1. Was ist der eye-test-PC

Abbildung 1

Unser eye-test PC ist ein computer-gesteuertes System für Untersuchungen verschiedener Sehfunktionen unter Bedingungen eines Bildschirmarbeitsplatzes.
Komfortables Sehen am Bildschirmarbeitsplatz erfordert eine gute Koordination beider Augen. Die Augenmuskeln müssen die Blickrichtungen der beiden Augen (d.h. die Gesichtslinien) präzise auf den fixierten Punkt auf dem Bildschirm ausrichten, was auch eine Voraussetzung für gutes 3-dimensionales Sehen ist. Diese und andere Sehfunktionen lassen sich mit dem eye-test PC prüfen.

2. Wissenschaftlicher Hintergrund

Der eye-test PC ist das Ergebnis unserer Forschung über das beidäugige Sehen in Bezug auf Sehbeschwerden am Bildschirm. In Kapitel 6 sind die wichtigsten Publikationen aufgelistet und Zusammenfassungen angefügt. Sonderdrucke können per e-mail bei Dr. Wolfgang Jaschinski angefordert werden.

3.

User Network

Wir kooperieren mit anderen Forschergruppen, Augenärzten und Augenoptikern, die den eye-test PC für eine detailllierte Diagnose des beidäugigen Sehens nutzen, auch in Zusammenhang mit offenen Forschungsfragen.

Die Kooperation im eye-test PC User Network basiert auf gegenseitigem wissenschaftlichen Austausch: das Institut für Arbeitsphysiologie stellt die eye-test PC Software zur Verfügung, die auf kommerzieller Personal Computer Hardware anwendbar ist.
Unser Ziel ist die wissenschaftliche Kooperation auf dem Gebiet der visuellen Forschung. Wenn Sie Interesse an der Anwendung des eye-test PC haben, wenden Sie sich bitte an Dr. Wolfgang Jaschinski.

4. Was kann man mit dem eye-test PC messen?

Abbildung 3

4.1 Die statische Fixationsdisparität
4.2 Zeitliche Fluktuationen der Fixationsdisparität
4.3 Dynamische Schwankungen der Vergenz
4.4 Grenzen für Stereosehen
4.5 Flimmerverschmelzungsfrequenz am Bildschirm
4.6 Kontrastempfindlichkeit

Hier finden Sie unter den genannten Punkten die ausführlichen Beschreibungen folgender Messmöglichkeiten:

4.1. Die statische Fixationsdisparität
4.1.1. Erklärung der statischen Fixationsdisparität

Abbildung 4

Für das beidäugige Sehen ist es optimal, wenn der Fixationspunkt (z.B. ein Zeichen auf dem Bildschirm) in beiden Augen auf die zentrale Stelle der Netzhaut abgebildet wird, denn nur in dieser sog. Fovea können kleinste Details wahrgenommen werden. Dann schneiden sich die sog. Gesichtslinien genau im Fixationspunkt, so dass im Gehirn die Überlagerung (Fusion) der Netzhautbilder beider Augen optimal erfolgen kann. Abweichungen von diesem optimalen Zustand kommen allerdings auch bei Personen mit normalem beidäugigen Sehen (d.h. mit gutem Stereosehen) vor: die Gesichtslinien können sich leicht hinter (exo) oder vor (eso) dem Fixierpunkt schneiden. Man bezeichnet dies als Fixationsdisparitäten, d.h. es besteht eine Disparation der Netzhautbilder beider Augen bei Fixation eines Sehobjekts. Der Konvergenzwinkel zwischen den Gesichtslinien der beiden Augen ist dann entweder etwas zu klein (exo) oder zu groß (eso), relativ zum geometrisch optimalen Konvergenzwinkel.

4.1.2 Die Noniusmethode zur Messung der Fixationsdisparität

Abbildung 5

Wie in der Abb. 5 gezeigt, sehen beide Augen eine Serie von Buchstaben (XOXOXOX), die als Sehreiz für die Einstellung des Konvergenzwinkels und für die Fusion dienen. Oberhalb und unterhalb des zentralen Fixationspunktes (mittleres O) erscheinen je eine Noniuslinie: die obere Noniuslinie ist nur für das rechte Auge sichtbar und die untere nur für das linke; diese sog. haploskopische Bildtrennung erfolgt mit einer Shutter-Brille. Zur Messung muß im Falle einer eso (bzw. exo) Fixationsdisparität die obere Noniuslinie nach links (bzw. nach rechts) relativ zur unteren Noniuslinie verschoben werden, damit beide Noniuslinien von der Testperson übereinander wahrgenommen werden. Dann liegen die Noniuslinien für das jeweilige Auge auf der Gesichtslinie, die die Blickrichtung "geradeaus" darstellt. Aus dem resultierende horizontalen Abstand der Noniuslinien lässt sich die Fixationsdisparität geometrisch als Sehwinkel (in Bogenminuten) berechnen. Die Fixationsdisparität ist also ein Maß für die Größe der Auswanderung der Augen relativ zum optimalen Konvergenzwinkel; wir verwenden hierfür die Abkürzung FDa.

Für "fortgeschrittene" Leser: Manche Sehteste (jedoch nicht der eye-test PC) ermitteln Brillengläser, die ein Prisma enthalten und mit dem eine Fixationsdisparitäten ausglichen, d.h. korrigiert werden kann. Die Stärke dieses Prismas (FDp) (angegeben in "Prismendioptrien") ist nicht identisch mit dem Auswanderungswert FDa; beide Größen können auch nicht direkt ineinander umgerechnet werden.

Der Zusammenhang zwischen FDa und FDp ergibt sich aus den sog. Fixationsdisparitätskurven Ogle (1967 ).

4.1.3 Das computer-gesteuerte psychometrisches Messverfahren

Die eye-test PC Software benutzt die adaptive psychometrische Prozedur Best PEST (Lieberman and Pentland, 1982), um zu bestimmen, bei welchem Noniusversatz die Noniuslinen subjektiv übereinander erscheinen. In einer Serie von mindestens 30 Präsentationen der Noniuslinien (bei jeweils unterschiedlichem Versatz und immer nur für 100 ms) gibt die Testperson mit der Computer-Maus an, ob sie die obere Noniuslinie rechts oder links relativ zur unteren Noniuslinie gesehen hat. Dabei, ist die Testperson aufgefordert, das zentrale Fusionsobjekt (O) zu fixieren.

4.1.4 Datenanalyse

Abbildung 6

Nach etwa 6 Präsentationen hat das Best PEST-Verfahren grob den Versatz der Noniuslinien herausgefunden, bei dem die Testperson die Noniuslinien übereinander wahrnimmt. Ab der 7. Präsentation wird in der Messserie ein Wechsel der Antwort (z.B. von "rechts" nach "links") so ausgewertet, dass der Mittelwert zwischen den beiden dazugehörigen Noniusversatz-Werten ein Schätzwert für die aktuelle Fixationsdisparität ist. Ebenso geschieht es bei einem Wechsel der Antwort von "links" nach "rechts". Im Falle von zwei Wechseln in einer Serie von 3 Antworten (z.B. "rechts" - "links" - "rechts") wird nur der erste Wechsel gewertet, damit die Schätzwerte unabhängig von einander sind. Es ergeben sich im Laufe der 30 Präsentationen eine Reihe von Schätzwerten für FDa, die nicht in jedem Fall statistisch normalverteilt sind. Daher bilden wir aus den Schätzwerten nicht den Mittelwert und die Standardabweichung, sondern entsprechend den Median und den Interquartilsabstand (Q3 – Q1)/2 (siehe Jaschinski, 1998).

4.1.5 Der Sehabstand verändert die Fixationsdisparität Fda

Abbildung 7

Mit dem eye-test PC messen wir FDa-Werte bei verschiedenen Sehabständen zwischen Auge und Sehobjekt und somit bei verschiedenen Vergenzwinkeln. Bei vielen Personen liegt ein Wert von FDa = 0 etwa bei einem Sehabstand von 1 m vor. Je geringer der Sehabstand, um so mehr verschiebt sich gewöhnlich die Fixationsdisparität in die exo-Richtung, dargestellt als negative FDa-Werte.

Die Form dieser FDa-Sehabstands-Kurven ("proximity fixation disparity curve") ist individuell verschieden ausgeprägt (Jaschinski, 1997). Die Steigung der FDa-Kurven als Funktion des Sehabstands (d.h. des Vergenzwinkels) spiegelt den Verstärkungsfaktor des Vergenzsystems wider (Schor, 1983; Jaschinski, 2001): eine Person mit einer geringen Vergenzverstärkung hat eine steile FDa-Sehabstandskurve, d.h. eine größere exo FDa in der Nähe. Der Sehabstand, bei dem ein Wert von FDa = 0 vorliegt, kann als Ruhelage des Vergenzsystems interpretiert werden. Je weiter der Sehabstand von dieser Ruhelage abweicht (in die Nähe, bzw. in die Ferne), um so deutlicher steigen die FDa-Werte tendenziell an, jeweils in die exo Richtung, bzw. in die eso Richtung (Owens, 1983).

4.1.6 Fixationsdisparität und visuelle Ermüdung

Abbildung 8

Für Untersuchungen des beidäugigen Sehens werden Messungen der Fixationsdisparität seit langem verwendet. Personen mit größeren exo FDa-Werten (konventionell bei einem Sehabstand von 40 cm gemessen) haben eher Sehbeschwerden beim Nahsehen, z.B. beim Lesen (Evans, 1997; Scheiman and Wick, 1994). Manche Personen vermeiden solche Sehbeschwerden dadurch, dass sie Bildschirme nicht so nah vor den Augen aufstellen, sondern bei eher größeren Sehabständen.

Für diesen bevorzugten Sehabstand ist die Steigung der FDa-Sehabstandskurve von Bedeutung, wie wir in zwei Laborstudien gefunden haben: Personen mit steileren Kurven gingen schneller zu größeren Sehabständen über (Jaschinski, 1998) und bevorzugten größere Sehabstände (Jaschinski, 2002). Der letztere Befund ist in der Abb. 8 illustriert: Die Gesamtstichprobe bevorzugte den Bildschirm im Bereich von 43 – 99 cm: allerdings wählen Personen mit steilen FDa-Sehabstandskurven eher Sehabstände größer als 63 cm.

Dies zeigt, dass die Messung der Fixationsdisparität (z.B. mit dem eye-test PC) für die ergonomische Gestaltung am Bildschirmarbeitsplatz genutzt werden kann.

5. Technische Komponenten

Das Messsystem des eye-test PC umfasst zwei Personalcomputer, den Control-Computer und den Test Computer (jeweils mit entsprechenden Monitoren), sowie Shutter-Brillen für die haploskopische Bildtrennung, d.h. die Darbietung verschiedener Bilder für die beiden Augen.

5.1
Der Untersucher bedient das Messystem am Control Computer und beobachtet die laufende Messung am Control Monitor. Technische Voraussetzungen: Jeder Pentium PC kann als Control Computer dienen, zusammen mit jedem beliebigen Monitor. Ein Notebook ist eine platzsparende Variante.
5.2.
Der Test-Computer generiert die Sehtestmuster auf dem Test-Monitor und steuert die Shutter-Brille.
Technische Voraussetzungen:

Test Computer: Pentium™ 400 (or faster) mit
Graphik Karte: 32 MB, z.B. geforce™ 2MX mit nVidia™ Chips
Test Monitor: CRT-Monitor mit 120 Hz Bildwiederholfrequenz (Flachbildschirme sind ungeeignet
5.3.
Die LCD-Shutter-Brille ist an einem Schwenkarm befestigt; sie wird mit Hilfe eines Spezialadapters (vom IfADo bereitgestellt) mit dem Druckerport des Test-Computer verbunden. Die Shutter-Brille muß so montiert werden, dass die Testperson mit dem rechten Auge die obere Noniuslinie sieht.

Technische Voraussetzung:
Shutter-Brille 3D revelator (Elsa™) oder
Shutter-Brille CrystalEyes™ (StereoGraphics Corporation)

5.4.
Ein Photometer dient zur Gamma-Korrektur des Test-Monitors. Diese Kalibrierung der Leuchtdichte ist notwendig, um die Noniuslinien mit einer Schrittweite von weniger als einer Pixelweite horizontal verschieben zu können, und zwar mit einer Anti-Aliasing Methode, z.B. Morgan and Aiba, 1984).
5.5.
Wenn die Beleuchtung des Untersuchungsraums mit Glühlampen oder gewöhnlichen Leuchtstofflampen erfolgt, verursacht die elektrische Netzfrequenz von 50 Hz zwar kein flimmerndes Licht. Dennoch kann die Interferenz zwischen der Lichtfrequenz (100 Hz) und der Taktfrequenz der Shutter-Brille (120 Hz) zu irritierendem Flimmern in der Raumbeleuchtung führen. Dies kann durch eine Beleuchtung (mit z.B. OSRAM DULUX™ EL Economy 21 W, oder ähnlich) vermieden werden

6. Literatur

6.1. Kurzfassungen (alle in einer Datei)
Jainta S, Jaschinki W: Fixation Disparity: Binocular Vergence Accuracy for a Visual Display at Different Positions Relative to the Eyes. Hum. Factors, (2002, in press).
Jaschinski W: The Proximity-Fixation-Disparity Curve and the Preferred Viewing Distance at a Visual Display as an Indicator of Near Vision Fatigue, Optom. Vis. Sci. 79: 158-169 (2002). (3946)
Jaschinski W: Methods for measuring the proximity-fixation-disparity curve. Ophthal. Physiol. Opt. 21, 368-375 (2001). (3813)
Jaschinski W: Fixation disparity and accommodation for stimuli closer and more distant than oculomotor tonic positions. Vision Res 41, 923-933 (2001). (3764)
Fixation disparity, accommodation, dark vergence and dark focus during inclined gaze. Ophthal. Physiol. Opt. 18, 351-359 (1998). (3082)
Jaschinski W, Bröde P, Griefahn B: Fixation disparity and nonius bias. Vision Res. 39, 669-677 (1999). (3068a)
Jaschinski W: Fixation disparity at different viewing distances and the preferred viewing distance in a laboratory near-vision task. Ophthal. Physiol. Opt. 18, 30-39 (1998). (2915)
Jaschinski, W: Fixation disparity and accommodation as a function of viewing distance and prism load. Ophthal. Physiol. Opt. 17, 324-339 (1997). (2791)
Jaschinski-Kruza W: Dark vergence in relation to fixation disparity at different luminance and blur levels. Vision Res. 34, 1197-1204 (1994). (2118)
Jaschinski-Kruza W: Fixation disparity at different viewing distances of a visual display unit. Ophthal. Physiol. Opt. 13, 27-34 (1993). (1911)
Jaschinski-Kruza W, Schubert-Alshuth E: Variability of fixation disparity and accommodation when viewing a CRT visual display unit. Ophthal. Physiol. Opt. 12, 411-419 (1992). (1864)
Jaschinski-Kruza W.: Eyestrain in VDU users: Viewing distance and the resting position of ocular muscles. Hum. Factors 33, 69-83 (1991). (1649)
6.2. Other References
Evans BJW. Pickwell's Binocular Vision Anomalies: Investigation and Treatment. London: Butterworths, 1997.
Lieberman, H R. & Pentland, A P. (1982). Microcomputer-based estimation of psychophysical thresholds: The Best-PEST. Behavior Research Methods and Instruments, 14, 21-25.
Morgan, M.J & Aiba, T.S. (1985) Vernier acuity predicted from changes in the light distribution of the retinal image. Spatial Vision, 1, 151-161.
Scheiman M, Wick B. Clinical Management of Binocular Vision. Philadelphia: Lippincott, 1994.
Schor, C. M. Fixation disparity and vergence adaptation. In: C. M. Schor, & K. J. Ciuffreda. Vergence Eye Movements. Basic and Clinical Aspects (pp. 465-516). Boston, MA: Butterworths, 1983