面向弱視的視覺虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)的發(fā)展綜述

劉捷

摘要：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，視覺訓(xùn)練系統(tǒng)也不斷地嘗試各種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)相同的視覺訓(xùn)練內(nèi)容進(jìn)行左右眼的分離式刺激治療，為弱視提供了一種新的治療方式。本文介紹了傳統(tǒng)的弱視治療方式和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的相關(guān)概念，詳細(xì)分析了目前虛擬現(xiàn)實(shí)視覺訓(xùn)練系統(tǒng)的特征和優(yōu)缺點(diǎn)，最后對(duì)目前的視覺虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)做了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：弱視；虛擬現(xiàn)實(shí)；視覺訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）11-0218-02

1996年4月中華眼科學(xué)會(huì)全國兒童弱視斜視防治學(xué)組給出了弱視的定義：凡眼部無明顯器質(zhì)性病變 ， 以功能性因素為主所引起的遠(yuǎn)視力≤ 0. 8且不能矯正者均列為弱視[1]。弱視是一種常見的眼科疾病，多發(fā)生于幼年，據(jù)健客網(wǎng)[2]報(bào)道，目前國內(nèi)的弱視發(fā)病比例為2.6%左右，兒童弱視發(fā)病率為3%左右，也就是說我國大約有1000萬的弱視兒童。弱視是一種嚴(yán)重危害兒童視功能的眼病，如不及時(shí)治療可引起弱視加重，甚至失明。

1 遮蓋治療

對(duì)于幼兒弱視的治療，多年來主要沿用傳統(tǒng)的眼罩遮蓋加精細(xì)作業(yè)，遮蓋方式分為單眼遮蓋，交替遮蓋，間歇遮蓋等，精細(xì)作業(yè)是在病患遮蓋弱視眼時(shí)，進(jìn)行穿針、繪畫、挑撿豆子、拼圖等練習(xí)，這種方式簡(jiǎn)單、有效、經(jīng)濟(jì)，但有些幼兒使用眼罩遮蓋療法效果不佳，耽誤了治療的最佳時(shí)機(jī)，還有些因?yàn)楦鞣N原因不服從治療，影響了治療效果[3][4]。付晶等[5]發(fā)現(xiàn)屈光不正性弱視對(duì)立體視的形成嚴(yán)重影響，傳統(tǒng)眼罩遮蓋治療時(shí)需要以遮蓋優(yōu)勢(shì)眼為主，患者失去雙眼共視的機(jī)會(huì)，不利于雙眼視功能的重建，患者年齡越小影響越大[6]，吳奇志等[7]認(rèn)為弱視本身對(duì)雙眼視覺的影響還是不可忽視的，建議今后弱視治療中增加雙眼視覺訓(xùn)練，在提高視力的同時(shí)提高雙眼視覺功能。還有研究認(rèn)為傳統(tǒng)遮蓋治療對(duì)弱視兒童產(chǎn)生一定的心理行為問題[8]。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響。[9]

目前學(xué)界基本認(rèn)同G .Burdea 在《虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和它的應(yīng)用》中提出的三個(gè)VR基本特征，“Immersion”指沉浸感，“Interaction”指交互性、“Imagination”指構(gòu)想性。“Immersion”是指在人的視覺、聽覺、觸覺和運(yùn)動(dòng)等感知上，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境和真實(shí)環(huán)境的接近程度，接近程度越高，沉浸感越好，接近程度越低，沉浸感越差?！癐nteraction”是指用戶可以操控虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的對(duì)象，而其中被操控的對(duì)象或虛擬環(huán)境本身會(huì)根據(jù)用戶的行為進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋?！癐magination”是指虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給人們無限的想象空間，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中可以存在真實(shí)環(huán)境中的事物，也可以生成由人們想象出來的場(chǎng)景。[10]

根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸感、交互性和構(gòu)想性的不同，目前的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可分為四種：桌面式、沉浸式、增強(qiáng)式和網(wǎng)絡(luò)分布式VR系統(tǒng)。桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以臺(tái)式機(jī)或中低檔工作站作為虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的輸出終端，使用者通過單投影墻或計(jì)算機(jī)屏幕作為虛擬環(huán)境的觀察窗口，其成本較低，普及度較高。沉浸式VR系統(tǒng)主要利用高性能圖形加速卡、高檔工作站和交互設(shè)備，通過視覺、聽覺甚至力覺和觸覺方式去屏蔽周圍真實(shí)環(huán)境，使使用者完成置身于虛擬現(xiàn)實(shí)世界，沉浸其中。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：CAVR（基于投影）和HMD（基于頭盔）。CAVE投影系統(tǒng)是由3個(gè)面以上（含3面）硬質(zhì)背投影墻組成的高度沉浸的虛擬演示環(huán)境，配合三維跟蹤器，用戶可以在被投影墻包圍的系統(tǒng)近距離接觸虛擬三維物體，或者隨意漫游虛擬環(huán)境中。HMD是頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示屏，其作為終端輸出體積小，便攜性高。增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)又稱AR，它將虛擬環(huán)境中的對(duì)象置于真實(shí)世界中，使用者既能看見真實(shí)環(huán)境中飯的事物，又能看到虛擬的對(duì)象，該系統(tǒng)主要依賴于VR位置跟蹤技術(shù)，虛擬世界的信息應(yīng)用到真實(shí)世界中，兩種信息相互疊加和補(bǔ)充。網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是以分布交互模擬為基礎(chǔ)，由桌面式、沉浸式等類型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)組成的大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于更復(fù)雜的任務(wù)研究。通過廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)將分布在不同地點(diǎn)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)聯(lián)結(jié)起來，這些聯(lián)結(jié)起來的VR系統(tǒng)采用協(xié)調(diào)一致的協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫，形成在時(shí)空上相互耦合的虛擬合成環(huán)境，在其中的用戶可以進(jìn)行交流和互動(dòng)。如今分布式VR系統(tǒng)已成為國際上的研究熱點(diǎn)，也是今后VR技術(shù)發(fā)展的重要方向。[11]

視覺虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練是在計(jì)算機(jī)提供的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下，將電腦動(dòng)畫游戲運(yùn)用于弱視治療的視覺訓(xùn)練[12]。視覺虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)可以提供雙眼視覺訓(xùn)練，為弱視治療提供了新的治療方式。

3 多媒體視覺虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)

任小軍等對(duì)2005年～2007年的172例使用“增視能”弱視增視訓(xùn)練系統(tǒng)的弱視兒童（5～8歲）進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)“增視能”訓(xùn)練軟件治療效果好并且趣味性強(qiáng)。使用“增視能”訓(xùn)練時(shí)，對(duì)單眼弱視或雙眼矯正視力相差不小于2行的患者需要對(duì)優(yōu)勢(shì)眼進(jìn)行遮蓋。江萍等對(duì)2001～2004年216例使用杭州維視頓智能化斜弱視檢查治療儀的弱視兒童（3-11歲）進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)總體有效率高達(dá)96%，基本治愈率71.9%，維視頓治療軟件分為醫(yī)院版和家庭版，醫(yī)生需要根據(jù)醫(yī)院版的治療情況安排患者回家治療，維視頓加強(qiáng)了雙眼視覺訓(xùn)練功能，但仍然需要對(duì)雙眼矯正視力相差不低于2行者的優(yōu)勢(shì)眼進(jìn)行遮蓋。

Cecilia Sik-Lányi等提出了使用多媒體視覺訓(xùn)練軟件提高弱視兒童的興趣，從而提高他們使用弱視眼的積極性和依從性，最后他們向教師發(fā)放了滿意度調(diào)查問卷，結(jié)果顯示多媒體視覺訓(xùn)練軟件的接受度很高，孩子們很喜歡使用。

4 基于PC的3D視覺虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)

國外基于電腦的交互式雙目治療系統(tǒng)（I-BIT?）已經(jīng)被開發(fā)用于研究治療弱視。原先該系統(tǒng)使用兩個(gè)顯示器，一個(gè)內(nèi)容分屏的顯示器放在密閉的箱子中，通過鏡片反射將左右不同的視覺訓(xùn)練信息傳遞給弱視患者，另一個(gè)顯示器用于醫(yī)護(hù)人員調(diào)整當(dāng)前的訓(xùn)練內(nèi)容或配置軟件參數(shù)[13][14]。PE Waddingham等對(duì)6名（5-8歲）弱視兒童使用I-BIT?進(jìn)行視覺訓(xùn)練，結(jié)果有5個(gè)孩子視力提高了，有些孩子在1小時(shí)的治療后就有了效果。之后I-BIT?使用了3D快門眼鏡和3D顯示器等提供分離式訓(xùn)練內(nèi)容，對(duì)10名（平均5.4歲）弱視患者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果9位患者完成了訓(xùn)練并提高了視敏度，其中6位患者的視敏度得到顯著提高。但I(xiàn)-BIT?的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的被試過少，治療設(shè)備成本高，需要醫(yī)護(hù)人員陪同訓(xùn)練，不利于設(shè)備的普及研究和使用。

Angelo Gargantini基于NVIDIA? 3D Vision?開發(fā)了一套弱視檢查和治療系統(tǒng)，需要一臺(tái)配備NVIDIA顯卡的主機(jī)，一臺(tái)刷新率至少120Mhz的3D顯示器， 患者還需佩戴一副NVIDIA主動(dòng)液晶快門眼鏡，該系統(tǒng)的基本原理是為雙眼提供相關(guān)但不完全相同的圖像，從而進(jìn)行雙眼分離式訓(xùn)練，圖像清晰分離效果好，但總體成本仍然很高，設(shè)備較多不夠便攜，不利于普及研究和使用。

5 移動(dòng)式3D視覺虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)

國外基于電腦的交互式雙目治療系統(tǒng)（I-BIT?）已經(jīng)被開發(fā)用于研究治療弱視。原先該系統(tǒng)使用兩個(gè)顯示器，一個(gè)內(nèi)容分屏的顯示器放在密閉的箱子中，通過鏡片反射將左右不同的視覺訓(xùn)練信息傳遞給弱視患者，另一個(gè)顯示器用于醫(yī)護(hù)人員調(diào)整當(dāng)前的訓(xùn)練內(nèi)容或配置軟件參數(shù)。PE Waddingham等對(duì)6名（5-8歲）弱視兒童使用I-BIT?進(jìn)行視覺訓(xùn)練，結(jié)果有5個(gè)孩子視力提高了，有些孩子在1小時(shí)的治療后就有了效果。之后I-BIT?使用了3D快門眼鏡和3D顯示器等提供分離式訓(xùn)練內(nèi)容，對(duì)10名（平均5.4歲）弱視患者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果9位患者完成了訓(xùn)練并提高了視敏度，其中6位患者的視敏度得到顯著提高。但I(xiàn)-BIT?的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的被試過少，治療設(shè)備成本高，需要醫(yī)護(hù)人員陪同訓(xùn)練，不利于設(shè)備的普及研究和使用。

Angelo Gargantini基于NVIDIA? 3D Vision?開發(fā)了一套弱視檢查和治療系統(tǒng)，需要一臺(tái)配備NVIDIA顯卡的主機(jī)，一臺(tái)刷新率至少120Mhz的3D顯示器， 患者還需佩戴一副NVIDIA主動(dòng)液晶快門眼鏡，該系統(tǒng)的基本原理是為雙眼提供相關(guān)但不完全相同的圖像，從而進(jìn)行雙眼分離式訓(xùn)練，圖像清晰分離效果好，但總體成本仍然很高，設(shè)備較多不夠便攜，不利于普及研究和使用。

6 總結(jié)和展望

國內(nèi)比較成熟的視覺虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)主要是通過軟件游戲內(nèi)容提高兒童治療的依從性，同時(shí)增加對(duì)弱視眼的刺激，但訓(xùn)練需要以醫(yī)院治療為主展開，醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)護(hù)成本直接影響了弱視患者的治療時(shí)機(jī)和治療效果，而弱視治療有相應(yīng)的敏感期，不同弱視類型的敏感期也不相同，弱視治療的原則是在敏感期內(nèi)消除形覺刺激阻斷，調(diào)整并恢復(fù)雙眼視功能，因此有必要設(shè)計(jì)居家便攜式訓(xùn)練系統(tǒng)方便弱視患者的治療，此外國內(nèi)視覺訓(xùn)練系統(tǒng)未提供有效的雙眼分離式訓(xùn)練，不利于雙眼視功能的恢復(fù)和提高。國外的視覺虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)使用各種3D顯示技術(shù)提供分離式訓(xùn)練效果，但色差式訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)顏色依賴高，很容易發(fā)生內(nèi)容分離失敗，不利于普及化研究和居家使用，而快門式3D分離技術(shù)的硬件成本偏高，占用空間大，同樣不利于普及化研究和居家便攜式使用。國外的便攜式視覺訓(xùn)練系統(tǒng)已有了初步的研究，但硬件上仍不成熟，限制較大，很難在家庭中使用。國內(nèi)外的訓(xùn)練系統(tǒng)通常需要醫(yī)護(hù)人員陪同訓(xùn)練，訓(xùn)練內(nèi)容和訓(xùn)練難度不能自適應(yīng)調(diào)節(jié)，缺乏平臺(tái)記錄和分析知覺學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，不利于制定合理的治療策略和弱視的大數(shù)據(jù)研究。因此，未來應(yīng)該在不影響雙眼分離式訓(xùn)練效果的前提下，加強(qiáng)視覺虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)的便攜性，降低系統(tǒng)的成本，更好的服務(wù)廣大的弱視患者。

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