朱正元，鐘 菁，張 哲，梁浩文

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

0 引 言

虛擬現(xiàn)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(shè)備實現(xiàn)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(jié)為有想象、交互和沉浸的環(huán)境體驗。繼2016 年產(chǎn)業(yè)元年與2019 年5G 云VR 元年后，虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)開始進入迅速發(fā)展階段。用戶對虛擬現(xiàn)實融合創(chuàng)新的需求迅速提升，技術(shù)體系初步成型。在2021 年發(fā)布的《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠景目標綱要》中，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實已被列入重點發(fā)展方向。隨著目前大熱新興概念“元宇宙”的提出，VR 技術(shù)也被國內(nèi)外媒體評為“第四次工業(yè)革命的鑰匙之一”。

在VR 大放光彩、欣欣向榮的同時，VR 技術(shù)尤其是VR 顯示設(shè)備對視覺健康的影響逐漸引起了人們的關(guān)注。市場上VR 頭戴式顯示器質(zhì)量參差不齊，對視覺健康的影響缺乏統(tǒng)一的評價方法。我國在虛擬現(xiàn)實顯示技術(shù)領(lǐng)域與國際一流水平差距較小，但在虛擬現(xiàn)實對健康的影響及規(guī)范應(yīng)用方面尚處于起步時期，目前尚沒有相關(guān)內(nèi)容全面評估不同形態(tài)的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品對視覺健康的影響，產(chǎn)業(yè)界、醫(yī)學(xué)界和學(xué)術(shù)界迫切需要構(gòu)建一個科學(xué)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(xué)中山眼科中心牽頭發(fā)布的《虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品視覺健康影響評價方法》（編號：T/CSBME 052—2022），為虛擬現(xiàn)實技術(shù)對視覺健康的影響提供了評價及風(fēng)險等級評估方法。該標準的主要內(nèi)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(jié)果記錄及分析等6 大部分。

本文結(jié)合國家虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測中心發(fā)布的《虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品評測及質(zhì)量分析報告》，通過招募受試者對市面上主流產(chǎn)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(xiàn)實顯示產(chǎn)品對視覺健康造成的影響。

1 國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實視覺健康研究進展及標準現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(jié)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(jié)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(jié)果表明受試者眨眼頻率的規(guī)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(nèi)）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(wù)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(qū)別等。主任務(wù)評價法，測試人員需要完成相應(yīng)的任務(wù)，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(xiàn)狀方面，國際上針對虛擬現(xiàn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)和視覺參數(shù)特征的視覺健康舒適度評價模型，成為很多顯示產(chǎn)品的參照評價方法[9]，但針對虛擬現(xiàn)實顯示設(shè)備的視覺健康評價方法在本文討論的標準發(fā)布前尚未出現(xiàn)。

2 虛擬現(xiàn)實視覺體驗主要影響參數(shù)

消費級VR 設(shè)備最重要的指標是視覺體驗，其次是身體感受。虛擬現(xiàn)實的硬件技術(shù)、軟件技術(shù)及交互技術(shù)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(shù)有分辨率、雙眼視差、3D 串?dāng)_、屈光度調(diào)節(jié)以及系統(tǒng)延遲等[11-13]。

虛擬現(xiàn)實設(shè)備的分辨率表示顯示畫面的像素數(shù)量。分辨率的高低決定了顯示屏的呈現(xiàn)畫面的清晰程度。虛擬現(xiàn)實顯示屏幕上具有固定的像素網(wǎng)格，當(dāng)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(yīng)點的相對位置之差表示，又稱為視網(wǎng)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(yīng)越明顯，人眼觀看的疲勞狀態(tài)越強。

3D 串?dāng)_是在某個視點對應(yīng)的視區(qū)內(nèi)觀察到來自其他視點的光。一般情況下，串?dāng)_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?dāng)_一般只存在于裸眼3D顯示設(shè)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?dāng)_。

瞳距和屈光度調(diào)節(jié)決定了不同瞳距和近視度數(shù)的人是否可以得到最好的體驗。支持調(diào)節(jié)的VR設(shè)備受眾更廣，用戶可以根據(jù)自己的實際需要進行調(diào)節(jié)，使VR 設(shè)備達到最適合的舒適度。

系統(tǒng)延遲是指虛擬現(xiàn)實設(shè)備接收到輸入信號到顯示實際作出響應(yīng)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(xiàn)實設(shè)備引起視覺體驗不適的主要表現(xiàn)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(xiàn)包括頭痛、頭暈、惡心，同時伴有眼睛干澀，甚至出現(xiàn)復(fù)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(jié)果常表現(xiàn)為調(diào)節(jié)功能異常，即眼部調(diào)節(jié)超前，同時AC/A 比值降低，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(xiàn)主要是由于視覺所看到的影像與身體內(nèi)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(zhì)，紗窗、拖尾、閃爍等過低的畫面質(zhì)量引發(fā)視覺疲勞，進而引發(fā)眩暈。提高屏幕分辨率、響應(yīng)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(tǒng)、動作反饋的協(xié)同一致，進而緩解沖突癥狀。

（3）輻輳調(diào)節(jié)沖突。佩戴VR/AR 頭顯設(shè)備后，雙眼在產(chǎn)生立體視的同時，雙目焦點調(diào)節(jié)與視覺景深并不匹配。因而VR/AR 頭顯設(shè)備難以如實反映類似現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)實產(chǎn)品，皆為市面上最新型號的在售產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)過篩選，視力、眼壓、中央及周邊前房深度、屈光度、淚膜功能、調(diào)節(jié)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(xué)中山眼科中心和深圳賽西實驗室進行。實驗環(huán)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(huán)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(tài)物、動態(tài)物、高速物以及立體顯示等多種內(nèi)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(jù)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(diào)節(jié)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(jù)健康受試者觀看前與觀看后的主視眼的測量結(jié)果，進行統(tǒng)計學(xué)分析及結(jié)果判定。若觀看前與觀看后的測量數(shù)值具有統(tǒng)計學(xué)差異，判定該指標為陽性；若觀看前與觀看后之間無統(tǒng)計學(xué)差異，判定該指標為陰性。根據(jù)陽性視覺健康指標的數(shù)量及組合方式，判定低、中、高風(fēng)險虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品，評估方法如表1 所示。

根據(jù)記錄的實驗結(jié)果，計算出每一項的平均值，再依據(jù)表1 規(guī)定的評估方法，得到本次實驗的最終結(jié)果，如表2 所示。其中，VR 眼鏡2 號和2 款裸眼3D 產(chǎn)品在觀看前和觀看后的測量數(shù)值均無統(tǒng)計學(xué)差異（P值＞0.05），獲得了低風(fēng)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(tǒng)計學(xué)差異（P值＜0.05），其余測量數(shù)值無統(tǒng)計學(xué)差異，獲得中風(fēng)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(tǒng)計學(xué)差異（P值＜0.05），獲得高風(fēng)險評估。

表1 視覺健康影響等級評估表

表2 受試者實驗結(jié)果

5 結(jié) 語

《虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品視覺健康影響評價方法》為我國首個虛擬現(xiàn)實視覺健康團體標準，首次提出了虛擬現(xiàn)實視覺健康檢測流程和檢測核心指標，建立了虛擬現(xiàn)實技術(shù)視覺健康檢測體系和平臺。該標準的出臺，將規(guī)范虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域健康發(fā)展，促進虛擬現(xiàn)實行業(yè)技術(shù)升級，對推進產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步、引導(dǎo)行業(yè)發(fā)展起到重要支撐作用，形成醫(yī)學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界共建虛擬現(xiàn)實健康生態(tài)的新范式。

該團體標準的發(fā)布，有助于加快構(gòu)建技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、國際兼容的虛擬現(xiàn)實標準體系，持續(xù)提升我國虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)標準的技術(shù)水平、創(chuàng)新能力和國際化程度，促進建立多層次、多類型的虛擬現(xiàn)實技術(shù)人才體系。接下來，將進一步攜手虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域醫(yī)-企-研機構(gòu)，提高虛擬現(xiàn)實舒適安全性、光電物理參數(shù)等領(lǐng)域標準研制水平，持續(xù)優(yōu)化、完善包括虛擬現(xiàn)實技術(shù)在內(nèi)的泛終端視覺健康評價標準體系，開發(fā)針對泛終端在內(nèi)的技術(shù)平臺、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺、檢測/認證/轉(zhuǎn)化平臺，加速推進虛擬現(xiàn)實等泛終端產(chǎn)品的視覺健康行業(yè)標準/國家標準落地，規(guī)范行業(yè)的健康發(fā)展。