有充分证据表明，全球近视患病率正在上升。虽然已经确定了教育和近距离工作等一系列危险因素以及包括户外时间在内的保护因素，但目前可用的干预措施并不能始终防止近视的发展。人类近视的某些特征仍然无法解释，例如为什么城市生活似乎是近视发展的独立危险因素。人口密度和住房类型似乎也是相关因素。尽管人们普遍认为，光照水平可以解释户外时间的保护作用，但仍无法解释为什么一些季节性光照水平较低、近距离工作频繁的国家(如挪威)近视率较低。台湾一项提倡在校期间增加户外活动时间的研究发现，近视进展有差异，但客观测量的光暴露在两组之间没有显著差异。证明户外对近视有保护作用也意味着室内会促进近视的发展，但是室内环境的哪些方面是导致近视的原因还有待确定。
人们普遍认为，目前的近视流行发展得太快，无法反映人口内部的任何遗传变化，因此必须主要由环境因素造成。与大多数工业社会和后工业社会中高度流行的近视相比，土著农业社区的近视率非常低(低于5%)，他们保留着以自然环境为基础的传统文化，相对很少或没有接受过正规教育。了解现代室内和城市环境的哪些特征促进近视，以及自然环境的哪些特征具有保护作用，可能是采取新的、更有效的干预措施的关键。
在考虑视觉环境因素在近视背景下的作用时，一个逻辑起点是对近视和眼睛生长调节的大量动物研究。导致近视的两种主要模型，一种是使用半透明镜片饲养动物的形式剥夺近视(形式剥夺近视)，另一种是使用负透镜饲养动物的透镜诱导近视(透镜诱导近视)，这两种模型已经在许多物种中得到验证，这意味着在进化过程中这些过程是守恒的。
上述两个模型,基于透镜诱导近视双向散焦驱动机制(这里由实施远视的离焦),在人类和其他物种一般认为是相同的机制的屈光不正达到最佳聚焦,这一过程通常称为正视化。在形式剥夺近视中，空间视觉的退化是加速眼伸长的触发器。除了通常影响婴儿角膜或晶状体的临床病理外，形态剥夺常被认为与人类近视无关。事实上一篇评论指出，“在学龄儿童的环境中，形态视觉的剥夺并不像在动物身上诱发近视那样严重。”然而，这个论点忽略了它明显的进化保护，这表明了一个有用的生物学作用。因为大多数新生动物都有明显的远视症状，而且脱焦驱动的眼睛生长机制有一个明确的操作范围，这种离焦驱动的机制似乎可以作为前离焦驱动机制的一个支持系统，将这些新生儿屈光不正纳入其操作范围。
关于空间频率的作用，在涉及形式剥夺近视的动物研究中发现，即使是视网膜图像质量的相对适度的降低，也会在包括小鸡、豚鼠和灵长类在内的一系列物种中引发近视生长反应。这一点在使用邦格特压抑膜的研究中得到了最好的证明，邦格特压抑膜过滤掉了中高空间频率。如果在现代城市和室内环境中也出现了类似的空间频率(“细节”)的适度降低，那么构成形式剥夺近视的视网膜机制可能是人类近视流行的未被认识的驱动因素之一。
在考虑视觉环境的空间频率内容的关键差异时，第一步是确定什么代表“正常”的空间轮廓。研究发现，自然界的图像显示出非常一致的空间频谱，因此频谱振幅(给定空间频率上的对比量)随空间频率（f）的增加而减小，其关系是振幅与图像的比例为1/fɑ。当这两个参数用对数绘制时，结果通常是一条斜率为-1.0的直线，尽管在-0.8到-1.5的图像之间也有差异。这种数学关系表明了自然图像的尺度不变性，并可能反映了自然世界的许多方面，包括云、岩石和树木的分形特性。另一方面，人造环境在结构上与自然环境非常不同。现代建筑和设计趋向于统一。最值得注意的是，室内建筑缺乏在自然场景中常见的精细细节，因此预计会缺乏更高的空间频率。这些观察导致了本文报道的研究，该研究调查了城市和室内环境显示高空间频率缺陷的假设，类似于已知的在动物模型中导致形式剥夺。为此比较了自然环境、城市环境和室内环境的空间轮廓。
用于分析的图像来源
从三个独立的数据集总共分析了幅图像。从第一数据集(称为伯克利,样本数=)收集了作者在加州大学伯克利分校(加州大学伯克利分校)校园。为验证和消除任何可能的选择性偏差,另外两个高分辨率图像集得到从开放存取共享的图像为研究目的:自然场景统计从德克萨斯大学(德克萨斯大学)(德州,样本数=)、和博茨瓦纳自然图像数据库专辑cd01A,来自宾夕法尼亚大学(宾夕法尼亚大学)(博茨瓦纳、样本数=65)。
图像分类
如果图像中没有可识别的人造元素，则将其归类为自然图像。在进行图像分析之前，其中一位作者将伯克利的数据集划分为以下子集:自然、混合城市(建筑和植被)、城市(没有明显植被)和室内。将德克萨斯数据集预先划分为自然场景、校园场景和人工场景，将人工场景进一步划分为室外和室内人工数据集进行分析。博茨瓦纳数据集代表了一组被认为代表了人类最初在非洲博茨瓦纳进化的视觉环境的自然图像。
空间频率分析
空间频率分析在Matlab中使用定制软件进行。源图像要么是JPEG格式，要么是原始相机图像。图片均由制造商定义的不同相机系统(iPhone、尼康D70数码单反和尼康D数码单反)的彩色空间转换成CIE(国际照明委员会)彩色空间，对应长波、中波和短波敏感视锥细胞。这种转换允许创建图像加权根据人的明视觉亮度函数进行分析。完成这些步骤后，对源图像进行相同的预处理。为了提高计算效率，首先将图像裁剪为正方形格式，并将其大小调整为×像素。利用每个摄像系统/镜头组合的视场，调整为正方形图像格式，计算以周期/视角为单位的空间频率。快速傅里叶变换(快速傅里叶变换)应用于长波、中波和短波敏感视锥细胞彩色空间图像的每个平面产生空间振幅谱。然后对该频谱进行径向平均，以生成一个代表图像中各方向子午线平均值的单一振幅谱。采用线性回归方法计算了对数幅值与对数空间频率之间的斜率关系。
从图像中估计亮度
摄影参数，包括曝光时间，光圈设置和等效胶片速度从数据集中的每幅图像的可交换图像文件数据中提取。在传统摄影中，场景亮度或照度是用来选择适当的光圈和曝光设置。当涉及自动曝光设置时，反向计算被用于从等效胶片速度、光圈和等效胶卷设置中估算场景亮度(坎德拉每平方米)和照度(勒克斯)
人工减少图像的空间频率内容
在之前的两项研究中，0.4压抑膜被证明在豚鼠和猴子的近视诱发中是有效的，尽管有更多不同的反应。为了评估这个压抑膜对一个场景的空间频率的影响，在镜头前拍摄了带有和不带有0.4压抑膜的同一场景的图像。如上所述计算了这些图像的空间频率幅值谱，并根据每个频率的空间频率幅值的比值计算出经验调制传递函数。
图像集空间频率分析
图1显示了自然室外和室内图像的图像示例和分析结果。这两幅图像都显示了空间频率和幅值之间的期望关系:在这两种情况下，谱幅值都与1/fɑ图像成比例，只在斜率上有所不同。室外场景的坡度为-0.98，而室内场景的坡度为-1.42。
图像空间分析显示源图像(左)、二维快速傅里叶变换(中)和振幅与空间频谱(右)。对于一个自然场景图像(a)，振幅与空间频率对数间的斜率(相对值)为?0.98。对于一幅室内图像(b)，其对数(振幅)与对数(空间频率)关系的斜率为?1.42。
图2和图3显示了所调查的不同视觉环境下空间频谱的坡度分布。这三幅没有人造物体的自然图像都遵循了最初由域描述的模式，坡度(平均值±标准差)接近统一:?1.06±0.10,伯克利;-0.90±0.09，德克萨斯;-1.03±0.14，博茨瓦纳。计算出的所有图像类别的斜率和95%置信区间如表1所示。对于伯克利和德克萨斯的数据集，室外城市环境与自然图像相比显示出更大的空间频率坡度。室内设置的图像，根据定义都是人造环境，显示了最陡的坡度，代表了高空间频率的最大相对损失(-1.48±0.20,加州大学伯克利分校;-1.52±0.17,德克萨斯大学)。
对伯克利图像集中不同类型的图像计算出的振幅谱斜率的小提琴图。显著性标记(*)表示与自然图像集的比较。
从博茨瓦纳和德克萨斯的图像集计算出的不同类型的图像的振幅谱斜率的小提琴图。显著性标记(*)表示与德克萨斯自然图像集的比较。
表一
对数振幅与空间频率斜坡为不同的图像集和环境
如表2所示,自然的室外环境和室内环境之间的差异是非常重要的,具有统计学意义,在伯克利和德州数据集和一致的,尽管非常不同的成像系统(手机相机比尼康数码单反)和德克萨斯数据集收集目的无关的当前研究的核心假设。
表二
基于图像类别的空间坡度比较(方差分析，异方差模型)
压抑膜对自然图像空间坡度的影响
如上所述，0.4的压抑膜足以引起一些动物的近视。图4显示了它对带有和不带有0.4B压抑膜的户外图像空间频率斜率的影响。未过滤图像的空间频率斜率为-0.88，而通过0.4压抑膜拍摄的同一场景的空间频率斜率为-1.47。后者的值与伯克利数据集中从室内图像获得的坡度值相当(平均坡度=?1.48)和德州数据集(平均斜率=?1.52)，如上所述。
(a)使用和(b)不使用0.4邦格特压抑膜拍摄的照片，并导出振幅与空间频谱。
通过比较两幅图像的快速傅里叶变换谱实证估计的压抑膜调制传递函数(图5)。显著减少中期和高空间频率的振幅明显,对低空间频率影响很小(小于1周每度)。
比较幅值与空间频谱对应的未滤波图像和图像通过一个0.4压抑膜和导出的经验调制传递函数。
场景亮度与空间频率内容的关系
考虑到光照对近视发展的影响，还比较了不同图像环境下的照度估算值。如图6和图7所示，室内环境和自然环境的差异最大。对于德克萨斯图像集，自然户外环境的平均估计照度为勒克斯(95%置信区间10,到勒克斯)，而室内环境的估计照度为勒克斯(95%置信区间到勒克斯)。伯克利图像集的可比值分别为14,勒克斯(95%置信区间到21,勒克斯)和勒克斯(95%置信区间到勒克斯)。室内环境的照度明显低于室外环境，但按类别划分的室外场景没有一致的差异。
伯克利图像集按类别估计的对数照度(勒克斯)。显著性标记(*)表示与自然图像集的比较。
估计日志照度(勒克斯)分类为博茨瓦纳和德克萨斯图像集。显著性标记(*)表示与德克萨斯自然图像集的比较。
讨论
本文的分析表明，城市和室内环境与自然室外环境相比具有不同的空间特性。特别是，城市和室内环境在高空间频率方面相对不足，在这样的环境中，光谱振幅和空间频率之间的斜率关系比自然环境更陡(斜率为?1.50)(斜率接近?1，与描述的1/fɑ关系一致)。此外，室内环境的空间频率特征可与0.4压抑膜记录的相似，后者已被报道在哺乳动物模型中诱发近视。例如,在豚鼠模型,0.8压抑膜,导致最小图像模糊图像,对眼睛生长无显著影响,而衬托中间密度(如0.4压抑膜),诱导～50%到60%的形式剥夺近视。尽管在使用三个等级的邦格特压抑膜的灵长类模型中报告了类似的趋势，但在使用0.4压抑膜时，动物间的反应也存在显著差异。这表明，较高空间频率的适度降低会导致灵长类近视。如果人类以相似的方式做出反应，那么根据在这里测量的城市和室内环境的空间频谱，这导致了这样的假设:这些环境场景可能本质上是诱导近视性的，尤其是在经历了较长时间之后。
目前的分析不能作为视网膜在图像中估计振幅和空间频率之间关系的斜率的证据，但动物研究为视网膜图像的空间频率内容对眼睛生长有影响的假设提供了支持。理论上的决心是否视网膜图像可以简单地通过确定对比来实现在中间高空间频率,赫斯等人提出的和之间的差异指出自然和人为的图片也可以适用于这种简单模型视网膜离焦检测。根据不同物种引起近视的透镜屈光度范围不同，可能涉及不同的空间频率范围。对邦格特压抑膜的光学性质的研究表明，像离焦一样，邦格特压抑膜优先影响更高的空间频率。0.4的压抑膜在2周期每度降低了大约50%的对比度，并在很大程度上消除了超过7周期每度的空间频率。不管控制眼睛生长的空间频率是什么，这些图像集中1/fɑ图像分辨率关系所体现的尺度不变量表明，自然场景比人工场景在更高的空间频率上显示出相对更高的振幅。
如果某些视觉环境(基于它们的空间频谱和它们的视网膜图像轮廓)可以作为近视刺激，问题就产生了，这些刺激将如何与光学离焦相互作用，以调节眼睛的生长。到目前为止,这个问题只有在小鸡模型,探索0.4压抑膜被发现仅仅两天导致近视,而没有对补偿的影响(抑制)增长模式和远视的转变(+6屈光度)。然而,后者透镜诱导和压抑膜组合,脉络膜的贡献补偿响应减少,即使眼睛补偿相应的总体方向。脉络膜对压抑膜的降解作用的反应似乎比巩膜的反应更敏感，这增加了不同潜在的调节信号通路的可能性，至少在补偿近视离焦的情况下是这样的。
负离焦镜片(远视离焦)对眼睛生长的近视诱导效应可以被一系列物种中相对较短的不间断视觉所抑制，这表明聚焦(锐利)的视网膜图像可以作为重置或停止信号。这些动物研究提出了一个尚未解答的问题:0.4邦格特压抑膜引起的高空间频率降低是否会限制这种停止信号的有效性。在考虑这些发现如何适用于人类近视时，研究观察到人造环境可能严重缺乏高空间频率信息，这表明这样的视觉环境可能既激活了剥夺性近视的视网膜机制，又干扰了视网膜停止信号通路。
相反，增强视觉场景的空间频率内容可能有助于限制近视。在动物研究的基础上，短期但不是短期的“正常”视网膜刺激预期对人类有益。在不间断30分钟和分钟的雏鸡中，正常视力每天可分别降低形式剥夺近视的50%和95%。在灵长类动物中，正常视力1小时可使形式剥夺近视减少50%，4小时不受视力限制则可有效消除形式剥夺近视。这导致了可验证的假设，即增强城市和室内环境的空间频率特性可能有助于减少近视的发展。在城市环境中，这可以通过在城市环境中增加种植来实现。如本文所示，与没有绿化的城市场景相比，带有绿化和建筑的混合城市图像具有明显更高的空间频率斜坡。在室内，使用带有自然场景的墙纸，例如在学校内，可能有助于提供一个“正常”的空间频率模式。然而需要更多的研究来证实这一假设。
这里的研究结果也可能与近视和城市之间的不可解释的联系有关环境。人-室外环境表现出介于自然室外场景和室内环境之间的空间频率特性。自然景观与城市户外景观的空间属性差异有统计学意义。因此，建筑环境的空间频率组成，无论是室内还是室外，都不同于自然世界。上面显示的二维快速傅里叶变换谱也显示了方向差异。有人提出，人造环境显示出更多的空间各向异性（即方位相关的空间差异），这可能会改变视觉感知。被称为“木匠环境”假设，这不是一个一致的发现，似乎是空间频率从属另外，定向选择性是皮质神经元的一个众所周知的特征，但在视网膜感受性神经元中却很少见领域。尽管如此,鉴于对视网膜如何从视网膜图像中提取与眼睛生长调节相关的信息知之甚少，空间环境的这些方面值得进一步研究。此外，这种分析的局限性在于它分析了自然视觉世界中典型的静态图像，而不是动态图像，这些图像的亮度和空间频率内容的变化可能对眼睛的成长很重要。然而，最初的野外观测和本研究的结果表明，虽然图像可能会有很大的变化，但频谱是非常恒定的。根据研究结果，探索一个室内或城市环境将产生很少的自然空间频谱暴露。
尽管户外活动对近视的发展有好处，但可能导致近视的潜在室内因素仍不清楚。基于当前的研究结果，研究团队认为视觉环境中高空间频率场景的减少可能是一个因素。虽然这项分析试图描述室内环境的空间特征，但研究没有考察室内环境的屈光度变化，这是近视的另一个促成因素发展。此外,在照度比室外低得多的室内观察到空间频率的最大降低，这表明在只考虑光暴露作为近视发展保护因素的研究中，室外环境的空间频率含量可能是一个不受控制的混杂变量。值得注意的是，图像的空间频率内容在本质上和计算上与照度无关。这在这些结果中得到了证明，在自然和人造的室外环境之间，没有发现估计场景照度的差异（但这两种设置在空间频率内容上显示出显著差异，图2和3）。
关于强光在预防近视方面的潜在作用，动物研究的一项发现已被证明很难等同于人类近视。在鸡和灵长类动物中，高照度水平强烈抑制了形式剥夺的发展，但在灵长类动物中，相似的光照水平被发现对透镜引起的近视没有影响。如果假设人造环境的空间频率特性法以类似的方式在人类从动物亮光,推断的研究中假设高亮度水平的有益影响户外通过阻断形式剥夺信号通路在户外环境中减少高空间频率(例如,城市场景)。到目前为止，这一假设还没有在动物实验中得到直接验证，也就是说，通过确定强光是否能抑制由压抑膜引起的形式剥夺。虽然重视增加教室的光线水平，但通过适当的墙壁和天花板覆盖物来增强室内教室环境的高空间频率内容可能提供一种替代的、简单的近视控制干预，实际上消除而不是阻止近视刺激。
结论
与自然世界的空间特性相比，在动物模型中，人造环境的空间特征与通过压抑膜形成的环境相似，而压抑膜诱发了动物模型中的形觉剥夺近视。从动物模型的局部视网膜引导眼睛生长的角度来看，形觉剥夺性近视可能是人类近视流行的缺失驱动力之一，一个潜在的解决方案是用更高的空间频率丰富室内环境，以模拟自然环境的空间特性和室外环境。
这份文献的调查数据发现自然室外场景和室内场景之间空间频率含量的变化与0.4压抑膜引起的变化相似，后者将自然场景的空间频率坡度从-0.88降低到-1.47。这意味着与自然室外图像相比，人工室外和室内环境具有与动物模型中已知的诱发形式剥夺型近视相似的空间频率特征。人为环境的空间特性可能是人类近视流行的缺失驱动因素之一。
声明：本文并非医学诊断建议也非眼部健康信息建议
攘攘皆为利