基于3D快门眼镜的立体视锐度测量方法

陈 洋，孙 莹，杨 良，吴 凡，姜喜超，刘 姝，金 晗，吴 荒＊

（1.吉林大学第二医院 眼科医院视光学科，吉林 长春130022；2.吉林大学第一医院；3.美国弗吉尼亚大学工程学院）

立体视觉是双眼协同工作的高级功能，作用是精确判断物体距眼的距离。立体视觉越好，精细判断距离的能力就越强，越容易发觉距离上的细微差别。对于汽车驾驶、精密仪器操作、航空航海等职业，良好的立体视觉是出色完成工作的重要条件。评估立体视觉采用的是立体视锐度（stereoacuity），单位常用角秒（arcsec，”），其大小是通过测量双眼所能觉察的最小视差（disparity）来确定，视差的阈值越小，表明立体视锐度越好。测量立体视锐度的传统设备是Howard－Dolman立体视力测定仪（Howard－Dolman apparatus）［1］，但此方法繁琐，不适合常规应用。常用的测量方式是基于偏振光镜片的立体图检测和基于红绿（或蓝）滤色片的随机点立体视检查［2，3］。这两种方法的测量方式简单，但存在测量精度差、易出现误差、测量范围有限等问题。本项目采用3D快门眼镜分离双眼，利用计算机程序设置存在不同视差的视标图像，测定能感知立体影像的阈值，即测量出立体视锐度。与常规技术想比，测量精度高、误差小、范围广、测量方式更为灵活。

1 资料与方法

1.1 研究对象

吉林大学第二医院眼科医院护士及研究生30名，年龄20－28岁（23.57±2.66岁），其中男10名，女20名。右眼屈光状态：球镜度＋0.75DS～－5.00DS（－2.35±1.51DS），柱镜度0～－1.25DC （－0.56±0.39DC）；左眼屈光状态：球镜度＋0.75DS～－5.00DS（－2.35±1.50DS），柱镜度0～－1.50DC（－0.77±0.41DC）。所有受试者均无屈光参差及斜视，单眼最佳矫正视力≥1.0。

1.2 构建立体视觉测量系统

1.2.1 建立3D计算机系统 建立适用于3D显示的计算机系统。本项目采用的核心硬件是3D显示器（ASUS，VG248QE 24英寸LED背光宽屏液晶显示器，刷新频率144 Hz，点距0.276mm，亮度350cd/m2，对比度1000∶1）及3D快门式眼镜（Nvidia 3Dvision 2）。3D图片浏览采用Nvidia 3Dvision photo viewer软件。

1.2.2 绘制测试视标 采用“E”形式，依据视力表视标绘制标准确定其大小［4］。本研究的检查距离设定为5.6m，通过视标大小和计算机点距可计算出“E”视标每一画的宽度是几个像素点。在立体视检查过程中，使用最佳矫正视力上一行视标进行测试。

1.2.3 绘制立体视差视标 根据立体视锐度计算公式，推导出图片中存在的立体视差靶视标的视差［5］。根据显示器点距计算，在5.6m处检测，1个像素点的偏差，视差约为10"。

1.2.4 立体视锐度测量方法 立体视锐度测量采用3级选单方式（第一级图片有4行视标，级距25像素点；第二级图片有4个页面，每页面有5行视标，级距5像素点；第三级图片有20个页面，每页面有5行视标，级距1像素点），通过3张图片的选择，就可以确定被检者的立体视锐度，精度为1个像素（10"）。从10"到1000"，共有100个测试行，每行设计7个视标，左右两边的视标是参照视标，不设计立体视差视标（靶视标）。中间的五个视标中，有一个是存在左右眼视差的靶视标。让被检者辨认突出于其他视标的靶视标，以被检者能分辨出的最小靶视标的视差值，作为其立体视锐度的测量值。

1.2.5 对照系统 The Fly Stereo Acuity Test，为美国 Vision Assessment Corporation生产，采用偏振片分离双眼影像，其测量方案代表了目前常规应用的立体视锐度测量技术。

2 结果

采用本系统测量的立体视锐度结果与采用The Fly Stereo Acuity Test测量的结果吻合度很高，见表1。其间差异主要是由两个系统的测量级距不同造成的。本系统的测量级距相等（10”）；而The Fly Stereo Acuity Test的测量间距是不相等的，其测量立体视锐度视标最多有10组图案，代表的立体视锐度分别是400”、200”、160”、100”、63”、50”、40”、32”、25”和20”。

表1 The Fly Stereo Acuity Test与3D快门眼镜测量系统测量结果对比

3 讨论

正常双眼视觉的优势之一，是能产生精确的立体视觉。立体视觉的产生基于眼的三级功能：第一级是同时视功能，即双眼可以同时感知外界的影像；第二级是融合功能，即脑可以将两眼传入的两个独立图像融为一个；第三级是立体视，即由于瞳距的存在，两眼传入的图像并不完全相同，存在视差，这种视差经过脑的处理后完成了对所视物体深度、距离、凹凸的精确辨别，形成立体视觉。测量立体视锐度的方法通常有远、近距离两种方式。远距离的测量方法有Howard－Dolman立体视觉测定（Howard－Dolman apparatus）和Frisby－Davis Distance（FD2）等［6］。近距离的测量方法常用的包括基于偏振光技术的Titmus和the Fly Stereo Acuity Test，以及基于红绿（或蓝）眼镜的TNO检查。这些方式对于测量立体视锐度各有特点，但对于研究一些影响立体视锐度的因素，则显得不够灵活。本项目采用计算机技术有效消除了测量手段的瓶颈。

为了验证本测量方法的有效性，我们用本方法和The Fly Stereo Acuity Test进行了对比，两者的差别有以下几点：（1）测量精度。两者测量结果在视差较小区域吻合度高，在视差较大区域差异明显，这种差异与两种方法的精度设置有关。本项目的测试级距固定，并不随着立体视差的增大而增加测量间隔。The Fly Stereo Acuity Test测量级距是变化的，在视差大的区域间隔过大，不利于发现细微的立体视变化。我们对3名The Fly Stereo Acuity Test测量结果是400”的人进行3D快门眼镜的测试，结果分别为250”、290”、370”。（2）测量误差。The Fly Stereo Acuity Test要求测量距离40cm。以1号测试视标视差400”为例，如果检测距离因受试者体位等问题移近了10cm，则立体视差变为533”（误差33%）。如果测量距离移远了10cm，则立体视差变为320”（误差20%）。本方法的测量距离为5.6m，可以有效地降低因测量距离偏差而造成的误差。同样400”的立体视差，如果近了10cm，则立体视差变为407”（误差2%）；如果远了10cm，则立体视差变为393”（误差2%）。（3）测量范围。The Fly Stereo Acuity Test的测试距离固定（40cm），图片数量固定，意味着其测量范围受到测试图片数量的限制。而本方法可通过改变测试距离来拓展测量范围。增加测试距离，可以测量更为精细的立体视锐度；缩短测试距离，可以测量出视差更大的立体视锐度。

3D快门眼镜作为营造立体视觉的方法，在电子游戏和立体电影中，发挥着独特的作用，但采用3D快门眼镜对立体视锐度进行测量，鲜有报道。国外有学者采用偏振光眼镜结合计算机3D技术进行了立体视锐度测量的尝试［7］，但偏振光3D技术与快门眼镜3D技术相比，存在垂直分辨率降低一半等缺点。本技术提高了立体视锐度的测量精度，降低了测量误差，拓宽了测量范围，为进一步研究立体视锐度提供了新的技术手段。

［1］Westheimer G.Clinical evaluation of stereopsis［J］.Vision Res，2013，90（20）：38.

［2］Heron S，Lages M.Screening and sampling in studies of binocular vision［J］.Vision Res，2012，62（1）：228.

［3］Daum KM，McCormack Gl.Fusion and Binocularity［M］.Benjamin，WJ.Borish＇s Clinical Refraction.Butterworth－Heinemann，2 edition，2006：145－191.

［4］GB11533－2011.标准对数视力表［s］

［5］Howard IP，Rogers BJ.Binocular vision and stereopsis［M］.Oxford University Press 1995：37.

［6］Eom Y，Song JS，Ahn SE，et al.Effects of interpupillary distance on stereoacuity：the Frisby Davis distance stereotest versus a 3－dimensional distance stereotest［J］.Jpn J Ophthalmol，2013，57（5）：486.

［7］Kim JL，Yang HK，Kim Y，et al.Distance stereotest using a 3－dimensional monitor for adult subjects［J］.Am J Ophthalmol，2011，151（6）：1081.