楊柳依

摘 要 基于計算機軟硬件技術(shù)與視光學(xué)基本原理的虛擬現(xiàn)實技術(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)實技術(shù)；視力矯正；視力保健

中圖分類號 TP3 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）223-0147-02

1 虛擬現(xiàn)實發(fā)展概述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種通過計算機模擬生成虛構(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動態(tài)或靜態(tài)實景體驗。虛擬現(xiàn)實的核心技術(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)，三維計算機圖形技術(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“認(rèn)為”場景是真實的，從而沉浸其中[ 1 ]。計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，帶動了虛擬現(xiàn)實技術(shù)正在非常廣闊的領(lǐng)域發(fā)展其應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于游戲、教育、醫(yī)療、購物、健身等方面。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)特點

1）三維顯示效果。虛擬現(xiàn)實技術(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)原理的實現(xiàn)三維（3D）場景的顯示。其基本原理通過兩個攝像機模擬人的左眼和右眼觀察分別物體，在虛擬現(xiàn)實技術(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，這時人的大腦會將其處理成一個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)過大腦自動地處理、加工，人就感覺看到了一個具有立體感的三維畫面。

2）高清度與真實性。隨著技術(shù)的進步，主流的虛擬現(xiàn)實顯示分辨率已經(jīng)達到了1？080P（1？920×1？080），正在往人眼能夠識別的極限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，場景沒有無顆粒、像素感，從而使體驗者感覺更加真實。同時在視角范圍上，也將向140度以上更寬廣的方向發(fā)展。

3）強交互性。隨著傳統(tǒng)鍵盤、手柄、鼠標(biāo)等與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行交互以外，目前已開發(fā)出更多的交互方式，電影《頭號玩家》中的一些設(shè)備已有產(chǎn)品面世，比如VR跑步機，可以將使用者做出的行走、奔跑、跳躍、坐與下蹲等動作映射到虛擬場景。未來也會增加外部動作識別、眼球跟蹤、面部跟蹤等更多的交互方式。未來虛擬現(xiàn)實技術(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，從觸覺來體驗一系列操作，使人有帶入感，認(rèn)為虛擬世界更加真實。

3 視力矯正現(xiàn)狀與相關(guān)原理簡介

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。而且佩戴眼鏡會給生活、運動等帶來很大不便，包括隱形眼鏡。2）手術(shù)治療：主要是利用激光對角膜進行切割，以改變曲光率，達到矯正視力的目的。但是手術(shù)治療價格昂貴，手術(shù)有風(fēng)險，而且長期效果，而且還不是每一個人都能做手術(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，針灸對很多人來講也難以接受。國外也有一些研究，比如日本的松崎五三男的“十五點法”[2]、美國眼科醫(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動，帶動眼球周圍復(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?？偨Y(jié)這些理論和方法，大致分為以下幾類：1）眼球主動運動，典型代表為“十五點法”、以轉(zhuǎn)動眼球為基本動作的眼保健操、眼肌運動訓(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）長時間視遠(yuǎn)，徹底放松睫狀肌。

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

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于視力矯正的探討

4.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)視力鍛煉原理分析

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

再來回顧一下虛擬現(xiàn)實中最關(guān)鍵的3D成像技術(shù)原理，左眼與右眼看到的實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，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。這一過程其實是由大腦根據(jù)多年現(xiàn)實世界的經(jīng)驗，自動地處理了相關(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)實場景中，當(dāng)視線聚焦到某個距離的目標(biāo)物體上時，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)實場景中，調(diào)整場景畫面中目標(biāo)物體，讓其在不同縱深距離上運動，就可以讓眼睛在視遠(yuǎn)、視近之間切換，或者較長時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)場場景中，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箭頭A、B，這時A、B重合，這時大腦認(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向左移動一個微小的距離Δd、將右眼看到畫面的箭頭B向右移動一個微小的距離Δd，這時，根據(jù)光線直線傳播的原理，以及大腦的經(jīng)驗判斷，人會認(rèn)為箭頭在左眼與A連線的延長線與右眼與B的延長線的交戰(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)驗是一致的。這也是為什么虛擬現(xiàn)實具有很強代入感、讓人身臨其境，甚至無法區(qū)分游戲與現(xiàn)實的原因。當(dāng)Δd繼續(xù)增加時，眼球會繼續(xù)調(diào)整瞳距和焦距，從而最終達到進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)實現(xiàn)簡析

1）開發(fā)工具選擇。考慮到程序主要是顯示運動物體，可以借用目前成熟的虛擬現(xiàn)實游戲開發(fā)引擎。經(jīng)過考察，可以選擇入門門檻較低的Uinty來實現(xiàn)DEMO版進行基本功能的測試。顯示物體直接利用Uinty的物件庫，物體運動路線可以調(diào)用Visual？ Studio利用VC++語言來編程實現(xiàn)。

2）基本功能實現(xiàn)。主動訓(xùn)練模式：內(nèi)置十五點法、眼保健操、眼肌運動訓(xùn)練圖等路徑，實現(xiàn)眼肌2維運動。特定的路線可以通過一個數(shù)組保存，數(shù)組的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以包括起始位置、下一個點位置、時間間隔等內(nèi)容。同時可以設(shè)定單次訓(xùn)練時間、累加總計訓(xùn)練時間等功能。被動訓(xùn)練模式：顯示一本書，很緩慢地將書在縱深距離上往后移，讓眼球無意識地逐漸調(diào)焦適應(yīng)縱深變化。綜合訓(xùn)練：在主動訓(xùn)練的固定路線基礎(chǔ)上增加縱深的運動，讓眼肌有多維方向上運動鍛煉。

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。實現(xiàn)以下功能：1）除了主動程序化訓(xùn)練外，可以設(shè)計引人入勝的游戲，焦點目標(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)實技術(shù)來實現(xiàn)、來優(yōu)化。相信利用虛擬現(xiàn)實技術(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，讓中國少年擺脫眼鏡的束縛，讓心靈的窗戶更加明亮。

參考文獻

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