虚拟现实技术在视力矫正与保健方面的运用

2018-12-12 19:31:54 科技传播2018年22期

杨柳依

摘 要 基于计算机软硬件技术与视光学基本原理的虚拟现实技术在近年得到了飞速发展,并广泛应用于游戏、教育、医疗、商业、生活等方方面面。文章侧重分析了应用虚拟现实技术、特别是其视光学原理来改善目前视力锻炼、视力矫正方法与产品的可行性。

关键词 虚拟现实技术;视力矫正;视力保健

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2018)223-0147-02

1 虚拟现实发展概述

虚拟现实技术是一种通过计算机模拟生成虚构三维环境的技术,它能够将多元信息融合生成交互式的三维动态或静态实景体验。虚拟现实的核心技术是通过视光学原理的3D头戴式显示设备,利用广角立体显示技术,三维计算机图形技术等,使人有一种身处自己所感知到的情景中的感觉。在虚拟现实环境下,两眼看到的影像、经由人的大脑加工处理,使用者会“认为”场景是真实的,从而沉浸其中[ 1 ]。计算机软硬件技术的飞速发展,带动了虚拟现实技术正在非常广阔的领域发展其应用。虚拟现实技术目前广泛应用于游戲、教育、医疗、购物、健身等方面。

2 虚拟现实技术特点

1)三维显示效果。虚拟现实技术的关键技术之一是通过头戴式眼镜装置,利用视光学原理的实现三维(3D)场景的显示。其基本原理通过两个摄像机模拟人的左眼和右眼观察分别物体,在虚拟现实技术中让左眼和右眼分别看到的同一物体不同角度观察的画面,这时人的大脑会将其处理成一个具有景深的立体图像。虽然两眼分别看到的是平面二维图形,但是经过大脑自动地处理、加工,人就感觉看到了一个具有立体感的三维画面。

2)高清度与真实性。随着技术的进步,主流的虚拟现实显示分辨率已经达到了1?080P(1?920×1?080),正在往人眼能够识别的极限4K(3?840×2?160)分辨率发展。更高的分辨率可以在使用者眼前展示出更清晰的画面,场景没有无颗粒、像素感,从而使体验者感觉更加真实。同时在视角范围上,也将向140度以上更宽广的方向发展。

3)强交互性。随着传统键盘、手柄、鼠标等与虚拟现实系统进行交互以外,目前已开发出更多的交互方式,电影《头号玩家》中的一些设备已有产品面世,比如VR跑步机,可以将使用者做出的行走、奔跑、跳跃、坐与下蹲等动作映射到虚拟场景。未来也会增加外部动作识别、眼球跟踪、面部跟踪等更多的交互方式。未来虚拟现实技术将不仅从视觉上感知图像,还将发展从听觉处理声音,从嗅觉处理气味,从味觉处理味道,从触觉来体验一系列操作,使人有带入感,认为虚拟世界更加真实。

3 视力矫正现状与相关原理简介

目前传统的视力矫正方面包括以下几种:1)光学矫正:即佩戴光学眼镜,严格意义上讲,戴眼镜是治标不治本,并未使裸眼视力有改善。而且佩戴眼镜会给生活、运动等带来很大不便,包括隐形眼镜。2)手术治疗:主要是利用激光对角膜进行切割,以改变曲光率,达到矫正视力的目的。但是手术治疗价格昂贵,手术有风险,而且长期效果,而且还不是每一个人都能做手术,都适合做手术而且手术只能做一次。3)中医理论及物理锻炼:中医有针灸、穴位按摩、药物调整等治疗方法,也有转眼操、望远、热敷眼的保健方法,并且是行之有效的。但是中医的按摩方法需要专业人士操作,针灸对很多人来讲也难以接受。国外也有一些研究,比如日本的松崎五三男的“十五点法”[2]、美国眼科医生威廉·贝茨的视力训练恢复法[ 3 ],与中医的转眼保健法类似,就是让眼球以特定的方式运动,带动眼球周围复杂的肌肉群得到锻炼,恢复人眼自主的视力调节能力。

物理锻炼的方法最安全,也是本文即将分析的重点。总结这些理论和方法,大致分为以下几类:1)眼球主动运动,典型代表为“十五点法”、以转动眼球为基本动作的眼保健操、眼肌运动训练图。2)视近与视远之间切换:通过看近看远的切换,训练睫状肌调节能力。3)长时间视远,彻底放松睫状肌。

基于上述理论和方法,市场上也有各种视力保健产品,这些产品坚持使用也会有效果,但或多或少都存在一些局限。比如有机器能通过滑轮轨道,让目标前后移动以实现视近与视远的变化,但是视远距离受限于2米左右。眼肌运动训练图路线固定,长时间容易疲劳和厌倦。有的头戴式仪器能够实现类似“十五点法”的运动轨迹,却是基于硬件固化的,没有变化。

4 虚拟现实技术应用于视力矫正的探讨

4.1 虚拟现实技术视力锻炼原理分析

利用虚拟现实技术,可以很好地解决目前市场上很多视力矫正产品的不足。2D场景编程可以容易地实现以下功能:在固定纵深的平面,让一个目标物体,沿特定路线做2维的运动,以引导眼球做上下、左右、圆周、交叉等路线运动,或者依照“十五点法”做更复杂的路线和对焦运动。程序实现时,也可以增加随机路线、组合路线、自定义路线的功能。在此基础上,利用虚拟现实技术,在虚拟现实的3D场景中,可以让上述2维运动增加一个纵深方向上的维度。

再来回顾一下虚拟现实中最关键的3D成像技术原理,左眼与右眼看到的实际是两幅有差异的画面,根据光线直线传播的原理,当两眼分别以不同的焦距调节聚焦到目标物体上时,大脑根据眼球的焦距调节程度“认为”目标物体在或远或近的距离上。这一过程其实是由大脑根据多年现实世界的经验,自动地处理了相关信息后得出的结论。这些信息包括两瞳孔之间的距离、目标物体到两瞳孔的夹角、睫状肌的紧张程度等。也就是说,在虚拟现实场景中,当视线聚焦到某个距离的目标物体上时,两瞳孔之间的距离、目标物体到两瞳孔的夹角、睫状肌的紧张程度与真实环境中看到同样距离物体是一样的。这样,如果在虚拟现实场景中,调整场景画面中目标物体,让其在不同纵深距离上运动,就可以让眼睛在视远、视近之间切换,或者较长时间让眼睛保持在视远的状态,从而起到锻炼和矫正视力的效果。

如图1所示,在虚拟现场场景中,左、右眼看到的是不同的画面,首先初始情况下,给左、右眼画面的正中各有一个箭头A、B,这时A、B重合,这时大脑认为目标物体即看到的箭头在离自己距离d0处。然后,更换左、右眼看到的画面,将左眼看到画面的箭头A向左移动一个微小的距离Δd、将右眼看到画面的箭头B向右移动一个微小的距离Δd,这时,根据光线直线传播的原理,以及大脑的经验判断,人会认为箭头在左眼与A连线的延长线与右眼与B的延长线的交战C处。在此过程中,眼球调整了瞳距、焦距,而且这种视远的效果也与大脑的经验是一致的。这也是为什么虚拟现实具有很强代入感、让人身临其境,甚至无法区分游戏与现实的原因。当Δd继续增加时,眼球会继续调整瞳距和焦距,从而最终达到进入眼睛的光线来自平行光、类似看无限远的效果。

4.2 技术实现简析

1)开发工具选择。考虑到程序主要是显示运动物体,可以借用目前成熟的虚拟现实游戏开发引擎。经过考察,可以选择入门门槛较低的Uinty来实现DEMO版进行基本功能的测试。显示物体直接利用Uinty的物件库,物体运动路线可以调用Visual? Studio利用VC++语言来编程实现。

2)基本功能实现。主动训练模式:内置十五点法、眼保健操、眼肌运动训练图等路径,实现眼肌2维运动。特定的路线可以通过一个数组保存,数组的数据结构可以包括起始位置、下一个点位置、时间间隔等内容。同时可以设定单次训练时间、累加总计训练时间等功能。被动训练模式:显示一本书,很缓慢地将书在纵深距离上往后移,让眼球无意识地逐渐调焦适应纵深变化。综合训练:在主动训练的固定路线基础上增加纵深的运动,让眼肌有多维方向上运动锻炼。

5 展望

未来发展方向:软件DEMO开发完成后,可以迭代优化、开发出商业化产品。实现以下功能:1)除了主动程序化训练外,可以设计引人入胜的游戏,焦點目标远近、大小、位置变化,让使用者沉浸在游戏中,不知不觉地让视力得到锻炼。2)可以加入自主导入单词、诗词等学习材料的功能,便于学生使用,在学习的过程中锻炼视力,节约学生的宝贵时间。3)在视力矫正治疗方面,可以与眼科专业人士合作,将目前斜视、弱视、两眼视力不平衡等问题的治疗方案,通过虚拟现实技术来实现、来优化。相信利用虚拟现实技术,一定能够在青少年视力矫正、视力保健方面开拓出一片新天地,让中国少年摆脱眼镜的束缚,让心灵的窗户更加明亮。

参考文献

[1]周忠,周颐,肖江剑.虚拟现实增强技术综述[J].中国科学(信息科学),2015,45(2):157-180.

[2]孙立众.国外新疗法介绍——松崎式视力增进训练法[J].现代康复,1998(12):1316-1317.

[3]W·H·贝茨,贝茨,田野.和眼镜说再见:改善视力的贝茨博士护眼法[M].上海:上海世界图书出版公司,2010.

[4]王梓.集成成像3D显示技术研究[D].合肥:中国科学技术大学,2017.