虚拟现实与近视防治

　　本文简单介绍了虚拟现实技术和近视。本文提出可以借助虚拟现实技术将近距离用眼行为转变为远望凝视的用眼行为，从而帮助近视患者改善近视。本文探讨了一种基于当前虚拟现实设备的可能方案并对未来方案做出了展望。

　　1 虚拟现实技术

　　近年来，虚拟现实（VR）技术及其产品逐渐走向成熟，成为当前社会的一个热点。简单来说，VR技术是借助计算机以及相关软硬件设备让人获得视、听、嗅、味、触等虚拟感受的技术，亦称幻境技术。

　　2014 年脸书公司（Facebook）收购Oculus是虚拟现实技术走进公众视野的标志性事件之一。2016年则被业界称为虚拟现实行业的元年。这一年，脸书公司推出了商用虚拟现实设备Oculus Rift，索尼公司推出PlayStation VR，而谷歌公司（Google）推出Daydream view设备。此外，还有三星、HTC、华为等多家公司发布了自己的VR产品。艾媒咨询在《2016上半年中国虚拟现实行业研究报告》中预计中国虚拟现实行业市场规模在2016年将达56.6亿元，而在2020年更将达到556.3亿元[1]。

　　随着消费者可用的VR设备不断涌现， VR内容产品和应用也逐渐丰富起来。比如，VR+购物可以让消费者在家虚拟逛超市和试衣等。VR+旅行和社交等应用借助VR技术可以足不出户地游山玩水或者参加多人互动的相亲团等。VR+游戏和VR+电影给消费者带来更多的家庭娱乐。VR+房产则为用户提供沉浸式看房体验，实现异地看房。VR+新闻利用VR的沉浸感和交互性带领读者去感受新闻现场。此外VR还在医疗、航天和教育等多个领域有着广泛的应用。

　　VR设备主要分为输入设备和输出设备两部分。输入设备主要包括手柄、手套、动作捕捉设备和方向盘等。手柄利用传统的震动和惯性传感器、按钮和摇杆等操作。VR手套一般装有许多传感器，能感知关节的状态。动作捕捉设备则可以识别用户的手势、全身动作和眼睛动作等。

　　输出设备包括VR头盔和VR眼镜等。目前市场上主要VR输出设备产品可以分为PC端VR、智能手机VR和一体机。以Oculus Rift为代表的PC端VR头盔能够带给消费者VR技术的极佳体验。它不但具有定位追踪功能，也提供了更高的保真环境。但是当前PC端VR头盔价格昂贵，而且与电脑之间的连线也存在携带不便等缺点。基于智能手机的VR设备是当前消费者接受的主流VR产品，比如三星公司的Gear VR。这些产品技术含量较低、成本不高，使得其推广更为迅速，但沉浸感和交互性比pc端VR设备逊色不少。VR一体机是包含处理器、输入设备和头戴式显示设备为一体的独立VR产品。VR一体机虽然更加理想，但研发难度大，目前产品成熟度仍然不高。

　　2近视

　　2.1 人眼结构

　　人的眼球依靠眼内容物及眼球壁保持眼球形状。位于眼球前部的晶状体具有凸透镜的形状，富有弹性。其前面是透明的角膜和清澈的房水，而后面则是透明的玻璃体。光线经角膜和房水通过晶状体之后，经由玻璃体到达视网膜。

　　眼球的外层是白色的巩膜。巩膜是胶原纤维结构，质地坚韧，有助于维持眼球的形状并保护眼内组织。角膜则位于眼球最前方，允许光线进入眼球。

　　眼球中间层的葡萄膜包括前葡萄膜（虹膜与睫状体）和后葡萄膜（脉络膜）。虹膜紧接角膜，中央为瞳孔，虹膜肌肉收缩能改变瞳孔的大小。虹膜后方的环形增厚部分是睫状体。睫状体通过晶状体悬韧带与晶状体相连，睫状体内含平滑肌，有调节晶状体曲度的作用。脉络膜富含血管，为眼球内部提供血液。

　　眼球内层的视网膜是一层透明的薄膜。视网膜由色素上皮层和视网膜感觉层组成。色素上皮层与脉络膜紧密相连，由色素上皮细胞组成，它们具有支持和营养光感受器细胞、遮光、散热以及再生和修复等作用。

　　眼外肌包括上、下、内、外四条直肌和上、下两条斜肌，附着在距角膜缘不同距离的巩膜上。眼球运动不是单独靠某条眼外肌的作用完成的，而是通过所有眼外肌共同完成的。与眼外肌相对应的眼内肌包括睫状肌、瞳孔开大肌和瞳孔括约肌。

　　2.2 近视

　　近视是指眼睛在不做调节时，平行光线经过眼球屈光系统屈折后聚焦在视网膜之前的一种屈光状态。近视患者的眼睛看不清远处物体，但可以看清近处物体。2013年，世界卫生组织研究报告称，目前全球约14亿人罹患近视，到2020年预计增长至25亿，其中中国的近视人群比例达47%[2]。由此可见，近视防治在中国尤其具有重要意义。

　　人眼在看近物时：睫状肌收缩，晶状体悬韧带松弛，晶状体曲度增大,这是眼睛的调节作用；两眼视轴向内斜，使之交集于所看的目标上，这是两眼的集合作用（亦称辐辏作用）。集合作用主要是靠两眼内直肌收缩。正常情况下，在看近物时调节作用与集合作用是同时发生的，而且所用调节力度数与集合角数是相同的，否则容易造成视力疲劳。

　　一般认为，近视的形成和长期近距离过度用眼有关[3]。长期近距离过度用眼会造成睫状肌持续紧张，回弹力降低，对晶状体的调节功能减弱。长期近距离过度用眼还会造成眼外肌对眼球施加压力，眼球壁在压力下逐渐延伸，眼球前后轴变长形成轴性近视眼。正常人的眼轴一般平均是24毫米；近视每增长300度，眼轴大约增长1毫米。

　　近视的影响因素很多。一般认为近视形成的主要影响因素是遗传因素和环境因素。此外，微量元素镉、锶和锌等的缺乏，以及身体素质等因素也可能会影响到近视的发生，但具体影响途径则说法不一。

　　大量调查资料显示高度近视和遗传有关，但中度以下近视是否遗传则存在较大的分歧。高度近视的遗传是隐性遗传而且又受客观生活条件的影响，所以父亲高度近视孩子又并非必然表现为高度近视。

　　环境因素主要是指长期近距离用眼，这是近视眼形成的重要客观因素。造成近视的原因有几种理论。一种理论是调节说，认为大多数近视发生在青少年时代，因为青少年的眼睛调节力特别强，眼睛长时间看近物也不易疲劳，从而造成睫状肌长时间过度紧张、疲劳甚至痉挛，最终发展成近视。还有一种学说是辐辏说，认为近距离用眼使得两眼内转的辐辏功能加强，导致眼肌对眼球加压，而引起眼球轴的延长。此外，诸如照明光线亮度、阅读姿势、对比度、字体大小和字体模糊等也都是影响近视的环境因素。

　　3 利用VR技术防治近视

　　目前，与近视有关的VR研究主要集中在如何帮助近视患者更好地体验VR技术上。近视患者在佩戴普通VR眼镜或者VR头盔时需要佩戴隐形眼镜或者框架眼镜。框架眼镜通常会降低佩戴VR产品的舒适性。为了让近视患者裸眼体验VR产品，Oculus Rift和Gear VR等VR产品使用了一些装置：比如使用不同焦距镜片或者距离调节旋钮等。

　　当前已经有关于VR产品用于治疗斜视的报道。在2016美国硅谷VR大会上，James Blaha研发的VR软件“Vivid-Vision”可借助VR设备的可视角调整和亮度调节等功能治疗人眼斜视性弱视[4]。

　　然而，当前很少有研究关注如何利用VR技术防治近视这一重要课题。本文将对此课题进行初步的探讨。因条件限制，我们目前尚无法开展实验验证工作，且将此留作将来工作。

　　3.1 基本设想

　　从第二节中近视形成的原因可以看出，除了遗传等因素外，造成近视的重要因素是长期近距离用眼。因此，如果能消除长期近距离用眼因素，就能在很大程度上预防和改善近视。然而，现代社会中人们在学习、工作甚至休息时都难以避免长期近距离用眼的行为，比如看书、看电脑和看手机等。幸运的是，虽然这些用眼行为在现实世界中只能在近距离条件下完成，但是在VR的虚拟世界中，我们却可以将书本、电脑和手机等的显示内容放到远处的虚拟屏上观看。

　　那么，虚拟屏应该距离眼睛多远为好呢？我们知道正常视力的眼睛舒适观看物体的最小距离是25厘米。对于拥有正常视力的人来说，这个距离可以在一定程度上预防近视。但是对于已经近视的人来说，更远的、能让眼睛处于远望凝视状态的距离才更有可能改善近视（一般认为，假性近视眼可以痊愈而轴性近视眼则难以痊愈）。

　　在虚拟空间里，我们可以虚拟出一个几米、几十米、甚至几十公里远的虚拟屏，以便让眼睛在观看其内容时处于一种远望凝视状态。在此状态下，睫状肌尽量放松使晶状体扁平；两眼视轴尽量平行使内直肌等相关眼部肌肉放松。图1给出了距离眼睛1公里远的虚拟屏示意图。此虚拟屏应当足够大且显示清晰，让整个眼睛（包括神经）感觉舒适，例如拥有适宜的光线亮度、色温、对比度和字体大小等。这样，近视患者得以将学习、工作和生活中的长期近距离用眼行为转变为长期远望凝视的用眼行为，这将有助于改善近视。

　　图1. 用于改善近视的虚拟屏（示意图）

　　3.2 VR方案探讨

　　当前的VR设备普遍使用了两片凸透镜镜片，两眼各用一片。使用凸透镜可以利用凸透镜的一个成像原理：即物体在凸透镜焦距以内时成正立放大虚像。该原理的示意图如图2所示。图2中F是凸透镜的焦距；焦距内正立实线段成放大虚像于焦距外正立虚线段。

　　图2. VR眼镜中的凸透镜成像原理

　　在市面上常见的VR眼镜中，一般屏幕距凸透镜3到7厘米左右，所成的虚像距离眼睛25到50厘米左右。这样的像距基本满足了正常视力的眼睛舒适观看物体的所需的最小距离（25厘米），因此对近视的预防有一定的帮助。

　　本文关注的重点是如何帮助近视患者改善近视状况。国际标准视力表规定的测试距离为5米，因此近视患者在睫状体处于最大放松状态时只能看清5米以内的物体。我们看一下如果使用当前常见VR眼镜成像于5米远会是什么情况。假设物距为5厘米，根据下述凸透镜呈虚像的公式（其中，u是物距，v是像距，f是焦距）：

　　可以算出凸透镜焦距为1/(1/5-1/500)≈5.05厘米。可见使用当前常见VR眼镜需要把显示屏放在焦距前半毫米的位置，这可能会存在成像失真等问题。

　　然而，使近视患者的睫状体得到最大放松的看清距离一般远小于5米，例如高度近视眼可能最多仅能看清十几、二十几厘米远的物体。这样，很多情况下我们可以利用现有的VR设备，只不过需要增加一个可以让近视患者分别调节左右眼像距的方法，以使每只近视眼在看清像的前提下尽量看远，从而使睫状体最大放松。

　　第2.2节提到在两眼凝视物体时，如果集合作用和调节作用不能协调一致，则两眼容易因不断调节和适应而引起视疲劳。因此，如上所述我们提出的方案首先使得睫状体（对应调节作用）得到最大放松。然后再设法调节两眼视轴（对应集合作用）使它们尽量平行，从而避免因集合作用和调节作用冲突造成的视疲劳。

　　在睫状体得到最大放松的前提下，可以通过软件方法调节左右眼虚拟屏画面的视差来使两眼视轴尽量平行，从而使内直肌等相关眼部肌肉放松。人的两眼因空间位置的不同而获取场景图像也有所不同，两幅图像包含着不同的视觉信息，这样人脑就能根据它们之间的差异来判断物体的距离。其中，辨别物体相对远近所利用的两眼视线夹角叫做立体视差角。用软件调节两眼画面视差的方法如图3所示。在图3中，我们将左眼屏和右眼屏中的虚拟屏画面向远点挪动，直至两眼感觉虚拟屏处于图1中所示的很远位置。因为此时两眼睫状体已经处于最大放松状态，无法进一步调节，所以使两眼视轴尽量平行的调节努力应不会引起集合作用和调节作用冲突造成的视疲劳。

　　图3. 在已放松睫状体的前提下通过调节两眼画面视差放松内直肌

　　以上方案还须结合多种技术手段，比如对画面进行变形处理以适应人眼的球形形状[5]。基于以上方案的VR眼镜应当允许近视患者根据自己瞳距进行定制，并且允许近视患者根据自身情况对近视度数、画面亮度、对比度、分辨率、刷新率、色温、虚拟距离和字体大小等参数进行调节。通过对这些参数的调节，近视患者可以选择使自己眼睛最舒适的画面。

　　4 总结与展望

　　本文首先介绍了VR技术和近视。为了预防和改善近视，本文提出了一种基于当前虚拟现实设备的可能方案。该方案首先利用光学透镜成像手段使每只近视眼清晰地尽量看远，从而使睫状体得到最大放松；然后再通过用软件调节两眼画面视差的方法使两眼视轴尽量平行，从而使内直肌等相关眼部肌肉尽量放松。这样就将近距离用眼行为转变为远望凝视的用眼行为，从而达到改善近视患者近视的目的。

　　因缺乏必要的实验环境，我们的方案目前仍限于理论上的初步探讨。未来我们将在条件具备时研制实际系统来验证我们的方案。

　　未来的光场成像技术理论上可以计算出几十公里外虚拟屏的光场信息并通过透镜阵列或其他技术向眼睛投射真实光场信息。这种未来方案让眼睛更加自然地处于远望凝视状态，因此比本文提出的通过放松睫状体和内直肌等眼部肌肉的方法更加直接。

　　5 参考文献

　　[1] 艾媒咨询，2016上半年中国虚拟现实行业研究报告，http://www.iimedia.cn/42746.html.

　　[2] 解放日报，中国近视人群接近五成，http://newspaper.jfdaily.com/jfrb/html/2013-10/21/content_9302.htm.

　　[3] 新华网，规范用眼防近视, http://news.xinhuanet.com/health/2014-06/05/c_126582240.htm.

　　[4] 医谷网，ivid-Vision：可医治眼疾的VR技术，http://www.yigoonet.com/article/22528544.html.

　　[5] Tony Parisi, Learning Virtual Reality, O’Reilly Media, 2016.