虛擬現實產品視覺健康影響評價方法標準解讀

朱正元，鐘 菁，張 哲，梁浩文

（1.深圳賽西信息技術有限公司，廣東 深圳 518000；2.中山大學中山眼科中心，廣東 廣州 510000；3.中山大學，廣東 廣州 510000）

0 引 言

虛擬現實（Virtual Reality，VR），最早由Lanier于1989 年提出，是指使用者通過頭戴式顯示器及可穿戴設備實現與虛擬性的三維世界進行真實的互動體驗。1994 年，Burdea G 和Coiffet 在Virtual Reality Technology 一書中將VR 的基本特征總結為有想象、交互和沉浸的環境體驗。繼2016 年產業元年與2019 年5G 云VR 元年后，虛擬現實產業開始進入迅速發展階段。用戶對虛擬現實融合創新的需求迅速提升，技術體系初步成型。在2021 年發布的《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》中，虛擬現實和增強現實已被列入重點發展方向。隨著目前大熱新興概念“元宇宙”的提出，VR 技術也被國內外媒體評為“第四次工業革命的鑰匙之一”。

在VR 大放光彩、欣欣向榮的同時，VR 技術尤其是VR 顯示設備對視覺健康的影響逐漸引起了人們的關注。市場上VR 頭戴式顯示器質量參差不齊，對視覺健康的影響缺乏統一的評價方法。我國在虛擬現實顯示技術領域與國際一流水平差距較小，但在虛擬現實對健康的影響及規范應用方面尚處于起步時期，目前尚沒有相關內容全面評估不同形態的虛擬現實產品對視覺健康的影響，產業界、醫學界和學術界迫切需要構建一個科學可靠的評估指標體系及評價方法。

2022 年1 月24 日，由中山大學中山眼科中心牽頭發布的《虛擬現實產品視覺健康影響評價方法》（編號：T/CSBME 052—2022），為虛擬現實技術對視覺健康的影響提供了評價及風險等級評估方法。該標準的主要內容包括適用范圍、測試條件、被試要求、測試流程、測試方法、試驗結果記錄及分析等6 大部分。

本文結合國家虛擬現實/增強現實產品質量檢驗檢測中心發布的《虛擬現實產品評測及質量分析報告》，通過招募受試者對市面上主流產品進行視覺健康影響實驗，詳細解讀了本標準，分析了虛擬現實顯示產品對視覺健康造成的影響。

1 國內外虛擬現實視覺健康研究進展及標準現狀

不同顯示屏對人眼視覺的影響一直是各界研究的重點。通過液晶顯示屏（Liquid Crystal Display，LCD）與 等 離 子 顯 示 屏（Plasma Display Panel，PDP）在引起視疲勞差異的對比試驗中，LEE 等人測試人眼的眨眼頻率和瞳孔大小的變化發現觀看LCD 顯示器更易引起人眼的視疲勞[1]。在LCD、PDP 及線管顯示器（Cathode Ray Tube，CRT）三種顯示器的對比試驗中，HSU 等人研究了三種顯示器造成視覺疲勞的差異，結果表明受試者觀看時間超過30 min 后，CRT 對人眼造成的視覺疲勞感受更為顯著[2]。在OLED 和LED 平板電腦引起視覺疲勞的對比試驗中，陳成明等人利用閃光融合頻率、眨眼頻率及腦電圖等方法測得LCD 平板電腦會引起較為嚴重的視覺疲勞[3]。田會娟等人通過結合眼電圖（electrooculogram，EOG）和受試者的主觀評價，在LED 顯示器不同色溫、亮度及亮度分布的情況下，對視覺疲勞進行了研究，結果表明受試者眨眼頻率的規律性變化有所差異，亮度分布不均勻的顯示器將更早地（觀看1 h 內）造成人眼視疲勞，低色溫顯示器在觀看1 h 后將更易造成視疲勞[4]。

視覺健康評價方法主要分為主觀評分法、主任務評價法及客觀測量法三類。其中，主觀評分法是指測試人員主觀度量受試者視覺疲勞的程度，較為常用的方法有自我報告和差異區別等。主任務評價法，測試人員需要完成相應的任務，通過完成情況度量受試者視疲勞的程度。客觀測量法主要由測試視疲勞特征的生理電信號所反映，例如測量EOG、腦電圖（electroencephalogram，EEG）和心電圖（electrocardiogram，ECG）等方法[5-8]。

在標準現狀方面，國際上針對虛擬現實視覺健康的標準較少。中國標準化研究院蔡建奇主任建立了基于神經網絡和視覺參數特征的視覺健康舒適度評價模型，成為很多顯示產品的參照評價方法[9]，但針對虛擬現實顯示設備的視覺健康評價方法在本文討論的標準發布前尚未出現。

2 虛擬現實視覺體驗主要影響參數

消費級VR 設備最重要的指標是視覺體驗，其次是身體感受。虛擬現實的硬件技術、軟件技術及交互技術是影響視覺體驗的核心因素。其中影響視覺體驗的主要參數有分辨率、雙眼視差、3D 串擾、屈光度調節以及系統延遲等[11-13]。

虛擬現實設備的分辨率表示顯示畫面的像素數量。分辨率的高低決定了顯示屏的呈現畫面的清晰程度。虛擬現實顯示屏幕上具有固定的像素網格，當圖像的分辨率與顯示屏分辨率相同，可以顯示最清晰的圖像。屏幕尺寸一樣的情況下，屏幕分辨率越高，顯示效果就越精細和細膩，體驗過程也會更為舒適。

雙眼視差，是兩只眼睛觀察同一個場景或物體的視角的差異，也可以用兩眼的物像與對應點的相對位置之差表示，又稱為視網膜視差、生理性視差。對于3D 顯示，一般視差越大，雙眼的輻輳-匯聚效應越明顯，人眼觀看的疲勞狀態越強。

3D 串擾是在某個視點對應的視區內觀察到來自其他視點的光。一般情況下，串擾越大，左右眼就越能明顯地感受到3D 圖像重影，嚴重影響立體顯示的舒適感。串擾一般只存在于裸眼3D顯示設備。VR 眼鏡和AR 眼鏡是基于左右眼相互獨立顯示的原理，雙眼光路不重疊，一般不存在串擾。

瞳距和屈光度調節決定了不同瞳距和近視度數的人是否可以得到最好的體驗。支持調節的VR設備受眾更廣，用戶可以根據自己的實際需要進行調節，使VR 設備達到最適合的舒適度。

系統延遲是指虛擬現實設備接收到輸入信號到顯示實際作出響應的時間，包括任何由處理引起的等待時間。延遲時間越短，用戶體驗越舒適。

3 虛擬現實設備引起視覺體驗不適的主要表現及解決辦法

過度使用VR/AR（一般大于30 min），可能對眼健康造成一定傷害。具體臨床表現包括頭痛、頭暈、惡心，同時伴有眼睛干澀，甚至出現復視、流淚、眼漲疼、視力疲勞、精力無法集中等癥狀，類似于視疲勞、干眼、視頻終端綜合癥等功能性眼病的癥狀[11-13]。

輔助檢查結果常表現為調節功能異常，即眼部調節超前，同時AC/A 比值降低，調節近點增加；雙眼聚散功能異常，即集合模糊范圍的增加，集合近點增加；調節性斜視，例如輕度的隱斜視；淚膜破裂時間縮短。

以上臨床表現主要是由于視覺所看到的影像與身體內部感知到的狀況不一致所造成，主要有以下幾項原因。

（1）由于顯示畫質，紗窗、拖尾、閃爍等過低的畫面質量引發視覺疲勞，進而引發眩暈。提高屏幕分辨率、響應時間、刷新率，降低頭動和視野的延遲（MTP），可緩解上述癥狀。

（2）視覺與其他感官通道沖突，如前庭功能障礙、幽閉恐懼癥。對此，可通過強化眼動追蹤定位，提高廣視角和角分辨率，改善畸變等，強化視覺與聽覺、觸覺、前庭系統、動作反饋的協同一致，進而緩解沖突癥狀。

（3）輻輳調節沖突。佩戴VR/AR 頭顯設備后，雙眼在產生立體視的同時，雙目焦點調節與視覺景深并不匹配。因而VR/AR 頭顯設備難以如實反映類似現實世界中觀看遠近物體的清晰或者模糊變化。因此可選擇非固定焦深的多焦點顯示（Multifocal Display）或可變焦顯示（Varifocal Display）緩解上述問題。

4 虛擬現實視覺健康影響實驗

本次實驗共收集6 款不同類型、具有代表性的虛擬現實產品，皆為市面上最新型號的在售產品。其中2 款為頭戴式VR 眼鏡，2 款為頭戴式AR 眼鏡，2 款為裸眼3D 產品。本次實驗共招募40 名受試者，均為年齡在20 ～45 歲的社會人士。受試者經過篩選，視力、眼壓、中央及周邊前房深度、屈光度、淚膜功能、調節與輻輳等方面均達健康指標，無眼部疾病史。

實驗分別在中山大學中山眼科中心和深圳賽西實驗室進行。實驗環境照度低于10 lx，溫度在25 ～30 ℃，保證受試者在無其他光源干擾且安靜舒適的環境中進行實驗。

實驗使用的測試片源分辨率為1 920×1 080，包含靜態物、動態物、高速物以及立體顯示等多種內容。為模擬實際使用場景，受試者將觀看30 min。

在觀看測試片源前后，測試人員將依據標準給出的方法，對受試者的核心眼科指標進行測量和記錄。分別使用OCULUS-eratograph 干眼分析儀（70670）測量淚膜破裂時間，NIDEK 全自動綜合驗光儀（TS-310）測量調節輻輳，EDTRS 視力表測量視力，使用NIDEK 非接觸式眼壓計測量眼壓，最后受試者以紙筆的方式在視覺疲勞問卷上進行自我評分。

根據健康受試者觀看前與觀看后的主視眼的測量結果，進行統計學分析及結果判定。若觀看前與觀看后的測量數值具有統計學差異，判定該指標為陽性；若觀看前與觀看后之間無統計學差異，判定該指標為陰性。根據陽性視覺健康指標的數量及組合方式，判定低、中、高風險虛擬現實產品，評估方法如表1 所示。

根據記錄的實驗結果，計算出每一項的平均值，再依據表1 規定的評估方法，得到本次實驗的最終結果，如表2 所示。其中，VR 眼鏡2 號和2 款裸眼3D 產品在觀看前和觀看后的測量數值均無統計學差異（P值＞0.05），獲得了低風險的評估。VR眼鏡1 號與AR 眼鏡1 號在觀看前和觀看后的視覺疲勞評分上有統計學差異（P值＜0.05），其余測量數值無統計學差異，獲得中風險評估。AR 眼鏡2號在觀看前和觀看后的輻輳功能和視覺疲勞評分上有統計學差異（P值＜0.05），獲得高風險評估。

表1 視覺健康影響等級評估表

表2 受試者實驗結果

5 結 語

《虛擬現實產品視覺健康影響評價方法》為我國首個虛擬現實視覺健康團體標準，首次提出了虛擬現實視覺健康檢測流程和檢測核心指標，建立了虛擬現實技術視覺健康檢測體系和平臺。該標準的出臺，將規范虛擬現實領域健康發展，促進虛擬現實行業技術升級，對推進產業技術進步、引導行業發展起到重要支撐作用，形成醫學界、產業界共建虛擬現實健康生態的新范式。

該團體標準的發布，有助于加快構建技術先進、結構優化、國際兼容的虛擬現實標準體系，持續提升我國虛擬現實產業標準的技術水平、創新能力和國際化程度，促進建立多層次、多類型的虛擬現實技術人才體系。接下來，將進一步攜手虛擬現實領域醫-企-研機構，提高虛擬現實舒適安全性、光電物理參數等領域標準研制水平，持續優化、完善包括虛擬現實技術在內的泛終端視覺健康評價標準體系，開發針對泛終端在內的技術平臺、網絡服務平臺、檢測/認證/轉化平臺，加速推進虛擬現實等泛終端產品的視覺健康行業標準/國家標準落地，規范行業的健康發展。