虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在視力矯正與保健方面的運(yùn)用

楊柳依

摘 要 基于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)與視光學(xué)基本原理的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在近年得到了飛速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于游戲、教育、醫(yī)療、商業(yè)、生活等方方面面。文章側(cè)重分析了應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、特別是其視光學(xué)原理來改善目前視力鍛煉、視力矯正方法與產(chǎn)品的可行性。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；視力矯正；視力保健

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）223-0147-02

1 虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種通過計(jì)算機(jī)模擬生成虛構(gòu)三維環(huán)境的技術(shù)，它能夠?qū)⒍嘣畔⑷诤仙山换ナ降娜S動(dòng)態(tài)或靜態(tài)實(shí)景體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)的核心技術(shù)是通過視光學(xué)原理的3D頭戴式顯示設(shè)備，利用廣角立體顯示技術(shù)，三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)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(xiàn)實(shí)環(huán)境下，兩眼看到的影像、經(jīng)由人的大腦加工處理，使用者會(huì)“認(rèn)為”場(chǎng)景是真實(shí)的，從而沉浸其中[ 1 ]。計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，帶動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在非常廣闊的領(lǐng)域發(fā)展其應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于游戲、教育、醫(yī)療、購(gòu)物、健身等方面。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特點(diǎn)

1）三維顯示效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一是通過頭戴式眼鏡裝置，利用視光學(xué)原理的實(shí)現(xiàn)三維（3D）場(chǎng)景的顯示。其基本原理通過兩個(gè)攝像機(jī)模擬人的左眼和右眼觀察分別物體，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(shí)人的大腦會(huì)將其處理成一個(gè)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(jīng)過大腦自動(dòng)地處理、加工，人就感覺看到了一個(gè)具有立體感的三維畫面。

2）高清度與真實(shí)性。隨著技術(shù)的進(jìn)步，主流的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示分辨率已經(jīng)達(dá)到了1？080P（1？920×1？080），正在往人眼能夠識(shí)別的極限4K（3？840×2？160）分辨率發(fā)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(chǎng)景沒有無顆粒、像素感，從而使體驗(yàn)者感覺更加真實(shí)。同時(shí)在視角范圍上，也將向140度以上更寬廣的方向發(fā)展。

3）強(qiáng)交互性。隨著傳統(tǒng)鍵盤、手柄、鼠標(biāo)等與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行交互以外，目前已開發(fā)出更多的交互方式，電影《頭號(hào)玩家》中的一些設(shè)備已有產(chǎn)品面世，比如VR跑步機(jī)，可以將使用者做出的行走、奔跑、跳躍、坐與下蹲等動(dòng)作映射到虛擬場(chǎng)景。未來也會(huì)增加外部動(dòng)作識(shí)別、眼球跟蹤、面部跟蹤等更多的交互方式。未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將不僅從視覺上感知圖像，還將發(fā)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(yàn)一系列操作，使人有帶入感，認(rèn)為虛擬世界更加真實(shí)。

3 視力矯正現(xiàn)狀與相關(guān)原理簡(jiǎn)介

目前傳統(tǒng)的視力矯正方面包括以下幾種：1）光學(xué)矯正：即佩戴光學(xué)眼鏡，嚴(yán)格意義上講，戴眼鏡是治標(biāo)不治本，并未使裸眼視力有改善。而且佩戴眼鏡會(huì)給生活、運(yùn)動(dòng)等帶來很大不便，包括隱形眼鏡。2）手術(shù)治療：主要是利用激光對(duì)角膜進(jìn)行切割，以改變曲光率，達(dá)到矯正視力的目的。但是手術(shù)治療價(jià)格昂貴，手術(shù)有風(fēng)險(xiǎn)，而且長(zhǎng)期效果，而且還不是每一個(gè)人都能做手術(shù)，都適合做手術(shù)而且手術(shù)只能做一次。3）中醫(yī)理論及物理鍛煉：中醫(yī)有針灸、穴位按摩、藥物調(diào)整等治療方法，也有轉(zhuǎn)眼操、望遠(yuǎn)、熱敷眼的保健方法，并且是行之有效的。但是中醫(yī)的按摩方法需要專業(yè)人士操作，針灸對(duì)很多人來講也難以接受。國(guó)外也有一些研究，比如日本的松崎五三男的“十五點(diǎn)法”[2]、美國(guó)眼科醫(yī)生威廉·貝茨的視力訓(xùn)練恢復(fù)法[ 3 ]，與中醫(yī)的轉(zhuǎn)眼保健法類似，就是讓眼球以特定的方式運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)眼球周圍復(fù)雜的肌肉群得到鍛煉，恢復(fù)人眼自主的視力調(diào)節(jié)能力。

物理鍛煉的方法最安全，也是本文即將分析的重點(diǎn)。總結(jié)這些理論和方法，大致分為以下幾類：1）眼球主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，典型代表為“十五點(diǎn)法”、以轉(zhuǎn)動(dòng)眼球?yàn)榛緞?dòng)作的眼保健操、眼肌運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練圖。2）視近與視遠(yuǎn)之間切換：通過看近看遠(yuǎn)的切換，訓(xùn)練睫狀肌調(diào)節(jié)能力。3）長(zhǎng)時(shí)間視遠(yuǎn)，徹底放松睫狀肌。

基于上述理論和方法，市場(chǎng)上也有各種視力保健產(chǎn)品，這些產(chǎn)品堅(jiān)持使用也會(huì)有效果，但或多或少都存在一些局限。比如有機(jī)器能通過滑輪軌道，讓目標(biāo)前后移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)視近與視遠(yuǎn)的變化，但是視遠(yuǎn)距離受限于2米左右。眼肌運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練圖路線固定，長(zhǎng)時(shí)間容易疲勞和厭倦。有的頭戴式儀器能夠?qū)崿F(xiàn)類似“十五點(diǎn)法”的運(yùn)動(dòng)軌跡，卻是基于硬件固化的，沒有變化。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于視力矯正的探討

4.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)視力鍛煉原理分析

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以很好地解決目前市場(chǎng)上很多視力矯正產(chǎn)品的不足。2D場(chǎng)景編程可以容易地實(shí)現(xiàn)以下功能：在固定縱深的平面，讓一個(gè)目標(biāo)物體，沿特定路線做2維的運(yùn)動(dòng)，以引導(dǎo)眼球做上下、左右、圓周、交叉等路線運(yùn)動(dòng)，或者依照“十五點(diǎn)法”做更復(fù)雜的路線和對(duì)焦運(yùn)動(dòng)。程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，也可以增加隨機(jī)路線、組合路線、自定義路線的功能。在此基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在虛擬現(xiàn)實(shí)的3D場(chǎng)景中，可以讓上述2維運(yùn)動(dòng)增加一個(gè)縱深方向上的維度。

再來回顧一下虛擬現(xiàn)實(shí)中最關(guān)鍵的3D成像技術(shù)原理，左眼與右眼看到的實(shí)際是兩幅有差異的畫面，根據(jù)光線直線傳播的原理，當(dāng)兩眼分別以不同的焦距調(diào)節(jié)聚焦到目標(biāo)物體上時(shí)，大腦根據(jù)眼球的焦距調(diào)節(jié)程度“認(rèn)為”目標(biāo)物體在或遠(yuǎn)或近的距離上。這一過程其實(shí)是由大腦根據(jù)多年現(xiàn)實(shí)世界的經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)地處理了相關(guān)信息后得出的結(jié)論。這些信息包括兩瞳孔之間的距離、目標(biāo)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(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，當(dāng)視線聚焦到某個(gè)距離的目標(biāo)物體上時(shí)，兩瞳孔之間的距離、目標(biāo)物體到兩瞳孔的夾角、睫狀肌的緊張程度與真實(shí)環(huán)境中看到同樣距離物體是一樣的。這樣，如果在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，調(diào)整場(chǎng)景畫面中目標(biāo)物體，讓其在不同縱深距離上運(yùn)動(dòng)，就可以讓眼睛在視遠(yuǎn)、視近之間切換，或者較長(zhǎng)時(shí)間讓眼睛保持在視遠(yuǎn)的狀態(tài)，從而起到鍛煉和矯正視力的效果。

如圖1所示，在虛擬現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)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(gè)箭頭A、B，這時(shí)A、B重合，這時(shí)大腦認(rèn)為目標(biāo)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(dòng)一個(gè)微小的距離Δd、將右眼看到畫面的箭頭B向右移動(dòng)一個(gè)微小的距離Δd，這時(shí)，根據(jù)光線直線傳播的原理，以及大腦的經(jīng)驗(yàn)判斷，人會(huì)認(rèn)為箭頭在左眼與A連線的延長(zhǎng)線與右眼與B的延長(zhǎng)線的交戰(zhàn)C處。在此過程中，眼球調(diào)整了瞳距、焦距，而且這種視遠(yuǎn)的效果也與大腦的經(jīng)驗(yàn)是一致的。這也是為什么虛擬現(xiàn)實(shí)具有很強(qiáng)代入感、讓人身臨其境，甚至無法區(qū)分游戲與現(xiàn)實(shí)的原因。當(dāng)Δd繼續(xù)增加時(shí)，眼球會(huì)繼續(xù)調(diào)整瞳距和焦距，從而最終達(dá)到進(jìn)入眼睛的光線來自平行光、類似看無限遠(yuǎn)的效果。

4.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)析

1）開發(fā)工具選擇?？紤]到程序主要是顯示運(yùn)動(dòng)物體，可以借用目前成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲開發(fā)引擎。經(jīng)過考察，可以選擇入門門檻較低的Uinty來實(shí)現(xiàn)DEMO版進(jìn)行基本功能的測(cè)試。顯示物體直接利用Uinty的物件庫(kù)，物體運(yùn)動(dòng)路線可以調(diào)用Visual？ Studio利用VC++語(yǔ)言來編程實(shí)現(xiàn)。

2）基本功能實(shí)現(xiàn)。主動(dòng)訓(xùn)練模式：內(nèi)置十五點(diǎn)法、眼保健操、眼肌運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練圖等路徑，實(shí)現(xiàn)眼肌2維運(yùn)動(dòng)。特定的路線可以通過一個(gè)數(shù)組保存，數(shù)組的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以包括起始位置、下一個(gè)點(diǎn)位置、時(shí)間間隔等內(nèi)容。同時(shí)可以設(shè)定單次訓(xùn)練時(shí)間、累加總計(jì)訓(xùn)練時(shí)間等功能。被動(dòng)訓(xùn)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(shí)地逐漸調(diào)焦適應(yīng)縱深變化。綜合訓(xùn)練：在主動(dòng)訓(xùn)練的固定路線基礎(chǔ)上增加縱深的運(yùn)動(dòng)，讓眼肌有多維方向上運(yùn)動(dòng)鍛煉。

5 展望

未來發(fā)展方向：軟件DEMO開發(fā)完成后，可以迭代優(yōu)化、開發(fā)出商業(yè)化產(chǎn)品。實(shí)現(xiàn)以下功能：1）除了主動(dòng)程序化訓(xùn)練外，可以設(shè)計(jì)引人入勝的游戲，焦點(diǎn)目標(biāo)遠(yuǎn)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(dǎo)入單詞、詩(shī)詞等學(xué)習(xí)材料的功能，便于學(xué)生使用，在學(xué)習(xí)的過程中鍛煉視力，節(jié)約學(xué)生的寶貴時(shí)間。3）在視力矯正治療方面，可以與眼科專業(yè)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(xiàn)實(shí)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)、來優(yōu)化。相信利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，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(guó)少年擺脫眼鏡的束縛，讓心靈的窗戶更加明亮。

參考文獻(xiàn)

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