多灰度視力表的設(shè)計及對比度視力的測量研究

滕 琴，徐華斌

（上海第二工業(yè)大學理學院，上海 201209）

多灰度視力表的設(shè)計及對比度視力的測量研究

滕 琴，徐華斌

（上海第二工業(yè)大學理學院，上海 201209）

采用改變背景灰度的方法來實現(xiàn)不同對比度條件下的視力測量，并設(shè)計制作了多灰度視力表，在10 % ～ 100 %的對比度等級下，按青年組和老年組分別對其進行裸視力和矯正視力的實驗數(shù)據(jù)采集。通過對數(shù)據(jù)結(jié)果的對比分析，探討了對比度視力的應(yīng)用條件和意義。

對比敏感度；對比敏感度閾值；背景灰度；視力；視敏度；視標

0 引言

多年來，視力表檢查的視力及視野結(jié)果是最常見的評價視功能好壞的定量標準。然而，人眼的視覺功能不僅包括分辨高對比度的小目標的能力，還包括對各種點線與空白間明暗程度差別（即對比度）的分辨能力，后者即對比敏感度（Contrast sensitivity，CS）[1]。對比敏感度視力的測量，不論是在日常生活中還是在驗光過程中，或特殊職業(yè)工種的招工面試中，都有著極其重要的實際意義[2]。

目前臨床上常用的對比敏感度檢測工具有三類：第一類是圖表檢查；第二類是借助電視或示波器達到對比度連續(xù)可調(diào)；第三類是激光干涉條紋測定[3]。本文探討的主要是第一類圖表檢查：通過字體不變、背景改變的原理，改造傳統(tǒng)的遠用視力表，設(shè)計并實現(xiàn)對比度從10 %到100 % 十個等級的變化；在實驗中選取青年組和老年組各50人作為測量對象，通過數(shù)據(jù)的測量、記錄、整理和作圖分析，提出關(guān)于對比度視力測量的幾點結(jié)論。

1 對比敏感度視力的含義及測量

1.1 對比敏感度視力的含義和表述

我們通常用的視力表是在白色的背景下由黑色符號或視標組成。用傳統(tǒng)視力表（視標黑白分明，只有大小差別、無明暗變化）進行的常規(guī)視力檢查是一種較為簡單的視功能評價方法，用其測量所獲得的視力（vision）即視敏度（visual acuity），只能反映黃斑對于高對比度（即圖形的反差很明顯）的小目標的分辨能力，而對于圖形反差小的低對比度的目標的分辨能力則無法反映出來，因此不能全面地反映人在各種自然環(huán)境下的視力。

對比敏感度，通俗地講就是人眼看清大型模糊目標物的能力。Cambell和Robson于1968年引入了對比敏感度（contrast sensitivity）CS的概念，即在明亮對比變化下，人眼視覺系統(tǒng)對不同空間頻率的正弦光柵視標的識別能力?？臻g頻率是指1度視角所含條柵的數(shù)目，單位為周/度[1]。按國際標準，對比敏感度由物體亮度與背景亮度來決定。人眼所能識別的最小對比度，即對比敏感度閾值（contrast sensitivity threshold），用公式可表示為：(Lmax－Lmin)／(Lmax＋Lmin)，其中Lmax為最大亮度；Lmin為最小亮度。對比敏感度（CS）亦可定義為視覺系統(tǒng)能覺察的對比度閾值的倒數(shù)[4]。對比度閾值低，則對比敏感度高，視覺功能好。在某一空間頻率，視覺系統(tǒng)有一定的對比敏感度；反之，在同一對比度時，視覺系統(tǒng)則有一定的空間頻率分辨力。

1.2 對比敏感度檢測方法和實用意義

實際生活中，有不同的對比度和不同的空間頻率，但傳統(tǒng)視力表只能反映一個指標：大小，而對比敏感度測試可以反映兩個指標：大小和對比度。因此，視敏度和對比敏感度有一定意義上的區(qū)別：視敏度只能反映視標大小即空間頻率的變化，而對比敏感度能同時反映對比度和空間頻率的變化。有些受檢者即使矯正了視敏度，若是對比敏感度視力不好，當物體和背景的顏色或亮度相近時，仍很難辨識出物體來；反之，有些受檢者即使視敏度不佳，只要對比敏感度好，仍能將物體直接從背景區(qū)里分辨出來。因此，CS檢查與傳統(tǒng)視力表檢查相比，更符合人眼視覺的實際環(huán)境，能夠更加敏感、真實地反映及評估視覺質(zhì)量。研究已顯示CS在白內(nèi)障、青光眼、屈光不正、斜視、弱視及視網(wǎng)膜病變等眼病的早期診斷和療效評價等諸多領(lǐng)域具有應(yīng)用價值[5,6]。

目前，我軍飛行員入伍體檢時的視力檢測選用的是傳統(tǒng)的國際標準視力表，只能檢測高對比度下人眼的最小分辨率，無法檢測低對比度下人眼的辨識能力。按照中國人民解放軍軍事訓練和考核大綱要求，部隊除了日常正常操課外，還需要具備不同環(huán)境條件下的戰(zhàn)斗力。因此，對比度視力是軍事人員在視功能方面所應(yīng)具備的必要條件之一。在美國等西方一些發(fā)達國家的招飛考試中，已經(jīng)將對比度視力檢查納入到體檢項目中，說明了今后在評估某些特殊職業(yè)選拔資格時引入對比度視力測量的重要性。

對比敏感度的測試方法有很多種，如：正弦波條紋顯示器、光柵圖片、計算機對比敏感度視覺檢查儀、透射式光柵簡易裝置和視覺電生理檢查儀等。數(shù)據(jù)結(jié)果也呈多樣性，目前尚無統(tǒng)一標準。臨床上CS檢查的方式主要有2種：（1）保持空間頻率不變，測定主觀判斷剛能看到某個空間頻率圖形的對比度閾值；（2）保持對比度不變，測定能辨識的空間頻率的閾值。后一種方法與通常的視力檢查方式相同，只是通過切換畫面來實現(xiàn)視力表的對比度不同，故更易為受檢者所熟悉和理解。

2 國際上現(xiàn)有的對比敏感度測試卡

2.1 Cardiff 對比敏感度檢測卡

如圖1所示，Cardiff對比敏感度檢測卡使用的是亮灰色和暗灰色輪廓圖形，而不是黑白輪廓圖形，而且所有圖片的輪廓寬度都一樣大，只是亮度有所不同。其主要功能是運用“優(yōu)先注視”的方法：測量時檢查者只需要觀察受檢者的眼睛，看其視線是否注視著卡片上圖形所在的位置，無需語言交流，檢查者就可以判斷受檢者是不是分辨出圖形[3]。這是一種特別適合于配合度較差的患者所使用的檢查方法，如：幼童12月～3歲、中風、智障者、腦部損失或老年癡呆者等。該對比敏感度檢測卡目前的國內(nèi)報價在5 000元以上。

圖1 Cadiff對比敏感度檢測卡Fig. 1 Cardiff contrast test

2.2 VCTS-6500對比敏感度視力表

VCTS-6500是基于Arden研制的一套光柵圖片，通過引入調(diào)制傳遞函數(shù)的概念，根據(jù)灰度調(diào)制曲線的變化制成寬窄、明暗不同的條柵圖作為檢查表（參見圖2），以此反映空間、明暗對比二維頻率的形覺功能。其對比敏感度由黑色條柵與白色間隔的亮度來決定；視標分為A、B、C、D、E五排，分別代表1.5、3、6、12、18周/度（c/d）空間頻率；每排自左至右共8個圓形條柵圖的對比度依次下降（對比敏感度閾值升高）；圖中第9列為無條柵空白圖；條柵分為垂直、右斜和左斜3種。近對比敏感度的檢測距離為40 cm，遠對比敏感度的檢測距離為3 m。測量時從A行空間頻率開始辨識視標，依次為A1～ A8，然后逐行往下直至E行，將所能看清的最大對比敏感度視標標定在記錄紙上。檢查完畢后，將記錄紙上不同空間頻率的對比敏感度等級連線即可得到對比敏感度函數(shù)（CSF）曲線。

圖2 VCTS-6500對比敏感度視力表Fig. 2 VCTS-6500 contrast sensitivity visual acuity chart

CSF曲線以空間頻率為橫坐標、對比敏感度為縱坐標，其灰度調(diào)制曲線的寬度變化反映了條柵的空間函數(shù)、高度變化反映了條柵的明暗對比函數(shù)。對于正常人，此函數(shù)的完整曲線基本呈拋物線型，也有人稱之為山型或鐘型。圖3(a)中的灰色區(qū)域表示對比敏感度的正常范圍。從圖3中還可以看出：在橫軸空間頻率5 c·d?1附近敏感度達到峰值，高頻區(qū)快速下降，低頻區(qū)則下降較慢。亦有研究表明：近視眼屈光系統(tǒng)的CSF曲線在坐標上呈近似直線[7]。由于測量完整的CSF較為費時，對兒童和理解能力較低者的準確性也有所下降，且數(shù)據(jù)結(jié)果不易被患者理解，故目前主要供一些眼科醫(yī)生作臨床使用。

圖3 對比敏感度函數(shù)曲線Fig. 3 Contrast sensitivity function curve ( (a) Hand-printed；(b) Machine-printed )

2.3 兩對比度漢字近視力表

兩對比度漢字近視力表由溫州星康醫(yī)學科技有限公司開發(fā)研制，具備兩個主要特征：① 漢字作為視標，在設(shè)計表達上與其他視力表相通，可以互換分析；② 利用漢字出現(xiàn)頻率、漢字空間頻率及心理物理學的分析方法確定視標，使得檢測獲得的漢字視力等同為真實辨認漢字的能力。

兩對比度漢字近視力表的標準檢查距離為40 cm，也可選用25 cm作為檢查距離。該近視力表共有兩張，均由正反兩面組成，設(shè)有100 %和10 % 的高、低兩種對比度。其中一張正面是以少筆畫數(shù)漢字作為視標的兩對比度漢字近視力表，另一張正面是以中筆畫漢字作為視標的兩對比度漢字近視力表，兩張近視力表的反面均為兩對比度標準對數(shù)近視力表。少筆畫漢字視標適用于低學齡兒童，中筆畫漢字視標適用于青少年和成人。漢字視力表高對比度部分可以用于測量各種人群的漢字近視力，老視的驗配、低視力助視器的驗配；標準對數(shù)近視力表高對比度部分用于各種人群近視力的測定與視力障礙的篩查，低對比度部分用于初步篩查早期白內(nèi)障、青光眼等眼病。同一種對比度視標中設(shè)置了兩個版本的小視標，用于視力的重復(fù)測量，避免記憶效應(yīng)。

圖4 兩對比度漢字近視力表Fig. 4 the near visual chart of two Contrast Sensitivity of Chinese character

3 多灰度視力表的設(shè)計方法及測量分析

3.1 多灰度視力表的設(shè)計原理

我們的設(shè)計思路是改造傳統(tǒng)的遠視力表，采用E視標以符合中國人（包括兒童和文盲）的視力檢測習慣：按照字體不變、背景改變的原理，設(shè)計字體灰度為100 % ，背景灰度從0 %到90 % 改變，使背景與視標的對比度按10 %、20 % 到100 % 的若干等級變化，并以視力表的視標大小變化來代表空間頻率的變化，從而達到對比度視力測量的目的。

圖5 多灰度視力表設(shè)計原理Fig. 5 The design principle of the visual chart of changing gray degrees

多灰度視力表的視標大小和光照條件均按照標準遠視力表設(shè)計，因此測量距離可參照普通遠視力表，采用3米作為標準距離；視標模板運用電腦軟件進行設(shè)計和制作，并用PVC材料進行專業(yè)寫真印刷制作成視標插片進行更換。圖5列出了對比度等級在20 % ～ 80 % 之間的視標模板。

傳統(tǒng)視力表是在對比度最理想的100 % 等級下（白底黑字）測量視敏度，而多灰度視力表可以實現(xiàn)10 % ～ 100 % 不同對比度條件下的對比度視力檢測。我們所設(shè)計的多灰度視力表成本低廉，操作簡單、實用，原理是以不同灰度模板切換來實現(xiàn)對比度變化，以視標大小不同來實現(xiàn)空間頻率變化，雖然其功能上無法像VCTS-6500對比敏感度視力表那樣繪制出完整的CSF曲線，但能夠測量出不同對比度等級下的視覺情況，且符合中國人的測量習慣，測量結(jié)果易被受檢者理解。相比于兩對比度漢字近視力表僅實現(xiàn)100 % 和10 %高低兩種對比度等級下的近視力測量，多灰度視力表的對比度變化更為精細（十檔），可以測量從高到低每隔10 % 對比度條件下遠視力的變化情況。

3.2 對比度視力的測量分析

將選取的測量對象按年齡分為兩組：青年組50人，平均年齡20歲；老年組50人，平均年齡55歲。測量時采用3米標準距離，兩眼的測量順序先右后左，要求對戴鏡者分別測量其裸視力和矯正視力。

我們以對比度等級為橫坐標，以對比度視力為縱坐標，測量數(shù)據(jù)作圖如下：

結(jié)合實驗測量結(jié)果分析，我們可得出一些結(jié)論。

(1) 對比敏感度曲線以空間頻率為橫坐標，對比敏感度為縱坐標，刻度呈幾何級數(shù)增大，反映的是不同空間頻率下對比敏感度的變化情況（低頻區(qū)反映視覺對比度情況、中頻區(qū)反映視覺對比度和中心視力綜合情況、高頻區(qū)反映視敏度）；而對比度視力曲線以對比度等級為橫坐標，以不同對比度等級下所測視力為縱坐標，刻度均勻（視力越高表示所能分辨的視標越小，空間頻率也越大），繪制出的曲線呈遞增函數(shù)，主要反映了10 % ～ 100 % 不同對比度等級下的遠視力變化情況。而用傳統(tǒng)視力表所測得的視敏度只是對比度視力曲線圖中最末端的一個點。

(2) 無論青年組還是老年組，在對比度為100 % 時視力最佳。隨著對比度的降低，裸眼視力下降明顯，而矯正視力在對比度下降時變化趨緩。這與參考文獻[8]中關(guān)于正常人在高對比度下所測視力明顯高于在低對比度下所測視力的結(jié)論一致。老年組相比于青年組在較高空間頻率處的對比度視力有所下降，這主要是由視網(wǎng)膜和神經(jīng)年齡性的改變引起。一般情況下，女性比男性有較低的空間對比敏感度。

(3) 人眼對細小目標的分辨能力隨著對比度的降低而下降，而對粗大目標的分辨能力受對比度變化的影響較小。隨著對比度的下降，辨識小目標物體的反應(yīng)時間將延長。研究發(fā)現(xiàn)，在這方面青年組明顯優(yōu)于老年組，與性別無關(guān)。在40歲之前年齡與對比敏感度呈正相關(guān)，40歲左右對比敏感度開始下降。

(4) 對比敏感度一般和近視度數(shù)也呈線性關(guān)系，近視度數(shù)越低敏感度越高，其原因主要與眼睛屈光間質(zhì)的清晰度和視神經(jīng)靈敏度有關(guān)。由此可知，對比敏感度亦與屈光狀態(tài)、瞳孔直徑、調(diào)節(jié)等因素有關(guān)。

(5) 在許多眼部疾病的早期階段，在進行普通視力表檢查時并未出現(xiàn)異常，但對比敏感度其實已經(jīng)開始下降。例如青光眼、白內(nèi)障等眼疾患者，早期表現(xiàn)為視力正常但是對比敏感度低于正常人群。為避免延誤病情應(yīng)及時建議患者去眼科醫(yī)院進行臨床檢查。

(6) 對于從事特殊職業(yè)的人群如飛行員、駕駛員、運動員等，對其進行對比度的視力測試顯得尤為重要。用不同對比度等級模擬不同自然環(huán)境下的視覺條件，可以幫助我們精確地了解受檢者的視覺功能，并對他們的視覺質(zhì)量進行評估，從而得出其是否適合從事該職業(yè)的結(jié)論。

∶

[1] 王光霽. 不同對比度視力表及其臨床應(yīng)用[J]. 眼視光學雜志, 1999, 1(1): 7-8.

[2] 燕振國, 褚仁遠, 孫熠. 飛行員招生體檢中亮背景下不同對比度視力和反應(yīng)時間的研究[J]. 眼視光學雜志, 2009, 11(4): 282-284.

[3] 王育良, 李凱. 眼視光學[M]. 北京: 人民軍醫(yī)出版社, 2008: 112-113.

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[7] 黃小明, 李樂平, 金成鵬, 等. 屈光參差對對比敏感度的影響[J]. 眼視光學雜志, 2003, 5(2): 95-96.

[8] 史勝, 柳林, 周行濤, 等. 正常人亮暗背景下不同對比度的視力變化[J]. 第二軍醫(yī)大學學報, 2007, 28(7) : 714-717.

The Design of the Visual Chart of Changing Gray Degrees and the Research of Contrast Sensitivity

TENG Qin, XU Hua-bin
(School of Physics, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P.R.China)

This paper is based on the vision measurement method of changing the background gray degrees to achieve different contrast conditions. With the visual chart of different contrast from 10 % to 100 % , uncorrected and corrected measurement data of youth group and elderly group are collected.Through the comparative analysis of these data, it discusses the application conditions and significance of contrast sensitivity.

contrast sensitivity; contrast sensitivity threshold; background intensity; vision; visual acuity; visual target

R-331

A

1001-4543(2011)04-0318-07

2011-09-13;

2011-10-10

滕琴（1975-），女，江蘇昆山人，副教授，碩士，主要從事大學物理和眼視光教學研究，電子郵箱tengqin@sf.sspu.cn。

上海第二工業(yè)大學?；痦椖浚∟o.XQD209016）