仿真假體視覺下的單目測(cè)距研究

趙瑛　張陽　郝大帥　王冬暉

摘? 要： 為了研究假體佩戴者是否具有異常的立體視覺，影響目標(biāo)定位，在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中開展仿真假體視覺下單目測(cè)距研究。實(shí)驗(yàn)采用蒙眼測(cè)距方法，被試者佩戴頭戴式顯示器模擬在仿真假體單眼，仿真假體雙眼以及在正常單眼情況觀察判斷放在地板上不同位置（3.51 m，4.92 m，6.33 m）的目標(biāo)物體，通過蒙著眼睛輕快地走到他/她所判斷的地方，記錄并統(tǒng)計(jì)分析行走距離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在三種觀察條件下，正常單眼感知精度最高，仿真假體單眼最低。隨著物體放置距離的增加，準(zhǔn)確度也有細(xì)微下降。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，仿真假體單眼與正常單眼對(duì)距離判斷沒顯著性差異，說明假體植入者能準(zhǔn)確定位地面上的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 仿真假體; 單目測(cè)距; 蒙眼測(cè)距; 目標(biāo)定位; 距離感知; 實(shí)驗(yàn)分析

中圖分類號(hào)： TN911?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）20?0079?04

Monocular vision distance measurement under simulated prosthesis vision

ZHAO Ying， ZHANG Yang， HAO Dashuai， WANG Donghui

（Inner Mongolia Key Laboratory of Pattern Recognition and Intelligent Image Processing， School of Information Engineering，

Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， China）

Abstract： A research on monocular vision distance measurement under simulated prosthesis vision is performed in real scene to study whether prosthesis wearers have abnormal stereoscopic vision that affects target positioning. In the experiment， the subjects wore a head?mounted display to simulate the conditions of simulated prosthetic monocular， simulated prosthetic binoculus and normal human monocular， observe and judge the target objects placed on the floor at different positions （3.51 m， 4.92 m and 6.33 m） by means of the blindfold distance measurement method， and record and analyze the walking distance statistically by briskly walking with blindfold to where he/she judges. The experimental results show that， under the three observation conditions， the normal human monocular has the highest perception precision while the simulated prosthetic monocular is the lowest one. With the increasing of distance placing the object， the distance measurement accuracy is also reduced slightly. The statistical analysis results show that there is no significant difference in the distance measurement of the prosthetic monocular and the normal human monocular， which indicates that the visual prosthesis wearer can accurately locate the target on the ground.

Keywords： simulated prosthesis; monocular vision distance measurement; blindfold distance measurement; target location; distance perception; experimental analysis

0? 引? 言

人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)主要來源于視覺，外界信息的70%以上是經(jīng)由視覺系統(tǒng)傳入大腦的，視覺通路上任一部分發(fā)生損傷或病變都會(huì)導(dǎo)致失明[1?2]。據(jù)世界衛(wèi)生組織于2018年的報(bào)道，世界范圍內(nèi)約有13億人患有某種形式的遠(yuǎn)視力或近視力損害。在近視力方面，有8.26億人患有近視力損害。在遠(yuǎn)視力方面，大約1.885億人患有輕度視力損害，2.17億人中有中度至重度視力損害，近3 600萬人失明[3]。失明是人類最嚴(yán)重的殘疾之一，對(duì)患者的生活、學(xué)習(xí)和工作帶來極大的不便和痛苦。

視覺假體作為當(dāng)今眼科學(xué)界的重大前沿研究領(lǐng)域，是一種新的視覺功能修復(fù)手段，為盲人重見光明帶來了希望[4?6]。它利用盲人殘存的部分完整且結(jié)構(gòu)和功能完好的視覺通路，通過人工進(jìn)行電刺激誘發(fā)“光幻視”使盲人產(chǎn)生部分視覺感受[7?10]。全球范圍內(nèi)關(guān)于視覺假體的研究在不斷發(fā)展中，美國Second Sight公司的ArgusⅡ視網(wǎng)膜上假體的研究已于2011年獲得歐洲EMA授權(quán)，2013年、2014年獲得美國和加拿大FDA的授權(quán)[11]。德國Retina Implant AG公司的Alpha?IMS視網(wǎng)膜下假體的研究于2013年獲得歐洲EMA授權(quán)，批準(zhǔn)進(jìn)入市場(chǎng)銷售。法國Pixium Vision公司的IRIS1視網(wǎng)膜上假體的研究也在臨床實(shí)驗(yàn)中[12?14]。目前，由于視覺假體臨床實(shí)驗(yàn)的局限性，無法大范圍招募實(shí)驗(yàn)者植入假體，在臨床實(shí)驗(yàn)之前，多數(shù)是通過正常視力的被試者參與仿真假體視覺下的心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)來給臨床研究提供有益的幫助，多個(gè)國際研究小組也已經(jīng)在文字閱讀物體以及環(huán)境識(shí)別等方面進(jìn)行大量的仿真假體視覺研究[15?18]。特別是近距離的空間感知對(duì)于目標(biāo)定位、指導(dǎo)和引導(dǎo)各種日?；顒?dòng)（步行、避障、駕駛）非常重要[19?20]。目前視覺假體僅植入到單眼內(nèi)，雖然理論上可以植入到雙眼，但是獲得雙眼視力是較為困難的，圖像需要在雙眼視網(wǎng)膜上嚴(yán)格對(duì)稱才能形成雙眼視覺，如果電極在兩眼中植入位置有偏差就會(huì)造成復(fù)視的癥狀[21]。本文通過仿真假體視覺下的單目測(cè)距研究，來分析假體佩戴者是否具有異常的立體視覺。

本研究通過頭戴式顯示器上方的攝像頭采集現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景圖像，圖像經(jīng)一系列處理策略，成為像素化圖像顯示在頭戴式顯示器的屏幕中。被試者佩戴頭戴式顯示器觀察物體來完成蒙眼測(cè)距實(shí)驗(yàn)，記錄在仿真假體單眼、假體雙眼以及正常單眼三種不同觀察條件下的距離感知判斷并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1? 材料與方法

1.1? 受試者及合規(guī)聲明

被試者為來自內(nèi)蒙古科技大學(xué)的學(xué)生志愿者共20位，年齡范圍為20～25歲，實(shí)驗(yàn)的男女比例為1∶1。所有的被試視力或矯正后視力正常，母語均為漢語。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，所有參與的受試者都被告知實(shí)驗(yàn)的過程和目的，并在參與前簽署知情同意書。所有實(shí)驗(yàn)過程均符合世界醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)赫爾辛基宣言的要求，并符合國家醫(yī)療器械臨床試驗(yàn)要求。

1.2? 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和環(huán)境

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括1臺(tái)聯(lián)想臺(tái)式電腦（30AGA 29BCN Tower）、頭戴式顯示器（5DTHMD800?403D）、攝像頭（羅技c920）、籃球、激光測(cè)距儀、不透明眼罩。并使用Java，C#，Matlab 2016a，SPSS統(tǒng)計(jì)等軟件進(jìn)行圖像處理、記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果并分析。

實(shí)驗(yàn)在光線充足的走廊內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)前確保被試者沒有其他干擾，狀態(tài)良好。

1.3? 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1? 主導(dǎo)眼測(cè)試

被試者平伸雙手，手臂伸直，將兩手在眼前交疊，兩手的虎口之間留出一個(gè)小孔，兩眼通過小孔觀察遠(yuǎn)處的目標(biāo)物，閉上一只眼睛，目標(biāo)物的位置是否有發(fā)生變化，如果沒有變化，則睜開的眼睛為主導(dǎo)眼，否則閉上的那只眼為主導(dǎo)眼。

1.3.2? 蒙眼測(cè)距實(shí)驗(yàn)

被試者進(jìn)行蒙眼測(cè)距實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)放在地面上的目標(biāo)物體，并通過蒙著眼睛輕快地走到所判斷的地方來確定目標(biāo)的距離。蒙眼可以防止視覺反饋，輕快要求反應(yīng)時(shí)間最少，以便提供直接視覺反應(yīng)。觀察的物體為籃球，它們被放置在地板上的觀看距離分別為3.51 m，4.92 m和6.33 m。在每名被試者上實(shí)施的測(cè)試條件是正常單眼、佩戴頭顯雙眼和佩戴頭顯單眼觀察（在單眼觀察條件下要使用不透明的眼罩來遮擋觀察者的非主導(dǎo)眼）。

1.4? 實(shí)驗(yàn)步驟

1.4.1? 預(yù)實(shí)驗(yàn)部分

在正式實(shí)驗(yàn)之前測(cè)出并記錄每一位被試的主導(dǎo)眼。再通過簡單的練習(xí)，讓被試者熟悉蒙眼步行實(shí)驗(yàn)，要求被試者判斷目標(biāo)距離并通過蒙著眼睛輕快地走到他/她所判斷的地方。

1.4.2? 正式實(shí)驗(yàn)

被試者被引導(dǎo)到起始點(diǎn)并按指示背向測(cè)試區(qū)域，用不透明眼罩遮住非主導(dǎo)眼，佩戴頭顯，等待工作人員將目標(biāo)放置在指定位置，并且僅在收到指示時(shí)閉上眼睛轉(zhuǎn)向面對(duì)測(cè)試區(qū)域。然后被試者睜開眼睛通過頭顯觀察目標(biāo)并判斷目標(biāo)的位置。觀察目標(biāo)過程中被試者保持直立并盡量減少身體運(yùn)動(dòng)，只有上下活動(dòng)頭部是允許的。被試者還被告知有無限的觀看時(shí)間。當(dāng)準(zhǔn)備好做出反應(yīng)時(shí)，被試者可通知兩位工作人員，并被系上眼罩。與此同時(shí)，一名測(cè)試人員迅速移除目標(biāo)，讓被試者可以不受阻礙地行走，并口頭通知被試者開始行走。當(dāng)被試者到達(dá)目的地時(shí)，保持靜止，以允許測(cè)試員通過激光測(cè)距儀測(cè)量他/她的步行距離。完成后，仍然處于蒙著眼睛的被試者由另一名工作人員帶領(lǐng)，走出測(cè)試區(qū)域以外幾米（可變距離以防止反饋），然后通過環(huán)形通路，返回到起點(diǎn)（背向測(cè)試區(qū)域）。

改變目標(biāo)物體的距離分別為3.51 m，4.92 m，6.33 m，分別進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在不同的天數(shù)內(nèi)依次完成仿真假體單目，仿真假體雙目以及正常單目觀察條件下的蒙眼測(cè)距實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及觀察效果如圖1所示。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1? 觀察條件與距離感知分析

圖2表示在不同位置下三種觀察條件的判斷距離。從圖2a）中可以直觀地看到，在正常單眼觀察條件下，判斷距離更集中分布在實(shí)際距離附近，其次是仿真假體雙眼，仿真假體單眼條件下判斷距離分布的更發(fā)散，說明正常單眼條件下對(duì)距離感知最精準(zhǔn)，效果最好。通過觀察圖2b）和圖2c），隨著物體的實(shí)際距離的增加，點(diǎn)的分布沒有那么集中，正常單眼效果最好，仿真假體單眼條件下對(duì)距離的判斷偏差也要大一些。實(shí)驗(yàn)中的被試者對(duì)距離的感知也存在一定的差異性，第2，3，6，10，17號(hào)被試者在三種不同位置下對(duì)距離的判斷都是很精確的，而第1，14，16號(hào)被試者在物體距離增加的過程中，距離判斷明顯低于其他被試者。

為了量化三個(gè)觀察條件之間的差異，計(jì)算目標(biāo)距離與平均判斷距離之間的關(guān)系。不同目標(biāo)距離下的判斷距離如圖3所示。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)正常單眼觀察的條件準(zhǔn)確度明顯高于仿真假體單眼條件。判斷距離隨著目標(biāo)距離的增加而增長。仿真假體單眼觀察條件下隨著目標(biāo)距離的增加準(zhǔn)確度會(huì)下降，在目標(biāo)為6.33 m時(shí)，判斷誤差和實(shí)際值偏差最大。

2.2? 性別與不同單眼條件下觀察對(duì)距離感知斷影響分析

為了探究實(shí)驗(yàn)過程中性別對(duì)距離判斷的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)中性別（男/女）和不同單眼觀察條件（仿真假體單眼/正常單眼）執(zhí)行了組間方差分析。表 1顯示了性別對(duì)于距離判斷的均值及標(biāo)準(zhǔn)差，男被試者判斷距離為（5.016±1.247） m比女被試者（4.976±1.186） m的判斷距離多0.04 m。采用樣本t檢測(cè)，求得Sig=0.826>p（0.05），可以發(fā)現(xiàn)性別對(duì)于尋路實(shí)驗(yàn)無顯著性差異。

表2顯示了不同單眼觀察條件下對(duì)距離判斷的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。在仿真假體單眼觀察條件下，判斷距離為（5.107±1.277） m，比正常單眼（4.940±1.177） m的判斷距離多0.167 m，通過顯著性分析可得Sig=0.457>p（0.05），發(fā)現(xiàn)仿真假體單眼條件下對(duì)距離判斷與正常單眼無顯著性差異。

3? 結(jié)? 語

本文研究是在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行的仿真假體視覺實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在近距離范圍內(nèi)佩戴假體對(duì)距離感知判斷與正常情況下無顯著性差異，能夠準(zhǔn)確定位放在地面上的物體，并且性別對(duì)距離判斷的準(zhǔn)確性沒有顯著性影響。研究的結(jié)果可為視覺假體植入的臨床試驗(yàn)提供有力的數(shù)據(jù)支持。雖然現(xiàn)階段視覺假體仍存在很多不足，但隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，視覺假體將更好地幫助假體佩戴者正常地完成各種生活任務(wù)。

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