基于3D快門眼鏡的立體視銳度測量方法

陳 洋，孫 瑩，楊 良，吳 凡，姜喜超，劉 姝，金 晗，吳 荒＊

（1.吉林大學(xué)第二醫(yī)院 眼科醫(yī)院視光學(xué)科，吉林 長春130022；2.吉林大學(xué)第一醫(yī)院；3.美國弗吉尼亞大學(xué)工程學(xué)院）

立體視覺是雙眼協(xié)同工作的高級功能，作用是精確判斷物體距眼的距離。立體視覺越好，精細(xì)判斷距離的能力就越強(qiáng)，越容易發(fā)覺距離上的細(xì)微差別。對于汽車駕駛、精密儀器操作、航空航海等職業(yè)，良好的立體視覺是出色完成工作的重要條件。評估立體視覺采用的是立體視銳度（stereoacuity），單位常用角秒（arcsec，”），其大小是通過測量雙眼所能覺察的最小視差（disparity）來確定，視差的閾值越小，表明立體視銳度越好。測量立體視銳度的傳統(tǒng)設(shè)備是Howard－Dolman立體視力測定儀（Howard－Dolman apparatus）［1］，但此方法繁瑣，不適合常規(guī)應(yīng)用。常用的測量方式是基于偏振光鏡片的立體圖檢測和基于紅綠（或藍(lán)）濾色片的隨機(jī)點(diǎn)立體視檢查［2，3］。這兩種方法的測量方式簡單，但存在測量精度差、易出現(xiàn)誤差、測量范圍有限等問題。本項(xiàng)目采用3D快門眼鏡分離雙眼，利用計(jì)算機(jī)程序設(shè)置存在不同視差的視標(biāo)圖像，測定能感知立體影像的閾值，即測量出立體視銳度。與常規(guī)技術(shù)想比，測量精度高、誤差小、范圍廣、測量方式更為靈活。

1 資料與方法

1.1 研究對象

吉林大學(xué)第二醫(yī)院眼科醫(yī)院護(hù)士及研究生30名，年齡20－28歲（23.57±2.66歲），其中男10名，女20名。右眼屈光狀態(tài)：球鏡度＋0.75DS～－5.00DS（－2.35±1.51DS），柱鏡度0～－1.25DC （－0.56±0.39DC）；左眼屈光狀態(tài)：球鏡度＋0.75DS～－5.00DS（－2.35±1.50DS），柱鏡度0～－1.50DC（－0.77±0.41DC）。所有受試者均無屈光參差及斜視，單眼最佳矯正視力≥1.0。

1.2 構(gòu)建立體視覺測量系統(tǒng)

1.2.1 建立3D計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 建立適用于3D顯示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本項(xiàng)目采用的核心硬件是3D顯示器（ASUS，VG248QE 24英寸LED背光寬屏液晶顯示器，刷新頻率144 Hz，點(diǎn)距0.276mm，亮度350cd/m2，對比度1000∶1）及3D快門式眼鏡（Nvidia 3Dvision 2）。3D圖片瀏覽采用Nvidia 3Dvision photo viewer軟件。

1.2.2 繪制測試視標(biāo) 采用“E”形式，依據(jù)視力表視標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)確定其大?。?］。本研究的檢查距離設(shè)定為5.6m，通過視標(biāo)大小和計(jì)算機(jī)點(diǎn)距可計(jì)算出“E”視標(biāo)每一畫的寬度是幾個(gè)像素點(diǎn)。在立體視檢查過程中，使用最佳矯正視力上一行視標(biāo)進(jìn)行測試。

1.2.3 繪制立體視差視標(biāo) 根據(jù)立體視銳度計(jì)算公式，推導(dǎo)出圖片中存在的立體視差靶視標(biāo)的視差［5］。根據(jù)顯示器點(diǎn)距計(jì)算，在5.6m處檢測，1個(gè)像素點(diǎn)的偏差，視差約為10"。

1.2.4 立體視銳度測量方法 立體視銳度測量采用3級選單方式（第一級圖片有4行視標(biāo)，級距25像素點(diǎn)；第二級圖片有4個(gè)頁面，每頁面有5行視標(biāo)，級距5像素點(diǎn)；第三級圖片有20個(gè)頁面，每頁面有5行視標(biāo)，級距1像素點(diǎn)），通過3張圖片的選擇，就可以確定被檢者的立體視銳度，精度為1個(gè)像素（10"）。從10"到1000"，共有100個(gè)測試行，每行設(shè)計(jì)7個(gè)視標(biāo)，左右兩邊的視標(biāo)是參照視標(biāo)，不設(shè)計(jì)立體視差視標(biāo)（靶視標(biāo)）。中間的五個(gè)視標(biāo)中，有一個(gè)是存在左右眼視差的靶視標(biāo)。讓被檢者辨認(rèn)突出于其他視標(biāo)的靶視標(biāo)，以被檢者能分辨出的最小靶視標(biāo)的視差值，作為其立體視銳度的測量值。

1.2.5 對照系統(tǒng) The Fly Stereo Acuity Test，為美國 Vision Assessment Corporation生產(chǎn)，采用偏振片分離雙眼影像，其測量方案代表了目前常規(guī)應(yīng)用的立體視銳度測量技術(shù)。

2 結(jié)果

采用本系統(tǒng)測量的立體視銳度結(jié)果與采用The Fly Stereo Acuity Test測量的結(jié)果吻合度很高，見表1。其間差異主要是由兩個(gè)系統(tǒng)的測量級距不同造成的。本系統(tǒng)的測量級距相等（10”）；而The Fly Stereo Acuity Test的測量間距是不相等的，其測量立體視銳度視標(biāo)最多有10組圖案，代表的立體視銳度分別是400”、200”、160”、100”、63”、50”、40”、32”、25”和20”。

表1 The Fly Stereo Acuity Test與3D快門眼鏡測量系統(tǒng)測量結(jié)果對比

3 討論

正常雙眼視覺的優(yōu)勢之一，是能產(chǎn)生精確的立體視覺。立體視覺的產(chǎn)生基于眼的三級功能：第一級是同時(shí)視功能，即雙眼可以同時(shí)感知外界的影像；第二級是融合功能，即腦可以將兩眼傳入的兩個(gè)獨(dú)立圖像融為一個(gè)；第三級是立體視，即由于瞳距的存在，兩眼傳入的圖像并不完全相同，存在視差，這種視差經(jīng)過腦的處理后完成了對所視物體深度、距離、凹凸的精確辨別，形成立體視覺。測量立體視銳度的方法通常有遠(yuǎn)、近距離兩種方式。遠(yuǎn)距離的測量方法有Howard－Dolman立體視覺測定（Howard－Dolman apparatus）和Frisby－Davis Distance（FD2）等［6］。近距離的測量方法常用的包括基于偏振光技術(shù)的Titmus和the Fly Stereo Acuity Test，以及基于紅綠（或藍(lán)）眼鏡的TNO檢查。這些方式對于測量立體視銳度各有特點(diǎn)，但對于研究一些影響立體視銳度的因素，則顯得不夠靈活。本項(xiàng)目采用計(jì)算機(jī)技術(shù)有效消除了測量手段的瓶頸。

為了驗(yàn)證本測量方法的有效性，我們用本方法和The Fly Stereo Acuity Test進(jìn)行了對比，兩者的差別有以下幾點(diǎn)：（1）測量精度。兩者測量結(jié)果在視差較小區(qū)域吻合度高，在視差較大區(qū)域差異明顯，這種差異與兩種方法的精度設(shè)置有關(guān)。本項(xiàng)目的測試級距固定，并不隨著立體視差的增大而增加測量間隔。The Fly Stereo Acuity Test測量級距是變化的，在視差大的區(qū)域間隔過大，不利于發(fā)現(xiàn)細(xì)微的立體視變化。我們對3名The Fly Stereo Acuity Test測量結(jié)果是400”的人進(jìn)行3D快門眼鏡的測試，結(jié)果分別為250”、290”、370”。（2）測量誤差。The Fly Stereo Acuity Test要求測量距離40cm。以1號測試視標(biāo)視差400”為例，如果檢測距離因受試者體位等問題移近了10cm，則立體視差變?yōu)?33”（誤差33%）。如果測量距離移遠(yuǎn)了10cm，則立體視差變?yōu)?20”（誤差20%）。本方法的測量距離為5.6m，可以有效地降低因測量距離偏差而造成的誤差。同樣400”的立體視差，如果近了10cm，則立體視差變?yōu)?07”（誤差2%）；如果遠(yuǎn)了10cm，則立體視差變?yōu)?93”（誤差2%）。（3）測量范圍。The Fly Stereo Acuity Test的測試距離固定（40cm），圖片數(shù)量固定，意味著其測量范圍受到測試圖片數(shù)量的限制。而本方法可通過改變測試距離來拓展測量范圍。增加測試距離，可以測量更為精細(xì)的立體視銳度；縮短測試距離，可以測量出視差更大的立體視銳度。

3D快門眼鏡作為營造立體視覺的方法，在電子游戲和立體電影中，發(fā)揮著獨(dú)特的作用，但采用3D快門眼鏡對立體視銳度進(jìn)行測量，鮮有報(bào)道。國外有學(xué)者采用偏振光眼鏡結(jié)合計(jì)算機(jī)3D技術(shù)進(jìn)行了立體視銳度測量的嘗試［7］，但偏振光3D技術(shù)與快門眼鏡3D技術(shù)相比，存在垂直分辨率降低一半等缺點(diǎn)。本技術(shù)提高了立體視銳度的測量精度，降低了測量誤差，拓寬了測量范圍，為進(jìn)一步研究立體視銳度提供了新的技術(shù)手段。

［1］Westheimer G.Clinical evaluation of stereopsis［J］.Vision Res，2013，90（20）：38.

［2］Heron S，Lages M.Screening and sampling in studies of binocular vision［J］.Vision Res，2012，62（1）：228.

［3］Daum KM，McCormack Gl.Fusion and Binocularity［M］.Benjamin，WJ.Borish＇s Clinical Refraction.Butterworth－Heinemann，2 edition，2006：145－191.

［4］GB11533－2011.標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表［s］

［5］Howard IP，Rogers BJ.Binocular vision and stereopsis［M］.Oxford University Press 1995：37.

［6］Eom Y，Song JS，Ahn SE，et al.Effects of interpupillary distance on stereoacuity：the Frisby Davis distance stereotest versus a 3－dimensional distance stereotest［J］.Jpn J Ophthalmol，2013，57（5）：486.

［7］Kim JL，Yang HK，Kim Y，et al.Distance stereotest using a 3－dimensional monitor for adult subjects［J］.Am J Ophthalmol，2011，151（6）：1081.