人眼追蹤遠距離裸眼立體視覺檢測系統的研制和測試

曹利群，李鳴皋，王元慶，高 原，沈克強

立體視覺可以分為近距離(閱讀距離)和遠距離立體視覺。 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]，遠距離立體視覺對于飛行員、駕駛員、運動員等職業(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距離立體視覺多采用同視機、Distance Randot(DR)[4]及Frisby-Davis 2(FD2)[5]等方法。 同視機不能實現便攜，雙眼視野被機械阻隔，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果的準確性。 近年來有研究應用3D 顯示技術實現計算機立體視覺檢查，但受檢者仍需佩戴偏振光[7]或液晶開關眼鏡[8]。 Kim 等[9]用覆蓋光柵膜的顯示器實現裸眼立體視覺檢測，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》的基礎上開發(fā)相應軟件，與南京大學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點立體視覺檢查系統(glassesfree random dot stereotestsystem，GFRDSS)，以實現無輔助遠距離立體視覺檢查。

1 材料與方法

1.1 硬件配置和系統設計

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

1.1.2 裸眼立體視窗 設計采用人眼跟蹤式空分雙視圖視差立體顯示方式設計視窗。 人眼跟蹤模塊實現受檢者雙眼定位及追蹤[10]，根據雙眼定位點亮可尋址LED 陣列光源中對應位置的LED 燈，通過指向性光學模塊和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，呈現高清晰度立體圖[12]。 視窗經“國家平板顯示工程技術研究中心”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運行控制界面。 應用Adobe Photoshop CS5 在第3 代《立體視覺檢查圖》基礎上設計隨機點立體圖對(Random dot Stereograms，RDS)，設定800″、400″、200″、100″、60″、40″共6 個視差級別，每級別設計10 對不同檢查圖。 圖形直徑(長徑)30 cm，按照易辨認圖形(如:正方形、圓形、三角形等)、阿拉伯數字、大寫英文字母等設計。

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，納入標準:①無影響視功能的眼部疾病和眼科手術史；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。 排除標準:①測試過程中要求退出者；②測試過程中出現明顯眼痛、眼脹、眩暈、頭痛及視物模糊等不適癥狀者。

1.3 檢測方法 通過人工照明調整室內照度，230名受檢者分別在室內照度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出現，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 統計學處理 采用SPSS 18.0 統計學軟件，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(Wilcoxonsigned-rank test)統計結果，P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

230 名受檢者順利完成測試，訴實驗過程中均無明顯眼部及全身不適感；GFRDSS 在5 m 距離呈現穩(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)境中組間測試結果比較 99 位受檢者(43.0%)兩種方法測定的結果一致。 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到正常水平(40″～60″)，差異有統計學意義(Z＝-9.569，P＜0.05)，表1。

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

2.2 在350 ～600 cd/m2照度環(huán)境中兩組測試結果比較 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到60"，差異有統計學意義(Z＝-4.048，P＜0.05)，表2。

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

2.3 不同環(huán)境照度下測定結果比較 分別比較兩種方法在不同環(huán)境照度下測定結果的差異，結果顯示GFRDSS 在兩種環(huán)境下的結果無顯著性差異(Z＝-1.387，P＞0.05)；DR 在兩種條件下檢查結果差異有統計學意義(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)學領域中也有重要應用價值。 最初的立體視覺檢查方法——深徑覺計就用于軍隊飛行員的立體視覺檢查[13]。對于駕駛員和飛行員遠距離立體視覺比近距離立體視覺更為重要。 我國軍隊駕駛員體檢標準要求立體視銳度至少達到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營車輛駕駛執(zhí)照必須接受三桿實驗遠立體視覺檢查[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)生進一步檢查排除相關疾病。 建議采用的檢查方法中AFVT通過類似同視機和對比敏感度檢查儀的方法檢測遠立體視覺，而Randot 和Titmus 都是近立體視覺檢查。

為了滿足我軍飛行員的遠立體視覺檢查，本研究在研制顏氏圖系列的基礎上，應用人眼追蹤立體顯示技術結合隨機點立體視覺檢查方法研制出GFRDSS，經臨床測試實現了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現立體感知[9，15]。 本系統首次在立體檢查中采用人眼追蹤定位技術，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動的干擾。 臨床測試結果證實在受檢者頭部晃動時系統的立體圖形仍保持穩(wěn)定清晰。

為了檢測GFRDSS 的有效性，本研究選擇同為遠距離隨機點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 可用于軍隊飛行學員選拔體檢，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)現陰雨天室內環(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，兩者差異均有統計學意義。 比較兩種照度下同一人群同一方法的檢測結果，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，進一步降低圖卡亮度，因此環(huán)境照度不足或光線不均勻導致圖片反光都會干擾DR 檢測結果。

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立體視覺檢查結果，如Fu 等[16]對新研制的DR 進行測試時，納入的23 位正常兒童有21 位(89%)立體視銳度達到60″，21 位正常成年人則全部達到這一標準。 分析可能存在的原因:①相應觀看距離的立體視銳度與視力密切相關，人群遠視力為不低于0.8，是否遠視力0.8～1.0 范圍的人群遠立體視銳度部分達不到正常標準需要進一步研究；②為保障選飛體檢如期完成本研究測試時間有嚴格限制，每位檢測者每種方法限在2 min 內完成，反應時間不足可能影響檢測結果；③隨機點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隨機點立體圖形可能錯誤率較高，下一步可以嘗試對辨認錯誤者提示圖形線索，如本圖形為大寫英文字母、數字、幾何圖形等，以提高檢測準確性。

本研究采用人眼追蹤立體顯示技術結合隨機點立體視覺檢查方法研制出一種全新無輔助計算機遠立體視覺檢測方法——GFRDSS。 經臨床測試，受檢者可以不需佩戴立體輔助眼鏡、不受嚴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 距離的隨機點立體視覺檢查圖DR，且排除了環(huán)境照度對檢測的干擾，用于軍隊飛行員選拔體檢具有較好前景。