陳燕燕，王莉莉，楊蘭蘭

（東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096）

不同照明環(huán)境下2D/3D顯示視疲勞研究*

陳燕燕，王莉莉，楊蘭蘭*

（東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096）

為比較不同照明環(huán)境下觀看2D和3D視頻所產(chǎn)生的視疲勞的差異，采用主觀問(wèn)卷和客觀測(cè)量?jī)煞N方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。主觀問(wèn)卷結(jié)果表明，在4種實(shí)驗(yàn)條件下，被試產(chǎn)生了明顯的視疲勞；客觀視覺(jué)參量測(cè)量結(jié)果顯示，兩種照明環(huán)境下，CFF、NRA和PRA值在實(shí)驗(yàn)之后下降顯著（p<0.01），且LED照明環(huán)境下CFF值的下降更大。照明對(duì)CFF影響的顯著性水平為0.038，其他各項(xiàng)參數(shù)在兩種電影版本和兩種照明環(huán)境下均沒(méi)有顯著性差異。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)之后主客觀的疲勞均顯著增加，但沒(méi)有證據(jù)表明觀看3D視頻比觀看2D視頻更易產(chǎn)生視疲勞。

顯示技術(shù)；視疲勞；視覺(jué)參量；照明環(huán)境

視疲勞表現(xiàn)為一系列視覺(jué)不適癥狀：眼睛疲勞、眼干、流淚、眼睛痛、睜眼不適、眼部灼熱、聚焦困難、重影、肩部僵硬和頭疼等［1］。視疲勞早期的致因可分為兩種，其一在于視覺(jué)功能調(diào)動(dòng)，例如為了近距離觀察物體所動(dòng)用的視覺(jué)調(diào)節(jié)和集合；其二，大腦的中央皮層中有關(guān)視覺(jué)的運(yùn)動(dòng)也可能誘發(fā)視疲勞，比如涉及注視大范圍、高對(duì)比度的幾何圖形等［2］。日常生活中的許多活動(dòng)都可能引發(fā)視疲勞，例如進(jìn)行精細(xì)作業(yè)、閱讀印刷質(zhì)量欠佳的圖書(shū)、照明光源亮度不足或者過(guò)強(qiáng)或者存在閃爍，甚至是屈光不正未矯正都會(huì)導(dǎo)致不同程度的視疲勞［3］。20世紀(jì)70年代開(kāi)始由于電視和個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及，人們開(kāi)始重視視頻顯示終端引起的視疲勞問(wèn)題，并開(kāi)展了相關(guān)研究。近年來(lái)，隨著三維立體顯示技術(shù)的出現(xiàn)，三維顯示引發(fā)的視疲勞問(wèn)題引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。目前電影院和家用的較多的是眼鏡式的3D顯示，大多數(shù)3D技術(shù)較為成熟，但它們只提供了兩種視覺(jué)線索（雙目視差和輻輳），這樣導(dǎo)致的結(jié)果是產(chǎn)生和其他視覺(jué)線索（調(diào)節(jié)和運(yùn)動(dòng)視差）的沖突［4］，這種實(shí)現(xiàn)原理存在調(diào)節(jié)和輻輳不一致、視差過(guò)大和雙眼不匹配等因素，長(zhǎng)時(shí)間觀看會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的視覺(jué)不適或者視疲勞。在觀察兩眼視差式立體影像時(shí)，人眼的輻輳是由立體顯示所產(chǎn)生的雙眼視差誘發(fā)的，位于屏前或屏后，但焦點(diǎn)調(diào)節(jié)仍然停留在顯示屏上，此時(shí)焦點(diǎn)調(diào)節(jié)和輻輳是不一致的。由于這種不一致，會(huì)嚴(yán)重增加睫狀肌負(fù)荷，容易引發(fā)視疲勞；而人眼在觀察實(shí)際物體時(shí)，焦點(diǎn)調(diào)節(jié)和輻輳是一致的。另一方面，觀看立體視的融像和觀看現(xiàn)實(shí)世界不同，接收這些不自然的視覺(jué)信息會(huì)使人腦處理信息混亂，長(zhǎng)時(shí)間處于這種不自然的狀態(tài)，將會(huì)導(dǎo)致眩暈和視疲勞。觀看3D視頻較之觀看2D視頻是否存在視疲勞的顯著差異，值得本文做進(jìn)一步的探討和研究。

研究表明照明光源同樣會(huì)影響視疲勞，在觀看電視的時(shí)候，有環(huán)境照明光源會(huì)比沒(méi)有環(huán)境照明光源更不易產(chǎn)生視疲勞［5］，光源的種類(lèi)、亮度分布以及色溫等因素都有可能影響視疲勞的結(jié)果。

LED照明光源以其發(fā)光效率高、能耗低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)正在逐步取代傳統(tǒng)的熒光燈照明光源進(jìn)入人們的日常生活中。其中用交流電直接驅(qū)動(dòng)的AC-LED光源可有效降低成本［6］，是一種較有應(yīng)用前景的光源。但AC-LED也帶來(lái)了閃爍、頻閃效應(yīng)、眩光等弊端，而采用AC-LED作為日常工作和生活的照明光源對(duì)視覺(jué)疲勞的影響的研究還非常有限。

本文將結(jié)合主客觀測(cè)量對(duì)兩種光源（熒光燈和AC-LED燈）環(huán)境下觀看兩種視頻（2D和3D）之間的視疲勞差異進(jìn)行研究。

1　實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究視疲勞的方法可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是主觀評(píng)價(jià)法，另一類(lèi)是客觀參量測(cè)量法。主觀測(cè)量法發(fā)展得比較成熟，比較常用的是SSQ評(píng)分量表，并且有5分制、7分制和13分制可供選擇，主觀評(píng)價(jià)的指標(biāo)也比較多，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行篩選；客觀測(cè)量方法所采用的參量有眼參數(shù)指標(biāo)、事件相關(guān)電位（ERP）和生理信號(hào)等，其中眼參數(shù)指標(biāo)包括臨界閃爍頻率、眨眼頻率、瞳孔直徑、反應(yīng)速度等方面。Iwasaki和Akiya的研究［7］證實(shí)了臨界閃爍頻率（CFF）的下降反映了視網(wǎng)膜功能的弱化，所以CFF值的變化可以在一定程度上反映人眼的疲勞程度。另外在測(cè)量視疲勞研究中經(jīng)常使用的兩個(gè)重要的參數(shù)是調(diào)節(jié)和輻輳，文獻(xiàn)研究表明，在景深范圍內(nèi)眼動(dòng)輻輳和調(diào)節(jié)功能可能會(huì)影響視覺(jué)疲勞［8］，衡量調(diào)節(jié)和輻輳的參數(shù)也很多，有正負(fù)相對(duì)調(diào)節(jié)量（PRA/NRA），調(diào)節(jié)近點(diǎn)和集合近點(diǎn)（NPA/NPC），調(diào)節(jié)滯后等。有實(shí)驗(yàn)研究證明，在經(jīng)過(guò)8 h視頻終端工作之后，被試者的調(diào)節(jié)近點(diǎn)和集合近點(diǎn)值下降顯著［9］。因此實(shí)驗(yàn)選擇正負(fù)相對(duì)調(diào)節(jié)量和調(diào)節(jié)、集合近點(diǎn)作為測(cè)量視疲勞的指標(biāo)。

用上述客觀參量來(lái)反映視疲勞比單純的主觀打分要更加可靠，因?yàn)橹饔^評(píng)分無(wú)法準(zhǔn)確反映經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的眼睛負(fù)荷之后眼睛的各項(xiàng)功能的疲勞程度，而上述幾個(gè)客觀參量正好可以從眼睛自身機(jī)制來(lái)反映視覺(jué)疲勞，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加可靠準(zhǔn)確。

實(shí)驗(yàn)采用主觀和客觀結(jié)合的方式，主觀部分采用的是5分制評(píng)分方式，被試基于自己的真實(shí)感受在實(shí)驗(yàn)前后分別進(jìn)行兩次評(píng)分，評(píng)分等級(jí)及具體意義見(jiàn)表1。評(píng)價(jià)的指標(biāo)包括12項(xiàng)：眼睛疲勞、眼睛酸、眼睛痛、眼干、灼熱感、重影、遠(yuǎn)近調(diào)節(jié)緩慢、視物模糊、頭暈、頭疼、惡心以及頸肩背痛。

表1　五分制評(píng)價(jià)表

客觀部分是對(duì)被試的各項(xiàng)眼睛參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，包括正負(fù)相對(duì)調(diào)節(jié)量、調(diào)節(jié)近點(diǎn)、集合近點(diǎn)和臨界閃爍頻率一共5個(gè)參量。

實(shí)驗(yàn)采用2×2被試內(nèi)設(shè)計(jì)方法，一共設(shè)置4種實(shí)驗(yàn)條件，分別為L(zhǎng)ED燈×3D電影、熒光燈×3D電影、LED燈×2D電影、熒光燈×2D電影，其中3D電影和2D電影各兩部，每部電影的播放時(shí)長(zhǎng)約為1 h 30 min，為了避免電影內(nèi)容對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在每種環(huán)境燈照明下都有一半被試觀看版本1的3D/2D電影，另一半的被試觀看版本2的2D/3D電影，觀看哪種版本的電影是隨機(jī)的。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中使用的交流LED照明光源由頻率為120HZ的正弦波產(chǎn)生。圖1和圖2分別為實(shí)驗(yàn)中使用的交流LED照明光源和熒光燈照明光源，光源的照度調(diào)節(jié)為顯示屏前照度200 lx。顯示器為三星3DLED液晶彩色電視機(jī)，實(shí)驗(yàn)中的2D電影和3D電影均由此臺(tái)電視機(jī)播放。測(cè)量正負(fù)相對(duì)調(diào)節(jié)量的儀器為NIDEK型號(hào)為SSC-330的綜合驗(yàn)光儀，圖3為使用該儀器測(cè)量的場(chǎng)景。實(shí)驗(yàn)選擇的2D電影為《肖申克的救贖》和《Frozen》，3D電影為《Alice in wonderland》和《龍門(mén)飛甲》。

圖1　交流LED照明光源

圖2　熒光燈照明光源

圖3　NIDEK型號(hào)SSC-330綜合驗(yàn)光儀

1.3實(shí)驗(yàn)對(duì)象

一共18人參加了本次實(shí)驗(yàn)，其中男性8人，女性10人，年齡在23歲至26歲之間。被試均沒(méi)有色盲、色弱、無(wú)立體視覺(jué)、弱視等癥狀，矯正視力達(dá)到1.0及以上。被試在參加實(shí)驗(yàn)之前都有充足的休息，被試參加實(shí)驗(yàn)時(shí)均佩戴屈光完全矯正眼鏡。

1.4實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前被試在實(shí)驗(yàn)環(huán)境光下適應(yīng)3分鐘左右時(shí)間，完成問(wèn)卷，接著分別測(cè)量正負(fù)相對(duì)調(diào)節(jié)量，調(diào)節(jié)近點(diǎn)和集合近點(diǎn)，最后測(cè)量臨界閃爍頻率值，參數(shù)測(cè)量完畢后被試開(kāi)始觀看電影，調(diào)節(jié)被試眼睛距離屏幕3倍屏高距離（2.1 m），調(diào)節(jié)座椅高度使視線位于屏幕正中央，圖4為被試觀看電影時(shí)的場(chǎng)景；實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后按照上述步驟再次測(cè)量各項(xiàng)參數(shù)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖4　實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

1.5測(cè)量方法

使用綜合驗(yàn)光儀上的PRA和NRA功能來(lái)測(cè)量正負(fù)相對(duì)調(diào)節(jié)量，輸入被試主導(dǎo)眼的近視度數(shù)、散光度數(shù)和軸向值，拉下近視力標(biāo)桿，同時(shí)打開(kāi)近用照明燈和NRA測(cè)量功能，將印有G字視標(biāo)的表盤(pán)安置于距離被試雙眼40 cm處，確保被試在進(jìn)行調(diào)節(jié)之前所看到的G字視標(biāo)清晰，開(kāi)始以每次0.25D增加正鏡片數(shù)直到被試所看視標(biāo)首次持續(xù)模糊，記錄所加度數(shù)值即為NRA的數(shù)值；NRA測(cè)量結(jié)束后，調(diào)到PRA測(cè)量，同樣先確保被試所看到的G視標(biāo)是清晰的，接著仍以每次0.25D增加負(fù)鏡片直到被試所看視標(biāo)首次持續(xù)模糊為止，記錄所加度數(shù)即為PRA值。

集合近點(diǎn)的測(cè)量采用推近法（圖5），被試佩戴屈光完全矯正的眼鏡，額頭固定，注視距離雙眼約35cm遠(yuǎn)處的G視標(biāo)，以均勻緩慢的速度由遠(yuǎn)及近推近視標(biāo)，推近的過(guò)程中被試雙眼一直注視視標(biāo)，直到所看視標(biāo)出現(xiàn)復(fù)視，即視標(biāo)由一個(gè)變?yōu)閮蓚€(gè)，此點(diǎn)即記錄為集合近點(diǎn)，雙眼距離集合近點(diǎn)的長(zhǎng)度（cm）即為集合幅度。

圖5　推近法測(cè)量NPA和NPC值

調(diào)節(jié)近點(diǎn)同樣采用推近法，只測(cè)量被試的主導(dǎo)眼，測(cè)量過(guò)程中遮住被試非主導(dǎo)眼，移近至被試所看G視標(biāo)首次模糊，該點(diǎn)即為調(diào)節(jié)近點(diǎn)，眼睛距離調(diào)節(jié)近點(diǎn)的值（cm）的倒數(shù)即為調(diào)節(jié)幅度（D）。調(diào)節(jié)近點(diǎn)和集合近點(diǎn)均測(cè)量2次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取兩次均值來(lái)分析。

測(cè)量臨界閃爍頻率時(shí)為了避免燈光閃爍的影響，實(shí)驗(yàn)選擇在暗環(huán)境中進(jìn)行，使用人眼反應(yīng)比較敏感的紅光，被試佩戴眼鏡，雙眼距離光源50 cm左右，光源頻率從0到30 Hz以每2 s增加5 Hz的速度調(diào)節(jié)，30 Hz之后以每2 s增加0.5 Hz的速度調(diào)節(jié)，直到被試報(bào)告光源恰好無(wú)閃爍時(shí)停止，記錄為上調(diào)頻率（Hz），接著增加2 Hz的頻率，再以每2 s減少0.5 Hz的速度調(diào)節(jié)，直到被試報(bào)告光源首次出現(xiàn)閃爍時(shí)停止，記錄頻率（Hz）值，重復(fù)進(jìn)行兩次調(diào)節(jié)。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果取兩次上調(diào)頻率和下調(diào)頻率的均值，圖6為測(cè)量裝置。

圖6　測(cè)量臨界閃爍頻率裝置

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段的可重復(fù)性結(jié)果

在準(zhǔn)備階段，先對(duì)實(shí)驗(yàn)的幾項(xiàng)眼參數(shù)進(jìn)行重復(fù)性研究，即對(duì)一批被試進(jìn)行多次測(cè)量，分析結(jié)果之間有無(wú)顯著性差異。實(shí)驗(yàn)中選擇18名被試進(jìn)行4次測(cè)量，可重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表2，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)4次測(cè)量之間的結(jié)果均沒(méi)有顯著性差異，各項(xiàng)參數(shù)的重復(fù)性和穩(wěn)定性較好，可以用來(lái)進(jìn)行視疲勞實(shí)驗(yàn)。

表2　可重復(fù)性結(jié)果

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1問(wèn)卷評(píng)分結(jié)果

圖7～圖10為在4種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下觀看電影前后主觀問(wèn)卷評(píng)分的平均值及95%的置信區(qū)間，可以看出各項(xiàng)疲勞指標(biāo)的評(píng)分值在實(shí)驗(yàn)之后都出現(xiàn)不同程度的增加，表明各種癥狀在實(shí)驗(yàn)之后都得到加重。

圖7　LED照明觀看2D電影前后評(píng)分

圖8　熒光燈照明觀看2D電影前后評(píng)分

圖9　LED照明觀看3D電影前后評(píng)分

圖10　熒光燈照明觀看3D電影前后評(píng)分

對(duì)4種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的問(wèn)卷前后評(píng)分進(jìn)行成對(duì)樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。在LED照明環(huán)境下，觀看2D和3D電影前后頸肩背痛、眼干、眼睛疲勞、重影等癥狀均有顯著加重；另外，觀看3D電影之后頭暈癥狀明顯加重。熒光燈照明環(huán)境下觀看2D和3D電影之后都發(fā)生顯著性變化的指標(biāo)有：頸肩背痛、視物模糊、眼干、眼睛疲勞、眼睛酸、遠(yuǎn)近調(diào)節(jié)緩慢和重影，另外2D情況下灼熱感也有顯著性增加，而3D情況下頭暈和頭疼的癥狀也有顯著性的增加。

表3　熒光燈、LED燈照明環(huán)境下問(wèn)卷評(píng)分前后顯著性水平

對(duì)4種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的問(wèn)卷評(píng)分做了多因素方差分析，把評(píng)分值的變化百分比作為因變量，電影版本和照明類(lèi)型作為自變量，結(jié)果表明，電影版本和照明類(lèi)型之間沒(méi)有交互作用，2D和3D電影版本之間評(píng)分沒(méi)有顯著性差異，熒光燈和LED燈照明環(huán)境下評(píng)分沒(méi)有顯著性差異。在主觀評(píng)分部分，4種實(shí)驗(yàn)條件下均發(fā)生顯著性變化的癥狀包括：頸肩背痛、眼睛疲勞、眼干和重影這表明觀看一段時(shí)間視頻之后確實(shí)產(chǎn)生了主觀視疲勞感受，而觀看3D視頻較2D視頻更易產(chǎn)生頭暈、頭痛、眼睛酸痛的癥狀。

2.2.2眼參數(shù)結(jié)果

表4是4種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下各項(xiàng)參數(shù)值的變化量以及進(jìn)行成對(duì)樣本T檢驗(yàn)下的顯著性水平值；CFF值在LED照明環(huán)境下觀看2D電影和3D電影前后以及熒光燈照明環(huán)境下觀看3D電影前后下降顯著；而NRA值和PRA值在4種實(shí)驗(yàn)條件下都顯著變化；NPA值除了在LED照明下觀看2D電影前后沒(méi)有顯著變化外，其他3種情況下都有顯著性變化；NPC值在LED照明下觀看2D電影和熒光燈照明環(huán)境下觀看3D電影前后有顯著性變化；為了得出更加直觀的結(jié)論，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行多因素方差分析，把各項(xiàng)參數(shù)前后變化百分比作為因變量，照明類(lèi)型和電影版本作為自變量，被試作為隨機(jī)變量，表5為分析的結(jié)果，照明類(lèi)型，電影版本和被試之間沒(méi)有交互影響，照明環(huán)境對(duì)CFF值影響顯著（p=0.038<0.05），對(duì)其他幾項(xiàng)參數(shù)沒(méi)有顯著影響，電影版本對(duì)各項(xiàng)參數(shù)均無(wú)顯著的影響。

表4　4種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下各項(xiàng)參數(shù)的前后變化

表5　多因素方差分析結(jié)果

對(duì)4種照明環(huán)境下觀看2D和3D電影的各項(xiàng)參數(shù)繪制95%置信區(qū)間內(nèi)的誤差條，結(jié)果如圖11～圖15；可以看到CFF值、NRA、PRA值均下降顯著，NPA和NPC值在實(shí)驗(yàn)之后都變大。其中CFF的變化還受到照明類(lèi)型的影響，被試在LED照明環(huán)境下觀看電影以后CFF下降更多。

3　結(jié)論

結(jié)果顯示，在觀看一段時(shí)間的電影之后，被試產(chǎn)生了明顯的頸肩背痛感、眼干、眼睛疲勞和重影，說(shuō)明被試在兩種照明條件下觀看2D和3D電影均產(chǎn)生了視覺(jué)疲勞。此外，視功能測(cè)量結(jié)果顯示CFF、NRA 和PRA在實(shí)驗(yàn)后下降顯著；而NPA和NPC則在實(shí)驗(yàn)后呈上升趨勢(shì)，并在大部分實(shí)驗(yàn)條件下變化顯著。

綜上，經(jīng)一段時(shí)間的視覺(jué)負(fù)荷之后，問(wèn)卷的大部分癥狀都呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，主觀的疲勞感受提增，眼睛對(duì)光瞬時(shí)變化的敏感度下降，同時(shí)眼睛的相對(duì)性調(diào)節(jié)力下降，調(diào)節(jié)近點(diǎn)和集合近點(diǎn)均變遠(yuǎn)。此外，照明類(lèi)型對(duì)CFF的變化也有影響，LED照明環(huán)境使人眼對(duì)光的瞬時(shí)敏感度下降更大。并且，本次實(shí)驗(yàn)沒(méi)有證據(jù)表明觀看3D電影較之觀看2D電影更容易產(chǎn)生客觀上的視疲勞癥狀。

圖11　LED和熒光燈環(huán)境下CFF前后變化

圖12　4種實(shí)驗(yàn)條件下NRA前后變化

圖13　4種實(shí)驗(yàn)條件下PRA前后變化

圖14　4種實(shí)驗(yàn)條件下NPA前后變化

圖15　4種實(shí)驗(yàn)條件下NPC前后變化

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陳燕燕（1991-），女，漢族，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，1280129660@qq.com；

楊蘭蘭（1978-），女，漢族，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué)和顯示科學(xué)與技術(shù)，jujube_yang@seu.edu.cn。

Investigation of Visual Fatigue Caused by 2D/3D Display under Different Illuminations*

CHEN Yanyan，WANG Lili，YANG Lanlan*
（School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Subjective and objective measurements are used to compare the differences of visual fatigue caused by watching 2D and 3D movies under LED and fluorescent illuminations.The results of subjective questionnaires showed that，watching movies can lead to apparent visual fatigue.And results of objective measurements showed that CFF，NRA and PRA decreased significantly after watching movies（p<0.01）under two different lighting condi?tions.CFF has a more significant decline under LED lighting condition，the p value of influence of lighting condi?tion on CFF is 0.038.There are no significant differences between 2D and 3D movies under two kinds of lighting conditions in terms of the objective measurements.The conclusion is that the visual fatigue increased significantly after the experiment while no evidence shows that watching 3D movies can cause more visual fatigue than watching 2D movies.

display technology；visual fatigue；ophthalmological parameter；lighting conditions

TN27

A

1005-9490（2016）02-0242-06

EEACC：7260；853010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.002

項(xiàng)目來(lái)源：教育部博士點(diǎn)基金（20120092120024）

2015-04-28修改日期：2015-05-19