一種動態(tài)視力檢測裝置

撖芃芃

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

0 引 言

動態(tài)視力是指觀察者與視覺目標之間有相對位移時，分辨物體細節(jié)的能力，通常將它定義為個體能夠正確地辨識移動中物體細微部分的一種運動視覺能力。動態(tài)視力包括對兩大類目標物的辨識：一類為左右、上下橫向移動的目標物，相應(yīng)的動態(tài)視覺功能稱為DVA（Dynamic Visual Acuity）；另一類為朝受檢者本身向前或向后移動的目標物，稱為KVA（Kinetic Visual Acuity）［1－3］。動態(tài)視力能力直接影響觀察者對動態(tài)目標的判別的精準能力，所以動態(tài)視力是飛行員、駕駛員等特殊職業(yè)的人員必須準確檢測的一項視力指標。大量研究證實，動態(tài)視力的好壞直接影響運動狀態(tài)下工作任務(wù)的完成質(zhì)量，動態(tài)視力的檢測有助于及時發(fā)現(xiàn)相關(guān)視覺問題，并可通過針對性的訓(xùn)練提高被測試者的動態(tài)視力能力。動態(tài)視力檢測的研究有數(shù)十年歷史，國外曾使用Kirschner Rotator、Motorized Pegboard Rotator、Micro－medical Technologies、Dynamic I llegibleE Test進行測試，中國臺灣地區(qū)運動員測量則用ATHLEVISION動態(tài)視力檢測軟件［4－8］。國外用于動態(tài)視力檢測的裝置體積龐大且價格較昂貴，而且大多是針對DVA動態(tài)視力和前庭系統(tǒng)功能進行檢測；國內(nèi)用于動態(tài)視力檢測的裝置相對落后并且檢查設(shè)備功能單一，不能夠很好地滿足實際檢測的需求。目前，國內(nèi)進行動態(tài)視力的測量方式不能夠全面地反映出被測人員在實際工作中的視力水平，因此，研制一種能夠進行全面動態(tài)視力測量的裝置，用于飛行人員及從事特殊駕駛?cè)藛T的視力檢測十分必要?；谌搜蹖討B(tài)目標的反應(yīng)特性，研制了一套能夠用于進行DVA和KVA動態(tài)視力檢測的裝置，該裝置能夠產(chǎn)生不同視標圖形、不同視標亮度及不同視標顏色，檢測視力范圍為0.1～1.6，能夠產(chǎn)生不同的視標運動速度，既能進行動態(tài)視力檢測，還能進行眩光模擬訓(xùn)練。

1 系統(tǒng)組成及檢測原理

動態(tài)視力檢測系統(tǒng)視標生成及檢測分系統(tǒng)組成框圖主要包括視標生成模塊、綜合控制模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊以及常模分析模塊，如圖1所示。

圖1 動態(tài)視力測試系統(tǒng)視標生成及檢測分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

首先視標生成模塊負責產(chǎn)生視標，視標圖像輸出到顯示單元，供測試人員觀看。綜合控制模塊經(jīng)通訊模塊控制炫光亮度、炫光顏色調(diào)整；通過串行接口與手柄操控單元通訊，讀取受測者方向判讀信息，確定動態(tài)視力測試等級。視標生成及檢測分系統(tǒng)負責與控制平臺通訊，在訓(xùn)練模式下接收控制平臺命令，確定視標參數(shù)選擇。動態(tài)視力測試系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)庫管理功能，對測試結(jié)果保存并能夠編輯、管理，按照操作人員指令獲得數(shù)據(jù)信息。常模分析功能中，具有中數(shù)模型、眾數(shù)模型、均數(shù)模型、標準差模型、DVA動態(tài)視效率模型、KVA動態(tài)視效率模型。

2 系統(tǒng)功能

動態(tài)視力測試系統(tǒng)視標生成及檢測分系統(tǒng)主要功能如下：

1）具有DVA動態(tài)視力測試、KVA動態(tài)視力測試功能，視標運動速度1～100km／h連續(xù)可調(diào)；具有靜態(tài)視力測試功能；視標開口8個方向隨機等概率產(chǎn)生。

2）DVA動態(tài)視力測試視標運動方向從左至右、從右至左、從上至下、從下至上、從左下至右上、從左上至右下、從右下至左上、從右上至左下，8個方向可以人工選擇。

3）視標測試范圍為0.1～1.5。

4）視標輻射能量1～100lx連續(xù)可調(diào)。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 視標運動速度設(shè)置

人眼對不同速度的物體反應(yīng)能力不同，動態(tài)視力測試系統(tǒng)提供1～100km／h區(qū)間任意速度的視標運動測試，獲得指定速度下受測者的DVA動態(tài)視力水平和KVA動態(tài)視力水平。

DVA動態(tài)視力測試中的運動速度指目標在距離受測者30m時的運動速度，本項目中視標與受測者之間實際距離5m，為保證目標運動角速度相同，如圖2所示，視標運動速度需滿足下式：

圖2 動態(tài)視力測試系統(tǒng)中視標運動速度計算原理圖

視標顯示器每個像元尺寸為0.16mm，DVA視標運動速度轉(zhuǎn)換到像素值：

動態(tài)視力生成模型中，視標顯示期為3 840個像元，視標消隱期為3 160個像元，T測量為1.6視標等級出現(xiàn)至0.1等級視標消失所花費的時間，根據(jù)該時間可以計算視標運動速度。實際測量視標運動速度：

對DVA動態(tài)視標運動速度進行大量試驗測試，不同運動速度條件下的測試結(jié)果見表1。

表1 DVA動態(tài)視力測試設(shè)置不同速度條件下，實測視標運動速度及視標生命周期

KVA動態(tài)視力測試中模擬視標從50m距離向受測者飛近，視標尺寸相應(yīng)從小變大，視標中心點始終保持在屏幕中心。當目標距離受測者50m時，視標成像視場角0.625′，此時視力等級為1.6，如圖3所示；目標尺寸不變，當運動到距離3.124m時，目標成像視場角10′，視標開口尺寸9.09mm，如圖4所示。KVA動態(tài)視力測試模擬目標從50m運動到3.124m視標尺寸變化過程。

圖3 KVA動態(tài)視力測試中，目標距離50m時成像視場角

圖4 KVA動態(tài)視力測試中，目標距離3.124m時成像視場角

KVA動態(tài)視力測試中，目標從50m距離運動到3.124m，目標運動距離46.876m。目標分別以1～100km／h速度運動，測量多次KVA動態(tài)視力測試啟動時刻至結(jié)束時刻消耗時間T測量，按照下式可計算KVA動態(tài)視力測試中視標實際運動速度：

式中：T測量——KVA動態(tài)視力測試中起始時刻至結(jié)束時刻消耗時間，s；

v實際——KVA動態(tài)視力測試中實際測量速度，km／h。

對KVA動態(tài)視標運動速度進行大量試驗測試，不同運動速度條件下的測試結(jié)果見表2。

表2 KVA動態(tài)視力測試理論速度與實測速度比較結(jié)果

3.2 視標生成設(shè)置

物體在視網(wǎng)膜上成像的大小決定了視覺上的清晰度，可用視力和視角表示。視角和視距的關(guān)系如圖5所示。

圖5 視角和視距的關(guān)系

圖中，A為物體的大小，D為視距（即物體距離眼睛節(jié)點的距離）。從物體的上、下兩點畫線相交于眼睛的節(jié)點O，并在視網(wǎng)膜上成像S，如果物體A在眼睛里形成一個張角α，即為視角。

可用如下公式表示：

式中：A——物體的大??；

D——視距，即物體距離眼睛的節(jié)點的距離；

α——視角。

如果觀察一個圓形范圍，其直徑為10mm，視距為300mm，對眼睛所形成的視角為：

從上述公式中也可以看出，視角的大小與物體的距離成反比，物體離人眼越遠，視角越小，如圖6所示。

圖6 視角隨距離的變化示意圖

物體在離眼睛30mm時，對眼睛形成一定大小的視角，在視網(wǎng)膜上形成相應(yīng)大小的像，如果讓物體逐漸遠離人眼，到60mm時，視角縮小1／2，視網(wǎng)膜上的像也相應(yīng)縮小，如果把物體移至90mm處，視角縮小為原來的1／3，像亦相應(yīng)縮小。

視力也叫視覺敏銳度或視敏度，表示眼睛辨認物體細節(jié)和空間輪廓的能力。視覺辨認物體的比例與視距有很大的關(guān)系，一個原來看不清的細小物體，移動到離眼睛比較近的距離時就可以看清楚了。這是因為物體對眼睛形成的視角比原來大了，視網(wǎng)膜上的像也相應(yīng)增大，所以看起來更清晰。

視力是以視角進行計算的，視力V是以視覺所能夠分辨的以角度（′）為單位的視角α的倒數(shù)，如下式：

國標規(guī)定，當人的視覺能夠分辨1′角度對應(yīng)的物體的細節(jié)時，視力為1.0，并以此作為正常視力的標準。在5m的標準距離正常照明條件下，不同視力所對應(yīng)的視角α、物像A和視網(wǎng)膜上像的大小［9－11］見表3。

表3 受測者與視標相距5m時，不同視力下的視角、物像和視網(wǎng)膜像的大小

式中：h——像高；

α——視角。

4 結(jié) 語

動態(tài)視力是指觀察者與視覺目標之間有相對位移時分辨物體細節(jié)的能力，通常將它定義為個體能夠正確地辨識移動中物體細微部分的一種運動視覺能力。動態(tài)視力能力直接影響觀察者對動態(tài)目標的判別的精準能力，所以動態(tài)視力是飛行員、駕駛員等特殊職業(yè)的人員必須準確檢測的一項視力指標。文中所研制的動態(tài)視力測試系統(tǒng)能夠用于進行DVA和KVA動態(tài)視力檢測，該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生不同視標圖形、不同視標亮度及不同視標顏色，檢測視力范圍為0.1～1.5，能夠產(chǎn)生不同的視標運動速度。該測量裝置可作為飛行人員及從事特殊駕駛?cè)藛T動態(tài)視力測試的設(shè)備，為我國開展動態(tài)視力應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)研究提供了必要條件。

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