滕 琴，徐華斌

（上海第二工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，上海 201209）

多灰度視力表的設(shè)計(jì)及對(duì)比度視力的測(cè)量研究

滕 琴，徐華斌

（上海第二工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，上海 201209）

采用改變背景灰度的方法來實(shí)現(xiàn)不同對(duì)比度條件下的視力測(cè)量，并設(shè)計(jì)制作了多灰度視力表，在10 % ～ 100 %的對(duì)比度等級(jí)下，按青年組和老年組分別對(duì)其進(jìn)行裸視力和矯正視力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。通過對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的對(duì)比分析，探討了對(duì)比度視力的應(yīng)用條件和意義。

對(duì)比敏感度；對(duì)比敏感度閾值；背景灰度；視力；視敏度；視標(biāo)

0 引言

多年來，視力表檢查的視力及視野結(jié)果是最常見的評(píng)價(jià)視功能好壞的定量標(biāo)準(zhǔn)。然而，人眼的視覺功能不僅包括分辨高對(duì)比度的小目標(biāo)的能力，還包括對(duì)各種點(diǎn)線與空白間明暗程度差別（即對(duì)比度）的分辨能力，后者即對(duì)比敏感度（Contrast sensitivity，CS）[1]。對(duì)比敏感度視力的測(cè)量，不論是在日常生活中還是在驗(yàn)光過程中，或特殊職業(yè)工種的招工面試中，都有著極其重要的實(shí)際意義[2]。

目前臨床上常用的對(duì)比敏感度檢測(cè)工具有三類：第一類是圖表檢查；第二類是借助電視或示波器達(dá)到對(duì)比度連續(xù)可調(diào)；第三類是激光干涉條紋測(cè)定[3]。本文探討的主要是第一類圖表檢查：通過字體不變、背景改變的原理，改造傳統(tǒng)的遠(yuǎn)用視力表，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)對(duì)比度從10 %到100 % 十個(gè)等級(jí)的變化；在實(shí)驗(yàn)中選取青年組和老年組各50人作為測(cè)量對(duì)象，通過數(shù)據(jù)的測(cè)量、記錄、整理和作圖分析，提出關(guān)于對(duì)比度視力測(cè)量的幾點(diǎn)結(jié)論。

1 對(duì)比敏感度視力的含義及測(cè)量

1.1 對(duì)比敏感度視力的含義和表述

我們通常用的視力表是在白色的背景下由黑色符號(hào)或視標(biāo)組成。用傳統(tǒng)視力表（視標(biāo)黑白分明，只有大小差別、無明暗變化）進(jìn)行的常規(guī)視力檢查是一種較為簡(jiǎn)單的視功能評(píng)價(jià)方法，用其測(cè)量所獲得的視力（vision）即視敏度（visual acuity），只能反映黃斑對(duì)于高對(duì)比度（即圖形的反差很明顯）的小目標(biāo)的分辨能力，而對(duì)于圖形反差小的低對(duì)比度的目標(biāo)的分辨能力則無法反映出來，因此不能全面地反映人在各種自然環(huán)境下的視力。

對(duì)比敏感度，通俗地講就是人眼看清大型模糊目標(biāo)物的能力。Cambell和Robson于1968年引入了對(duì)比敏感度（contrast sensitivity）CS的概念，即在明亮對(duì)比變化下，人眼視覺系統(tǒng)對(duì)不同空間頻率的正弦光柵視標(biāo)的識(shí)別能力?？臻g頻率是指1度視角所含條柵的數(shù)目，單位為周/度[1]。按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比敏感度由物體亮度與背景亮度來決定。人眼所能識(shí)別的最小對(duì)比度，即對(duì)比敏感度閾值（contrast sensitivity threshold），用公式可表示為：(Lmax－Lmin)／(Lmax＋Lmin)，其中Lmax為最大亮度；Lmin為最小亮度。對(duì)比敏感度（CS）亦可定義為視覺系統(tǒng)能覺察的對(duì)比度閾值的倒數(shù)[4]。對(duì)比度閾值低，則對(duì)比敏感度高，視覺功能好。在某一空間頻率，視覺系統(tǒng)有一定的對(duì)比敏感度；反之，在同一對(duì)比度時(shí)，視覺系統(tǒng)則有一定的空間頻率分辨力。

1.2 對(duì)比敏感度檢測(cè)方法和實(shí)用意義

實(shí)際生活中，有不同的對(duì)比度和不同的空間頻率，但傳統(tǒng)視力表只能反映一個(gè)指標(biāo)：大小，而對(duì)比敏感度測(cè)試可以反映兩個(gè)指標(biāo)：大小和對(duì)比度。因此，視敏度和對(duì)比敏感度有一定意義上的區(qū)別：視敏度只能反映視標(biāo)大小即空間頻率的變化，而對(duì)比敏感度能同時(shí)反映對(duì)比度和空間頻率的變化。有些受檢者即使矯正了視敏度，若是對(duì)比敏感度視力不好，當(dāng)物體和背景的顏色或亮度相近時(shí)，仍很難辨識(shí)出物體來；反之，有些受檢者即使視敏度不佳，只要對(duì)比敏感度好，仍能將物體直接從背景區(qū)里分辨出來。因此，CS檢查與傳統(tǒng)視力表檢查相比，更符合人眼視覺的實(shí)際環(huán)境，能夠更加敏感、真實(shí)地反映及評(píng)估視覺質(zhì)量。研究已顯示CS在白內(nèi)障、青光眼、屈光不正、斜視、弱視及視網(wǎng)膜病變等眼病的早期診斷和療效評(píng)價(jià)等諸多領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值[5,6]。

目前，我軍飛行員入伍體檢時(shí)的視力檢測(cè)選用的是傳統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)視力表，只能檢測(cè)高對(duì)比度下人眼的最小分辨率，無法檢測(cè)低對(duì)比度下人眼的辨識(shí)能力。按照中國(guó)人民解放軍軍事訓(xùn)練和考核大綱要求，部隊(duì)除了日常正常操課外，還需要具備不同環(huán)境條件下的戰(zhàn)斗力。因此，對(duì)比度視力是軍事人員在視功能方面所應(yīng)具備的必要條件之一。在美國(guó)等西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家的招飛考試中，已經(jīng)將對(duì)比度視力檢查納入到體檢項(xiàng)目中，說明了今后在評(píng)估某些特殊職業(yè)選拔資格時(shí)引入對(duì)比度視力測(cè)量的重要性。

對(duì)比敏感度的測(cè)試方法有很多種，如：正弦波條紋顯示器、光柵圖片、計(jì)算機(jī)對(duì)比敏感度視覺檢查儀、透射式光柵簡(jiǎn)易裝置和視覺電生理檢查儀等。數(shù)據(jù)結(jié)果也呈多樣性，目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。臨床上CS檢查的方式主要有2種：（1）保持空間頻率不變，測(cè)定主觀判斷剛能看到某個(gè)空間頻率圖形的對(duì)比度閾值；（2）保持對(duì)比度不變，測(cè)定能辨識(shí)的空間頻率的閾值。后一種方法與通常的視力檢查方式相同，只是通過切換畫面來實(shí)現(xiàn)視力表的對(duì)比度不同，故更易為受檢者所熟悉和理解。

2 國(guó)際上現(xiàn)有的對(duì)比敏感度測(cè)試卡

2.1 Cardiff 對(duì)比敏感度檢測(cè)卡

如圖1所示，Cardiff對(duì)比敏感度檢測(cè)卡使用的是亮灰色和暗灰色輪廓圖形，而不是黑白輪廓圖形，而且所有圖片的輪廓寬度都一樣大，只是亮度有所不同。其主要功能是運(yùn)用“優(yōu)先注視”的方法：測(cè)量時(shí)檢查者只需要觀察受檢者的眼睛，看其視線是否注視著卡片上圖形所在的位置，無需語(yǔ)言交流，檢查者就可以判斷受檢者是不是分辨出圖形[3]。這是一種特別適合于配合度較差的患者所使用的檢查方法，如：幼童12月～3歲、中風(fēng)、智障者、腦部損失或老年癡呆者等。該對(duì)比敏感度檢測(cè)卡目前的國(guó)內(nèi)報(bào)價(jià)在5 000元以上。

圖1 Cadiff對(duì)比敏感度檢測(cè)卡Fig. 1 Cardiff contrast test

2.2 VCTS-6500對(duì)比敏感度視力表

VCTS-6500是基于Arden研制的一套光柵圖片，通過引入調(diào)制傳遞函數(shù)的概念，根據(jù)灰度調(diào)制曲線的變化制成寬窄、明暗不同的條柵圖作為檢查表（參見圖2），以此反映空間、明暗對(duì)比二維頻率的形覺功能。其對(duì)比敏感度由黑色條柵與白色間隔的亮度來決定；視標(biāo)分為A、B、C、D、E五排，分別代表1.5、3、6、12、18周/度（c/d）空間頻率；每排自左至右共8個(gè)圓形條柵圖的對(duì)比度依次下降（對(duì)比敏感度閾值升高）；圖中第9列為無條柵空白圖；條柵分為垂直、右斜和左斜3種。近對(duì)比敏感度的檢測(cè)距離為40 cm，遠(yuǎn)對(duì)比敏感度的檢測(cè)距離為3 m。測(cè)量時(shí)從A行空間頻率開始辨識(shí)視標(biāo)，依次為A1～ A8，然后逐行往下直至E行，將所能看清的最大對(duì)比敏感度視標(biāo)標(biāo)定在記錄紙上。檢查完畢后，將記錄紙上不同空間頻率的對(duì)比敏感度等級(jí)連線即可得到對(duì)比敏感度函數(shù)（CSF）曲線。

圖2 VCTS-6500對(duì)比敏感度視力表Fig. 2 VCTS-6500 contrast sensitivity visual acuity chart

CSF曲線以空間頻率為橫坐標(biāo)、對(duì)比敏感度為縱坐標(biāo)，其灰度調(diào)制曲線的寬度變化反映了條柵的空間函數(shù)、高度變化反映了條柵的明暗對(duì)比函數(shù)。對(duì)于正常人，此函數(shù)的完整曲線基本呈拋物線型，也有人稱之為山型或鐘型。圖3(a)中的灰色區(qū)域表示對(duì)比敏感度的正常范圍。從圖3中還可以看出：在橫軸空間頻率5 c·d?1附近敏感度達(dá)到峰值，高頻區(qū)快速下降，低頻區(qū)則下降較慢。亦有研究表明：近視眼屈光系統(tǒng)的CSF曲線在坐標(biāo)上呈近似直線[7]。由于測(cè)量完整的CSF較為費(fèi)時(shí)，對(duì)兒童和理解能力較低者的準(zhǔn)確性也有所下降，且數(shù)據(jù)結(jié)果不易被患者理解，故目前主要供一些眼科醫(yī)生作臨床使用。

圖3 對(duì)比敏感度函數(shù)曲線Fig. 3 Contrast sensitivity function curve ( (a) Hand-printed；(b) Machine-printed )

2.3 兩對(duì)比度漢字近視力表

兩對(duì)比度漢字近視力表由溫州星康醫(yī)學(xué)科技有限公司開發(fā)研制，具備兩個(gè)主要特征：① 漢字作為視標(biāo)，在設(shè)計(jì)表達(dá)上與其他視力表相通，可以互換分析；② 利用漢字出現(xiàn)頻率、漢字空間頻率及心理物理學(xué)的分析方法確定視標(biāo)，使得檢測(cè)獲得的漢字視力等同為真實(shí)辨認(rèn)漢字的能力。

兩對(duì)比度漢字近視力表的標(biāo)準(zhǔn)檢查距離為40 cm，也可選用25 cm作為檢查距離。該近視力表共有兩張，均由正反兩面組成，設(shè)有100 %和10 % 的高、低兩種對(duì)比度。其中一張正面是以少筆畫數(shù)漢字作為視標(biāo)的兩對(duì)比度漢字近視力表，另一張正面是以中筆畫漢字作為視標(biāo)的兩對(duì)比度漢字近視力表，兩張近視力表的反面均為兩對(duì)比度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)近視力表。少筆畫漢字視標(biāo)適用于低學(xué)齡兒童，中筆畫漢字視標(biāo)適用于青少年和成人。漢字視力表高對(duì)比度部分可以用于測(cè)量各種人群的漢字近視力，老視的驗(yàn)配、低視力助視器的驗(yàn)配；標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)近視力表高對(duì)比度部分用于各種人群近視力的測(cè)定與視力障礙的篩查，低對(duì)比度部分用于初步篩查早期白內(nèi)障、青光眼等眼病。同一種對(duì)比度視標(biāo)中設(shè)置了兩個(gè)版本的小視標(biāo)，用于視力的重復(fù)測(cè)量，避免記憶效應(yīng)。

圖4 兩對(duì)比度漢字近視力表Fig. 4 the near visual chart of two Contrast Sensitivity of Chinese character

3 多灰度視力表的設(shè)計(jì)方法及測(cè)量分析

3.1 多灰度視力表的設(shè)計(jì)原理

我們的設(shè)計(jì)思路是改造傳統(tǒng)的遠(yuǎn)視力表，采用E視標(biāo)以符合中國(guó)人（包括兒童和文盲）的視力檢測(cè)習(xí)慣：按照字體不變、背景改變的原理，設(shè)計(jì)字體灰度為100 % ，背景灰度從0 %到90 % 改變，使背景與視標(biāo)的對(duì)比度按10 %、20 % 到100 % 的若干等級(jí)變化，并以視力表的視標(biāo)大小變化來代表空間頻率的變化，從而達(dá)到對(duì)比度視力測(cè)量的目的。

圖5 多灰度視力表設(shè)計(jì)原理Fig. 5 The design principle of the visual chart of changing gray degrees

多灰度視力表的視標(biāo)大小和光照條件均按照標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)視力表設(shè)計(jì)，因此測(cè)量距離可參照普通遠(yuǎn)視力表，采用3米作為標(biāo)準(zhǔn)距離；視標(biāo)模板運(yùn)用電腦軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，并用PVC材料進(jìn)行專業(yè)寫真印刷制作成視標(biāo)插片進(jìn)行更換。圖5列出了對(duì)比度等級(jí)在20 % ～ 80 % 之間的視標(biāo)模板。

傳統(tǒng)視力表是在對(duì)比度最理想的100 % 等級(jí)下（白底黑字）測(cè)量視敏度，而多灰度視力表可以實(shí)現(xiàn)10 % ～ 100 % 不同對(duì)比度條件下的對(duì)比度視力檢測(cè)。我們所設(shè)計(jì)的多灰度視力表成本低廉，操作簡(jiǎn)單、實(shí)用，原理是以不同灰度模板切換來實(shí)現(xiàn)對(duì)比度變化，以視標(biāo)大小不同來實(shí)現(xiàn)空間頻率變化，雖然其功能上無法像VCTS-6500對(duì)比敏感度視力表那樣繪制出完整的CSF曲線，但能夠測(cè)量出不同對(duì)比度等級(jí)下的視覺情況，且符合中國(guó)人的測(cè)量習(xí)慣，測(cè)量結(jié)果易被受檢者理解。相比于兩對(duì)比度漢字近視力表僅實(shí)現(xiàn)100 % 和10 %高低兩種對(duì)比度等級(jí)下的近視力測(cè)量，多灰度視力表的對(duì)比度變化更為精細(xì)（十檔），可以測(cè)量從高到低每隔10 % 對(duì)比度條件下遠(yuǎn)視力的變化情況。

3.2 對(duì)比度視力的測(cè)量分析

將選取的測(cè)量對(duì)象按年齡分為兩組：青年組50人，平均年齡20歲；老年組50人，平均年齡55歲。測(cè)量時(shí)采用3米標(biāo)準(zhǔn)距離，兩眼的測(cè)量順序先右后左，要求對(duì)戴鏡者分別測(cè)量其裸視力和矯正視力。

我們以對(duì)比度等級(jí)為橫坐標(biāo)，以對(duì)比度視力為縱坐標(biāo)，測(cè)量數(shù)據(jù)作圖如下：

結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果分析，我們可得出一些結(jié)論。

(1) 對(duì)比敏感度曲線以空間頻率為橫坐標(biāo)，對(duì)比敏感度為縱坐標(biāo)，刻度呈幾何級(jí)數(shù)增大，反映的是不同空間頻率下對(duì)比敏感度的變化情況（低頻區(qū)反映視覺對(duì)比度情況、中頻區(qū)反映視覺對(duì)比度和中心視力綜合情況、高頻區(qū)反映視敏度）；而對(duì)比度視力曲線以對(duì)比度等級(jí)為橫坐標(biāo)，以不同對(duì)比度等級(jí)下所測(cè)視力為縱坐標(biāo)，刻度均勻（視力越高表示所能分辨的視標(biāo)越小，空間頻率也越大），繪制出的曲線呈遞增函數(shù)，主要反映了10 % ～ 100 % 不同對(duì)比度等級(jí)下的遠(yuǎn)視力變化情況。而用傳統(tǒng)視力表所測(cè)得的視敏度只是對(duì)比度視力曲線圖中最末端的一個(gè)點(diǎn)。

(2) 無論青年組還是老年組，在對(duì)比度為100 % 時(shí)視力最佳。隨著對(duì)比度的降低，裸眼視力下降明顯，而矯正視力在對(duì)比度下降時(shí)變化趨緩。這與參考文獻(xiàn)[8]中關(guān)于正常人在高對(duì)比度下所測(cè)視力明顯高于在低對(duì)比度下所測(cè)視力的結(jié)論一致。老年組相比于青年組在較高空間頻率處的對(duì)比度視力有所下降，這主要是由視網(wǎng)膜和神經(jīng)年齡性的改變引起。一般情況下，女性比男性有較低的空間對(duì)比敏感度。

(3) 人眼對(duì)細(xì)小目標(biāo)的分辨能力隨著對(duì)比度的降低而下降，而對(duì)粗大目標(biāo)的分辨能力受對(duì)比度變化的影響較小。隨著對(duì)比度的下降，辨識(shí)小目標(biāo)物體的反應(yīng)時(shí)間將延長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，在這方面青年組明顯優(yōu)于老年組，與性別無關(guān)。在40歲之前年齡與對(duì)比敏感度呈正相關(guān)，40歲左右對(duì)比敏感度開始下降。

(4) 對(duì)比敏感度一般和近視度數(shù)也呈線性關(guān)系，近視度數(shù)越低敏感度越高，其原因主要與眼睛屈光間質(zhì)的清晰度和視神經(jīng)靈敏度有關(guān)。由此可知，對(duì)比敏感度亦與屈光狀態(tài)、瞳孔直徑、調(diào)節(jié)等因素有關(guān)。

(5) 在許多眼部疾病的早期階段，在進(jìn)行普通視力表檢查時(shí)并未出現(xiàn)異常，但對(duì)比敏感度其實(shí)已經(jīng)開始下降。例如青光眼、白內(nèi)障等眼疾患者，早期表現(xiàn)為視力正常但是對(duì)比敏感度低于正常人群。為避免延誤病情應(yīng)及時(shí)建議患者去眼科醫(yī)院進(jìn)行臨床檢查。

(6) 對(duì)于從事特殊職業(yè)的人群如飛行員、駕駛員、運(yùn)動(dòng)員等，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比度的視力測(cè)試顯得尤為重要。用不同對(duì)比度等級(jí)模擬不同自然環(huán)境下的視覺條件，可以幫助我們精確地了解受檢者的視覺功能，并對(duì)他們的視覺質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，從而得出其是否適合從事該職業(yè)的結(jié)論。

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The Design of the Visual Chart of Changing Gray Degrees and the Research of Contrast Sensitivity

TENG Qin, XU Hua-bin
(School of Physics, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P.R.China)

This paper is based on the vision measurement method of changing the background gray degrees to achieve different contrast conditions. With the visual chart of different contrast from 10 % to 100 % , uncorrected and corrected measurement data of youth group and elderly group are collected.Through the comparative analysis of these data, it discusses the application conditions and significance of contrast sensitivity.

contrast sensitivity; contrast sensitivity threshold; background intensity; vision; visual acuity; visual target

R-331

A

1001-4543(2011)04-0318-07

2011-09-13;

2011-10-10

滕琴（1975-），女，江蘇昆山人，副教授，碩士，主要從事大學(xué)物理和眼視光教學(xué)研究，電子郵箱tengqin@sf.sspu.cn。

上海第二工業(yè)大學(xué)?；痦?xiàng)目（No.XQD209016）