3. 测量指标客观指标：从fNIRS信号中提取出血氧响应峰值振幅。峰值越高，通常意味着神经活动越强。
主观指标：在问卷部分，参与者从图像质量、视觉舒适度、个人偏好三个方面对图片进行5分制评分。
表1 问卷设计
结果分析
1. 客观结果：HbO2 反应揭示中等饱和度最舒适
fNIRS结果显示，大脑对色彩饱和度高度敏感，饱和度水平对血氧响应峰值（PA）的影响具有极强的统计显著性（F=21.555, p<0.001），观看中等饱和度图像时视觉皮层的血氧峰值最低，仅为0.24 μmol/L，低饱和度图像会使峰值升至0.30 μmol/L，而高饱和度图像会让峰值进一步升高至0.37 μmol/L，血氧峰值越高代表视觉皮层神经活动越强、视觉不适程度越高，这项研究成功将视觉不适的主观感受与HbO₂峰值这一客观生理指标建立可靠关联，也证实中等饱和度带来的舒适体验，在大脑生理层面对应着更低的神经活动与代谢负担。
图3 含氧血红蛋白（HbO₂）响应的平均激活峰值（PA）与峰值时刻（PT），误差棒表示标准差
表2 激活峰值（PA）与峰值时刻（PT）的重复测量方差分析结果
2. 主观结果：高饱和度提升质量与偏好，却损害舒适度
与脑成像数据相互印证，主观评分结果呈现出一个耐人寻味的反差。在图像质量与个人偏好上，饱和度提升带来了明显加分：画质评分从低饱和度的 2.34（较差）提升至中、高饱和度的 3.83 和 3.89（良好），偏好评分也从 1.87（不喜欢）大幅上升到 3.45 和 3.43（喜欢），说明更鲜艳的色彩确实更抓人眼球、更易获得好感。但在视觉舒适度上，趋势却完全相反 —— 高饱和度图像的舒适度得分仅 2.70，明显低于低饱和度的 3.55 与中等饱和度的 3.60，进入 “不舒适” 区间。这揭示了当下显示设备中一个常被忽略的矛盾：那些让我们觉得 “更好看、更艳丽” 的高饱和色彩，往往会悄悄牺牲我们的视觉舒适感。
图4 不问卷结果平均值，误差棒表示标准差
表3 问卷数据的弗里德曼检验结果
3. 核心洞察：找到色彩应用的“最优解”
将主客观数据整合分析，本研究明确提出中等饱和度是兼顾视觉体验与舒适的最佳平衡点。结合图3、图4与图5的结果可见，中等饱和度在三项关键指标上实现最优匹配：大脑视觉皮层的血氧响应峰值最低（PA=0.24 μmol/L），视觉舒适度主观评分最高（3.60），同时图像质量与偏好评分（3.83）与高饱和度（3.89）无显著差异。本研究结果提示，将饱和度控制在NTSC色域约73%的中等水平，可在保证画面表现力的同时，最大程度降低视觉不适。从视觉机制来看，高饱和度色彩偏离自然场景的色彩分布特征，会使视觉皮层活动增强、血流动力学响应升高，进而引发更明显的视觉不适。
图5 问卷题目（上图）与含氧血红蛋白（HbO₂）响应的激活峰值（PA）结果（下图）
研究结论
该研究的核心在于揭示了宽色域显示设计中画质与视觉舒适之间的关键矛盾：高饱和度虽能显著提升图像质量与主观偏好，却会加剧视觉不适并增加大脑神经代谢负荷；而中等饱和度区间，能够在保持良好画面表现力的同时，实现最低的视觉不适与最轻松的脑生理响应。研究明确指出，宽色域显示的色彩优化不应一味追求高饱和度，而应立足人因视觉舒适，在色域拓展与观看体验之间找到科学平衡点。
不足与展望
该研究也存在一定局限性：
1.仅采用3幅图像与3档饱和度，难以更精准地界定最优舒适区间；
2.被试数量、显示设备类型较为有限，结论的普适性有待进一步验证；
3.未将图像色彩与自然场景的偏离程度作为直接实验变量进行操控。
未来可扩大图像样本库、增加饱和度梯度与设备类型，并结合fNIRS、EEG、眼动等多模态指标，构建更完善的人因视觉舒适评价体系，为实际显示系统的色彩调校提供更可靠的科学依据。
原文信息链接
Shi Y, Tu Y, Wang L, et al. How visual discomfort is affected by colour saturation: A fNIRS study[J]. IEEE Photonics Journal, 2022, 14(6): 1-7.
DOI:10.1109/JPHOT.2022.3213336
作者及单位介绍
第一作者为 Yunyang Shi ，通讯作者为 Yan Tu，均来自东南大学电子科学与工程学院信息显示与可视化联合国际研究实验室。该课题组长期围绕显示器件、显示参数优化、观看体验评价与脑成像测量等方向开展交叉研究。
该研究获得中国国家重点研发计划（2016YFB0401201）、中央高校基本科研业务费（2242021k30002）以及中国国家留学基金委员会（202006090077）资助。
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