撖芃芃

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033）

0 引 言

動(dòng)態(tài)視力是指觀察者與視覺目標(biāo)之間有相對(duì)位移時(shí)，分辨物體細(xì)節(jié)的能力，通常將它定義為個(gè)體能夠正確地辨識(shí)移動(dòng)中物體細(xì)微部分的一種運(yùn)動(dòng)視覺能力。動(dòng)態(tài)視力包括對(duì)兩大類目標(biāo)物的辨識(shí)：一類為左右、上下橫向移動(dòng)的目標(biāo)物，相應(yīng)的動(dòng)態(tài)視覺功能稱為DVA（Dynamic Visual Acuity）；另一類為朝受檢者本身向前或向后移動(dòng)的目標(biāo)物，稱為KVA（Kinetic Visual Acuity）［1－3］。動(dòng)態(tài)視力能力直接影響觀察者對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的判別的精準(zhǔn)能力，所以動(dòng)態(tài)視力是飛行員、駕駛員等特殊職業(yè)的人員必須準(zhǔn)確檢測(cè)的一項(xiàng)視力指標(biāo)。大量研究證實(shí)，動(dòng)態(tài)視力的好壞直接影響運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下工作任務(wù)的完成質(zhì)量，動(dòng)態(tài)視力的檢測(cè)有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)相關(guān)視覺問題，并可通過針對(duì)性的訓(xùn)練提高被測(cè)試者的動(dòng)態(tài)視力能力。動(dòng)態(tài)視力檢測(cè)的研究有數(shù)十年歷史，國(guó)外曾使用Kirschner Rotator、Motorized Pegboard Rotator、Micro－medical Technologies、Dynamic I llegibleE Test進(jìn)行測(cè)試，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)運(yùn)動(dòng)員測(cè)量則用ATHLEVISION動(dòng)態(tài)視力檢測(cè)軟件［4－8］。國(guó)外用于動(dòng)態(tài)視力檢測(cè)的裝置體積龐大且價(jià)格較昂貴，而且大多是針對(duì)DVA動(dòng)態(tài)視力和前庭系統(tǒng)功能進(jìn)行檢測(cè)；國(guó)內(nèi)用于動(dòng)態(tài)視力檢測(cè)的裝置相對(duì)落后并且檢查設(shè)備功能單一，不能夠很好地滿足實(shí)際檢測(cè)的需求。目前，國(guó)內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)視力的測(cè)量方式不能夠全面地反映出被測(cè)人員在實(shí)際工作中的視力水平，因此，研制一種能夠進(jìn)行全面動(dòng)態(tài)視力測(cè)量的裝置，用于飛行人員及從事特殊駕駛?cè)藛T的視力檢測(cè)十分必要?；谌搜蹖?duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的反應(yīng)特性，研制了一套能夠用于進(jìn)行DVA和KVA動(dòng)態(tài)視力檢測(cè)的裝置，該裝置能夠產(chǎn)生不同視標(biāo)圖形、不同視標(biāo)亮度及不同視標(biāo)顏色，檢測(cè)視力范圍為0.1～1.6，能夠產(chǎn)生不同的視標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，既能進(jìn)行動(dòng)態(tài)視力檢測(cè)，還能進(jìn)行眩光模擬訓(xùn)練。

1 系統(tǒng)組成及檢測(cè)原理

動(dòng)態(tài)視力檢測(cè)系統(tǒng)視標(biāo)生成及檢測(cè)分系統(tǒng)組成框圖主要包括視標(biāo)生成模塊、綜合控制模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊以及常模分析模塊，如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)視力測(cè)試系統(tǒng)視標(biāo)生成及檢測(cè)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

首先視標(biāo)生成模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生視標(biāo)，視標(biāo)圖像輸出到顯示單元，供測(cè)試人員觀看。綜合控制模塊經(jīng)通訊模塊控制炫光亮度、炫光顏色調(diào)整；通過串行接口與手柄操控單元通訊，讀取受測(cè)者方向判讀信息，確定動(dòng)態(tài)視力測(cè)試等級(jí)。視標(biāo)生成及檢測(cè)分系統(tǒng)負(fù)責(zé)與控制平臺(tái)通訊，在訓(xùn)練模式下接收控制平臺(tái)命令，確定視標(biāo)參數(shù)選擇。動(dòng)態(tài)視力測(cè)試系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)庫管理功能，對(duì)測(cè)試結(jié)果保存并能夠編輯、管理，按照操作人員指令獲得數(shù)據(jù)信息。常模分析功能中，具有中數(shù)模型、眾數(shù)模型、均數(shù)模型、標(biāo)準(zhǔn)差模型、DVA動(dòng)態(tài)視效率模型、KVA動(dòng)態(tài)視效率模型。

2 系統(tǒng)功能

動(dòng)態(tài)視力測(cè)試系統(tǒng)視標(biāo)生成及檢測(cè)分系統(tǒng)主要功能如下：

1）具有DVA動(dòng)態(tài)視力測(cè)試、KVA動(dòng)態(tài)視力測(cè)試功能，視標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度1～100km／h連續(xù)可調(diào)；具有靜態(tài)視力測(cè)試功能；視標(biāo)開口8個(gè)方向隨機(jī)等概率產(chǎn)生。

2）DVA動(dòng)態(tài)視力測(cè)試視標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向從左至右、從右至左、從上至下、從下至上、從左下至右上、從左上至右下、從右下至左上、從右上至左下，8個(gè)方向可以人工選擇。

3）視標(biāo)測(cè)試范圍為0.1～1.5。

4）視標(biāo)輻射能量1～100lx連續(xù)可調(diào)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 視標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置

人眼對(duì)不同速度的物體反應(yīng)能力不同，動(dòng)態(tài)視力測(cè)試系統(tǒng)提供1～100km／h區(qū)間任意速度的視標(biāo)運(yùn)動(dòng)測(cè)試，獲得指定速度下受測(cè)者的DVA動(dòng)態(tài)視力水平和KVA動(dòng)態(tài)視力水平。

DVA動(dòng)態(tài)視力測(cè)試中的運(yùn)動(dòng)速度指目標(biāo)在距離受測(cè)者30m時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度，本項(xiàng)目中視標(biāo)與受測(cè)者之間實(shí)際距離5m，為保證目標(biāo)運(yùn)動(dòng)角速度相同，如圖2所示，視標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度需滿足下式：

圖2 動(dòng)態(tài)視力測(cè)試系統(tǒng)中視標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算原理圖

視標(biāo)顯示器每個(gè)像元尺寸為0.16mm，DVA視標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換到像素值：

動(dòng)態(tài)視力生成模型中，視標(biāo)顯示期為3 840個(gè)像元，視標(biāo)消隱期為3 160個(gè)像元，T測(cè)量為1.6視標(biāo)等級(jí)出現(xiàn)至0.1等級(jí)視標(biāo)消失所花費(fèi)的時(shí)間，根據(jù)該時(shí)間可以計(jì)算視標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度。實(shí)際測(cè)量視標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度：

對(duì)DVA動(dòng)態(tài)視標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行大量試驗(yàn)測(cè)試，不同運(yùn)動(dòng)速度條件下的測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 DVA動(dòng)態(tài)視力測(cè)試設(shè)置不同速度條件下，實(shí)測(cè)視標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度及視標(biāo)生命周期

KVA動(dòng)態(tài)視力測(cè)試中模擬視標(biāo)從50m距離向受測(cè)者飛近，視標(biāo)尺寸相應(yīng)從小變大，視標(biāo)中心點(diǎn)始終保持在屏幕中心。當(dāng)目標(biāo)距離受測(cè)者50m時(shí)，視標(biāo)成像視場(chǎng)角0.625′，此時(shí)視力等級(jí)為1.6，如圖3所示；目標(biāo)尺寸不變，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到距離3.124m時(shí)，目標(biāo)成像視場(chǎng)角10′，視標(biāo)開口尺寸9.09mm，如圖4所示。KVA動(dòng)態(tài)視力測(cè)試模擬目標(biāo)從50m運(yùn)動(dòng)到3.124m視標(biāo)尺寸變化過程。

圖3 KVA動(dòng)態(tài)視力測(cè)試中，目標(biāo)距離50m時(shí)成像視場(chǎng)角

圖4 KVA動(dòng)態(tài)視力測(cè)試中，目標(biāo)距離3.124m時(shí)成像視場(chǎng)角

KVA動(dòng)態(tài)視力測(cè)試中，目標(biāo)從50m距離運(yùn)動(dòng)到3.124m，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)距離46.876m。目標(biāo)分別以1～100km／h速度運(yùn)動(dòng)，測(cè)量多次KVA動(dòng)態(tài)視力測(cè)試啟動(dòng)時(shí)刻至結(jié)束時(shí)刻消耗時(shí)間T測(cè)量，按照下式可計(jì)算KVA動(dòng)態(tài)視力測(cè)試中視標(biāo)實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度：

式中：T測(cè)量——KVA動(dòng)態(tài)視力測(cè)試中起始時(shí)刻至結(jié)束時(shí)刻消耗時(shí)間，s；

v實(shí)際——KVA動(dòng)態(tài)視力測(cè)試中實(shí)際測(cè)量速度，km／h。

對(duì)KVA動(dòng)態(tài)視標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行大量試驗(yàn)測(cè)試，不同運(yùn)動(dòng)速度條件下的測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 KVA動(dòng)態(tài)視力測(cè)試?yán)碚撍俣扰c實(shí)測(cè)速度比較結(jié)果

3.2 視標(biāo)生成設(shè)置

物體在視網(wǎng)膜上成像的大小決定了視覺上的清晰度，可用視力和視角表示。視角和視距的關(guān)系如圖5所示。

圖5 視角和視距的關(guān)系

圖中，A為物體的大小，D為視距（即物體距離眼睛節(jié)點(diǎn)的距離）。從物體的上、下兩點(diǎn)畫線相交于眼睛的節(jié)點(diǎn)O，并在視網(wǎng)膜上成像S，如果物體A在眼睛里形成一個(gè)張角α，即為視角。

可用如下公式表示：

式中：A——物體的大??；

D——視距，即物體距離眼睛的節(jié)點(diǎn)的距離；

α——視角。

如果觀察一個(gè)圓形范圍，其直徑為10mm，視距為300mm，對(duì)眼睛所形成的視角為：

從上述公式中也可以看出，視角的大小與物體的距離成反比，物體離人眼越遠(yuǎn)，視角越小，如圖6所示。

圖6 視角隨距離的變化示意圖

物體在離眼睛30mm時(shí)，對(duì)眼睛形成一定大小的視角，在視網(wǎng)膜上形成相應(yīng)大小的像，如果讓物體逐漸遠(yuǎn)離人眼，到60mm時(shí)，視角縮小1／2，視網(wǎng)膜上的像也相應(yīng)縮小，如果把物體移至90mm處，視角縮小為原來的1／3，像亦相應(yīng)縮小。

視力也叫視覺敏銳度或視敏度，表示眼睛辨認(rèn)物體細(xì)節(jié)和空間輪廓的能力。視覺辨認(rèn)物體的比例與視距有很大的關(guān)系，一個(gè)原來看不清的細(xì)小物體，移動(dòng)到離眼睛比較近的距離時(shí)就可以看清楚了。這是因?yàn)槲矬w對(duì)眼睛形成的視角比原來大了，視網(wǎng)膜上的像也相應(yīng)增大，所以看起來更清晰。

視力是以視角進(jìn)行計(jì)算的，視力V是以視覺所能夠分辨的以角度（′）為單位的視角α的倒數(shù)，如下式：

國(guó)標(biāo)規(guī)定，當(dāng)人的視覺能夠分辨1′角度對(duì)應(yīng)的物體的細(xì)節(jié)時(shí)，視力為1.0，并以此作為正常視力的標(biāo)準(zhǔn)。在5m的標(biāo)準(zhǔn)距離正常照明條件下，不同視力所對(duì)應(yīng)的視角α、物像A和視網(wǎng)膜上像的大小［9－11］見表3。

表3 受測(cè)者與視標(biāo)相距5m時(shí)，不同視力下的視角、物像和視網(wǎng)膜像的大小

式中：h——像高；

α——視角。

4 結(jié) 語

動(dòng)態(tài)視力是指觀察者與視覺目標(biāo)之間有相對(duì)位移時(shí)分辨物體細(xì)節(jié)的能力，通常將它定義為個(gè)體能夠正確地辨識(shí)移動(dòng)中物體細(xì)微部分的一種運(yùn)動(dòng)視覺能力。動(dòng)態(tài)視力能力直接影響觀察者對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的判別的精準(zhǔn)能力，所以動(dòng)態(tài)視力是飛行員、駕駛員等特殊職業(yè)的人員必須準(zhǔn)確檢測(cè)的一項(xiàng)視力指標(biāo)。文中所研制的動(dòng)態(tài)視力測(cè)試系統(tǒng)能夠用于進(jìn)行DVA和KVA動(dòng)態(tài)視力檢測(cè)，該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生不同視標(biāo)圖形、不同視標(biāo)亮度及不同視標(biāo)顏色，檢測(cè)視力范圍為0.1～1.5，能夠產(chǎn)生不同的視標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度。該測(cè)量裝置可作為飛行人員及從事特殊駕駛?cè)藛T動(dòng)態(tài)視力測(cè)試的設(shè)備，為我國(guó)開展動(dòng)態(tài)視力應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)研究提供了必要條件。

［1］ Banks P M，Moore L A，Liu C，et al.Dynamic visual acuity：a review［J］.S Afr Optom，2004，63（2）：58－64.

［2］ Coffey B，Reichow A W.Sports vision：visual performanceenhancement in sports optometry，BH［M］.Oxford：Butterworth－Heinemann，1995：158－177.

［3］ 高世宏，劉廣莉，賀光青，等.動(dòng)態(tài)視力檢測(cè)儀器及評(píng)定方法的研究［J］.實(shí)用眼科雜志，1994，12（7）：401－403.

［4］ 劉雅甄.動(dòng)體視力在運(yùn)動(dòng)中的意義與應(yīng)用［J］.中華體育，2003，17（2）：57－65.

［5］ 劉雅甄，楊賢銘.我國(guó)四級(jí)棒球國(guó)家代表隊(duì)選手動(dòng)體視力特性之比較［J］.大專體育學(xué)刊，2005，7（3）：287－294.

［6］ Pettyjohn F S，Howk W M.Performance based biomedical standards for evaluation aircrew［J］.Medicine Aeronantiqueet Spatiale，1982，21（4）：273－275.

［7］ 崔海寧，鐘江帆，林曉瓏.駕駛員動(dòng)態(tài)視力測(cè)試儀的研制［J］.光學(xué)儀器，1989，11（6）：30－34.

［8］ 艾力·斯木吐拉，李鑫，魏建東.沙漠公路駕駛員心理、生理特性初探［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，16（10）：9－14.

［9］ Gardner J J，Sherman A.Sports vision：vision requirements insport，BH［M］.Oxford：Butterworth－Heinemann，1995：22－36.

［10］ 高世宏，劉廣莉，賀光青，等.動(dòng)態(tài)視力檢測(cè)儀器及評(píng)定方法的研究［J］.中華實(shí)用眼科雜志，1994，12（7）：401－403.

［11］ 瞿佳.重視與體育運(yùn)動(dòng)有關(guān)的視覺科學(xué)研究［J］.眼科，2005，14（5）：281－283.