Вергентно-аккомодационный конфликт в шлемах виртуальной реальности

• Введение
• Принципы физиологического бинокулярного зрения в реальном мире
• Принципиальное устройство VR-шлемов и предпосылки развития ВАК
• Офтальмологические проявления ВАК
• Некоторые пути решения конфликта
• Заключение

Виртуальная реальность (VR) – это принципиально отличная от окружающего мира реальность, сгенерированная полностью (или частично) компьютером и задействующая как зрительную, так и вестибулярную систему человека. Распространение в мультимедийной сфере технологии наголовных дисплеев (HMD) в виде шлемов для погружения в виртуальную реальность способствовало попыткам ее внедрения в различные области медицины. Несмотря на многочисленные преимущества, HMD-технология обладает существенными недостатками, важнейшим из которых является вергентно-аккомодационный конфликт (ВАК). В краткосрочной перспективе он обуславливает непереносимость пациентом HMD, а в долгосрочной может оказать влияние и на состояние собственного бинокулярного зрения пациента. В современных коммерчески доступных наголовных дисплеях этот недостаток не устранен, поскольку для обеспечения физиологического состояния органа зрения во время работы в HMD необходимы средства быстрой калибровки фокусного расстояния в зависимости от вергенций глаз пользователя, и в настоящий момент они активно разрабатываются. Данный обзор раскрывает суть проблемы ВАК и описывает некоторые пути решения такой проблемы в HMD, которые, вероятно, будут реализованы в следующем поколении этих устройств.

Введение

Системы 3D-визуализации на сегодняшний день широко распространены в отрасли развлечений – в таких ее сферах, как кино, телевидение, видеоигры. До начала 2000-х годов 3D-визуализация по большей части касалась отдаленно расположенных экранов кинотеатров, телевизоров и мониторов, но начиная с начала нулевых именно технология наголовных дисплеев в виде шлемов стала значительно более коммерчески доступной. Этому способствовало распространение смартфонов с экранами высокого разрешения, экономическая оптимизация производства мультимедийного контента, разработанного под виртуальную реальность, и ряд других факторов.

Погружение в виртуальную реальность (virtual reality, VR) – это значительно более тяжелая и сложная нагрузка на зрительный анализатор, нежели при восприятии простого стереоскопического изображения, поскольку органом воздействия становится также и вестибулярный аппарат, который многочисленными рефлекторными связями сопряжен с движением глаз.

Наголовный дисплей, или HMD (от head-mounted displays – носимый на голове дисплей), именуемый также VR-шлемом, представляет собой устройство для погружения в виртуальную реальность, создающее зрительный и акустический эффект присутствия в заданном управляющим компьютером пространстве. Такие шлемы широко используются в мультимедийной сфере развлечений, но особенности создаваемой ими виртуальной среды потенциально могут оказаться крайне полезными и в различных областях медицины.

В педагогике погружение детей в виртуальную реальность может способствовать развитию и совершенствованию окуломоторных навыков, как то: реакция, концентрация, внимание. Перспективно использование HMD в реабилитации пациентов с хроническим головокружением, церебральным параличом и психическими заболеваниями.

Для врачей HMD может стать подспорьем в хирургии в целом и телемедицине в частности, заменив классические плоские экраны, поскольку виртуальная реальность дает несравненно глубокое чувство погружения. В первую очередь это касается врачей-эндоскопистов и нейрохирургов.

Формирование стереоизображения – не обязательное условие для работы в VR-шлеме, а его способность отграничивать зрительную систему человека от внешних факторов нашла применение и в офтальмологии. Так, компанией «Тотал Вижен» (Москва) была разработана периметрическая программа на основе HMD для изолированного проведения статической пороговой периметрии у пациентов в условиях вне медицинских кабинетов.

Несмотря на преимущества стереоизображения в VR-шлемах по сравнению с классическими стереотехниками, у них есть существенный недостаток. Полноценное использование VR-шлема сопряжено с риском для здоровья в целом и глаз в частности, причем как неспецифическим, связанным с близко расположенным к глазу источником электромагнитного излучения, так и специфическим, обусловленным внедрением в естественный акт бинокулярного зрения. Создатели VR-технологий этого не скрывают, вынося в инструкции к HMD соответствующие предупреждения.

Одиночное видение бинокулярно воспринимаемого объекта (Binocular Single Vision, BSV) – физиологическое состояние бинокулярного зрения здоровых людей, обеспечивающее высшую его функцию – стереопсис, существует в условиях реального окружающего мира. При надетом VR-шлеме условия работы глаз значительно изменяются. Чтобы точнее понять принцип погружения в виртуальную реальность и суть проблем, связанных с этим, необходимо детальнее остановиться на принципах бинокулярного зрения  и осуществлении стереопсиса.

Принципы физиологического бинокулярного зрения в реальном мире

В реальном мире объекты в зоне оптимального стереопсиса воспринимаются с физиологическим двоением, а величина диспаратности определяет ощущение глубины. Важно описать это состояние подробнее.

Предположим, что человек бинокулярно фиксирует некую точку А в пространстве в n метрах от себя. При этом зададим некую поверхность в пространстве, все точки которой в данный момент времени при данной фиксации падают на корреспондирующие точки обеих сетчаток, а следовательно, объекты из этой плоскости воспринимаются без двоения благодаря фузии. Такая поверхность называется гороптером (греч. horos – граница, opter – наблюдатель).

Если рассматривать систему чисто с математической точки зрения, в которой глаза описываются формулами сферических поверхностей, то гороптер будет представлять собой поверхность сферы с радиусом R₁, проведенной через точку фиксации А и оптические центры обоих глаз (рис. 1). Такой гороптер именуется теоретическим (окружность Виета–Мюллера).

Рис. 1. Отношение эмпирического гороптера и области Панума (ОП)

Человек двумя глазами – правым (OD) и левым (OS) – фиксирует точку A на удалении n. Точки (например, А и О), расположенные на плоскости эмпирического гороптера (ЭГ), проецируются на корреспондирующие точки сетчаток обоих глаз – А₁ и А₂, О₁ и О₂ соответственно – и воспринимаются бинокулярно без двоения. Эмпирический гороптер не совпадает с теоретическим (ТГ). В узком пространстве перед и позади эмпирического гороптера объект будет продолжать восприниматься без двоения. Это пространство называется областью Панума (ОП), и оно соответствует площади определенной фузионной области на сетчатке

В реальности форма глазного яблока сложнее, а потому гороптер будет представлять собой выпуклую поверхность, сегмент сферы с радиусом R₂ – большим, чем R₁. Этот гороптер был рассчитан эмпирически, и было установлено, что его отклонение от математической модели подчиняется определенной закономерности (отклонение Геринга–Хиллебранда). Поэтому при отдалении точки фиксации и увеличении радиуса теоретического гороптера эксцентриситет эмпирического гороптера уменьшается, а его форма меняется от выпуклой плоскости и ровной поверхности до вогнутой плоскости (рис. 2). Это также одна из причин, почему вергентно-аккомодационные отношения наиболее актуальны при работе на небольшом расстоянии.

Рис. 2. Изменение формы эмпирического гороптера при удалении точки фиксации

В отличие от теоретического гороптера (ТГ), эмпирический гороптер (ЭГ) вместе с прилегающей областью Панума (ОП) меняет свой эксцентриситет при удалении точки фиксации от наблюдателя. На определенном расстоянии эксцентриситет увеличивается настолько, что гороптер начинает представлять собой ровную плоскость. Эта дистанция называется абатической дистанцией (стрелка на рисунке), и за ее пределами аккомодационный вклад в осуществление вергентных движений минимален

Опять же в пределах этой плоскости изображение объектов воспринимается без двоения, поскольку они проецируются на корреспондирующие точки сетчатки. Причем «толщина» гороптера, то есть глубина той области пространства, в пределах которой физиологического двоения не наблюдается, определяется величиной области Панума каждого человека (см. рис. 1) и обратно пропорциональна остроте стереоскопического зрения.

Определим точку В из множества точек, которые в момент фиксации объекта находятся вне плоскости гороптера, но ближе, чем в n метрах от точки А. Такая точка В лежит вне зоны Панума, а потому проецируется на диспаратные точки сетчаток, но если человек закроет правый глаз и будет смотреть левым, то монокулярно точка В будет восприниматься правее относительно ее восприятия монокулярно правым глазом. Такая диспаратность называется перекрещенной, поскольку в условиях физиологической диплопии правый глаз воспринимает левое изображение, а левый – правое (рис. 3).

Аналогично определим точку С из множества точек, которые в момент фиксации объекта лежат вне плоскости гороптера, но дальше, чем в n метрах от точки А. Точка С также расположена вне зоны Панума, а потому проецируется на диспаратные точки сетчаток, но в данном случае правое изображение точки С воспринимается правым глазом, а левое – левым. Это неперекрещенная диспаратность (рис. 4).

 

Рис. 3. Перекрещенная диспаратность при восприятии объекта перед гороптером

Если при бинокулярной фиксации на точке А человек будет поочередно закрывать правый и левый глаз, то точка В при монокулярном взоре левым глазом будет стоять правее, чем ее аналогичное изображение при взгляде правым глазом. Такие точки при акте бинокулярного зрения воспринимаются как расположенные близко к наблюдателю

Рис. 4. Неперекрещенная диспаратность при восприятии объекта позади гороптера

Если при бинокулярной фиксации на точке А человек будет поочередно закрывать правый и левый глаз, то точка С при монокулярном взоре левым глазом будет стоять левее, чем ее аналогичное изображение при взгляде правым глазом. Такие точки при акте бинокулярного зрения воспринимаются как отдаленные от наблюдателя

Вне зависимости от степени и типа диспаратности важно отметить, что и точка В, и точка С расфокусированы, поскольку находятся вне оптимума аккомодации. Оптическая система глаза откалибрована с рождения, что выражается полным соответствием величины аккомодации степени диспаратности. Система аккомодации и система вергенции работают сообща от перекрестных стимулов, обеспечивая человеку ясное физиологическое стереоскопическое зрение.

В реальном мире если человеку необходимо перефокусироваться с одного объекта на другой, то мозгом анализируется тип и степень диспаратности, а также степень расфокусировки. Тип диспаратности определяет вергентное движение глаз, а ее степень – амплитуду этого движения.

Вместе с вергентным движением осуществляется акт аккомодации/дезакомодации, причем если степень аккомодации не будет меняться в соответствии с амплитудой вергенции (а именно это происходит при надетом HMD), то произойдет вергенционно-аккомодационный конфликт (ВАК) .

Такой конфликт можно выявить также у людей со слабостью аккомодации и/или недостаточностью конвергенции, поэтому в оптометрической, а особенно в десткой офтальмологической практике одним из показателей правильной работы глаза является соотношение аккомодации и конвергенции. В норме на каждую диоптрию относительной аккомодации должно приходиться некоторое количество призматических диоптрий конвергенции. При ортофории соотношение аккомодационной конвергенции и аккомодации составляет (3÷6)/1, то есть на каждую 1 диоптрию аккомодации приходится от 3 до 6 призматических диоптрий конвергенции. Таким образом, при неизменной конвергенции возможны изменения аккомодации в достаточно широких пределах, и наоборот. Однако при наличии гетерофории зависимость между аккомодацией и конвергенцией становится более жесткой; в частности, импульс усиливается даже при слабом аккомодационном напряжении. Именно то, что при тщательном обследовании у большинства людей выявляется та или иная степень гетерофории, стало фактором проявления симптомов ВАК при внедрении стереоскопических систем.

Принципиальное устройство VR-шлемов и предпосылки развития ВАК

По типу задействованного дисплея выделяют две группы устройств VR-шлемов: шлемы с собственными дисплеями (Oculus Rift, HTC Vive, Sony Playstation VR и др.) и шлемы, использующие в качестве средства предъявления изображения дисплей мобильного телефона, закрепляемого в корпусе (Google Daydream, Samsung Gear VR и др.). Как правило, устройства, рассчитанные на использование смартфона, стоят дешевле и доступнее устройств первой группы [9].

Экраны в шлеме расположены на близком расстоянии от глаз (менее 15 см), но между каждым глазом и экраном помещена сильная собирающая линза, благодаря чему изображения воспринимаются удаленными. Такая линза в шлемах первого поколения имела сферический дизайн (комплементарный теоретическому гороптеру), а в шлемах второго поколения – асферический (комплементарный эмпирическому гороптеру). Она предназначена для того, чтобы разгрузить аккомодацию.

Размер экрана связан с силой собирающей линзы. Цель VR-шлемов – охватить дисплеями как можно больший фрагмент поля взора – в целом оно составляет около 270°. Современные VR-шлемы дают охват 90–110°, но имеют ряд технически сложных моментов. Собирающая линза, во-первых, уменьшает поле взора, во-вторых, увеличивает изображение экрана (снижается разрешение), в-третьих, провоцируют аберрации. Не говоря уже о большом весе таких линз. Уменьшение оптической силы линзы устраняет эти недостатки, но в таком случае дисплеи необходимо отдалять от глаз и увеличивать их размер по диагонали. Именно в условиях подбора оптимального баланса разрабатываются VR-шлемы в настоящее время; кроме того, их система чувствительна к рефракции и межзрачковому расстоянию, совсем как у обычных очков.

Для компенсации оптических аберраций (дисторсии и хроматической аберрации) применяют программные методы: контент изначально редактируется и подается с «обратными» аберрациями. Высокое требование к разрешению дисплеев создает большую нагрузку на видеокарту и решается различными методами: оптимизированный рендеринг изображения, изменение кривизны экрана и др. Ряд устройств имеет возможность регулировать расстояние разгрузочных линз до экрана и между собой для компенсации аметропий и межзрачкового расстояния, но диапазон таких вариаций ограничен. Проблема с компенсацией астигматизма в современных VR-шлемах не решена. Производители допускают их использование поверх прописанных контактных линз или очков, но ношение последних ограничено тесной конструкцией шлема.

При надетом VR-шлеме человек помещается в условия виртуального, сгенерированного компьютером, мира, объемное изображение которого достигается путем прямой гаплоскопии: на каждый глаз проецируется картинка с отдельного дисплея (дихоптическое изображение). Чувство глубины в VR-шлеме первых поколений задается благодаря относительному латеральному смещению изображений на дисплеях, что обуславливает диспаратность проекций этих изображений на сетчатках. Латеральное смещение изображений в VR-шлеме происходит постоянно, поскольку в условиях виртуальной реальности часто сменяется перспектива, что достигается движениями головы в реальном мире . Это является определяющим требованием к калибровке акселерометров: точность изменения перспективы в виртуальном мире должна совпадать с реальным изменением положения головы. Раскоординированность вестибулярных сигналов проявляется больше в шлемах, использующих мобильные телефоны в качестве дисплеев, а акселерометр мобильного устройства – для модуляции смены перспективы.

С учетом постоянного изменения диспаратности изображений при сохранении их «фокусировки» в VR-шлеме глазам постоянно необходимо совершать вергентные и версионные движения для компенсации диплопии при переводе взгляда с объекта на объект. При этом аккомодация не оказывается задействованной и возникает ВАК, причем его можно подразделить на отрицательный (negative) и положительный (positive). Отрицательный ВАК сопровождает предъявление объектов в VR-шлеме с неперекрещенной диспаратностью, а положительный ВАК – с перекрещенной.

Офтальмологические проявления ВАК

Изучение ВАК началось сразу с появлением 3D-технологий, однако, в отличие от дистанционно расположенных дисплеев и мониторов, в VR-шлеме экраны находятся максимально близко к сетчаткам и степень диспаратности изображений для подержания стереоэффекта должна быть очень высокой. Считается, что именно ВАК является причиной развития зрительного дискомфорта при работе в VR-шлемах. Причем именно их он касается в первую очередь, хотя и описан был для всех стереоскопических систем, включая 3D-очки в кино и телевидении и стереосистемы медицинской визуализации, как общая проблема области 3D-технологий.

ВАК субъективно проявляется в виде чувства напряжения в глазах (астенопии), затуманивания зрения, головокружения и головной боли, что можно объединить единым термином «кинестезия» (или 3D-астенопия). Согласно результатам опросов около 30% человек испытывают усталость глаз после просмотра фильма в 3D-очках. По данным исследования Колумбийского университета, кинестезия проявляется у 83% пользователей VR-шлемов. Разработчик Oculus Rift М. Абраш (M. Abrash) утверждает, что 60% людей способны адаптироваться к кинестезии, 20% испытывают ее постоянно и только 1% откажется от использования шлема. Выявлено, что отрицательный ВАК вызывает более значительный дискомфорт, причем субъективная его степень умеренно коррелирует с фузионными резервами.

Объективно ВАК проявляется в увеличении времени моторной фузии и повышении порога стереозрения. Выявлено усугубление эзофории (при ее первоначальном наличии) и отдаление ближайшей точки конвергенции в короткие сроки уже после 10-минутного пользования VR-шлемами первого поколения.

Замедление фузии вблизи можно объяснить нарушением конвергенции. Под этим термином объединяются конвергенция диспарационная и аккомодационная. Это разные варианты одного вергенционного бинокулярного движения, но первая стимулируется диспаратностью, вторая – аккомодацией. Показано, что эти движения осуществляются с разной скоростью и в разное время относительно появления стимула. Таким образом, предположено, что аккомодационная конвергенция может ингибировать диспарационную.

Необходимо также полноценно исследовать влияние ВАК при использовании VR-шлема на возникновение и прогрессирование миопии. Уже подтверждена зависимость между временем работы на близком расстоянии и скоростью прогрессирования миопии у детей; особенно важно оказалось именно время непрерывной работы в пределах 30 см. Использование VR-шлема нельзя приравнять к работе на близком расстоянии, но есть данные, что прогрессирование миопии у взрослых может усугублять длительная работа за микроскопом. Относительная доля миопов и средняя степень аметропии выше у профессиональных микроскопистов, чем в среднем по популяции. Микроскоп и VR-шлем схожи в плане зрительной нагрузки: обе системы дают бинокулярное изображение мелких объектов через сильные собирающие линзы.

Некоторые другие факторы прогрессирования миопии не учтены в современных VR-шлемах: уровень освещенности, изначальный бинокулярный статус, периферический рефракционный дефокус. Все они в той или иной степени могут проявляться при ношении VR-шлема в долгосрочной перспективе. Есть данные, что в краткосрочном периоде VR-шлем не оказывает негативного влияния на единовременность бинокулярного зрения после 40-минутного использования, но вызывает статистически, но не клинически значимое истончение хориодеи (на 10 мкм).

Некоторые пути решения конфликта

Прямая компенсация вергенций. Смещение оптического центра линзы во фронтальной плоскости для компенсации фузионной нагрузки – метод виртуальных призм. Метод был опробован в Немецком центре по проблемам головокружения и нарушений равновесия (German Centre for Vertigo and Balance Disorders) на 14 людях в целях попытки уменьшить степень гетерофории, как аналог оптической призматической нагрузки. Исследование показало, что 20-минутное предъявление неподвижного креста с переменной степенью диспаратности уменьшает степень гетерофории в среднем на 27%. Аналогичное исследование без VR-шлема, но с использованием поляризационных 3D-очков и монитора привело к схожим результатам.

Технологии дополненной и смешанной реальности. Речь идет о разработке полупрозрачных экранов, которые пропускают свет извне и комбинируют его с виртуальной картиной. Виды таких экранов подробно были рассмотрены Дж. П. Ролландом (J. P. Rolland) с соавт. На сегодняшний день технология прозрачных экранов продолжает развиваться. Самый известный массовый проект HMD такого типа – гарнитура Google Glass, которая в 2015 году была снята с широкого коммерческого производства.

Виртуальные ретинальные дисплеи. Луч лазера очень низкой мощности через систему деформируемых зеркал подается непосредственно на сетчатку. Поворот зеркал определяется программной диспаратностью изображений. Инженерам удалось построить прототип с аккомодационной глубиной более 10 дптр, но изображение, которое подавалось на сетчатку, было крайне примитивным и очень далеким от требований современной VR-индустрии.

Мультифокальные линзы. Для стереоскопических систем реальным решением проблемы представлялось применение мультифокальных линз. Основная идея, как и при коррекции пресбиопии, заключается в создании одновременного проецирования с различных фокусных плоскостей. Внедрение линз с двойным лучепреломлением рефракционного и дифракционного дизайна ограничено высокой чувствительностью к размерам зрачка. Были опробованы и другие мультифокальные системы: система линз, аналогичная системе электронного фороптера и переключающаяся с высокой частотой синхронно с изображением на экране; похожим образом работающие вибрирующие зеркальные мембраны; многослойные дисплеи. Эти технологии находят лишь узкое применение и дают лишь несколько фокусных областей, но не обеспечивают протяженной аккомодационной области.

Вариофокальные линзы. На сегодняшний день в ближайшем поколении новых VR-шлемов реальным решением проблемы ВАК представляются именно вариофокальные линзы. Это линзы или системы линз, способные автоматически изменять свое фокусное расстояние, подстраиваясь под вергентные движения пользователя. Для внедрения аккомодирующих систем в промышленные VR-шлемы необходима очень точная система отслеживания направления взора (gaze-tracking), которая, помимо технических нюансов, должна быть недорогой и стабильной. Так, разработан однолинзовый мягкий объектив, двигающийся относительно глаза в соответствии с показателями электроокулографии, снятой посредством лицевых электродов. Изменение рефракции осуществляется в ответ на быстрое двойное моргание, максимальная разница между фокусными расстояниями не превышает 32%, время отзыва – 0,5 с. Разработчики рассматривают данную систему с точки зрения оптической коррекции пресбиопии и внедрения в оптику VR-шлема.

В разработке «вариофокалов» распространено использование комбинированных твердо-гелевых материалов в производстве линз, форма которых, а следовательно, и оптическая сила зависят от электрического напряжения [38]. Для моноскопического экрана был создан вариофокальный прототип Суямы (Suyama), а годами позже – модернизированный прототип Лиу–Хуа (Liu–Hua), на основании которых разрабатываются системы для стереоскопических экранов. Значимым ограничением для внедрения таких систем остается время отклика.

Одной из новейших разработок являются автофокальные линзы (вид вариофокальных линз). Такие линзы могут менять свою оптическую силу в зависимости от расстояния до объекта, на который смотрит человек в данный момент. В этих системах задействована жидкость, которая способна изменять форму линзы под действием электрического напряжения; диапазон изменения фокусного расстояния – 4 дптр. В верхней части оправы автофокальных очков установлена камера измерения глубины пространства, в нижней части – парный датчик движения глаз. Данные с обоих устройств собираются, затем алгоритм накладывает координату положения взора на точку глубины пространства и на основе этого сопоставления меняет фокусное расстояние линзы. Технология разрабатывалась изначально под нужды пресбиопов. Было проведено исследование с участием 37 добровольцев, у которых оценивалась острота зрения, контрастная чувствительность и время фокусировки с применением автофокальных и прогрессивных линз. По результатам исследования 23 человека отдали предпочтение автофокальным очкам .

Заключение

Технология HMD продолжает активно развиваться и со временем все больше будет внедряться в различные сферы нашей жизни, однако уже сейчас ясно, что полноценное погружение в виртуальную реальность доступно для восприятия только здоровым людям с нормально функционирующим бинокулярным зрением. Прямая гаплоскопия в HMD активно задействует принципы поперечной диспаратности изображений, исключая при этом аккомодационный компонент вергенций. Краткосрочное использование VR-шлемов сопряжено с некоторыми обратимыми изменениями в нормальном акте бинокулярного зрения. Однако в долгосрочной перспективе исследований в данной области на сегодняшний день недостаточно, и о вреде, более опасном для здоровья человека при их частом ношении, пока достоверно судить нельзя. С учетом этого эксплуатация HMD в любых целях должна рассматриваться как потенциально вредная для здоровья.

Именно поэтому в настоящее время обостряется потребность в создании концепции VR-безопасности на техническом и законодательном уровнях. Уже сейчас ведется разработка аппаратных средств профилактики ВАК, но по-прежнему необходимо их качественное исследование. Не стоит также забывать о неспецифической аудиовизуальной стороне влияния любой мультимедийной системы на организм человека.

Как и любая инновационная технология, VR-технология продолжит совершенствоваться, и после внедрения соответствующих профилактических технологий, вероятно, будет возможность практически полностью нивелировать все негативные краткосрочные эффекты ВАК.

Текст: Вадим Алексеевич Тургель, Сергей Александрович Новиков

Copyright © РА «Веко»

Печатная версия статьи опубликована в журнале «Современная оптометрия» [2019. № 9 (129)].

По вопросам приобретения журналов и оформления подписки обращайтесь в отдел продаж РА «Веко»:

• Тел.: (812) 603-40-02.
• E-mail: magazine@veko.ru
• veko.ru

Наши страницы в соцсетях:

• vk.com/vekomagazine
• fb.com/vekomagazine