虛擬現(xiàn)實技術(shù)融合矯正近視系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化

李其禎，劉 帥，朱明珠

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350）

0 引言

目前常用矯正視力的手段包括飛秒激光手術(shù)、可植入式隱形眼鏡（Implantable Collamer Lens，ICL）手術(shù)、角膜塑形鏡等，這些矯正技術(shù)對角膜的要求高，存在一定的安全隱患，稍有不慎容易產(chǎn)生無法彌補的后遺癥。基于虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）全景的近視矯正技術(shù)不存在實際性的人體創(chuàng)傷，不會對人體尤其是視覺感官任何損傷。但使用虛擬全景畫面會受到因高強度頻率畫面刷新帶來的眩暈感影響，即體驗者在長時間體驗VR技術(shù)后出現(xiàn)暈動癥現(xiàn)象，這是正常且常見的生理反應(yīng)，也是體驗者不能完全沉浸于虛擬空間的重要因素。本文主要設(shè)計出一種利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行非接觸性無損傷的安全矯正近視方法，且對近視的度數(shù)控制更加穩(wěn)定。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

1.1 虛擬的三維世界

從技術(shù)理論上分析，VR技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)。利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲、管理和優(yōu)化三維場景幾何數(shù)據(jù)和二維控制所需的交互數(shù)據(jù)，搭建虛擬空間平臺［1］，利用內(nèi)置追蹤裝置搜集使用者與現(xiàn)實狀態(tài)交互的數(shù)據(jù)，通過計算機將數(shù)據(jù)進行模塊化編輯，產(chǎn)生電子信號，再輸出到設(shè)備感應(yīng)裝置，表現(xiàn)形式為三維模型畫面。人類1945年進入信息化時代，智能化生活邁進千家萬戶。VR技術(shù)成為智能化科學(xué)的重大突破，一方面，使得人們由客觀的二維視覺角度轉(zhuǎn)變?yōu)橹饔^的三維立場；另一方面，通過信息數(shù)字化的發(fā)展，計算機技術(shù)、醫(yī)療及其設(shè)備技術(shù)、教育水平等得益于虛擬現(xiàn)實取得的成就。

1.2 世界化的虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實的起源地在美國，擁有最領(lǐng)先虛擬現(xiàn)實技術(shù)的國家是美國，這多半歸功于硅谷文化。美國一味地將研究重點放在用戶真實體驗效果、系統(tǒng)控制、硬件與軟件的多樣化上，雖有強硬實力支持VR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但只有不斷地發(fā)展，并不能在運用中做出巨大貢獻。

緊追美國身后的是日本，日本憑借國內(nèi)研究人員的能力，在VR技術(shù)應(yīng)用方面取得了卓越成效，日本將VR行業(yè)推上了電子信息產(chǎn)業(yè)的熱潮。日本的聚焦點是統(tǒng)計了大量云數(shù)據(jù)庫和受年輕人追捧的網(wǎng)絡(luò)游戲，重要的硬件裝置需要依靠外貿(mào)獲得。

中國在VR行業(yè)中起步較晚，卻很明確地將焦點和凝聚力投入到了醫(yī)療范疇中，由北京高校領(lǐng)頭等一干全國高等大學(xué)，借著新技術(shù)的發(fā)展，把目光投到了“VR+醫(yī)療”發(fā)展事業(yè)中，其成果使研究工作得到了大部分人群的認可和滿意。

VR技術(shù)與醫(yī)學(xué)的融合為現(xiàn)代人生活方式提供了保障。據(jù)《每日郵報》報道，部分外科醫(yī)生通常進行一段時間的虛擬手術(shù)場景模擬的訓(xùn)練熱身，最終目標是在實際操作中無失誤順利完成手術(shù)。利用VR技術(shù)進行術(shù)前準備可以使醫(yī)生和患者更大獲益。VR全景為外科手術(shù)醫(yī)生設(shè)計的“全息影像圖”，將標記點自動覆蓋在患者需要切除、縫合的貼近部位，防止醫(yī)生因過度勞累或緊張造成的手術(shù)事故發(fā)生，從技術(shù)層面上有效降低手術(shù)失誤率［2］。VR技術(shù)與手術(shù)的結(jié)合實例在VR領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來了雙項成就。

2 融合VR技術(shù)的近視矯正法

2.1 正視與近視

眼睛是獲取外界信息最主要的渠道，“近視眼”被列為世界三大疾病之一，英國Nature雜志刊文指出，近視正迅速成為“全球流行病”。20世紀50年代中國人口的近視率只占10%～20%，如今我國近視患者達6億人口，是世界平均患病率的1.5倍，并以每年6%的新增患病率增長。青少年近視患病率高達90%，居世界第一［3］。

通常在兒童檢查視力和配鏡時，進行一項眼軸長度的測量，這是因為剛出生的嬰兒眼軸（眼睛前后徑長度）長度只有16 mm，正常成年人眼軸長度約24～25 mm。人的眼球近似球形，每次使用眼睛都會受到舒張作用對晶狀體產(chǎn)生影響，如果晶體韌帶過度緊張甚至松弛，將會導(dǎo)致睫狀肌收縮，晶狀體變厚變凸。視覺過度勞累使晶狀體受到壓迫而缺失對玻璃體的支撐能力，玻璃體自然垂落導(dǎo)致眼軸延長超過24 mm。一旦眼軸距離拉伸，通過角膜所成的像聚焦點只能落到原先的24 mm處，無法落到后移的視網(wǎng)膜位置上，即判定為近視。正視與近視的眼球結(jié)構(gòu)如圖1所示。所以，除了針孔視力檢查，醫(yī)生還可以憑借測量眼軸判斷患者的屈光狀態(tài)。

圖1 正視與近視的眼球結(jié)構(gòu)

在睫狀肌收縮、舒張睫狀肌的過程中，晶狀體的變化規(guī)律已經(jīng)被人拍攝下來，并且做過精確的測定，推測出通過調(diào)節(jié)眼內(nèi)焦點鍛煉睫狀肌的收縮舒張能力，可以改善晶狀體的形狀，進而調(diào)節(jié)屈光不正的問題。這種說法最早源自1885年，一位美國眼科醫(yī)生威廉·貝茨認為屈光不正（近視、遠視和散光）的原因是眼球內(nèi)部系統(tǒng)不正常的精神狀態(tài)，造成晶狀體的調(diào)節(jié)能力減弱，眼外肌肉壓迫眼球彌補缺失，無法保證眼睛正常的屈光狀態(tài)。而后在1920年公開了自創(chuàng)的“貝茨訓(xùn)練視力恢復(fù)法（不間隙在規(guī)定距離范圍內(nèi)調(diào)整成像距離，消除眼部神經(jīng)系統(tǒng)緊張狀態(tài)）”。應(yīng)用于現(xiàn)實生活中的“貝茨訓(xùn)練法”處于不理想實驗狀態(tài)，因為實驗者在調(diào)節(jié)睫狀肌肉過程中無法主動使眼內(nèi)焦點精準落到應(yīng)聚焦范圍內(nèi)，其最根本原因是人體差異，導(dǎo)致每個人接受的治療方式不相同。

在VR環(huán)境中，由場景自發(fā)控制像距運動調(diào)整眼內(nèi)焦點，使“貝茨訓(xùn)練法”達到了理想化狀態(tài)，對矯正近視起到了作用。只需要VR技術(shù)自動調(diào)整數(shù)據(jù)庫搭建，虛擬空間中的物像成像都是可以隨人體差異程度而差別對待。廣泛的視距景深活動范圍和高活性的成像自動調(diào)整，都能夠引導(dǎo)眼部焦點正確運動，讓睫狀肌得到有效鍛煉，最終達到防控近視的目的。

2.2 幾何搭建虛擬全景

自然交互性（Interactive）是VR技術(shù)區(qū)別于其他電子信息設(shè)備而獨有的特性。雖然人們生活在三維空間里，實際上所見到的、可以獲取信息的畫面是平面的，從畫面中識別的文字圖案是二維的。人與機器的接觸存在于二維空間，這正如人們看自己身體是三維的、立體的，但是要從鏡子里獲知關(guān)于臉的信息，肯定是來自二維空間。

虛擬世界是真正的立體空間，每一個場景不是平面圖片，是通過調(diào)整數(shù)據(jù)庫的搭建，所見到的就變成了可以觀察眼前事物細致入微的三維空間。正是因為高度交互感覺的存在，使用者才能更好地介入其中，使得虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以貼切地融合到生活中的許多方面，如物品的構(gòu)造講解、使用說明。

幾何建模方式是構(gòu)建VR全景的通用方法，成果的好壞直接影響虛擬環(huán)境的真實感。設(shè)計工程師通常使用3Ds Max繪圖軟件利用邊和面建立三維模型，這種多邊形建模方法操作非常靈活，可以隨時增加或刪除模型細節(jié)，模型數(shù)據(jù)庫豐富，通常不需要嘔心瀝血地建素材，可以直接使用準備好的點、線和面或者別人的零部件［4］。大眾化的基礎(chǔ)設(shè)計工具存在最關(guān)鍵的問題，即虛擬環(huán)境模型真實存在感降低。工程師在制作過程中，依照上下前面左右的6個方位依次完成各方位對應(yīng)的平面，最后，進行系統(tǒng)內(nèi)模型的自我優(yōu)化，導(dǎo)致6個平面之間協(xié)調(diào)性大大降低，模型無法融合到場景中。

人對世界的認識幾乎可以用長方形描述。天與地之間存在平行的關(guān)系，高樓大廈自身和之間的關(guān)系也是長方體的存在，因此，以人的微觀視角看待，我們生活的世界近似一個特殊長方體。利用幾何建模設(shè)計出的虛擬世界通過軟件自身的優(yōu)化，近似360°全方位攝像頭拍攝出的畫面，全景之中的直線、正圓等全部被扭曲，世界如同近似球體的正方體。

相比現(xiàn)實世界，全景的虛擬世界自然交互性更低，不能稱之為立體的三維空間，只得作為具有景深感的二維空間。如同觀看3D立體電影，雖然演員和場景的景深感利用大腦產(chǎn)生畫面物距像距自動變換的假象，觀眾聚焦點仍然是落在固定距離之外的屏幕平面上，實際并沒有調(diào)節(jié)眼內(nèi)焦距的效果，因此不能作為進行“貝茨訓(xùn)練法”的有效途徑。

2.3 光場技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)

光場相機將光線以場的方式記錄，使得最終能夠還原場景任意位置處的任意光線信息。除了雙目視差以外，光場相機還能夠提供運動視差（運動視差是一種深度線索，當人們運動時，會發(fā)現(xiàn)離得近的物體運動得快，遠一點的物體運動得慢）。

無論是幾何建模還是360°VR全景攝像機，都不能搭建出真正3D立體的虛擬環(huán)境。二維空間在進行畫面后期渲染工程之后，才是與現(xiàn)實世界無二的立體空間，而光場技術(shù)恰好可以將真實拍攝和虛擬構(gòu)造的3D信息進行數(shù)字化保存，讓全景畫面達到最逼真的效果。

2.4 融合VR技術(shù)的驗光原理

由裝備內(nèi)部L點設(shè)置紅外光線硬件，散發(fā)出紅外光線透過光鏡并有光鏡改變偏轉(zhuǎn)角度，經(jīng)過物鏡進入被檢驗者的眼球，匯聚在人眼內(nèi)視網(wǎng)膜處一點，呈現(xiàn)出圓形或橢圓形的影像。在視網(wǎng)膜上的成像被重新反射到L點后處的CCD圖像傳感器（電荷耦合元件）上，由CCD傳感器搜集到的光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過電子線路傳送至數(shù)據(jù)庫平臺，比較成像與標準圖像的清晰度差距和色差，判斷被檢測者的眼軸長度、散光值和角度值。VR內(nèi)置的驗光裝置如圖2所示。檢測者的屈光度和實際眼軸長度成為為患者制定矯正視力方案的依據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫調(diào)整像距與焦點的變化規(guī)律（包括調(diào)控距離范圍和速度）。

圖2 VR內(nèi)置的驗光裝置

青少年的眼球睫狀肌調(diào)節(jié)能力比正常成年人調(diào)節(jié)能力強，在驗光同時，自發(fā)的調(diào)節(jié)作用使晶狀體變凸，屈光度增強，容易造成“假性近視”的誤區(qū)，因此在驗光之前需要進行散瞳。無論是醫(yī)用驗光，還是利用VR技術(shù)驗光，建議兒童和青少年在驗光之前要進行一次藥物散瞳。

3 結(jié)語

虛擬環(huán)境的復(fù)雜程度高，硬件設(shè)備及軟件開發(fā)造價費用并不會造成巨大影響，但要考慮到系統(tǒng)需要無間隔調(diào)整成像到眼部晶狀體的距離，這無疑增加了數(shù)據(jù)庫搭建的復(fù)雜程度系數(shù)和對專業(yè)知識能力的要求。事實上，搭建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)復(fù)雜程度與電路的繁雜程度都很大，三維空間的建模難度系數(shù)也是一樣。基于現(xiàn)已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)資源，對其中有價值的教學(xué)資源進行統(tǒng)一處理，再以現(xiàn)有的3D建模軟件為基礎(chǔ)，實現(xiàn)一個三維立體的虛擬教學(xué)軟件，可以實現(xiàn)不同層次之間的優(yōu)缺互補。光場技術(shù)是優(yōu)化系統(tǒng)的重要手段，為了得到優(yōu)質(zhì)的三維全景畫面，除了需要昂貴的光場相機設(shè)備，還有龐大內(nèi)存容量的拍攝文件會導(dǎo)致存儲和傳輸出現(xiàn)困難，不利于光場技術(shù)的有效普及。

VR技術(shù)受到該行業(yè)專業(yè)知識的限制，最基本的功能尚且存在幾項無法修補、優(yōu)化的漏洞，技術(shù)層面達不到要求是系統(tǒng)無法設(shè)計完善的最根本原因。之所以技術(shù)層面跟不上時代變更的速度，是因為大眾對于VR的認知僅停留在原始初期，無法正確理解數(shù)字化信息時代下VR技術(shù)的發(fā)展觀念。

VR全景技術(shù)的大力推廣在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域范圍內(nèi)的上升空間很大，為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一筆強力助燃劑，對人類生活方式帶來了很大的波動。VR技術(shù)是信息化時代重要產(chǎn)物，也是歷史朝向的標志性產(chǎn)物，但是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展還處于初步階段，面臨的技術(shù)性問題還很多，尤其是頂尖技術(shù)層面的難題，類似三維建模技術(shù)的價格昂貴且美工不精準、追蹤系統(tǒng)與現(xiàn)實交互之間延遲差較大等問題，這些都是需要著力解決的。