赵瑛　张阳　郝大帅　王冬晖

摘  要： 为了研究假体佩戴者是否具有异常的立体视觉，影响目标定位，在现实场景中开展仿真假体视觉下单目测距研究。实验采用蒙眼测距方法，被试者佩戴头戴式显示器模拟在仿真假体单眼，仿真假体双眼以及在正常单眼情况观察判断放在地板上不同位置（3.51 m，4.92 m，6.33 m）的目标物体，通过蒙着眼睛轻快地走到他/她所判断的地方，记录并统计分析行走距离。实验结果发现，在三种观察条件下，正常单眼感知精度最高，仿真假体单眼最低。随着物体放置距离的增加，准确度也有细微下降。经统计分析发现，仿真假体单眼与正常单眼对距离判断没显著性差异，说明假体植入者能准确定位地面上的目标。

关键词： 仿真假体; 单目测距; 蒙眼测距; 目标定位; 距离感知; 实验分析

中图分类号： TN911?34                              文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）20?0079?04

Monocular vision distance measurement under simulated prosthesis vision

ZHAO Ying， ZHANG Yang， HAO Dashuai， WANG Donghui

（Inner Mongolia Key Laboratory of Pattern Recognition and Intelligent Image Processing， School of Information Engineering，

Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， China）

Abstract： A research on monocular vision distance measurement under simulated prosthesis vision is performed in real scene to study whether prosthesis wearers have abnormal stereoscopic vision that affects target positioning. In the experiment， the subjects wore a head?mounted display to simulate the conditions of simulated prosthetic monocular， simulated prosthetic binoculus and normal human monocular， observe and judge the target objects placed on the floor at different positions （3.51 m， 4.92 m and 6.33 m） by means of the blindfold distance measurement method， and record and analyze the walking distance statistically by briskly walking with blindfold to where he/she judges. The experimental results show that， under the three observation conditions， the normal human monocular has the highest perception precision while the simulated prosthetic monocular is the lowest one. With the increasing of distance placing the object， the distance measurement accuracy is also reduced slightly. The statistical analysis results show that there is no significant difference in the distance measurement of the prosthetic monocular and the normal human monocular， which indicates that the visual prosthesis wearer can accurately locate the target on the ground.

Keywords： simulated prosthesis; monocular vision distance measurement; blindfold distance measurement; target location; distance perception; experimental analysis

0  引  言

人类对客观世界的认识主要来源于視觉，外界信息的70%以上是经由视觉系统传入大脑的，视觉通路上任一部分发生损伤或病变都会导致失明[1?2]。据世界卫生组织于2018年的报道，世界范围内约有13亿人患有某种形式的远视力或近视力损害。在近视力方面，有8.26亿人患有近视力损害。在远视力方面，大约1.885亿人患有轻度视力损害，2.17亿人中有中度至重度视力损害，近3 600万人失明[3]。失明是人类最严重的残疾之一，对患者的生活、学习和工作带来极大的不便和痛苦。

视觉假体作为当今眼科学界的重大前沿研究领域，是一种新的视觉功能修复手段，为盲人重见光明带来了希望[4?6]。它利用盲人残存的部分完整且结构和功能完好的视觉通路，通过人工进行电刺激诱发“光幻视”使盲人产生部分视觉感受[7?10]。全球范围内关于视觉假体的研究在不断发展中，美国Second Sight公司的ArgusⅡ视网膜上假体的研究已于2011年获得欧洲EMA授权，2013年、2014年获得美国和加拿大FDA的授权[11]。德国Retina Implant AG公司的Alpha?IMS视网膜下假体的研究于2013年获得欧洲EMA授权，批准进入市场销售。法国Pixium Vision公司的IRIS1视网膜上假体的研究也在临床实验中[12?14]。目前，由于视觉假体临床实验的局限性，无法大范围招募实验者植入假体，在临床实验之前，多数是通过正常视力的被试者参与仿真假体视觉下的心理物理学实验来给临床研究提供有益的帮助，多个国际研究小组也已经在文字阅读物体以及环境识别等方面进行大量的仿真假体视觉研究[15?18]。特别是近距离的空间感知对于目标定位、指导和引导各种日常活动（步行、避障、驾驶）非常重要[19?20]。目前视觉假体仅植入到单眼内，虽然理论上可以植入到双眼，但是获得双眼视力是较为困难的，图像需要在双眼视网膜上严格对称才能形成双眼视觉，如果电极在两眼中植入位置有偏差就会造成复视的症状[21]。本文通过仿真假体视觉下的单目测距研究，来分析假体佩戴者是否具有异常的立体视觉。

本研究通过头戴式显示器上方的摄像头采集现实场景图像，图像经一系列处理策略，成为像素化图像显示在头戴式显示器的屏幕中。被试者佩戴头戴式显示器观察物体来完成蒙眼测距实验，记录在仿真假体单眼、假体双眼以及正常单眼三种不同观察条件下的距离感知判断并分析实验结果。

1  材料与方法

1.1  受试者及合规声明

被试者为来自内蒙古科技大学的学生志愿者共20位，年龄范围为20～25岁，实验的男女比例为1∶1。所有的被试视力或矫正后视力正常，母语均为汉语。实验进行前，所有参与的受试者都被告知实验的过程和目的，并在参与前签署知情同意书。所有实验过程均符合世界医学学会赫尔辛基宣言的要求，并符合国家医疗器械临床试验要求。

1.2  实验设备和环境

实验设备包括1台联想台式电脑（30AGA 29BCN Tower）、头戴式显示器（5DTHMD800?403D）、摄像头（罗技c920）、篮球、激光测距仪、不透明眼罩。并使用Java，C#，Matlab 2016a，SPSS统计等软件进行图像处理、记录实验结果并分析。

实验在光线充足的走廊内进行。实验前确保被试者没有其他干扰，状态良好。

1.3  实验方法

1.3.1  主导眼测试

被试者平伸双手，手臂伸直，将两手在眼前交叠，两手的虎口之间留出一个小孔，两眼通过小孔观察远处的目标物，闭上一只眼睛，目标物的位置是否有发生变化，如果没有变化，则睁开的眼睛为主导眼，否则闭上的那只眼为主导眼。

1.3.2  蒙眼测距实验

被试者进行蒙眼测距实验，观测放在地面上的目标物体，并通过蒙着眼睛轻快地走到所判断的地方来确定目标的距离。蒙眼可以防止视觉反馈，轻快要求反应时间最少，以便提供直接视觉反应。观察的物体为篮球，它们被放置在地板上的观看距离分别为3.51 m，4.92 m和6.33 m。在每名被试者上实施的测试条件是正常单眼、佩戴头显双眼和佩戴头显单眼观察（在单眼观察条件下要使用不透明的眼罩来遮挡观察者的非主导眼）。

1.4  实验步骤

1.4.1  预实验部分

在正式实验之前测出并记录每一位被试的主导眼。再通过简单的练习，让被试者熟悉蒙眼步行实验，要求被试者判断目标距离并通过蒙着眼睛轻快地走到他/她所判断的地方。

1.4.2  正式实验

被试者被引导到起始点并按指示背向测试区域，用不透明眼罩遮住非主导眼，佩戴头显，等待工作人员将目标放置在指定位置，并且仅在收到指示时闭上眼睛转向面对测试区域。然后被试者睁开眼睛通过头显观察目标并判断目标的位置。观察目标过程中被试者保持直立并尽量减少身体运动，只有上下活动头部是允许的。被试者还被告知有无限的观看时间。当准备好做出反应时，被试者可通知两位工作人员，并被系上眼罩。与此同时，一名测试人员迅速移除目标，让被试者可以不受阻碍地行走，并口头通知被试者开始行走。当被试者到达目的地时，保持静止，以允许测试员通过激光测距仪测量他/她的步行距离。完成后，仍然处于蒙着眼睛的被试者由另一名工作人员带领，走出测试区域以外几米（可变距离以防止反馈），然后通过环形通路，返回到起点（背向测试区域）。

改变目标物体的距离分别为3.51 m，4.92 m，6.33 m，分别进行上述实验并记录实验数据。

在不同的天数内依次完成仿真假体单目，仿真假体双目以及正常单目观察条件下的蒙眼测距实验。实验场景及观察效果如图1所示。

2  实验结果及讨论

2.1  观察条件与距离感知分析

图2表示在不同位置下三种观察条件的判断距离。从图2a）中可以直观地看到，在正常单眼观察条件下，判断距离更集中分布在实际距离附近，其次是仿真假体双眼，仿真假體单眼条件下判断距离分布的更发散，说明正常单眼条件下对距离感知最精准，效果最好。通过观察图2b）和图2c），随着物体的实际距离的增加，点的分布没有那么集中，正常单眼效果最好，仿真假体单眼条件下对距离的判断偏差也要大一些。实验中的被试者对距离的感知也存在一定的差异性，第2，3，6，10，17号被试者在三种不同位置下对距离的判断都是很精确的，而第1，14，16号被试者在物体距离增加的过程中，距离判断明显低于其他被试者。

为了量化三个观察条件之间的差异，计算目标距离与平均判断距离之间的关系。不同目标距离下的判断距离如图3所示。

从图3中可以发现正常单眼观察的条件准确度明显高于仿真假体单眼条件。判断距离随着目标距离的增加而增长。仿真假体单眼观察条件下随着目标距离的增加准确度会下降，在目标为6.33 m时，判断误差和实际值偏差最大。

2.2  性别与不同单眼条件下观察对距离感知断影响分析

为了探究实验过程中性别对距离判断的影响，对实验中性别（男/女）和不同单眼观察条件（仿真假体单眼/正常单眼）执行了组间方差分析。表 1显示了性别对于距离判断的均值及标准差，男被试者判断距离为（5.016±1.247） m比女被试者（4.976±1.186） m的判断距离多0.04 m。采用样本t检测，求得Sig=0.826>p（0.05），可以发现性别对于寻路实验无显著性差异。

表2显示了不同单眼观察条件下对距离判断的均值和标准差。在仿真假体单眼观察条件下，判断距离为（5.107±1.277） m，比正常单眼（4.940±1.177） m的判断距离多0.167 m，通过显著性分析可得Sig=0.457>p（0.05），发现仿真假体单眼条件下对距离判断与正常单眼无显著性差异。

3  结  语

本文研究是在现实场景中进行的仿真假体视觉实验，实验结果表明，在近距离范围内佩戴假体对距离感知判断与正常情况下无显著性差异，能够准确定位放在地面上的物体，并且性别对距离判断的准确性没有显著性影响。研究的结果可为视觉假体植入的临床试验提供有力的数据支持。虽然现阶段视觉假体仍存在很多不足，但随着研究的深入和技术的进步，视觉假体将更好地帮助假体佩戴者正常地完成各种生活任务。

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