基于虛擬現(xiàn)實(shí)與眼動(dòng)儀融合的斜視檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魯 凡，王 超，任 鵬*

（徐州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息與工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

引言

斜視是一種眼球運(yùn)動(dòng)障礙，具體表現(xiàn)為在觀(guān)察物體時(shí)眼睛不能正確對(duì)齊[1]。斜視患者的斜視眼睛不能正確地注視目標(biāo)，視線(xiàn)會(huì)發(fā)生偏移[2-3]。斜視需要通過(guò)手術(shù)調(diào)整眼外肌的長(zhǎng)度來(lái)糾正失調(diào)[4]，準(zhǔn)確測(cè)量斜視患者的眼偏角是治療手術(shù)的關(guān)鍵[5]。在傳統(tǒng)的斜視檢測(cè)方法中，大多依賴(lài)專(zhuān)業(yè)性的檢測(cè)設(shè)備，且檢測(cè)結(jié)果會(huì)受到多個(gè)因素的影響[6]。

本研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及眼動(dòng)儀等傳感設(shè)備，開(kāi)發(fā)一款簡(jiǎn)潔的斜視檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)unity 軟件創(chuàng)建應(yīng)用于斜視檢測(cè)的檢測(cè)環(huán)境，通過(guò)SteamVR 平臺(tái)運(yùn)行并且連接到用戶(hù)的VR 穿戴設(shè)備。系統(tǒng)能夠自主控制切換屏幕，并記錄用戶(hù)瞳孔的位移數(shù)據(jù)，通過(guò)瞳孔位移與斜視角之間的映射函數(shù)計(jì)算斜視度數(shù)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 硬件介紹

本研究使用的是HTC 公司的支持眼動(dòng)追蹤的VR 頭顯HTC Vive Pro Eye。該設(shè)備通過(guò)在透鏡四周分布LED 傳感器實(shí)現(xiàn)了眼動(dòng)追蹤功能，可幫助用戶(hù)對(duì)眼睛的移動(dòng)進(jìn)行追蹤和分析。眼動(dòng)追蹤參數(shù)：注視數(shù)據(jù)輸出頻率（雙目）120 Hz；精度0.5°～1.1°；校準(zhǔn)5點(diǎn)；追蹤可視角110°；數(shù)據(jù)輸出（眼球信息）：時(shí)間戳（設(shè)備和系統(tǒng)），凝視原點(diǎn)，凝視方向，瞳孔位置，瞳孔大小，睜眼情況。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

在unity 平臺(tái)建立三個(gè)模型進(jìn)行斜視檢測(cè)。測(cè)試者佩戴好VR 設(shè)備后，兩眼注視遠(yuǎn)處（5 m 外）測(cè)試模型。待測(cè)試者的瞳孔不發(fā)生偏移后，用不透光的遮眼器遮擋一只眼睛的視線(xiàn)，另一只眼睛注視著測(cè)試模型，3 s 后交換兩只眼的視線(xiàn)遮擋。觀(guān)察去掉遮蓋的眼睛瞳孔有無(wú)移動(dòng)現(xiàn)象，如果發(fā)生移動(dòng)則表明這只眼睛斜視，見(jiàn)圖1。

1.2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

在unity 平臺(tái)添加Open XR 與Steam VR 插件以實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)功能。隨后，通過(guò)steam VR 連接VR 設(shè)備，并在VR 設(shè)備上顯示unity 中的測(cè)試場(chǎng)景。解決場(chǎng)景問(wèn)題后定位瞳孔位置，使測(cè)試者觀(guān)察到瞳孔位置的變化。下載插件SRainipal、SDk-v1.3.3 來(lái)輔助定位瞳孔位置。

安裝好SRainipal 后需要把SDk-v1.3.3 中的unity程序?qū)氲絬nity 中，程序?qū)氤晒蠹纯稍趗nity 中添加ViveSR 包。系統(tǒng)提供一個(gè)頭部模型，該模型的眼部移動(dòng)完全模擬測(cè)試者的瞳孔移動(dòng)，能夠?qū)崟r(shí)反映測(cè)試者的瞳孔移動(dòng)位置。由此獲取瞳孔的具體位置信息，并在unity 控制臺(tái)輸出。

1.2.2 斜視檢測(cè)具體步驟

通過(guò)兩眼交替遮蓋法，測(cè)試者佩戴VR 設(shè)備時(shí)使用遮眼器遮擋其的一只眼睛，同時(shí)對(duì)另外一只眼的眼球運(yùn)動(dòng)進(jìn)行捕獲和處理。多次測(cè)量（至少4 次）后取平均值，以提高精度。詳細(xì)步驟見(jiàn)圖2。

2 算法設(shè)計(jì)

2.1 斜視度數(shù)計(jì)算模型設(shè)計(jì)

斜視檢測(cè)過(guò)程中，測(cè)試者的瞳孔位移與斜視度數(shù)是正相關(guān)的，見(jiàn)圖3，兩者存在某種映射函數(shù)關(guān)系，如式（1）：

其中，de是瞳孔的偏離距離，PD 是兩只眼睛的瞳孔距離，AXL 是專(zhuān)業(yè)機(jī)器測(cè)量眼球的軸長(zhǎng)，Td 是目標(biāo)和眼睛之間的距離。考慮到兩只眼睛瞳孔距離（PD）的影響，當(dāng)人眼睛注視一個(gè)目標(biāo)時(shí)，瞳孔會(huì)向中間偏移產(chǎn)生偏移角。設(shè)angf=arctan(PD/2×Td)是收斂角，見(jiàn)圖4，目標(biāo)離眼睛的距離越遠(yuǎn)，收斂角度就越小。

2.2 算法實(shí)現(xiàn)

通過(guò)插件SRainipal、SDk-v1.3.3 可以在測(cè)試界面顯示瞳孔位置的變化，但是無(wú)法得出具體的瞳孔位移數(shù)據(jù)，需要在SRanipal_GazeRaySample_v2 腳本添加如下代碼，在unity 控制臺(tái)輸出瞳孔位置的具體坐標(biāo)。將獲取的坐標(biāo)數(shù)據(jù)代入式（1）計(jì)算斜視具體度數(shù)并輸出。添加的主要代碼見(jiàn)圖5。

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)所使用的是自帶瞳孔追蹤的VR 設(shè)備，可以在測(cè)試者測(cè)試的過(guò)程中追蹤測(cè)試者的瞳孔位移并給出相應(yīng)的坐標(biāo)。編寫(xiě)程序利用設(shè)備獲取的瞳孔坐標(biāo)信息可以得出測(cè)試者的斜視度數(shù)。為測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確率，招募8 名測(cè)試者進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試者1、2、3 的實(shí)際斜視度數(shù)為0，系統(tǒng)測(cè)試斜視度數(shù)分別為5.1、0.7、0.6，測(cè)試者4、5、6、7、8 的實(shí)際斜視度數(shù)分別為2.3、3.4、6.9、10.3、14.6，系統(tǒng)測(cè)試斜視度數(shù)分別為2.1、2.6、6.0、9.9、12.3。

由于第一位者測(cè)試者的頭部偏小，測(cè)試時(shí)測(cè)試者的頭部在VR 設(shè)備中發(fā)生了移動(dòng)，因此造成第一位測(cè)試者的測(cè)試結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)產(chǎn)生了較大的偏差。通過(guò)分析以上數(shù)據(jù)，排除第一位測(cè)試者的誤差數(shù)據(jù)，可以得出所有系統(tǒng)測(cè)試的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的平均誤差小于0.7，屬于可接受誤差范圍。

由于斜視檢測(cè)的準(zhǔn)確性受測(cè)試者的注意力以及測(cè)試者的瞳孔間距的影響，因此選取了不同性別、不同年齡段的人群進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試者年齡在10～15 歲的人數(shù)有10 名，測(cè)試準(zhǔn)確度為75%，年齡在20～35 歲的人數(shù)有25 名，測(cè)試準(zhǔn)確率為92%，年齡在50 歲以上的人數(shù)有10 名，測(cè)試準(zhǔn)確度為83.3%。分析以上結(jié)果可知，年齡在20～35 歲的測(cè)試者注意力十分集中且瞳孔間距發(fā)育完全識(shí)別準(zhǔn)確率較高，年齡在10～15 的測(cè)試者在測(cè)試過(guò)程中注意力很難集中且瞳孔間距發(fā)育不完全識(shí)別準(zhǔn)確率較低，而年齡在50 歲以上的測(cè)試者雖然瞳孔間距發(fā)育完善，但是測(cè)試過(guò)程中注意力對(duì)比年青少有所欠缺，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確率偏低。

4 結(jié)論

本研究首先對(duì)傳統(tǒng)的斜視檢測(cè)方法進(jìn)行分析，在經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)的需求分析、斜視檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)與眼動(dòng)儀融合的斜視檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用unity 構(gòu)建檢測(cè)場(chǎng)景模型，利用眼動(dòng)儀對(duì)瞳孔進(jìn)行追蹤定位，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，該斜視檢測(cè)系統(tǒng)滿(mǎn)足功能測(cè)試，且使用空間要求較小，可以應(yīng)用于日常斜視檢測(cè)，讓人們準(zhǔn)確了解自己的眼部健康情況，使其重視日常生活中的用眼健康。未來(lái)將針對(duì)斜視干預(yù)做進(jìn)一步研究，幫助人們對(duì)斜視做到早發(fā)現(xiàn)、早干預(yù)、早治療。