面向弱视的视觉虚拟现实训练系统的发展综述

刘捷

摘要：随着虚拟现实技术的发展，视觉训练系统也不断地尝试各种虚拟现实设备，由于虚拟现实技术可以对相同的视觉训练内容进行左右眼的分离式刺激治疗，为弱视提供了一种新的治疗方式。本文介绍了传统的弱视治疗方式和虚拟现实技术的相关概念，详细分析了目前虚拟现实视觉训练系统的特征和优缺点，最后对目前的视觉虚拟现实训练系统做了总结和展望。

关键词：弱视；虚拟现实；视觉训练

中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）11-0218-02

1996年4月中华眼科学会全国儿童弱视斜视防治学组给出了弱视的定义：凡眼部无明显器质性病变 ， 以功能性因素为主所引起的远视力≤ 0. 8且不能矫正者均列为弱视[1]。弱视是一种常见的眼科疾病，多发生于幼年，据健客网[2]报道，目前国内的弱视发病比例为2.6%左右，儿童弱视发病率为3%左右，也就是说我国大约有1000万的弱视儿童。弱视是一种严重危害儿童视功能的眼病，如不及时治疗可引起弱视加重，甚至失明。

1 遮盖治疗

对于幼儿弱视的治疗，多年来主要沿用传统的眼罩遮盖加精细作业，遮盖方式分为单眼遮盖，交替遮盖，间歇遮盖等，精细作业是在病患遮盖弱视眼时，进行穿针、绘画、挑捡豆子、拼图等练习，这种方式简单、有效、经济，但有些幼儿使用眼罩遮盖疗法效果不佳，耽误了治疗的最佳时机，还有些因为各种原因不服从治疗，影响了治疗效果[3][4]。付晶等[5]发现屈光不正性弱视对立体视的形成严重影响，传统眼罩遮盖治疗时需要以遮盖优势眼为主，患者失去双眼共视的机会，不利于双眼视功能的重建，患者年龄越小影响越大[6]，吴奇志等[7]认为弱视本身对双眼视觉的影响还是不可忽视的，建议今后弱视治疗中增加双眼视觉训练，在提高视力的同时提高双眼视觉功能。还有研究认为传统遮盖治疗对弱视儿童产生一定的心理行为问题[8]。

2 虚拟现实概述

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响。[9]

目前学界基本认同G .Burdea 在《虚拟现实系统和它的应用》中提出的三个VR基本特征，“Immersion”指沉浸感，“Interaction”指交互性、“Imagination”指构想性。“Immersion”是指在人的视觉、听觉、触觉和运动等感知上，虚拟现实环境和真实环境的接近程度，接近程度越高，沉浸感越好，接近程度越低，沉浸感越差。“Interaction”是指用户可以操控虚拟现实环境中的对象，而其中被操控的对象或虚拟环境本身会根据用户的行为进行实时的反馈。“Imagination”是指虚拟现实技术给人们无限的想象空间，在虚拟现实环境中可以存在真实环境中的事物，也可以生成由人们想象出来的场景。[10]

根据虚拟现实沉浸感、交互性和构想性的不同，目前的虚拟现实系统可分为四种：桌面式、沉浸式、增强式和网络分布式VR系统。桌面式虚拟现实系统以台式机或中低档工作站作为虚拟现实环境的输出终端，使用者通过单投影墙或计算机屏幕作为虚拟环境的观察窗口，其成本较低，普及度较高。沉浸式VR系统主要利用高性能图形加速卡、高档工作站和交互设备，通过视觉、听觉甚至力觉和触觉方式去屏蔽周围真实环境，使使用者完成置身于虚拟现实世界，沉浸其中。沉浸式虚拟现实主要有两种实现方式：CAVR（基于投影）和HMD（基于头盔）。CAVE投影系统是由3个面以上（含3面）硬质背投影墙组成的高度沉浸的虚拟演示环境，配合三维跟踪器，用户可以在被投影墙包围的系统近距离接触虚拟三维物体，或者随意漫游虚拟环境中。HMD是头戴式虚拟现实显示屏，其作为终端输出体积小，便携性高。增强式虚拟现实系统又称AR，它将虚拟环境中的对象置于真实世界中，使用者既能看见真实环境中饭的事物，又能看到虚拟的对象，该系统主要依赖于VR位置跟踪技术，虚拟世界的信息应用到真实世界中，两种信息相互叠加和补充。网络分布式虚拟现实系统是以分布交互模拟为基础，由桌面式、沉浸式等类型虚拟现实系统组成的大型网络系统，用于更复杂的任务研究。通过广域网或局域网，网络分布式虚拟现实将分布在不同地点的虚拟现实系统联结起来，这些联结起来的VR系统采用协调一致的协议、标准、结构和数据库，形成在时空上相互耦合的虚拟合成环境，在其中的用户可以进行交流和互动。如今分布式VR系统已成为国际上的研究热点，也是今后VR技术发展的重要方向。[11]

视觉虚拟现实训练是在计算机提供的虚拟现实场景下，将电脑动画游戏运用于弱视治疗的视觉训练[12]。视觉虚拟现实训练系统可以提供双眼视觉训练，为弱视治疗提供了新的治疗方式。

3 多媒体视觉虚拟现实训练系统

任小军等对2005年～2007年的172例使用“增视能”弱视增视训练系统的弱视儿童（5～8岁）进行了统计分析，结果发现“增视能”训练软件治疗效果好并且趣味性强。使用“增视能”训练时，对单眼弱视或双眼矫正视力相差不小于2行的患者需要对优势眼进行遮盖。江萍等对2001～2004年216例使用杭州维视顿智能化斜弱视检查治疗仪的弱视儿童（3-11岁）进行了统计分析，结果发现总体有效率高达96%，基本治愈率71.9%，维视顿治疗软件分为医院版和家庭版，医生需要根据医院版的治疗情况安排患者回家治疗，维视顿加强了双眼视觉训练功能，但仍然需要对双眼矫正视力相差不低于2行者的优势眼进行遮盖。

Cecilia Sik-Lányi等提出了使用多媒体视觉训练软件提高弱视儿童的兴趣，从而提高他们使用弱视眼的积极性和依从性，最后他们向教师发放了满意度调查问卷，结果显示多媒体视觉训练软件的接受度很高，孩子们很喜欢使用。

4 基于PC的3D视觉虚拟现实训练系统

国外基于电脑的交互式双目治疗系统（I-BIT?）已经被开发用于研究治疗弱视。原先该系统使用两个显示器，一个内容分屏的显示器放在密闭的箱子中，通过镜片反射将左右不同的视觉训练信息传递给弱视患者，另一个显示器用于医护人员调整当前的训练内容或配置软件参数[13][14]。PE Waddingham等对6名（5-8岁）弱视儿童使用I-BIT?进行视觉训练，结果有5个孩子视力提高了，有些孩子在1小时的治疗后就有了效果。之后I-BIT?使用了3D快门眼镜和3D显示器等提供分离式训练内容，对10名（平均5.4岁）弱视患者进行实验，结果9位患者完成了训练并提高了视敏度，其中6位患者的视敏度得到显著提高。但I-BIT?的两个实验的被试过少，治疗设备成本高，需要医护人员陪同训练，不利于设备的普及研究和使用。

Angelo Gargantini基于NVIDIA? 3D Vision?开发了一套弱视检查和治疗系统，需要一台配备NVIDIA显卡的主机，一台刷新率至少120Mhz的3D显示器， 患者还需佩戴一副NVIDIA主动液晶快门眼镜，该系统的基本原理是为双眼提供相关但不完全相同的图像，从而进行双眼分离式训练，图像清晰分离效果好，但总体成本仍然很高，设备较多不够便携，不利于普及研究和使用。

5 移动式3D视觉虚拟现实训练系统

国外基于电脑的交互式双目治疗系统（I-BIT?）已经被开发用于研究治疗弱视。原先该系统使用两个显示器，一个内容分屏的显示器放在密闭的箱子中，通过镜片反射将左右不同的视觉训练信息传递给弱视患者，另一个显示器用于医护人员调整当前的训练内容或配置软件参数。PE Waddingham等对6名（5-8岁）弱视儿童使用I-BIT?进行视觉训练，结果有5个孩子视力提高了，有些孩子在1小时的治疗后就有了效果。之后I-BIT?使用了3D快门眼镜和3D显示器等提供分离式训练内容，对10名（平均5.4岁）弱视患者进行实验，结果9位患者完成了训练并提高了视敏度，其中6位患者的视敏度得到显著提高。但I-BIT?的两个实验的被试过少，治疗设备成本高，需要医护人员陪同训练，不利于设备的普及研究和使用。

Angelo Gargantini基于NVIDIA? 3D Vision?开发了一套弱视检查和治疗系统，需要一台配备NVIDIA显卡的主机，一台刷新率至少120Mhz的3D显示器， 患者还需佩戴一副NVIDIA主动液晶快门眼镜，该系统的基本原理是为双眼提供相关但不完全相同的图像，从而进行双眼分离式训练，图像清晰分离效果好，但总体成本仍然很高，设备较多不够便携，不利于普及研究和使用。

6 总结和展望

国内比较成熟的视觉虚拟现实训练系统主要是通过软件游戏内容提高儿童治疗的依从性，同时增加对弱视眼的刺激，但训练需要以医院治疗为主展开，医院的医疗设备和医护成本直接影响了弱视患者的治疗时机和治疗效果，而弱视治疗有相应的敏感期，不同弱视类型的敏感期也不相同，弱视治疗的原则是在敏感期内消除形觉刺激阻断，调整并恢复双眼视功能，因此有必要设计居家便携式训练系统方便弱视患者的治疗，此外国内视觉训练系统未提供有效的双眼分离式训练，不利于双眼视功能的恢复和提高。国外的视觉虚拟现实训练系统使用各种3D显示技术提供分离式训练效果，但色差式训练系统对颜色依赖高，很容易发生内容分离失败，不利于普及化研究和居家使用，而快门式3D分离技术的硬件成本偏高，占用空间大，同样不利于普及化研究和居家便携式使用。国外的便携式视觉训练系统已有了初步的研究，但硬件上仍不成熟，限制较大，很难在家庭中使用。国内外的训练系统通常需要医护人员陪同训练，训练内容和训练难度不能自适应调节，缺乏平台记录和分析知觉学习数据，不利于制定合理的治疗策略和弱视的大数据研究。因此，未来应该在不影响双眼分离式训练效果的前提下，加强视觉虚拟现实训练系统的便携性，降低系统的成本，更好的服务广大的弱视患者。

参考文献：

[1] 甘跷玲. 弱视的定义、分类及疗效评价标准[J]. 中国斜视与小儿眼科杂志， 1996（3）：97-97.

[2] 健客网社区.弱视发病率较高，尤其是儿童[EB/OL].[2015-06-05].http：//www.jianke.com/ykpd/1647159.html

[3] 漆争艳， 郭燕， 杨俊芳，等. 依从性对儿童弱视疗效的影响[J]. 国际眼科杂志， 2011， 11（3）：512-514.

[4] 曾文君. 儿童弱视综合治疗疗效及依从性分析[J]. 临床和实验医学杂志， 2007， 6（8）：82-83.

[5] 付晶， 成娟娟， 卢炜. 屈光不正性弱视和正常儿童立体视觉的临床观察[J]. 眼科， 2004， 13（5）：182-183.

[6] 曾仁华， 钟华， 杨小龙，等. 弱视遮盖治疗相关因素对视力和双眼视功能重建的影响[J]. 临床眼科杂志， 2003， 11（6）：556-557.

[7] 吴奇志， 卢炜. 弱视遮盖治疗对双眼视觉的影响[J]. 眼科新进展， 2008， 28（12）：921-922.

[8] 赵文君， 欧阳忠， 陈敏，等. 弱视遮盖治疗儿童的心理状况调查分析[C]// 医药导报（2013年8月第32卷增刊）. 2013.

[9] 赵沁平. 虚拟现实综述[J]. 中国科学：， 2009（1）：2-46.

[10] 李湘德， 彭斌. 虚拟现实技术发展综述[J]. 技术与创新管理， 2004， 25（6）：10-14.

[11] 李敏， 韩丰. 虚拟现实技术综述[J]. 软件导刊， 2010， 09（6）：142-144.

[12] 杨素红， 甘晓玲， 庞琳，等. 利用视觉虚拟现实训练软件治疗弱视的疗效分析[J]. 中国斜视与小儿眼科杂志， 2004， 12（1）：7-11.

[13] Waddingham P E， Cobb S V， Eastgate R M， et al. Virtual reality for interactive binocular treatment of amblyopia[J]. International Journal on Disability & Human Development， 2006， 5（2）：155-162.

[14] Eastgate R M， Griffiths G D， Waddingham P E， et al. Modified virtual reality technology for treatment of amblyopia.[J]. Eye， 2006， 20（3）：370-4.