基于傅里叶频谱分析设计的汉字近视力表

基于傅里叶频谱分析设计的汉字近视力表作者：王晨晓，陈湘君，贺极苍，瞿佳，吕帆    作者单位：温州医学院附属眼视光医院，浙江 温州 325027     【摘要】  本研究介绍一种汉字近视力表。本视力表将傅里叶频谱分析和心理物理学测试应用于汉字视标的选择，筛选出可视性相似的汉字作为同一张视力表的视标。在视力表的设计中，每行视标的个数保持一致，每相邻两行视标之间的行间距为下一行视标的高度，每一行的字间距为该行所在字的字宽，视标的增率采用0.1对数单位，增加可重复测试的小视标及低对比度视力表等。因被检者的阅读习惯距离存在差异，故规定标准检查距离为40 cm的同时设置25 cm作为备选测量距离。将它应用于常规测试对预测被检者辨认汉字的阈值和早期发现与视觉有关的眼病有一定的临床价值。     【关键词】  视力表；可视性；对比度    视力表是眼科诊断中最重要的工具之一。目前，在眼科临床的视力检查中，作为视力表的视标有文盲E、字母及数字等。在许多以英语为第一语言的国家，英国标准字母和Sloan字母及数字较为通用［1］。在国内则以文盲E为视标的视力表在临床的视力测试中应用最为广泛。这些视标设计的基本原理一致：每一个笔画占整个视标高度的1/5，在设计距离，每个笔画所对应的视角为1弧分；视标的增率采用几何级数［2］。    通过视力的测量，可了解眼部的健康状况，以及被检者对日常阅读文字的分辨能力。由于人们获取信息的最重要方式，是通过阅读来实现的，用被检者熟悉的文字来评估视力，则可以直接而充分地了解被检者阅读该种文字字体大小的阈值。对于有文化的眼疾（如低视力）患者而言，通过测量以母语文字为视标的视力，可以了解眼疾对日常阅读及生活所造成的影响，为是否进行手术治疗或助视器的验配提供参考［3］。在以往设计的汉字视力表中，Woo等［4］于1980年设计的汉字视力表将汉字的笔画加粗，使每一笔画占据1/5汉字高度，由于理想的视标应该具备横向、垂直、斜向及弧形的笔画，因此该汉字视标包含了撇和捺结构，比文盲E多了斜向笔画［5］。但是，这种经过加工后的汉字视标完全不同于日常读物中的汉字。瞿佳［6］于上个世纪90年代设计的汉字阅读视力表则由最常见的汉字组成。视标之间具有尽可能相似的可视性是视力表设计的一个重要原则。在这些汉字视力表制作过程中，均以笔画数、字频、字形等因素作为可视性的主要参考因素。而事实上，即使是具有相同笔画数的汉字，它们之间也未必具有相似的可视性。因此，本视力表在汉字视标的选择上，不仅考虑笔画数，而且综合考虑汉字的空间频率特性，并结合汉字认知的心理物理学测试，最终确定可视性相似的汉字作为视标。    本视力表在保证所选汉字视标之间具有相等可视性的前提下，结合视力表设计的原理，设计完成两对比度汉字近视力表（分别为中笔画和少笔画）以及两对比度标准对数近视力表。1  视标的选择    1.1  视标的笔画数  从2500个常用汉字中分别选择七、八、九画汉字（共890个）和二、三、四画汉字（共172个）作为中笔画汉字和少笔画汉字近视力表的备选视标。选择七至九画汉字作为视标的依据：①在5991个比较常用的汉字中，使用几率较高的前五百个汉字的平均笔画为7.24。②现代汉语常用2500字中，以八画和九画字居多。③现代汉字中使用几率最高字“的”的笔画为八画［7］。选择二至四画汉字作为近视力表的依据：儿童读物主要由少笔画数汉字组成。少笔画数汉字视标用于测量儿童汉字视力。而中笔画数汉字视标则用于测量具有屈光不正、老视、弱视和低视力等视力问题的青少年及成人的汉字视力。    1.2  视标的空间频率  将以上所选的每个汉字制作成图像，利用傅里叶频谱分析原理开发的MATLAB程序对每个汉字的空间频率进行分析，获得每一张汉字图像各空间频率成分所对应的频谱能量；在汉字图像傅里叶频谱分析的基础上，分别对所有的少笔画和中笔画汉字的各空间频率的频谱能量求均值，以此作为参照值，采用聚类分析将汉字图像进行聚类。从少笔画数和中笔画数汉字中分别选取空间频率的频谱能量均值相似的两组汉字，分别为50个和40个［8］。由于理想的视标应该同时具备横向、垂直、斜向和弧形的笔画，因此，从以上两组汉字中选择出尽可能包含横、竖、撇、捺结构的17个中性少笔画汉字和20个中性中笔画汉字作为备选视标。    1.3  汉字认知的心理物理学测试  以从以上步骤所选的17个少笔画和20个中笔画汉字的平均视敏度阈值为参考值，制作6种字体大小不同的汉字图片，每个汉字在每一种字体大小的情况下均呈现10次，测量每个汉字在每一种字体大小时辨认的准确性。收集数据，分析每个汉字的可视性，最终筛选出可视性相似的少笔画和中笔画汉字各10个，分别作为少笔画汉字和中笔画汉字近视力表的视标。2  视力表的设计特征    完成设计的汉字近视力表样品见图1和图2。它们有以下设计特征：    2.1  可视性  通过充分考虑汉字笔画数、空间频率特性以及通过心理物理学测试，最终得到可视性非常相似的10个少笔画汉字和10个中笔画汉字作为视力表的视标。    2.2  字体  日常读物的字体以宋体多见，因此，视标所选用的字体为宋体。    2.3  视标高度和增率  在标准检查距离，小数视力为1.0的视标高度为5弧分。每表中共有15行视标，其大小为几何级数递减，相邻两行视标之间的比值为0.1对数单位，即1.2589。    2.4  每行字的个数  每一行视标包含5个汉字，理由如下：①均衡每行及各行字之间的拥挤现象。②每一行具有相同的个数，使每一个字具有相同的赋值（LogMAR视力：0.02），这样可以方便用于变距测量和视力记录。③每行具有5个视标，以减少猜测和记忆。    2.5  行间距和字间距  为了获得相同的拥挤现象，每相邻两行视标之间的行间距为下一行视标的高度，每一行的字间距为该行所在字的字宽［1］。    2.6  对比度的设置  对比度由物体亮度和背景亮度来确定，对比度＝（物体亮度－背景亮度）/物体亮度＋背景亮度）。对比敏感度为视觉系统能察觉的对比度阈值的倒数，对比敏感度＝1/对比度阈值。对比度阈值低，则对比敏感度高，视功能好，因此，在某一对比度时，视觉系统有一定的空间频率分辨力。因为部分眼病患者仅表现为低、中对比度受到影响，故同时设置低对比敏感度视力表用于早期发现与视觉有关的眼病［9］。    2.7  多个版本的设置  多个版本的小视标（从8.0 pt到1.3 pt）用于汉字视力的重复测量。如对于被检者而言，用这张视力表，可以同时测量右眼、左眼的汉字视力或者用于随访过程中的多次视力测量，避免了单一版本反复使用导致“先入为主”而影响测量的准确性。    2.8  标准对数近视力表的设置  为了方便对测得的汉字近视力与传统的标准对数视力表的测量结果进行差异比较，在少笔画和中笔画汉字近视力表的反面增加了标准对数视力表（见图3）。3  视力的标准测量距离和记录    视力的标准测量距离为40 cm，由于被检者的阅读习惯距离存在差异，故另设置25 cm作为备选距离。一定大小的视标在不同检查距离所对应的LogMAR、小数和5分视力(L)见表1，视力表的下方印有一定大小的视标在各个检查距离所对应的小数视力。照明为明亮室内照明，配戴最佳屈光矫正眼镜，先测右眼，再测左眼。阅读视标的顺序由大至小，当某一行的视标有三个或三个以上不能被辨认时，允许被检者停止阅读视力表。视力的记录如下所示：当被检者在40 cm检查距离能阅读第10行视标，另外，第11行视标能辨认出2个时，视力记录为0.4＋2（小数）或4.6＋2（5分）；如被检者在25 cm检查距离能辨认所有的第10行视标，而第11行视标有一个认错，则视力记录为0.3－1/4.5－1，上标的数值介于－2和＋2之间［1］。4  讨论    本汉字近视力表在考虑笔画数的基础上，应用汉字图像的傅里叶频谱分析和心理物理学测试确定其视标。在保证视标之间具有均一可视性的基础上，采用国际上通用视力表设计原则，如视标大小采用对数增率，每行有相同的视标个数、有一定的行间距和字间距等，最终完成汉字近视力表的设计。    本汉字近视力表具有创新性、高效性、可重复性、灵活性、便于携带的特征。创新性主要体现在将傅里叶频谱分析应用于汉字视标的选择，在此基础上进一步应用心理物理学方法最终确定汉字视标，这两种方法在视标选择上的应用是确保所选视标之间具有均一可视性的关键步骤，而视标之间具有相等的可视性是视力表设计的前提。高效性体现于在同一页面同时包含了高、低两种对比度视标，增加的低对比度视标的使用便于发现与视觉相关的眼病和视力障碍。可重复性体现在同一种对比度(高或低)视标中设置了多个版本的小视标便于视力的重复测量，这样即使是同一被检者在同一时间进行重复测量(≤2次)也不会影响视力测量结果的准确性。以上这些设置在国内已有的近视力表中均属首次。而便于携带的特征则体现在该视力表的小尺寸。    本汉字近视力表在创新的基础上，结合经典的设计理念完成设计，不仅可以用来预测被检者对日常阅读材料的分辨能力，用于验配低视力助视器时的视力评估，而且还可以用于早期发现与视觉有关的眼病和视力障碍。因此，建议将本汉字近视力表应用于临床的常规测试。【参考文献】  [1] Bailey IL， Lovie JE. New design principles for visual acuity letter charts[J]. Am J Optom Physiol Opt，1976，53(11)：740-745.  [2] Sloan LL， Rowland WM， Altman A. Comparison of three types of test target for the measurement of visual acuity[J]. Q Rev Ophthalmol，1952，8（1）：4-16.  [3] 吕帆，瞿佳，周翔天. 汉字视标视力表研究的焦点问题及其剖析[J]. 中华眼科杂志，2008，44(7)：581-583.  [4] Woo G， Lo PA. Chinese word acuity chart with new design principles[J]. Singapore Med J，1980，21(5)：689-692.   [5] Sloan LL. New test charts for the measurement of visual acuity at far and near distances[J]. Am J Ophthalmol，1959，48：807-813.   [6] 瞿佳. 汉字阅读视力表及其设计原理[J]. 温州医学院学报，1990，20(3)：158-161.  [7] 王晨晓，吕帆，徐丹，等. 快速系列视觉呈现、全屏显示和纸面显示方式下汉字阅读速度的比较[J]. 中华眼科杂志，2007，43(8)：704-708.  [8] 王晨晓，陈湘君，贺极苍，等. 将傅里叶频谱分析应用于汉字视标的选择[J]. 中华眼科杂志，2008，44(7)：587-590.  [9] 王光霁.不同对比度视力表及其临床应用[J]. 眼视光学杂志，1999，1(1)：10-12.