本文簡單介紹了虛擬現(xiàn)實技術和近視。
本文提出可以借助虛擬現(xiàn)實技術將近距離用眼行為轉變?yōu)檫h望凝視的用眼行為，從而幫助近視患者改善視覺質量。
本文探討了一種基于當前虛擬現(xiàn)實設備的可能方案并對未來方案做出了展望。
1、虛擬現(xiàn)實技術
近年來，虛擬現(xiàn)實（VR）技術及其產品逐漸走向成熟，成為當前社會的一個熱點。 簡單來說，VR技術是借助計算機以及相關軟硬件設備讓人獲得視、聽、嗅、味、觸等虛擬感受的技術，亦稱幻境技術。
2014 年臉書公司（Facebook）收購Oculus是虛擬現(xiàn)實技術走進公眾視野的標志性事件之一。 2016年則被業(yè)界稱為虛擬現(xiàn)實行業(yè)的元年。 這一年，臉書公司推出了商用虛擬現(xiàn)實設備Oculus Rift，索尼公司推出PlayStation VR，而谷歌公司（Google）推出Daydream view設備。
此外，還有三星、HTC、華為等多家公司發(fā)布了自己的VR產品。 艾媒咨詢在《2016上半年中國虛擬現(xiàn)實行業(yè)研究報告》中預計中國虛擬現(xiàn)實行業(yè)市場規(guī)模在2016年將達56.6億元，而在2020年更將達到556.3億元。
隨著消費者可用的VR設備不斷涌現(xiàn)， VR內容產品和應用也逐漸豐富起來。 比如，VR+購物可以讓消費者在家虛擬逛超市和試衣等。 VR+旅行和社交等應用借助VR技術可以足不出戶地游山玩水或者參加多人互動的相親團等。 VR+游戲和VR+電影給消費者帶來更多的家庭娛樂。 VR+房產則為用戶提供沉浸式看房體驗，實現(xiàn)異地看房。 VR+新聞利用VR的沉浸感和交互性帶領讀者去感受新聞現(xiàn)場。 此外VR還在醫(yī)療、航天和教育等多個領域有著廣泛的應用。
VR設備主要分為輸入設備和輸出設備兩部分。 輸入設備主要包括手柄、手套、動作捕捉設備和方向盤等。 手柄利用傳統(tǒng)的震動和慣性傳感器、按鈕和搖桿等操作。 VR手套一般裝有許多傳感器，能感知關節(jié)的狀態(tài)。 動作捕捉設備則可以識別用戶的手勢、全身動作和眼睛動作等。
輸出設備包括VR頭盔和VR眼鏡等。 目前市場上主要VR輸出設備產品可以分為PC端VR、智能手機VR和一體機。 以Oculus Rift為代表的PC端VR頭盔能夠帶給消費者VR技術的極佳體驗。 它不但具有定位追蹤功能，也提供了更高的保真環(huán)境。 但是當前PC端VR頭盔價格昂貴，而且與電腦之間的連線也存在攜帶不便等缺點。 基于智能手機的VR設備是當前消費者接受的主流VR產品，比如三星公司的Gear VR。
這些產品技術含量較低、成本不高，使得其推廣更為迅速，但沉浸感和交互性比pc端VR設備遜色不少。 VR一體機是包含處理器、輸入設備和頭戴式顯示設備為一體的獨立VR產品。 VR一體機雖然更加理想，但研發(fā)難度大，目前產品成熟度仍然不高。
2、近視
2.1、 人眼結構
人的眼球依靠眼內容物及眼球壁保持眼球形狀。 位于眼球前部的晶狀體具有凸透鏡的形狀，富有彈性。 其前面是透明的角膜和清澈的房水，而后面則是透明的玻璃體。 光線經(jīng)角膜和房水通過晶狀體之后，經(jīng)由玻璃體到達視網(wǎng)膜。
眼球的外層是白色的鞏膜。鞏膜是膠原纖維結構，質地堅韌，有助于維持眼球的形狀并保護眼內組織。 角膜則位于眼球最前方，允許光線進入眼球。
眼球中間層的葡萄膜包括前葡萄膜（虹膜與睫狀體）和后葡萄膜（脈絡膜）。虹膜緊接角膜，中央為瞳孔，虹膜肌肉收縮能改變瞳孔的大小。虹膜后方的環(huán)形增厚部分是睫狀體。睫狀體通過晶狀體懸韌帶與晶狀體相連，睫狀體內含平滑肌，有調節(jié)晶狀體曲度的作用。 脈絡膜富含血管，為眼球內部提供血液。
眼球內層的視網(wǎng)膜是一層透明的薄膜。視網(wǎng)膜由色素上皮層和視網(wǎng)膜感覺層組成。色素上皮層與脈絡膜緊密相連，由色素上皮細胞組成，它們具有支持和營養(yǎng)光感受器細胞、遮光、散熱以及再生和修復等作用。
眼外肌包括上、下、內、外四條直肌和上、下兩條斜肌，附著在距角膜緣不同距離的鞏膜上。 眼球運動不是單獨靠某條眼外肌的作用完成的，而是通過所有眼外肌共同完成的。 與眼外肌相對應的眼內肌包括睫狀肌、瞳孔開大肌和瞳孔括約肌。
2.2、 近視
近視是指眼睛在不做調節(jié)時，平行光線經(jīng)過眼球屈光系統(tǒng)屈折后聚焦在視網(wǎng)膜之前的一種屈光狀態(tài)。 近視患者的眼睛看不清遠處物體，但可以看清近處物體。 2013年，世界衛(wèi)生組織研究報告稱，目前全球約14億人罹患近視，到2020年預計增長至25億，其中中國的近視人群比例達47%[2]。 由此可見，近視防治在中國尤其具有重要意義。
人眼在看近物時：睫狀肌收縮，晶狀體懸韌帶松弛，晶狀體曲度增大,這是眼睛的調節(jié)作用；兩眼視軸向內斜，使之交集于所看的目標上，這是兩眼的集合作用（亦稱輻輳作用）。 集合作用主要是靠兩眼內直肌收縮。 正常情況下，在看近物時調節(jié)作用與集合作用是同時發(fā)生的，而且所用調節(jié)力度數(shù)與集合角數(shù)是相同的，否則容易造成視力疲勞。
一般認為，近視的形成和長期近距離過度用眼有關[3]。 長期近距離過度用眼會造成睫狀肌持續(xù)緊張，回彈力降低，對晶狀體的調節(jié)功能減弱。 長期近距離過度用眼還會造成眼外肌對眼球施加壓力，眼球壁在壓力下逐漸延伸，眼球前后軸變長形成軸性近視眼。 正常人的眼軸一般平均是24毫米；近視每增長300度，眼軸大約增長1毫米。
近視的影響因素很多。 一般認為近視形成的主要影響因素是遺傳因素和環(huán)境因素。 此外，微量元素鎘、鍶和鋅等的缺乏，以及身體素質等因素也可能會影響到近視的發(fā)生，但具體影響途徑則說法不一。
大量調查資料顯示高度近視和遺傳有關，但中度以下近視是否遺傳則存在較大的分歧。 高度近視的遺傳是隱性遺傳而且又受客觀生活條件的影響，所以父親高度近視孩子又并非必然表現(xiàn)為高度近視。
環(huán)境因素主要是指長期近距離用眼，這是近視眼形成的重要客觀因素。 造成近視的原因有幾種理論。 一種理論是調節(jié)說，認為大多數(shù)近視發(fā)生在青少年時代，因為青少年的眼睛調節(jié)力特別強，眼睛長時間看近物也不易疲勞，從而造成睫狀肌長時間過度緊張、疲勞甚至痙攣，最終發(fā)展成近視。 還有一種學說是輻輳說，認為近距離用眼使得兩眼內轉的輻輳功能加強，導致眼肌對眼球加壓，而引起眼球軸的延長。 此外，諸如照明光線亮度、閱讀姿勢、對比度、字體大小和字體模糊等也都是影響近視的環(huán)境因素。
3、利用VR技術改善視覺質量
目前，與近視有關的VR研究主要集中在如何幫助近視患者更好地體驗VR技術上。 近視患者在佩戴普通VR眼鏡或者VR頭盔時需要佩戴隱形眼鏡或者框架眼鏡。 框架眼鏡通常會降低佩戴VR產品的舒適性。為了讓近視患者裸眼體驗VR產品，Oculus Rift和Gear VR等VR產品使用了一些裝置：比如使用不同焦距鏡片或者距離調節(jié)旋鈕等。
當前已經(jīng)有關于VR產品用于治療斜視的報道。在2016美國硅谷VR大會上，James Blaha研發(fā)的VR軟件“Vivid-Vision”可借助VR設備的可視角調整和亮度調節(jié)等功能治療人眼斜視性弱視[4]。
然而，當前很少有研究關注如何利用VR技術防治近視這一重要課題。本文將對此課題進行初步的探討。因條件限制，我們目前尚無法開展實驗驗證工作，且將此留作將來工作。
3.1、 基本設想
從第二節(jié)中近視形成的原因可以看出，除了遺傳等因素外，造成近視的重要因素是長期近距離用眼。 因此，如果能消除長期近距離用眼因素，就能在很大程度上預防和改善近視。 然而，現(xiàn)代社會中人們在學習、工作甚至休息時都難以避免長期近距離用眼的行為，比如看書、看電腦和看手機等。 幸運的是，雖然這些用眼行為在現(xiàn)實世界中只能在近距離條件下完成，但是在VR的虛擬世界中，我們卻可以將書本、電腦和手機等的顯示內容放到遠處的虛擬屏上觀看。
那么，虛擬屏應該距離眼睛多遠為好呢？我們知道正常視力的眼睛舒適觀看物體的最小距離是25厘米。 對于擁有正常視力的人來說，這個距離可以在一定程度上預防近視。 但是對于已經(jīng)近視的人來說，更遠的、能讓眼睛處于遠望凝視狀態(tài)的距離才更有可能改善視覺質量（一般認為，假性近視眼可以痊愈而軸性近視眼則難以痊愈）。
在虛擬空間里，我們可以虛擬出一個幾米、幾十米、甚至幾十公里遠的虛擬屏，以便讓眼睛在觀看其內容時處于一種遠望凝視狀態(tài)。 在此狀態(tài)下，睫狀肌盡量放松使晶狀體扁平；兩眼視軸盡量平行使內直肌等相關眼部肌肉放松。 圖1給出了距離眼睛1公里遠的虛擬屏示意圖。 此虛擬屏應當足夠大且顯示清晰，讓整個眼睛（包括神經(jīng)）感覺舒適，例如擁有適宜的光線亮度、色溫、對比度和字體大小等。 這樣，近視患者得以將學習、工作和生活中的長期近距離用眼行為轉變?yōu)殚L期遠望凝視的用眼行為，這將有助于改善視覺質量。
圖1 | 用于改善視覺質量的虛擬屏（示意圖）
3.2、 VR方案探討
當前的VR設備普遍使用了兩片凸透鏡鏡片，兩眼各用一片。 使用凸透鏡可以利用凸透鏡的一個成像原理：即物體在凸透鏡焦距以內時成正立放大虛像。 該原理的示意圖如圖2所示。 圖2中F是凸透鏡的焦距；焦距內正立實線段成放大虛像于焦距外正立虛線段。
圖2 | VR眼鏡中的凸透鏡成像原理
在市面上常見的VR眼鏡中，一般屏幕距凸透鏡3到7厘米左右，所成的虛像距離眼睛25到50厘米左右。 這樣的像距基本滿足了正常視力的眼睛舒適觀看物體的所需的最小距離（25厘米），因此對近視的預防有一定的幫助。
本文關注的重點是如何幫助近視患者改善視覺質量。 國際標準視力表規(guī)定的測試距離為5米，因此近視患者在睫狀體處于最大放松狀態(tài)時只能看清5米以內的物體。 我們看一下如果使用當前常見VR眼鏡成像于5米遠會是什么情況。 假設物距為5厘米，根據(jù)下述凸透鏡呈虛像的公式（其中，u是物距，v是像距，f是焦距）：
可以算出凸透鏡焦距為1/(1/5-1/500)≈5.05厘米。 可見使用當前常見VR眼鏡需要把顯示屏放在焦距前半毫米的位置，這可能會存在成像失真等問題。
然而，使近視患者的睫狀體得到最大放松的看清距離一般遠小于5米，例如高度近視眼可能最多僅能看清十幾、二十幾厘米遠的物體。 這樣，很多情況下我們可以利用現(xiàn)有的VR設備，只不過需要增加一個可以讓近視患者分別調節(jié)左右眼像距的方法，以使每只近視眼在看清像的前提下盡量看遠，從而使睫狀體最大放松。
第2.2節(jié)提到在兩眼凝視物體時，如果集合作用和調節(jié)作用不能協(xié)調一致，則兩眼容易因不斷調節(jié)和適應而引起視疲勞。 因此，如上所述我們提出的方案首先使得睫狀體（對應調節(jié)作用）得到最大放松。 然后再設法調節(jié)兩眼視軸（對應集合作用）使它們盡量平行，從而避免因集合作用和調節(jié)作用沖突造成的視疲勞。
在睫狀體得到最大放松的前提下，可以通過軟件方法調節(jié)左右眼虛擬屏畫面的視差來使兩眼視軸盡量平行，從而使內直肌等相關眼部肌肉放松。 人的兩眼因空間位置的不同而獲取場景圖像也有所不同，兩幅圖像包含著不同的視覺信息，這樣人腦就能根據(jù)它們之間的差異來判斷物體的距離。
其中，辨別物體相對遠近所利用的兩眼視線夾角叫做立體視差角。 用軟件調節(jié)兩眼畫面視差的方法如圖3所示。 在圖3中，我們將左眼屏和右眼屏中的虛擬屏畫面向遠點挪動，直至兩眼感覺虛擬屏處于圖1中所示的很遠位置。
因為此時兩眼睫狀體已經(jīng)處于最大放松狀態(tài)，無法進一步調節(jié)，所以使兩眼視軸盡量平行的調節(jié)努力應不會引起集合作用和調節(jié)作用沖突造成的視疲勞。
圖3 | 在已放松睫狀體的前提下通過調節(jié)兩眼畫面視差放松內直肌
以上方案還須結合多種技術手段，比如對畫面進行變形處理以適應人眼的球形形狀[5]。 基于以上方案的VR眼鏡應當允許近視患者根據(jù)自己瞳距進行定制，并且允許近視患者根據(jù)自身情況對近視度數(shù)、畫面亮度、對比度、分辨率、刷新率、色溫、虛擬距離和字體大小等參數(shù)進行調節(jié)。 通過對這些參數(shù)的調節(jié)，近視患者可以選擇使自己眼睛最舒適的畫面。
4、總結與展望
本文首先介紹了VR技術和近視。為了預防近視和改善視覺質量，本文提出了一種基于當前虛擬現(xiàn)實設備的可能方案。該方案首先利用光學透鏡成像手段使每只近視眼清晰地盡量看遠，從而使睫狀體得到最大放松；然后再通過用軟件調節(jié)兩眼畫面視差的方法使兩眼視軸盡量平行，從而使內直肌等相關眼部肌肉盡量放松。 這樣就將近距離用眼行為轉變?yōu)檫h望凝視的用眼行為，從而達到改善視覺質量的目的。
因缺乏必要的實驗環(huán)境，我們的方案目前仍限于理論上的初步探討。 未來我們將在條件具備時研制實際系統(tǒng)來驗證我們的方案。
未來的光場成像技術理論上可以計算出幾十公里外虛擬屏的光場信息并通過透鏡陣列或其他技術向眼睛投射真實光場信息。 這種未來方案讓眼睛更加自然地處于遠望凝視狀態(tài)，因此比本文提出的通過放松睫狀體和內直肌等眼部肌肉的方法更加直接。
5、參考文獻
[1] 艾媒咨詢，2016上半年中國虛擬現(xiàn)實行業(yè)研究報告，http://www.iimedia.cn/42746.html.
[2] 解放日報，中國近視人群接近五成，http://newspaper.jfdaily.com/jfrb/html/2013-10/21/content_9302.htm.
[3] 新華網(wǎng)，規(guī)范用眼防近視, http://news.xinhuanet.com/health/2014-06/05/c_126582240.htm.
[4] 醫(yī)谷網(wǎng)，ivid-Vision：可醫(yī)治眼疾的VR技術，http://www.yigoonet.com/article/22528544.html.
[5] Tony Parisi, Learning Virtual Reality, O’Reilly Media, 2016.
文章來源：互聯(lián)網(wǎng)
文章排版：深圳視普泰驗光師培訓學校
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