多灰度视力表的设计及对比度视力的测量研究

滕 琴，徐华斌

（上海第二工业大学理学院，上海 201209）

多灰度视力表的设计及对比度视力的测量研究

滕 琴，徐华斌

（上海第二工业大学理学院，上海 201209）

采用改变背景灰度的方法来实现不同对比度条件下的视力测量，并设计制作了多灰度视力表，在10 % ～ 100 %的对比度等级下，按青年组和老年组分别对其进行裸视力和矫正视力的实验数据采集。通过对数据结果的对比分析，探讨了对比度视力的应用条件和意义。

对比敏感度；对比敏感度阈值；背景灰度；视力；视敏度；视标

0 引言

多年来，视力表检查的视力及视野结果是最常见的评价视功能好坏的定量标准。然而，人眼的视觉功能不仅包括分辨高对比度的小目标的能力，还包括对各种点线与空白间明暗程度差别（即对比度）的分辨能力，后者即对比敏感度（Contrast sensitivity，CS）[1]。对比敏感度视力的测量，不论是在日常生活中还是在验光过程中，或特殊职业工种的招工面试中，都有着极其重要的实际意义[2]。

目前临床上常用的对比敏感度检测工具有三类：第一类是图表检查；第二类是借助电视或示波器达到对比度连续可调；第三类是激光干涉条纹测定[3]。本文探讨的主要是第一类图表检查：通过字体不变、背景改变的原理，改造传统的远用视力表，设计并实现对比度从10 %到100 % 十个等级的变化；在实验中选取青年组和老年组各50人作为测量对象，通过数据的测量、记录、整理和作图分析，提出关于对比度视力测量的几点结论。

1 对比敏感度视力的含义及测量

1.1 对比敏感度视力的含义和表述

我们通常用的视力表是在白色的背景下由黑色符号或视标组成。用传统视力表（视标黑白分明，只有大小差别、无明暗变化）进行的常规视力检查是一种较为简单的视功能评价方法，用其测量所获得的视力（vision）即视敏度（visual acuity），只能反映黄斑对于高对比度（即图形的反差很明显）的小目标的分辨能力，而对于图形反差小的低对比度的目标的分辨能力则无法反映出来，因此不能全面地反映人在各种自然环境下的视力。

对比敏感度，通俗地讲就是人眼看清大型模糊目标物的能力。Cambell和Robson于1968年引入了对比敏感度（contrast sensitivity）CS的概念，即在明亮对比变化下，人眼视觉系统对不同空间频率的正弦光栅视标的识别能力。空间频率是指1度视角所含条栅的数目，单位为周/度[1]。按国际标准，对比敏感度由物体亮度与背景亮度来决定。人眼所能识别的最小对比度，即对比敏感度阈值（contrast sensitivity threshold），用公式可表示为：(Lmax－Lmin)／(Lmax＋Lmin)，其中Lmax为最大亮度；Lmin为最小亮度。对比敏感度（CS）亦可定义为视觉系统能觉察的对比度阈值的倒数[4]。对比度阈值低，则对比敏感度高，视觉功能好。在某一空间频率，视觉系统有一定的对比敏感度；反之，在同一对比度时，视觉系统则有一定的空间频率分辨力。

1.2 对比敏感度检测方法和实用意义

实际生活中，有不同的对比度和不同的空间频率，但传统视力表只能反映一个指标：大小，而对比敏感度测试可以反映两个指标：大小和对比度。因此，视敏度和对比敏感度有一定意义上的区别：视敏度只能反映视标大小即空间频率的变化，而对比敏感度能同时反映对比度和空间频率的变化。有些受检者即使矫正了视敏度，若是对比敏感度视力不好，当物体和背景的颜色或亮度相近时，仍很难辨识出物体来；反之，有些受检者即使视敏度不佳，只要对比敏感度好，仍能将物体直接从背景区里分辨出来。因此，CS检查与传统视力表检查相比，更符合人眼视觉的实际环境，能够更加敏感、真实地反映及评估视觉质量。研究已显示CS在白内障、青光眼、屈光不正、斜视、弱视及视网膜病变等眼病的早期诊断和疗效评价等诸多领域具有应用价值[5,6]。

目前，我军飞行员入伍体检时的视力检测选用的是传统的国际标准视力表，只能检测高对比度下人眼的最小分辨率，无法检测低对比度下人眼的辨识能力。按照中国人民解放军军事训练和考核大纲要求，部队除了日常正常操课外，还需要具备不同环境条件下的战斗力。因此，对比度视力是军事人员在视功能方面所应具备的必要条件之一。在美国等西方一些发达国家的招飞考试中，已经将对比度视力检查纳入到体检项目中，说明了今后在评估某些特殊职业选拔资格时引入对比度视力测量的重要性。

对比敏感度的测试方法有很多种，如：正弦波条纹显示器、光栅图片、计算机对比敏感度视觉检查仪、透射式光栅简易装置和视觉电生理检查仪等。数据结果也呈多样性，目前尚无统一标准。临床上CS检查的方式主要有2种：（1）保持空间频率不变，测定主观判断刚能看到某个空间频率图形的对比度阈值；（2）保持对比度不变，测定能辨识的空间频率的阈值。后一种方法与通常的视力检查方式相同，只是通过切换画面来实现视力表的对比度不同，故更易为受检者所熟悉和理解。

2 国际上现有的对比敏感度测试卡

2.1 Cardiff 对比敏感度检测卡

如图1所示，Cardiff对比敏感度检测卡使用的是亮灰色和暗灰色轮廓图形，而不是黑白轮廓图形，而且所有图片的轮廓宽度都一样大，只是亮度有所不同。其主要功能是运用“优先注视”的方法：测量时检查者只需要观察受检者的眼睛，看其视线是否注视着卡片上图形所在的位置，无需语言交流，检查者就可以判断受检者是不是分辨出图形[3]。这是一种特别适合于配合度较差的患者所使用的检查方法，如：幼童12月～3岁、中风、智障者、脑部损失或老年痴呆者等。该对比敏感度检测卡目前的国内报价在5 000元以上。

图1 Cadiff对比敏感度检测卡Fig. 1 Cardiff contrast test

2.2 VCTS-6500对比敏感度视力表

VCTS-6500是基于Arden研制的一套光栅图片，通过引入调制传递函数的概念，根据灰度调制曲线的变化制成宽窄、明暗不同的条栅图作为检查表（参见图2），以此反映空间、明暗对比二维频率的形觉功能。其对比敏感度由黑色条栅与白色间隔的亮度来决定；视标分为A、B、C、D、E五排，分别代表1.5、3、6、12、18周/度（c/d）空间频率；每排自左至右共8个圆形条栅图的对比度依次下降（对比敏感度阈值升高）；图中第9列为无条栅空白图；条栅分为垂直、右斜和左斜3种。近对比敏感度的检测距离为40 cm，远对比敏感度的检测距离为3 m。测量时从A行空间频率开始辨识视标，依次为A1～ A8，然后逐行往下直至E行，将所能看清的最大对比敏感度视标标定在记录纸上。检查完毕后，将记录纸上不同空间频率的对比敏感度等级连线即可得到对比敏感度函数（CSF）曲线。

图2 VCTS-6500对比敏感度视力表Fig. 2 VCTS-6500 contrast sensitivity visual acuity chart

CSF曲线以空间频率为横坐标、对比敏感度为纵坐标，其灰度调制曲线的宽度变化反映了条栅的空间函数、高度变化反映了条栅的明暗对比函数。对于正常人，此函数的完整曲线基本呈抛物线型，也有人称之为山型或钟型。图3(a)中的灰色区域表示对比敏感度的正常范围。从图3中还可以看出：在横轴空间频率5 c·d−1附近敏感度达到峰值，高频区快速下降，低频区则下降较慢。亦有研究表明：近视眼屈光系统的CSF曲线在坐标上呈近似直线[7]。由于测量完整的CSF较为费时，对儿童和理解能力较低者的准确性也有所下降，且数据结果不易被患者理解，故目前主要供一些眼科医生作临床使用。

图3 对比敏感度函数曲线Fig. 3 Contrast sensitivity function curve ( (a) Hand-printed；(b) Machine-printed )

2.3 两对比度汉字近视力表

两对比度汉字近视力表由温州星康医学科技有限公司开发研制，具备两个主要特征：① 汉字作为视标，在设计表达上与其他视力表相通，可以互换分析；② 利用汉字出现频率、汉字空间频率及心理物理学的分析方法确定视标，使得检测获得的汉字视力等同为真实辨认汉字的能力。

两对比度汉字近视力表的标准检查距离为40 cm，也可选用25 cm作为检查距离。该近视力表共有两张，均由正反两面组成，设有100 %和10 % 的高、低两种对比度。其中一张正面是以少笔画数汉字作为视标的两对比度汉字近视力表，另一张正面是以中笔画汉字作为视标的两对比度汉字近视力表，两张近视力表的反面均为两对比度标准对数近视力表。少笔画汉字视标适用于低学龄儿童，中笔画汉字视标适用于青少年和成人。汉字视力表高对比度部分可以用于测量各种人群的汉字近视力，老视的验配、低视力助视器的验配；标准对数近视力表高对比度部分用于各种人群近视力的测定与视力障碍的筛查，低对比度部分用于初步筛查早期白内障、青光眼等眼病。同一种对比度视标中设置了两个版本的小视标，用于视力的重复测量，避免记忆效应。

图4 两对比度汉字近视力表Fig. 4 the near visual chart of two Contrast Sensitivity of Chinese character

3 多灰度视力表的设计方法及测量分析

3.1 多灰度视力表的设计原理

我们的设计思路是改造传统的远视力表，采用E视标以符合中国人（包括儿童和文盲）的视力检测习惯：按照字体不变、背景改变的原理，设计字体灰度为100 % ，背景灰度从0 %到90 % 改变，使背景与视标的对比度按10 %、20 % 到100 % 的若干等级变化，并以视力表的视标大小变化来代表空间频率的变化，从而达到对比度视力测量的目的。

图5 多灰度视力表设计原理Fig. 5 The design principle of the visual chart of changing gray degrees

多灰度视力表的视标大小和光照条件均按照标准远视力表设计，因此测量距离可参照普通远视力表，采用3米作为标准距离；视标模板运用电脑软件进行设计和制作，并用PVC材料进行专业写真印刷制作成视标插片进行更换。图5列出了对比度等级在20 % ～ 80 % 之间的视标模板。

传统视力表是在对比度最理想的100 % 等级下（白底黑字）测量视敏度，而多灰度视力表可以实现10 % ～ 100 % 不同对比度条件下的对比度视力检测。我们所设计的多灰度视力表成本低廉，操作简单、实用，原理是以不同灰度模板切换来实现对比度变化，以视标大小不同来实现空间频率变化，虽然其功能上无法像VCTS-6500对比敏感度视力表那样绘制出完整的CSF曲线，但能够测量出不同对比度等级下的视觉情况，且符合中国人的测量习惯，测量结果易被受检者理解。相比于两对比度汉字近视力表仅实现100 % 和10 %高低两种对比度等级下的近视力测量，多灰度视力表的对比度变化更为精细（十档），可以测量从高到低每隔10 % 对比度条件下远视力的变化情况。

3.2 对比度视力的测量分析

将选取的测量对象按年龄分为两组：青年组50人，平均年龄20岁；老年组50人，平均年龄55岁。测量时采用3米标准距离，两眼的测量顺序先右后左，要求对戴镜者分别测量其裸视力和矫正视力。

我们以对比度等级为横坐标，以对比度视力为纵坐标，测量数据作图如下：

结合实验测量结果分析，我们可得出一些结论。

(1) 对比敏感度曲线以空间频率为横坐标，对比敏感度为纵坐标，刻度呈几何级数增大，反映的是不同空间频率下对比敏感度的变化情况（低频区反映视觉对比度情况、中频区反映视觉对比度和中心视力综合情况、高频区反映视敏度）；而对比度视力曲线以对比度等级为横坐标，以不同对比度等级下所测视力为纵坐标，刻度均匀（视力越高表示所能分辨的视标越小，空间频率也越大），绘制出的曲线呈递增函数，主要反映了10 % ～ 100 % 不同对比度等级下的远视力变化情况。而用传统视力表所测得的视敏度只是对比度视力曲线图中最末端的一个点。

(2) 无论青年组还是老年组，在对比度为100 % 时视力最佳。随着对比度的降低，裸眼视力下降明显，而矫正视力在对比度下降时变化趋缓。这与参考文献[8]中关于正常人在高对比度下所测视力明显高于在低对比度下所测视力的结论一致。老年组相比于青年组在较高空间频率处的对比度视力有所下降，这主要是由视网膜和神经年龄性的改变引起。一般情况下，女性比男性有较低的空间对比敏感度。

(3) 人眼对细小目标的分辨能力随着对比度的降低而下降，而对粗大目标的分辨能力受对比度变化的影响较小。随着对比度的下降，辨识小目标物体的反应时间将延长。研究发现，在这方面青年组明显优于老年组，与性别无关。在40岁之前年龄与对比敏感度呈正相关，40岁左右对比敏感度开始下降。

(4) 对比敏感度一般和近视度数也呈线性关系，近视度数越低敏感度越高，其原因主要与眼睛屈光间质的清晰度和视神经灵敏度有关。由此可知，对比敏感度亦与屈光状态、瞳孔直径、调节等因素有关。

(5) 在许多眼部疾病的早期阶段，在进行普通视力表检查时并未出现异常，但对比敏感度其实已经开始下降。例如青光眼、白内障等眼疾患者，早期表现为视力正常但是对比敏感度低于正常人群。为避免延误病情应及时建议患者去眼科医院进行临床检查。

(6) 对于从事特殊职业的人群如飞行员、驾驶员、运动员等，对其进行对比度的视力测试显得尤为重要。用不同对比度等级模拟不同自然环境下的视觉条件，可以帮助我们精确地了解受检者的视觉功能，并对他们的视觉质量进行评估，从而得出其是否适合从事该职业的结论。

∶

[1] 王光霁. 不同对比度视力表及其临床应用[J]. 眼视光学杂志, 1999, 1(1): 7-8.

[2] 燕振国, 褚仁远, 孙熠. 飞行员招生体检中亮背景下不同对比度视力和反应时间的研究[J]. 眼视光学杂志, 2009, 11(4): 282-284.

[3] 王育良, 李凯. 眼视光学[M]. 北京: 人民军医出版社, 2008: 112-113.

[4] 孙晓辉, 张劲松, 马立威, 等. 三种视力表视力测量差异研究[J]. 国际眼科杂志, 2007, 7(2) : 442-443.

[5] 毕宏生. 对比敏感度在眼科的临床应用[J]. 中华眼科杂志, 2004, 40(9): 645-647.

[6] 袁朝旭. 对比敏感度在眼科的应用[J]. 眼科研究, 1997, 15(2): 133-135.

[7] 黄小明, 李乐平, 金成鹏, 等. 屈光参差对对比敏感度的影响[J]. 眼视光学杂志, 2003, 5(2): 95-96.

[8] 史胜, 柳林, 周行涛, 等. 正常人亮暗背景下不同对比度的视力变化[J]. 第二军医大学学报, 2007, 28(7) : 714-717.

The Design of the Visual Chart of Changing Gray Degrees and the Research of Contrast Sensitivity

TENG Qin, XU Hua-bin
(School of Physics, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P.R.China)

This paper is based on the vision measurement method of changing the background gray degrees to achieve different contrast conditions. With the visual chart of different contrast from 10 % to 100 % , uncorrected and corrected measurement data of youth group and elderly group are collected.Through the comparative analysis of these data, it discusses the application conditions and significance of contrast sensitivity.

contrast sensitivity; contrast sensitivity threshold; background intensity; vision; visual acuity; visual target

R-331

A

1001-4543(2011)04-0318-07

2011-09-13;

2011-10-10

滕琴（1975-），女，江苏昆山人，副教授，硕士，主要从事大学物理和眼视光教学研究，电子邮箱tengqin@sf.sspu.cn。

上海第二工业大学校基金项目（No.XQD209016）