虛擬現實技術在視力矯正與保健方面的運用

楊柳依

摘 要 基于計算機軟硬件技術與視光學基本原理的虛擬現實技術在近年得到了飛速發展，并廣泛應用于游戲、教育、醫療、商業、生活等方方面面。文章側重分析了應用虛擬現實技術、特別是其視光學原理來改善目前視力鍛煉、視力矯正方法與產品的可行性。

關鍵詞 虛擬現實技術；視力矯正；視力保健

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）223-0147-02

1 虛擬現實發展概述

虛擬現實技術是一種通過計算機模擬生成虛構三維環境的技術，它能夠將多元信息融合生成交互式的三維動態或靜態實景體驗。虛擬現實的核心技術是通過視光學原理的3D頭戴式顯示設備，利用廣角立體顯示技術，三維計算機圖形技術等，使人有一種身處自己所感知到的情景中的感覺。在虛擬現實環境下，兩眼看到的影像、經由人的大腦加工處理，使用者會“認為”場景是真實的，從而沉浸其中[ 1 ]。計算機軟硬件技術的飛速發展，帶動了虛擬現實技術正在非常廣闊的領域發展其應用。虛擬現實技術目前廣泛應用于游戲、教育、醫療、購物、健身等方面。

2 虛擬現實技術特點

1）三維顯示效果。虛擬現實技術的關鍵技術之一是通過頭戴式眼鏡裝置，利用視光學原理的實現三維（3D）場景的顯示。其基本原理通過兩個攝像機模擬人的左眼和右眼觀察分別物體，在虛擬現實技術中讓左眼和右眼分別看到的同一物體不同角度觀察的畫面，這時人的大腦會將其處理成一個具有景深的立體圖像。雖然兩眼分別看到的是平面二維圖形，但是經過大腦自動地處理、加工，人就感覺看到了一個具有立體感的三維畫面。

2）高清度與真實性。隨著技術的進步，主流的虛擬現實顯示分辨率已經達到了1？080P（1？920×1？080），正在往人眼能夠識別的極限4K（3？840×2？160）分辨率發展。更高的分辨率可以在使用者眼前展示出更清晰的畫面，場景沒有無顆粒、像素感，從而使體驗者感覺更加真實。同時在視角范圍上，也將向140度以上更寬廣的方向發展。

3）強交互性。隨著傳統鍵盤、手柄、鼠標等與虛擬現實系統進行交互以外，目前已開發出更多的交互方式，電影《頭號玩家》中的一些設備已有產品面世，比如VR跑步機，可以將使用者做出的行走、奔跑、跳躍、坐與下蹲等動作映射到虛擬場景。未來也會增加外部動作識別、眼球跟蹤、面部跟蹤等更多的交互方式。未來虛擬現實技術將不僅從視覺上感知圖像，還將發展從聽覺處理聲音，從嗅覺處理氣味，從味覺處理味道，從觸覺來體驗一系列操作，使人有帶入感，認為虛擬世界更加真實。

3 視力矯正現狀與相關原理簡介

目前傳統的視力矯正方面包括以下幾種：1）光學矯正：即佩戴光學眼鏡，嚴格意義上講，戴眼鏡是治標不治本，并未使裸眼視力有改善。而且佩戴眼鏡會給生活、運動等帶來很大不便，包括隱形眼鏡。2）手術治療：主要是利用激光對角膜進行切割，以改變曲光率，達到矯正視力的目的。但是手術治療價格昂貴，手術有風險，而且長期效果，而且還不是每一個人都能做手術，都適合做手術而且手術只能做一次。3）中醫理論及物理鍛煉：中醫有針灸、穴位按摩、藥物調整等治療方法，也有轉眼操、望遠、熱敷眼的保健方法，并且是行之有效的。但是中醫的按摩方法需要專業人士操作，針灸對很多人來講也難以接受。國外也有一些研究，比如日本的松崎五三男的“十五點法”[2]、美國眼科醫生威廉·貝茨的視力訓練恢復法[ 3 ]，與中醫的轉眼保健法類似，就是讓眼球以特定的方式運動，帶動眼球周圍復雜的肌肉群得到鍛煉，恢復人眼自主的視力調節能力。

物理鍛煉的方法最安全，也是本文即將分析的重點?？偨Y這些理論和方法，大致分為以下幾類：1）眼球主動運動，典型代表為“十五點法”、以轉動眼球為基本動作的眼保健操、眼肌運動訓練圖。2）視近與視遠之間切換：通過看近看遠的切換，訓練睫狀肌調節能力。3）長時間視遠，徹底放松睫狀肌。

基于上述理論和方法，市場上也有各種視力保健產品，這些產品堅持使用也會有效果，但或多或少都存在一些局限。比如有機器能通過滑輪軌道，讓目標前后移動以實現視近與視遠的變化，但是視遠距離受限于2米左右。眼肌運動訓練圖路線固定，長時間容易疲勞和厭倦。有的頭戴式儀器能夠實現類似“十五點法”的運動軌跡，卻是基于硬件固化的，沒有變化。

4 虛擬現實技術應用于視力矯正的探討

4.1 虛擬現實技術視力鍛煉原理分析

利用虛擬現實技術，可以很好地解決目前市場上很多視力矯正產品的不足。2D場景編程可以容易地實現以下功能：在固定縱深的平面，讓一個目標物體，沿特定路線做2維的運動，以引導眼球做上下、左右、圓周、交叉等路線運動，或者依照“十五點法”做更復雜的路線和對焦運動。程序實現時，也可以增加隨機路線、組合路線、自定義路線的功能。在此基礎上，利用虛擬現實技術，在虛擬現實的3D場景中，可以讓上述2維運動增加一個縱深方向上的維度。

再來回顧一下虛擬現實中最關鍵的3D成像技術原理，左眼與右眼看到的實際是兩幅有差異的畫面，根據光線直線傳播的原理，當兩眼分別以不同的焦距調節聚焦到目標物體上時，大腦根據眼球的焦距調節程度“認為”目標物體在或遠或近的距離上。這一過程其實是由大腦根據多年現實世界的經驗，自動地處理了相關信息后得出的結論。這些信息包括兩瞳孔之間的距離、目標物體到兩瞳孔的夾角、睫狀肌的緊張程度等。也就是說，在虛擬現實場景中，當視線聚焦到某個距離的目標物體上時，兩瞳孔之間的距離、目標物體到兩瞳孔的夾角、睫狀肌的緊張程度與真實環境中看到同樣距離物體是一樣的。這樣，如果在虛擬現實場景中，調整場景畫面中目標物體，讓其在不同縱深距離上運動，就可以讓眼睛在視遠、視近之間切換，或者較長時間讓眼睛保持在視遠的狀態，從而起到鍛煉和矯正視力的效果。

如圖1所示，在虛擬現場場景中，左、右眼看到的是不同的畫面，首先初始情況下，給左、右眼畫面的正中各有一個箭頭A、B，這時A、B重合，這時大腦認為目標物體即看到的箭頭在離自己距離d0處。然后，更換左、右眼看到的畫面，將左眼看到畫面的箭頭A向左移動一個微小的距離Δd、將右眼看到畫面的箭頭B向右移動一個微小的距離Δd，這時，根據光線直線傳播的原理，以及大腦的經驗判斷，人會認為箭頭在左眼與A連線的延長線與右眼與B的延長線的交戰C處。在此過程中，眼球調整了瞳距、焦距，而且這種視遠的效果也與大腦的經驗是一致的。這也是為什么虛擬現實具有很強代入感、讓人身臨其境，甚至無法區分游戲與現實的原因。當Δd繼續增加時，眼球會繼續調整瞳距和焦距，從而最終達到進入眼睛的光線來自平行光、類似看無限遠的效果。

4.2 技術實現簡析

1）開發工具選擇。考慮到程序主要是顯示運動物體，可以借用目前成熟的虛擬現實游戲開發引擎。經過考察，可以選擇入門門檻較低的Uinty來實現DEMO版進行基本功能的測試。顯示物體直接利用Uinty的物件庫，物體運動路線可以調用Visual？ Studio利用VC++語言來編程實現。

2）基本功能實現。主動訓練模式：內置十五點法、眼保健操、眼肌運動訓練圖等路徑，實現眼肌2維運動。特定的路線可以通過一個數組保存，數組的數據結構可以包括起始位置、下一個點位置、時間間隔等內容。同時可以設定單次訓練時間、累加總計訓練時間等功能。被動訓練模式：顯示一本書，很緩慢地將書在縱深距離上往后移，讓眼球無意識地逐漸調焦適應縱深變化。綜合訓練：在主動訓練的固定路線基礎上增加縱深的運動，讓眼肌有多維方向上運動鍛煉。

5 展望

未來發展方向：軟件DEMO開發完成后，可以迭代優化、開發出商業化產品。實現以下功能：1）除了主動程序化訓練外，可以設計引人入勝的游戲，焦點目標遠近、大小、位置變化，讓使用者沉浸在游戲中，不知不覺地讓視力得到鍛煉。2）可以加入自主導入單詞、詩詞等學習材料的功能，便于學生使用，在學習的過程中鍛煉視力，節約學生的寶貴時間。3）在視力矯正治療方面，可以與眼科專業人士合作，將目前斜視、弱視、兩眼視力不平衡等問題的治療方案，通過虛擬現實技術來實現、來優化。相信利用虛擬現實技術，一定能夠在青少年視力矯正、視力保健方面開拓出一片新天地，讓中國少年擺脫眼鏡的束縛，讓心靈的窗戶更加明亮。

參考文獻

[1]周忠，周頤，肖江劍.虛擬現實增強技術綜述[J].中國科學（信息科學），2015，45（2）：157-180.

[2]孫立眾.國外新療法介紹——松崎式視力增進訓練法[J].現代康復，1998（12）：1316-1317.

[3]W·H·貝茨，貝茨，田野.和眼鏡說再見：改善視力的貝茨博士護眼法[M].上海：上海世界圖書出版公司，2010.

[4]王梓.集成成像3D顯示技術研究[D].合肥：中國科學技術大學，2017.