一种动态视力检测装置

撖芃芃

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

0 引 言

动态视力是指观察者与视觉目标之间有相对位移时，分辨物体细节的能力，通常将它定义为个体能够正确地辨识移动中物体细微部分的一种运动视觉能力。动态视力包括对两大类目标物的辨识：一类为左右、上下横向移动的目标物，相应的动态视觉功能称为DVA（Dynamic Visual Acuity）；另一类为朝受检者本身向前或向后移动的目标物，称为KVA（Kinetic Visual Acuity）［1－3］。动态视力能力直接影响观察者对动态目标的判别的精准能力，所以动态视力是飞行员、驾驶员等特殊职业的人员必须准确检测的一项视力指标。大量研究证实，动态视力的好坏直接影响运动状态下工作任务的完成质量，动态视力的检测有助于及时发现相关视觉问题，并可通过针对性的训练提高被测试者的动态视力能力。动态视力检测的研究有数十年历史，国外曾使用Kirschner Rotator、Motorized Pegboard Rotator、Micro－medical Technologies、Dynamic I llegibleE Test进行测试，中国台湾地区运动员测量则用ATHLEVISION动态视力检测软件［4－8］。国外用于动态视力检测的装置体积庞大且价格较昂贵，而且大多是针对DVA动态视力和前庭系统功能进行检测；国内用于动态视力检测的装置相对落后并且检查设备功能单一，不能够很好地满足实际检测的需求。目前，国内进行动态视力的测量方式不能够全面地反映出被测人员在实际工作中的视力水平，因此，研制一种能够进行全面动态视力测量的装置，用于飞行人员及从事特殊驾驶人员的视力检测十分必要。基于人眼对动态目标的反应特性，研制了一套能够用于进行DVA和KVA动态视力检测的装置，该装置能够产生不同视标图形、不同视标亮度及不同视标颜色，检测视力范围为0.1～1.6，能够产生不同的视标运动速度，既能进行动态视力检测，还能进行眩光模拟训练。

1 系统组成及检测原理

动态视力检测系统视标生成及检测分系统组成框图主要包括视标生成模块、综合控制模块、通讯模块、数据库管理模块以及常模分析模块，如图1所示。

图1 动态视力测试系统视标生成及检测分系统结构框图

首先视标生成模块负责产生视标，视标图像输出到显示单元，供测试人员观看。综合控制模块经通讯模块控制炫光亮度、炫光颜色调整；通过串行接口与手柄操控单元通讯，读取受测者方向判读信息，确定动态视力测试等级。视标生成及检测分系统负责与控制平台通讯，在训练模式下接收控制平台命令，确定视标参数选择。动态视力测试系统具有数据库管理功能，对测试结果保存并能够编辑、管理，按照操作人员指令获得数据信息。常模分析功能中，具有中数模型、众数模型、均数模型、标准差模型、DVA动态视效率模型、KVA动态视效率模型。

2 系统功能

动态视力测试系统视标生成及检测分系统主要功能如下：

1）具有DVA动态视力测试、KVA动态视力测试功能，视标运动速度1～100km／h连续可调；具有静态视力测试功能；视标开口8个方向随机等概率产生。

2）DVA动态视力测试视标运动方向从左至右、从右至左、从上至下、从下至上、从左下至右上、从左上至右下、从右下至左上、从右上至左下，8个方向可以人工选择。

3）视标测试范围为0.1～1.5。

4）视标辐射能量1～100lx连续可调。

3 系统设计

3.1 视标运动速度设置

人眼对不同速度的物体反应能力不同，动态视力测试系统提供1～100km／h区间任意速度的视标运动测试，获得指定速度下受测者的DVA动态视力水平和KVA动态视力水平。

DVA动态视力测试中的运动速度指目标在距离受测者30m时的运动速度，本项目中视标与受测者之间实际距离5m，为保证目标运动角速度相同，如图2所示，视标运动速度需满足下式：

图2 动态视力测试系统中视标运动速度计算原理图

视标显示器每个像元尺寸为0.16mm，DVA视标运动速度转换到像素值：

动态视力生成模型中，视标显示期为3 840个像元，视标消隐期为3 160个像元，T测量为1.6视标等级出现至0.1等级视标消失所花费的时间，根据该时间可以计算视标运动速度。实际测量视标运动速度：

对DVA动态视标运动速度进行大量试验测试，不同运动速度条件下的测试结果见表1。

表1 DVA动态视力测试设置不同速度条件下，实测视标运动速度及视标生命周期

KVA动态视力测试中模拟视标从50m距离向受测者飞近，视标尺寸相应从小变大，视标中心点始终保持在屏幕中心。当目标距离受测者50m时，视标成像视场角0.625′，此时视力等级为1.6，如图3所示；目标尺寸不变，当运动到距离3.124m时，目标成像视场角10′，视标开口尺寸9.09mm，如图4所示。KVA动态视力测试模拟目标从50m运动到3.124m视标尺寸变化过程。

图3 KVA动态视力测试中，目标距离50m时成像视场角

图4 KVA动态视力测试中，目标距离3.124m时成像视场角

KVA动态视力测试中，目标从50m距离运动到3.124m，目标运动距离46.876m。目标分别以1～100km／h速度运动，测量多次KVA动态视力测试启动时刻至结束时刻消耗时间T测量，按照下式可计算KVA动态视力测试中视标实际运动速度：

式中：T测量——KVA动态视力测试中起始时刻至结束时刻消耗时间，s；

v实际——KVA动态视力测试中实际测量速度，km／h。

对KVA动态视标运动速度进行大量试验测试，不同运动速度条件下的测试结果见表2。

表2 KVA动态视力测试理论速度与实测速度比较结果

3.2 视标生成设置

物体在视网膜上成像的大小决定了视觉上的清晰度，可用视力和视角表示。视角和视距的关系如图5所示。

图5 视角和视距的关系

图中，A为物体的大小，D为视距（即物体距离眼睛节点的距离）。从物体的上、下两点画线相交于眼睛的节点O，并在视网膜上成像S，如果物体A在眼睛里形成一个张角α，即为视角。

可用如下公式表示：

式中：A——物体的大小；

D——视距，即物体距离眼睛的节点的距离；

α——视角。

如果观察一个圆形范围，其直径为10mm，视距为300mm，对眼睛所形成的视角为：

从上述公式中也可以看出，视角的大小与物体的距离成反比，物体离人眼越远，视角越小，如图6所示。

图6 视角随距离的变化示意图

物体在离眼睛30mm时，对眼睛形成一定大小的视角，在视网膜上形成相应大小的像，如果让物体逐渐远离人眼，到60mm时，视角缩小1／2，视网膜上的像也相应缩小，如果把物体移至90mm处，视角缩小为原来的1／3，像亦相应缩小。

视力也叫视觉敏锐度或视敏度，表示眼睛辨认物体细节和空间轮廓的能力。视觉辨认物体的比例与视距有很大的关系，一个原来看不清的细小物体，移动到离眼睛比较近的距离时就可以看清楚了。这是因为物体对眼睛形成的视角比原来大了，视网膜上的像也相应增大，所以看起来更清晰。

视力是以视角进行计算的，视力V是以视觉所能够分辨的以角度（′）为单位的视角α的倒数，如下式：

国标规定，当人的视觉能够分辨1′角度对应的物体的细节时，视力为1.0，并以此作为正常视力的标准。在5m的标准距离正常照明条件下，不同视力所对应的视角α、物像A和视网膜上像的大小［9－11］见表3。

表3 受测者与视标相距5m时，不同视力下的视角、物像和视网膜像的大小

式中：h——像高；

α——视角。

4 结 语

动态视力是指观察者与视觉目标之间有相对位移时分辨物体细节的能力，通常将它定义为个体能够正确地辨识移动中物体细微部分的一种运动视觉能力。动态视力能力直接影响观察者对动态目标的判别的精准能力，所以动态视力是飞行员、驾驶员等特殊职业的人员必须准确检测的一项视力指标。文中所研制的动态视力测试系统能够用于进行DVA和KVA动态视力检测，该系统能够产生不同视标图形、不同视标亮度及不同视标颜色，检测视力范围为0.1～1.5，能够产生不同的视标运动速度。该测量装置可作为飞行人员及从事特殊驾驶人员动态视力测试的设备，为我国开展动态视力应用领域的相关研究提供了必要条件。

［1］ Banks P M，Moore L A，Liu C，et al.Dynamic visual acuity：a review［J］.S Afr Optom，2004，63（2）：58－64.

［2］ Coffey B，Reichow A W.Sports vision：visual performanceenhancement in sports optometry，BH［M］.Oxford：Butterworth－Heinemann，1995：158－177.

［3］ 高世宏，刘广莉，贺光青，等.动态视力检测仪器及评定方法的研究［J］.实用眼科杂志，1994，12（7）：401－403.

［4］ 刘雅甄.动体视力在运动中的意义与应用［J］.中华体育，2003，17（2）：57－65.

［5］ 刘雅甄，杨贤铭.我国四级棒球国家代表队选手动体视力特性之比较［J］.大专体育学刊，2005，7（3）：287－294.

［6］ Pettyjohn F S，Howk W M.Performance based biomedical standards for evaluation aircrew［J］.Medicine Aeronantiqueet Spatiale，1982，21（4）：273－275.

［7］ 崔海宁，钟江帆，林晓珑.驾驶员动态视力测试仪的研制［J］.光学仪器，1989，11（6）：30－34.

［8］ 艾力·斯木吐拉，李鑫，魏建东.沙漠公路驾驶员心理、生理特性初探［J］.中国安全科学学报，2006，16（10）：9－14.

［9］ Gardner J J，Sherman A.Sports vision：vision requirements insport，BH［M］.Oxford：Butterworth－Heinemann，1995：22－36.

［10］ 高世宏，刘广莉，贺光青，等.动态视力检测仪器及评定方法的研究［J］.中华实用眼科杂志，1994，12（7）：401－403.

［11］ 瞿佳.重视与体育运动有关的视觉科学研究［J］.眼科，2005，14（5）：281－283.