本文簡(jiǎn)單介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和近視。
本文提出可以借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將近距離用眼行為轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)望凝視的用眼行為，從而幫助近視患者改善視覺質(zhì)量。
本文探討了一種基于當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的可能方案并對(duì)未來方案做出了展望。
1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)及其產(chǎn)品逐漸走向成熟，成為當(dāng)前社會(huì)的一個(gè)熱點(diǎn)。 簡(jiǎn)單來說，VR技術(shù)是借助計(jì)算機(jī)以及相關(guān)軟硬件設(shè)備讓人獲得視、聽、嗅、味、觸等虛擬感受的技術(shù)，亦稱幻境技術(shù)。
2014 年臉書公司（Facebook）收購Oculus是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)走進(jìn)公眾視野的標(biāo)志性事件之一。 2016年則被業(yè)界稱為虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)的元年。 這一年，臉書公司推出了商用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備Oculus Rift，索尼公司推出PlayStation VR，而谷歌公司（Google）推出Daydream view設(shè)備。
此外，還有三星、HTC、華為等多家公司發(fā)布了自己的VR產(chǎn)品。 艾媒咨詢?cè)凇?/span>2016上半年中國虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)研究報(bào)告》中預(yù)計(jì)中國虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模在2016年將達(dá)56.6億元，而在2020年更將達(dá)到556.3億元。
隨著消費(fèi)者可用的VR設(shè)備不斷涌現(xiàn)， VR內(nèi)容產(chǎn)品和應(yīng)用也逐漸豐富起來。 比如，VR+購物可以讓消費(fèi)者在家虛擬逛超市和試衣等。 VR+旅行和社交等應(yīng)用借助VR技術(shù)可以足不出戶地游山玩水或者參加多人互動(dòng)的相親團(tuán)等。 VR+游戲和VR+電影給消費(fèi)者帶來更多的家庭娛樂。 VR+房產(chǎn)則為用戶提供沉浸式看房體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)異地看房。 VR+新聞利用VR的沉浸感和交互性帶領(lǐng)讀者去感受新聞現(xiàn)場(chǎng)。 此外VR還在醫(yī)療、航天和教育等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
VR設(shè)備主要分為輸入設(shè)備和輸出設(shè)備兩部分。 輸入設(shè)備主要包括手柄、手套、動(dòng)作捕捉設(shè)備和方向盤等。 手柄利用傳統(tǒng)的震動(dòng)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(guān)節(jié)的狀態(tài)。 動(dòng)作捕捉設(shè)備則可以識(shí)別用戶的手勢(shì)、全身動(dòng)作和眼睛動(dòng)作等。
輸出設(shè)備包括VR頭盔和VR眼鏡等。 目前市場(chǎng)上主要VR輸出設(shè)備產(chǎn)品可以分為PC端VR、智能手機(jī)VR和一體機(jī)。 以Oculus Rift為代表的PC端VR頭盔能夠帶給消費(fèi)者VR技術(shù)的極佳體驗(yàn)。 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(dāng)前PC端VR頭盔價(jià)格昂貴，而且與電腦之間的連線也存在攜帶不便等缺點(diǎn)。 基于智能手機(jī)的VR設(shè)備是當(dāng)前消費(fèi)者接受的主流VR產(chǎn)品，比如三星公司的Gear VR。
這些產(chǎn)品技術(shù)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(shè)備遜色不少。 VR一體機(jī)是包含處理器、輸入設(shè)備和頭戴式顯示設(shè)備為一體的獨(dú)立VR產(chǎn)品。 VR一體機(jī)雖然更加理想，但研發(fā)難度大，目前產(chǎn)品成熟度仍然不高。
2、近視
2.1、 人眼結(jié)構(gòu)
人的眼球依靠眼內(nèi)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(dá)視網(wǎng)膜。
眼球的外層是白色的鞏膜。鞏膜是膠原纖維結(jié)構(gòu)，質(zhì)地堅(jiān)韌，有助于維持眼球的形狀并保護(hù)眼內(nèi)組織。 角膜則位于眼球最前方，允許光線進(jìn)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(luò)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(nèi)含平滑肌，有調(diào)節(jié)晶狀體曲度的作用。 脈絡(luò)膜富含血管，為眼球內(nèi)部提供血液。
眼球內(nèi)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(luò)膜緊密相連，由色素上皮細(xì)胞組成，它們具有支持和營養(yǎng)光感受器細(xì)胞、遮光、散熱以及再生和修復(fù)等作用。
眼外肌包括上、下、內(nèi)、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(yùn)動(dòng)不是單獨(dú)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(duì)應(yīng)的眼內(nèi)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(diào)節(jié)時(shí)，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(yuǎn)處物體，但可以看清近處物體。 2013年，世界衛(wèi)生組織研究報(bào)告稱，目前全球約14億人罹患近視，到2020年預(yù)計(jì)增長(zhǎng)至25億，其中中國的近視人群比例達(dá)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(shí)：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(diào)節(jié)作用；兩眼視軸向內(nèi)斜，使之交集于所看的目標(biāo)上，這是兩眼的集合作用（亦稱輻輳作用）。 集合作用主要是靠?jī)裳蹆?nèi)直肌收縮。 正常情況下，在看近物時(shí)調(diào)節(jié)作用與集合作用是同時(shí)發(fā)生的，而且所用調(diào)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(rèn)為，近視的形成和長(zhǎng)期近距離過度用眼有關(guān)[3]。 長(zhǎng)期近距離過度用眼會(huì)造成睫狀肌持續(xù)緊張，回彈力降低，對(duì)晶狀體的調(diào)節(jié)功能減弱。 長(zhǎng)期近距離過度用眼還會(huì)造成眼外肌對(duì)眼球施加壓力，眼球壁在壓力下逐漸延伸，眼球前后軸變長(zhǎng)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(zhǎng)300度，眼軸大約增長(zhǎng)1毫米。
近視的影響因素很多。 一般認(rèn)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(zhì)等因素也可能會(huì)影響到近視的發(fā)生，但具體影響途徑則說法不一。
大量調(diào)查資料顯示高度近視和遺傳有關(guān)，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(zhǎng)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(diào)節(jié)說，認(rèn)為大多數(shù)近視發(fā)生在青少年時(shí)代，因?yàn)榍嗌倌甑难劬φ{(diào)節(jié)力特別強(qiáng)，眼睛長(zhǎng)時(shí)間看近物也不易疲勞，從而造成睫狀肌長(zhǎng)時(shí)間過度緊張、疲勞甚至痙攣，最終發(fā)展成近視。 還有一種學(xué)說是輻輳說，認(rèn)為近距離用眼使得兩眼內(nèi)轉(zhuǎn)的輻輳功能加強(qiáng)，導(dǎo)致眼肌對(duì)眼球加壓，而引起眼球軸的延長(zhǎng)。 此外，諸如照明光線亮度、閱讀姿勢(shì)、對(duì)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(shù)改善視覺質(zhì)量
目前，與近視有關(guān)的VR研究主要集中在如何幫助近視患者更好地體驗(yàn)VR技術(shù)上。 近視患者在佩戴普通VR眼鏡或者VR頭盔時(shí)需要佩戴隱形眼鏡或者框架眼鏡。 框架眼鏡通常會(huì)降低佩戴VR產(chǎn)品的舒適性。為了讓近視患者裸眼體驗(yàn)VR產(chǎn)品，Oculus Rift和Gear VR等VR產(chǎn)品使用了一些裝置：比如使用不同焦距鏡片或者距離調(diào)節(jié)旋鈕等。
當(dāng)前已經(jīng)有關(guān)于VR產(chǎn)品用于治療斜視的報(bào)道。在2016美國硅谷VR大會(huì)上，James Blaha研發(fā)的VR軟件“Vivid-Vision”可借助VR設(shè)備的可視角調(diào)整和亮度調(diào)節(jié)等功能治療人眼斜視性弱視[4]。
然而，當(dāng)前很少有研究關(guān)注如何利用VR技術(shù)防治近視這一重要課題。本文將對(duì)此課題進(jìn)行初步的探討。因條件限制，我們目前尚無法開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，且將此留作將來工作。
3.1、 基本設(shè)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(zhǎng)期近距離用眼。 因此，如果能消除長(zhǎng)期近距離用眼因素，就能在很大程度上預(yù)防和改善近視。 然而，現(xiàn)代社會(huì)中人們?cè)趯W(xué)習(xí)、工作甚至休息時(shí)都難以避免長(zhǎng)期近距離用眼的行為，比如看書、看電腦和看手機(jī)等。 幸運(yùn)的是，雖然這些用眼行為在現(xiàn)實(shí)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(jī)等的顯示內(nèi)容放到遠(yuǎn)處的虛擬屏上觀看。
那么，虛擬屏應(yīng)該距離眼睛多遠(yuǎn)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(duì)于擁有正常視力的人來說，這個(gè)距離可以在一定程度上預(yù)防近視。 但是對(duì)于已經(jīng)近視的人來說，更遠(yuǎn)的、能讓眼睛處于遠(yuǎn)望凝視狀態(tài)的距離才更有可能改善視覺質(zhì)量（一般認(rèn)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(gè)幾米、幾十米、甚至幾十公里遠(yuǎn)的虛擬屏，以便讓眼睛在觀看其內(nèi)容時(shí)處于一種遠(yuǎn)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(nèi)直肌等相關(guān)眼部肌肉放松。 圖1給出了距離眼睛1公里遠(yuǎn)的虛擬屏示意圖。 此虛擬屏應(yīng)當(dāng)足夠大且顯示清晰，讓整個(gè)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(duì)比度和字體大小等。 這樣，近視患者得以將學(xué)習(xí)、工作和生活中的長(zhǎng)期近距離用眼行為轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)期遠(yuǎn)望凝視的用眼行為，這將有助于改善視覺質(zhì)量。
圖1 | 用于改善視覺質(zhì)量的虛擬屏（示意圖）
3.2、 VR方案探討
當(dāng)前的VR設(shè)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(gè)成像原理：即物體在凸透鏡焦距以內(nèi)時(shí)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(nèi)正立實(shí)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(duì)近視的預(yù)防有一定的幫助。
本文關(guān)注的重點(diǎn)是如何幫助近視患者改善視覺質(zhì)量。 國際標(biāo)準(zhǔn)視力表規(guī)定的測(cè)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(shí)只能看清5米以內(nèi)的物體。 我們看一下如果使用當(dāng)前常見VR眼鏡成像于5米遠(yuǎn)會(huì)是什么情況。 假設(shè)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(dāng)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(huì)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(yuǎn)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(yuǎn)的物體。 這樣，很多情況下我們可以利用現(xiàn)有的VR設(shè)備，只不過需要增加一個(gè)可以讓近視患者分別調(diào)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(yuǎn)，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(shí)，如果集合作用和調(diào)節(jié)作用不能協(xié)調(diào)一致，則兩眼容易因不斷調(diào)節(jié)和適應(yīng)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(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)作用）得到最大放松。 然后再設(shè)法調(diào)節(jié)兩眼視軸（對(duì)應(yīng)集合作用）使它們盡量平行，從而避免因集合作用和調(diào)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(diào)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(nèi)直肌等相關(guān)眼部肌肉放松。 人的兩眼因空間位置的不同而獲取場(chǎng)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(duì)遠(yuǎn)近所利用的兩眼視線夾角叫做立體視差角。 用軟件調(diào)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(yuǎn)點(diǎn)挪動(dòng)，直至兩眼感覺虛擬屏處于圖1中所示的很遠(yuǎn)位置。
因?yàn)榇藭r(shí)兩眼睫狀體已經(jīng)處于最大放松狀態(tài)，無法進(jìn)一步調(diào)節(jié)，所以使兩眼視軸盡量平行的調(diào)節(jié)努力應(yīng)不會(huì)引起集合作用和調(diào)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(diào)節(jié)兩眼畫面視差放松內(nèi)直肌
以上方案還須結(jié)合多種技術(shù)手段，比如對(duì)畫面進(jìn)行變形處理以適應(yīng)人眼的球形形狀[5]。 基于以上方案的VR眼鏡應(yīng)當(dāng)允許近視患者根據(jù)自己瞳距進(jìn)行定制，并且允許近視患者根據(jù)自身情況對(duì)近視度數(shù)、畫面亮度、對(duì)比度、分辨率、刷新率、色溫、虛擬距離和字體大小等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 通過對(duì)這些參數(shù)的調(diào)節(jié)，近視患者可以選擇使自己眼睛最舒適的畫面。
4、總結(jié)與展望
本文首先介紹了VR技術(shù)和近視。為了預(yù)防近視和改善視覺質(zhì)量，本文提出了一種基于當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的可能方案。該方案首先利用光學(xué)透鏡成像手段使每只近視眼清晰地盡量看遠(yuǎn)，從而使睫狀體得到最大放松；然后再通過用軟件調(diào)節(jié)兩眼畫面視差的方法使兩眼視軸盡量平行，從而使內(nèi)直肌等相關(guān)眼部肌肉盡量放松。 這樣就將近距離用眼行為轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)望凝視的用眼行為，從而達(dá)到改善視覺質(zhì)量的目的。
因缺乏必要的實(shí)驗(yàn)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(shí)研制實(shí)際系統(tǒng)來驗(yàn)證我們的方案。
未來的光場(chǎng)成像技術(shù)理論上可以計(jì)算出幾十公里外虛擬屏的光場(chǎng)信息并通過透鏡陣列或其他技術(shù)向眼睛投射真實(shí)光場(chǎng)信息。 這種未來方案讓眼睛更加自然地處于遠(yuǎn)望凝視狀態(tài)，因此比本文提出的通過放松睫狀體和內(nèi)直肌等眼部肌肉的方法更加直接。
5、參考文獻(xiàn)
[1] 艾媒咨詢，2016上半年中國虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)研究報(bào)告，http://www.iimedia.cn/42746.html.
[2] 解放日?qǐng)?bào)，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(shù)，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(yàn)光師培訓(xùn)學(xué)校
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