人眼追蹤遠(yuǎn)距離裸眼立體視覺檢測系統(tǒng)的研制和測試

曹利群，李鳴皋，王元慶，高 原，沈克強(qiáng)

立體視覺可以分為近距離(閱讀距離)和遠(yuǎn)距離立體視覺。 近距離立體視覺檢測主要用于篩查斜視、弱視患者和評價雙眼視功能[1-2]，遠(yuǎn)距離立體視覺對于飛行員、駕駛員、運(yùn)動員等職業(yè)人群尤為重要，還可用于評價間歇性外斜視患者的病變程度和療效[3]。

目前眼科臨床檢測遠(yuǎn)距離立體視覺多采用同視機(jī)、Distance Randot(DR)[4]及Frisby-Davis 2(FD2)[5]等方法。 同視機(jī)不能實(shí)現(xiàn)便攜，雙眼視野被機(jī)械阻隔，與雙眼視覺自然狀態(tài)有一定差異[6]；DR 檢查時需要佩戴偏振光眼鏡；FD2 和DR 每個視差級別僅有1～2 張檢查圖易于記憶，這些因素都可能影響檢查結(jié)果的準(zhǔn)確性。 近年來有研究應(yīng)用3D 顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)立體視覺檢查，但受檢者仍需佩戴偏振光[7]或液晶開關(guān)眼鏡[8]。 Kim 等[9]用覆蓋光柵膜的顯示器實(shí)現(xiàn)裸眼立體視覺檢測，但只能在特定位置感知立體效果。 本研究在研制第3 代《立體視覺檢查圖》的基礎(chǔ)上開發(fā)相應(yīng)軟件，與南京大學(xué)合作研制人眼跟蹤式自由立體顯示器，擬研發(fā)和測試5 m觀看距離的裸眼隨機(jī)點(diǎn)立體視覺檢查系統(tǒng)(glassesfree random dot stereotestsystem，GFRDSS)，以實(shí)現(xiàn)無輔助遠(yuǎn)距離立體視覺檢查。

1 材料與方法

1.1 硬件配置和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 開發(fā)環(huán)境 硬件配置Intel Core i7-4720HQ CPU，英偉達(dá)GTX970 顯卡，系統(tǒng)采用window 7，C＋＋語言開發(fā)。

1.1.2 裸眼立體視窗 設(shè)計(jì)采用人眼跟蹤式空分雙視圖視差立體顯示方式設(shè)計(jì)視窗。 人眼跟蹤模塊實(shí)現(xiàn)受檢者雙眼定位及追蹤[10]，根據(jù)雙眼定位點(diǎn)亮可尋址LED 陣列光源中對應(yīng)位置的LED 燈，通過指向性光學(xué)模塊和23.8 in 4K LCD 顯示屏(ViewSonic，VS16024)發(fā)出2 束寬約40 mm 的定向出瞳光[11]，以分時模式將2 幅視差立體圖對分別投射到受檢者雙眼，呈現(xiàn)高清晰度立體圖[12]。 視窗經(jīng)“國家平板顯示工程技術(shù)研究中心”測評:有效像素3840×2160，立體模式亮度301 cd/m2，平面模式亮度304 cd/m2。

1.1.3 立體視覺檢測 軟件開發(fā)系統(tǒng)采用23.8 in裸眼立體視窗為受檢者提供立體圖形，19 in 液晶顯示器為檢查者提供系統(tǒng)運(yùn)行控制界面。 應(yīng)用Adobe Photoshop CS5 在第3 代《立體視覺檢查圖》基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)隨機(jī)點(diǎn)立體圖對(Random dot Stereograms，RDS)，設(shè)定800″、400″、200″、100″、60″、40″共6 個視差級別，每級別設(shè)計(jì)10 對不同檢查圖。 圖形直徑(長徑)30 cm，按照易辨認(rèn)圖形(如:正方形、圓形、三角形等)、阿拉伯?dāng)?shù)字、大寫英文字母等設(shè)計(jì)。

1.2 檢測對象 參與海軍招飛全面體檢的健康男性青年230 名，年齡17～20 歲，納入標(biāo)準(zhǔn):①無影響視功能的眼部疾病和眼科手術(shù)史；②雙眼裸眼視力均不低于0.8；③眼科裂隙燈和眼底檢查無顯著異常；④經(jīng)角膜映光法、交替遮蓋、單眼遮與不遮檢測雙眼眼位為正位。 排除標(biāo)準(zhǔn):①測試過程中要求退出者；②測試過程中出現(xiàn)明顯眼痛、眼脹、眩暈、頭痛及視物模糊等不適癥狀者。

1.3 檢測方法 通過人工照明調(diào)整室內(nèi)照度，230名受檢者分別在室內(nèi)照度100 ～300 cd/m2和350 ～600 cd/m2條件下采用GFRDSS 和DR 檢測立體視銳度，兩種環(huán)境照度和兩種檢查方法順序隨機(jī)排列，間隔時間均不低于5 min，記錄每位受檢者能分辨的最小視差為其立體視銳度。 完成測試后報(bào)告檢查期間是否存在眼部及全身不適感。

1.3.1 GFRDSS 檢查方法 檢查距離5 m，啟動檢查程序，開啟人眼跟蹤程序，確定受檢者雙眼被正確追蹤，登記受檢者一般資料后進(jìn)入立體視覺定量檢查程序，按視差由大到小的順序依次檢查，每個視差級別檢查圖隨機(jī)出現(xiàn)，每級別最多提供3 張不同檢查圖，正確識別至少一張檢查圖即可通過。

1.3.2 DR 檢查方法 檢查距離3 m，受檢者佩戴偏振光眼鏡，按視差級別由大到小的順序(400″、200″、100″、60″)依次描述圖中立體圖形。 每級別2張圖中正確識別一張即可通過。

1.3.3 環(huán)境照度的檢測 將照度計(jì)digital light meter(TES-1330A，泰仕電子工業(yè)有限公司TES electrical electronic corp.，中國臺北)置于立體視窗或DR檢查圖所在位置，讀取環(huán)境照度值。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 18.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，將受檢者立體視銳度分為:≥400″、200″、100″、60″～40″共4 個級別，組間比較采用配對資料的Wilcoxon 符號秩和檢驗(yàn)(Wilcoxonsigned-rank test)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

230 名受檢者順利完成測試，訴實(shí)驗(yàn)過程中均無明顯眼部及全身不適感；GFRDSS 在5 m 距離呈現(xiàn)穩(wěn)定清晰立體效果，檢測時受檢者左右前后頭部活動不影響立體感知；DR 圖形較暗，有時圖片出現(xiàn)反光干擾對立體圖形的觀察。

2.1 在100 ～300 cd/m2照度環(huán)境中組間測試結(jié)果比較 99 位受檢者(43.0%)兩種方法測定的結(jié)果一致。 與對照組[41.3%(95/230)]比較，觀察組有83.91%(193/230)受檢者立體視銳度達(dá)到正常水平(40″～60″)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z＝-9.569，P＜0.05)，表1。

表1 在照度100～300 cd/m2環(huán)境中應(yīng)用GFRDSS 和DRS 檢測立體視銳度結(jié)果

2.2 在350 ～600 cd/m2照度環(huán)境中兩組測試結(jié)果比較 350 ～600 cd/m2照度下，與對照組[75.22%(173/230)]比較，觀察組有84.78%(195/230)受檢者立體視銳度達(dá)到60"，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z＝-4.048，P＜0.05)，表2。

表2 在照度350～600 cd/m2環(huán)境中應(yīng)用GFRDSS 和DRS 檢測立體視銳度結(jié)果

2.3 不同環(huán)境照度下測定結(jié)果比較 分別比較兩種方法在不同環(huán)境照度下測定結(jié)果的差異，結(jié)果顯示GFRDSS 在兩種環(huán)境下的結(jié)果無顯著性差異(Z＝-1.387，P＞0.05)；DR 在兩種條件下檢查結(jié)果差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z＝-9.589，P＜0.05)。

3 討論

立體視覺檢查不僅是眼科臨床檢查雙眼視覺的重要方法，在特殊職業(yè)篩查，特別是軍事醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中也有重要應(yīng)用價值。 最初的立體視覺檢查方法——深徑覺計(jì)就用于軍隊(duì)飛行員的立體視覺檢查[13]。對于駕駛員和飛行員遠(yuǎn)距離立體視覺比近距離立體視覺更為重要。 我國軍隊(duì)駕駛員體檢標(biāo)準(zhǔn)要求立體視銳度至少達(dá)到60″，檢查時通常采用顏氏圖等近距離檢查方法。 日本道路安全法規(guī)定申請卡車等大型汽車和出租車等運(yùn)營車輛駕駛執(zhí)照必須接受三桿實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)立體視覺檢查[14]。 美軍飛行員選拔體檢中要求立體視銳度達(dá)到40″，推薦采用Randot 3 環(huán)檢查或Titmus 4 環(huán)檢查，不合格者需要請眼科醫(yī)生進(jìn)一步檢查排除相關(guān)疾病。 建議采用的檢查方法中AFVT通過類似同視機(jī)和對比敏感度檢查儀的方法檢測遠(yuǎn)立體視覺，而Randot 和Titmus 都是近立體視覺檢查。

為了滿足我軍飛行員的遠(yuǎn)立體視覺檢查，本研究在研制顏氏圖系列的基礎(chǔ)上，應(yīng)用人眼追蹤立體顯示技術(shù)結(jié)合隨機(jī)點(diǎn)立體視覺檢查方法研制出GFRDSS，經(jīng)臨床測試實(shí)現(xiàn)了5 m 距離無輔助立體視覺檢測。 采用這種方法受檢者不再需要佩戴輔助分離眼鏡，可以排除干擾在裸眼自然狀態(tài)下接受檢查。此外，現(xiàn)有無輔助立體視覺檢查多采用光柵分光法，受檢者只能在特定角度才能實(shí)現(xiàn)立體感知[9，15]。 本系統(tǒng)首次在立體檢查中采用人眼追蹤定位技術(shù)，可以主動追隨受檢者雙眼位置將圖像定向動態(tài)投射至雙眼瞳孔，保證立體感知不受觀看角度和頭部運(yùn)動的干擾。 臨床測試結(jié)果證實(shí)在受檢者頭部晃動時系統(tǒng)的立體圖形仍保持穩(wěn)定清晰。

為了檢測GFRDSS 的有效性，本研究選擇同為遠(yuǎn)距離隨機(jī)點(diǎn)立體視覺檢查方法的DR 為對照方法檢測正常青年男性立體視銳度。 GFRDSS 可用于軍隊(duì)飛行學(xué)員選拔體檢，因此選擇參與海軍招飛體檢的正常男性青年作為檢測對象。 考慮到前期臨床工作中發(fā)現(xiàn)陰雨天室內(nèi)環(huán)境較暗時DR 檢出正常立體視覺者的百分率較晴天明顯降低，因此分別在較暗環(huán)境(100～300 cd/m2)和明亮環(huán)境(350 ～600 cd/m2)下完成檢測。 結(jié)果顯示兩種照度環(huán)境下GFRDSS 檢出立體視覺正常者的百分率均高于DR，兩者差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 比較兩種照度下同一人群同一方法的檢測結(jié)果，提示環(huán)境照度對GFRDSS 無顯著影響，而提高環(huán)境照度可以顯著提高DR 檢測的敏感性。 GFRDSS 采用自發(fā)光LCD 顯示屏呈現(xiàn)立體圖形，其亮度恒定，而DR 載體為圖卡，圖形亮度依賴環(huán)境照度，且受檢者需要佩戴偏振光眼鏡，進(jìn)一步降低圖卡亮度，因此環(huán)境照度不足或光線不均勻?qū)е聢D片反光都會干擾DR 檢測結(jié)果。

本研究中GFRDSS 和DR 在正常人群中檢出立體視覺正常者的百分率低于既往遠(yuǎn)立體視覺檢查結(jié)果，如Fu 等[16]對新研制的DR 進(jìn)行測試時，納入的23 位正常兒童有21 位(89%)立體視銳度達(dá)到60″，21 位正常成年人則全部達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)。 分析可能存在的原因:①相應(yīng)觀看距離的立體視銳度與視力密切相關(guān)，人群遠(yuǎn)視力為不低于0.8，是否遠(yuǎn)視力0.8～1.0 范圍的人群遠(yuǎn)立體視銳度部分達(dá)不到正常標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步研究；②為保障選飛體檢如期完成本研究測試時間有嚴(yán)格限制，每位檢測者每種方法限在2 min 內(nèi)完成，反應(yīng)時間不足可能影響檢測結(jié)果；③隨機(jī)點(diǎn)立體圖辨別難度高于圖形立體圖，本研究受檢者沒有提示線索辨認(rèn)隨機(jī)點(diǎn)立體圖形可能錯誤率較高，下一步可以嘗試對辨認(rèn)錯誤者提示圖形線索，如本圖形為大寫英文字母、數(shù)字、幾何圖形等，以提高檢測準(zhǔn)確性。

本研究采用人眼追蹤立體顯示技術(shù)結(jié)合隨機(jī)點(diǎn)立體視覺檢查方法研制出一種全新無輔助計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)立體視覺檢測方法——GFRDSS。 經(jīng)臨床測試，受檢者可以不需佩戴立體輔助眼鏡、不受嚴(yán)格觀看角度限制檢測5 m 立體視銳度，檢測敏感性高于3 m 距離的隨機(jī)點(diǎn)立體視覺檢查圖DR，且排除了環(huán)境照度對檢測的干擾，用于軍隊(duì)飛行員選拔體檢具有較好前景。