虚拟现实技术融合矫正近视系统设计与优化

李其祯，刘 帅，朱明珠

（天津中德应用技术大学，天津 300350）

0 引言

目前常用矫正视力的手段包括飞秒激光手术、可植入式隐形眼镜（Implantable Collamer Lens，ICL）手术、角膜塑形镜等，这些矫正技术对角膜的要求高，存在一定的安全隐患，稍有不慎容易产生无法弥补的后遗症。基于虚拟现实（Virtual Reality，VR）全景的近视矫正技术不存在实际性的人体创伤，不会对人体尤其是视觉感官任何损伤。但使用虚拟全景画面会受到因高强度频率画面刷新带来的眩晕感影响，即体验者在长时间体验VR技术后出现晕动症现象，这是正常且常见的生理反应，也是体验者不能完全沉浸于虚拟空间的重要因素。本文主要设计出一种利用虚拟现实技术进行非接触性无损伤的安全矫正近视方法，且对近视的度数控制更加稳定。

1 虚拟现实技术概述

1.1 虚拟的三维世界

从技术理论上分析，VR技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。利用关系数据库存储、管理和优化三维场景几何数据和二维控制所需的交互数据，搭建虚拟空间平台［1］，利用内置追踪装置搜集使用者与现实状态交互的数据，通过计算机将数据进行模块化编辑，产生电子信号，再输出到设备感应装置，表现形式为三维模型画面。人类1945年进入信息化时代，智能化生活迈进千家万户。VR技术成为智能化科学的重大突破，一方面，使得人们由客观的二维视觉角度转变为主观的三维立场；另一方面，通过信息数字化的发展，计算机技术、医疗及其设备技术、教育水平等得益于虚拟现实取得的成就。

1.2 世界化的虚拟现实

虚拟现实的起源地在美国，拥有最领先虚拟现实技术的国家是美国，这多半归功于硅谷文化。美国一味地将研究重点放在用户真实体验效果、系统控制、硬件与软件的多样化上，虽有强硬实力支持VR产业的发展，但只有不断地发展，并不能在运用中做出巨大贡献。

紧追美国身后的是日本，日本凭借国内研究人员的能力，在VR技术应用方面取得了卓越成效，日本将VR行业推上了电子信息产业的热潮。日本的聚焦点是统计了大量云数据库和受年轻人追捧的网络游戏，重要的硬件装置需要依靠外贸获得。

中国在VR行业中起步较晚，却很明确地将焦点和凝聚力投入到了医疗范畴中，由北京高校领头等一干全国高等大学，借着新技术的发展，把目光投到了“VR+医疗”发展事业中，其成果使研究工作得到了大部分人群的认可和满意。

VR技术与医学的融合为现代人生活方式提供了保障。据《每日邮报》报道，部分外科医生通常进行一段时间的虚拟手术场景模拟的训练热身，最终目标是在实际操作中无失误顺利完成手术。利用VR技术进行术前准备可以使医生和患者更大获益。VR全景为外科手术医生设计的“全息影像图”，将标记点自动覆盖在患者需要切除、缝合的贴近部位，防止医生因过度劳累或紧张造成的手术事故发生，从技术层面上有效降低手术失误率［2］。VR技术与手术的结合实例在VR领域和医学领域带来了双项成就。

2 融合VR技术的近视矫正法

2.1 正视与近视

眼睛是获取外界信息最主要的渠道，“近视眼”被列为世界三大疾病之一，英国Nature杂志刊文指出，近视正迅速成为“全球流行病”。20世纪50年代中国人口的近视率只占10%～20%，如今我国近视患者达6亿人口，是世界平均患病率的1.5倍，并以每年6%的新增患病率增长。青少年近视患病率高达90%，居世界第一［3］。

通常在儿童检查视力和配镜时，进行一项眼轴长度的测量，这是因为刚出生的婴儿眼轴（眼睛前后径长度）长度只有16 mm，正常成年人眼轴长度约24～25 mm。人的眼球近似球形，每次使用眼睛都会受到舒张作用对晶状体产生影响，如果晶体韧带过度紧张甚至松弛，将会导致睫状肌收缩，晶状体变厚变凸。视觉过度劳累使晶状体受到压迫而缺失对玻璃体的支撑能力，玻璃体自然垂落导致眼轴延长超过24 mm。一旦眼轴距离拉伸，通过角膜所成的像聚焦点只能落到原先的24 mm处，无法落到后移的视网膜位置上，即判定为近视。正视与近视的眼球结构如图1所示。所以，除了针孔视力检查，医生还可以凭借测量眼轴判断患者的屈光状态。

图1 正视与近视的眼球结构

在睫状肌收缩、舒张睫状肌的过程中，晶状体的变化规律已经被人拍摄下来，并且做过精确的测定，推测出通过调节眼内焦点锻炼睫状肌的收缩舒张能力，可以改善晶状体的形状，进而调节屈光不正的问题。这种说法最早源自1885年，一位美国眼科医生威廉·贝茨认为屈光不正（近视、远视和散光）的原因是眼球内部系统不正常的精神状态，造成晶状体的调节能力减弱，眼外肌肉压迫眼球弥补缺失，无法保证眼睛正常的屈光状态。而后在1920年公开了自创的“贝茨训练视力恢复法（不间隙在规定距离范围内调整成像距离，消除眼部神经系统紧张状态）”。应用于现实生活中的“贝茨训练法”处于不理想实验状态，因为实验者在调节睫状肌肉过程中无法主动使眼内焦点精准落到应聚焦范围内，其最根本原因是人体差异，导致每个人接受的治疗方式不相同。

在VR环境中，由场景自发控制像距运动调整眼内焦点，使“贝茨训练法”达到了理想化状态，对矫正近视起到了作用。只需要VR技术自动调整数据库搭建，虚拟空间中的物像成像都是可以随人体差异程度而差别对待。广泛的视距景深活动范围和高活性的成像自动调整，都能够引导眼部焦点正确运动，让睫状肌得到有效锻炼，最终达到防控近视的目的。

2.2 几何搭建虚拟全景

自然交互性（Interactive）是VR技术区别于其他电子信息设备而独有的特性。虽然人们生活在三维空间里，实际上所见到的、可以获取信息的画面是平面的，从画面中识别的文字图案是二维的。人与机器的接触存在于二维空间，这正如人们看自己身体是三维的、立体的，但是要从镜子里获知关于脸的信息，肯定是来自二维空间。

虚拟世界是真正的立体空间，每一个场景不是平面图片，是通过调整数据库的搭建，所见到的就变成了可以观察眼前事物细致入微的三维空间。正是因为高度交互感觉的存在，使用者才能更好地介入其中，使得虚拟现实系统可以贴切地融合到生活中的许多方面，如物品的构造讲解、使用说明。

几何建模方式是构建VR全景的通用方法，成果的好坏直接影响虚拟环境的真实感。设计工程师通常使用3Ds Max绘图软件利用边和面建立三维模型，这种多边形建模方法操作非常灵活，可以随时增加或删除模型细节，模型数据库丰富，通常不需要呕心沥血地建素材，可以直接使用准备好的点、线和面或者别人的零部件［4］。大众化的基础设计工具存在最关键的问题，即虚拟环境模型真实存在感降低。工程师在制作过程中，依照上下前面左右的6个方位依次完成各方位对应的平面，最后，进行系统内模型的自我优化，导致6个平面之间协调性大大降低，模型无法融合到场景中。

人对世界的认识几乎可以用长方形描述。天与地之间存在平行的关系，高楼大厦自身和之间的关系也是长方体的存在，因此，以人的微观视角看待，我们生活的世界近似一个特殊长方体。利用几何建模设计出的虚拟世界通过软件自身的优化，近似360°全方位摄像头拍摄出的画面，全景之中的直线、正圆等全部被扭曲，世界如同近似球体的正方体。

相比现实世界，全景的虚拟世界自然交互性更低，不能称之为立体的三维空间，只得作为具有景深感的二维空间。如同观看3D立体电影，虽然演员和场景的景深感利用大脑产生画面物距像距自动变换的假象，观众聚焦点仍然是落在固定距离之外的屏幕平面上，实际并没有调节眼内焦距的效果，因此不能作为进行“贝茨训练法”的有效途径。

2.3 光场技术优化系统

光场相机将光线以场的方式记录，使得最终能够还原场景任意位置处的任意光线信息。除了双目视差以外，光场相机还能够提供运动视差（运动视差是一种深度线索，当人们运动时，会发现离得近的物体运动得快，远一点的物体运动得慢）。

无论是几何建模还是360°VR全景摄像机，都不能搭建出真正3D立体的虚拟环境。二维空间在进行画面后期渲染工程之后，才是与现实世界无二的立体空间，而光场技术恰好可以将真实拍摄和虚拟构造的3D信息进行数字化保存，让全景画面达到最逼真的效果。

2.4 融合VR技术的验光原理

由装备内部L点设置红外光线硬件，散发出红外光线透过光镜并有光镜改变偏转角度，经过物镜进入被检验者的眼球，汇聚在人眼内视网膜处一点，呈现出圆形或椭圆形的影像。在视网膜上的成像被重新反射到L点后处的CCD图像传感器（电荷耦合元件）上，由CCD传感器搜集到的光学影像转化为数字信号，通过电子线路传送至数据库平台，比较成像与标准图像的清晰度差距和色差，判断被检测者的眼轴长度、散光值和角度值。VR内置的验光装置如图2所示。检测者的屈光度和实际眼轴长度成为为患者制定矫正视力方案的依据，根据数据，数据库调整像距与焦点的变化规律（包括调控距离范围和速度）。

图2 VR内置的验光装置

青少年的眼球睫状肌调节能力比正常成年人调节能力强，在验光同时，自发的调节作用使晶状体变凸，屈光度增强，容易造成“假性近视”的误区，因此在验光之前需要进行散瞳。无论是医用验光，还是利用VR技术验光，建议儿童和青少年在验光之前要进行一次药物散瞳。

3 结语

虚拟环境的复杂程度高，硬件设备及软件开发造价费用并不会造成巨大影响，但要考虑到系统需要无间隔调整成像到眼部晶状体的距离，这无疑增加了数据库搭建的复杂程度系数和对专业知识能力的要求。事实上，搭建系统的数据复杂程度与电路的繁杂程度都很大，三维空间的建模难度系数也是一样。基于现已经存在的网络资源，对其中有价值的教学资源进行统一处理，再以现有的3D建模软件为基础，实现一个三维立体的虚拟教学软件，可以实现不同层次之间的优缺互补。光场技术是优化系统的重要手段，为了得到优质的三维全景画面，除了需要昂贵的光场相机设备，还有庞大内存容量的拍摄文件会导致存储和传输出现困难，不利于光场技术的有效普及。

VR技术受到该行业专业知识的限制，最基本的功能尚且存在几项无法修补、优化的漏洞，技术层面达不到要求是系统无法设计完善的最根本原因。之所以技术层面跟不上时代变更的速度，是因为大众对于VR的认知仅停留在原始初期，无法正确理解数字化信息时代下VR技术的发展观念。

VR全景技术的大力推广在临床医学领域范围内的上升空间很大，为产业结构优化提供了一笔强力助燃剂，对人类生活方式带来了很大的波动。VR技术是信息化时代重要产物，也是历史朝向的标志性产物，但是在医学领域的发展还处于初步阶段，面临的技术性问题还很多，尤其是顶尖技术层面的难题，类似三维建模技术的价格昂贵且美工不精准、追踪系统与现实交互之间延迟差较大等问题，这些都是需要着力解决的。