虚拟现实产品视觉健康影响评价方法标准解读

朱正元，钟 菁，张 哲，梁浩文

（1.深圳赛西信息技术有限公司，广东 深圳 518000；2.中山大学中山眼科中心，广东 广州 510000；3.中山大学，广东 广州 510000）

0 引 言

虚拟现实（Virtual Reality，VR），最早由Lanier于1989 年提出，是指使用者通过头戴式显示器及可穿戴设备实现与虚拟性的三维世界进行真实的互动体验。1994 年，Burdea G 和Coiffet 在Virtual Reality Technology 一书中将VR 的基本特征总结为有想象、交互和沉浸的环境体验。继2016 年产业元年与2019 年5G 云VR 元年后，虚拟现实产业开始进入迅速发展阶段。用户对虚拟现实融合创新的需求迅速提升，技术体系初步成型。在2021 年发布的《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》中，虚拟现实和增强现实已被列入重点发展方向。随着目前大热新兴概念“元宇宙”的提出，VR 技术也被国内外媒体评为“第四次工业革命的钥匙之一”。

在VR 大放光彩、欣欣向荣的同时，VR 技术尤其是VR 显示设备对视觉健康的影响逐渐引起了人们的关注。市场上VR 头戴式显示器质量参差不齐，对视觉健康的影响缺乏统一的评价方法。我国在虚拟现实显示技术领域与国际一流水平差距较小，但在虚拟现实对健康的影响及规范应用方面尚处于起步时期，目前尚没有相关内容全面评估不同形态的虚拟现实产品对视觉健康的影响，产业界、医学界和学术界迫切需要构建一个科学可靠的评估指标体系及评价方法。

2022 年1 月24 日，由中山大学中山眼科中心牵头发布的《虚拟现实产品视觉健康影响评价方法》（编号：T/CSBME 052—2022），为虚拟现实技术对视觉健康的影响提供了评价及风险等级评估方法。该标准的主要内容包括适用范围、测试条件、被试要求、测试流程、测试方法、试验结果记录及分析等6 大部分。

本文结合国家虚拟现实/增强现实产品质量检验检测中心发布的《虚拟现实产品评测及质量分析报告》，通过招募受试者对市面上主流产品进行视觉健康影响实验，详细解读了本标准，分析了虚拟现实显示产品对视觉健康造成的影响。

1 国内外虚拟现实视觉健康研究进展及标准现状

不同显示屏对人眼视觉的影响一直是各界研究的重点。通过液晶显示屏（Liquid Crystal Display，LCD）与 等 离 子 显 示 屏（Plasma Display Panel，PDP）在引起视疲劳差异的对比试验中，LEE 等人测试人眼的眨眼频率和瞳孔大小的变化发现观看LCD 显示器更易引起人眼的视疲劳[1]。在LCD、PDP 及线管显示器（Cathode Ray Tube，CRT）三种显示器的对比试验中，HSU 等人研究了三种显示器造成视觉疲劳的差异，结果表明受试者观看时间超过30 min 后，CRT 对人眼造成的视觉疲劳感受更为显著[2]。在OLED 和LED 平板电脑引起视觉疲劳的对比试验中，陈成明等人利用闪光融合频率、眨眼频率及脑电图等方法测得LCD 平板电脑会引起较为严重的视觉疲劳[3]。田会娟等人通过结合眼电图（electrooculogram，EOG）和受试者的主观评价，在LED 显示器不同色温、亮度及亮度分布的情况下，对视觉疲劳进行了研究，结果表明受试者眨眼频率的规律性变化有所差异，亮度分布不均匀的显示器将更早地（观看1 h 内）造成人眼视疲劳，低色温显示器在观看1 h 后将更易造成视疲劳[4]。

视觉健康评价方法主要分为主观评分法、主任务评价法及客观测量法三类。其中，主观评分法是指测试人员主观度量受试者视觉疲劳的程度，较为常用的方法有自我报告和差异区别等。主任务评价法，测试人员需要完成相应的任务，通过完成情况度量受试者视疲劳的程度。客观测量法主要由测试视疲劳特征的生理电信号所反映，例如测量EOG、脑电图（electroencephalogram，EEG）和心电图（electrocardiogram，ECG）等方法[5-8]。

在标准现状方面，国际上针对虚拟现实视觉健康的标准较少。中国标准化研究院蔡建奇主任建立了基于神经网络和视觉参数特征的视觉健康舒适度评价模型，成为很多显示产品的参照评价方法[9]，但针对虚拟现实显示设备的视觉健康评价方法在本文讨论的标准发布前尚未出现。

2 虚拟现实视觉体验主要影响参数

消费级VR 设备最重要的指标是视觉体验，其次是身体感受。虚拟现实的硬件技术、软件技术及交互技术是影响视觉体验的核心因素。其中影响视觉体验的主要参数有分辨率、双眼视差、3D 串扰、屈光度调节以及系统延迟等[11-13]。

虚拟现实设备的分辨率表示显示画面的像素数量。分辨率的高低决定了显示屏的呈现画面的清晰程度。虚拟现实显示屏幕上具有固定的像素网格，当图像的分辨率与显示屏分辨率相同，可以显示最清晰的图像。屏幕尺寸一样的情况下，屏幕分辨率越高，显示效果就越精细和细腻，体验过程也会更为舒适。

双眼视差，是两只眼睛观察同一个场景或物体的视角的差异，也可以用两眼的物像与对应点的相对位置之差表示，又称为视网膜视差、生理性视差。对于3D 显示，一般视差越大，双眼的辐辏-汇聚效应越明显，人眼观看的疲劳状态越强。

3D 串扰是在某个视点对应的视区内观察到来自其他视点的光。一般情况下，串扰越大，左右眼就越能明显地感受到3D 图像重影，严重影响立体显示的舒适感。串扰一般只存在于裸眼3D显示设备。VR 眼镜和AR 眼镜是基于左右眼相互独立显示的原理，双眼光路不重叠，一般不存在串扰。

瞳距和屈光度调节决定了不同瞳距和近视度数的人是否可以得到最好的体验。支持调节的VR设备受众更广，用户可以根据自己的实际需要进行调节，使VR 设备达到最适合的舒适度。

系统延迟是指虚拟现实设备接收到输入信号到显示实际作出响应的时间，包括任何由处理引起的等待时间。延迟时间越短，用户体验越舒适。

3 虚拟现实设备引起视觉体验不适的主要表现及解决办法

过度使用VR/AR（一般大于30 min），可能对眼健康造成一定伤害。具体临床表现包括头痛、头晕、恶心，同时伴有眼睛干涩，甚至出现复视、流泪、眼涨疼、视力疲劳、精力无法集中等症状，类似于视疲劳、干眼、视频终端综合症等功能性眼病的症状[11-13]。

辅助检查结果常表现为调节功能异常，即眼部调节超前，同时AC/A 比值降低，调节近点增加；双眼聚散功能异常，即集合模糊范围的增加，集合近点增加；调节性斜视，例如轻度的隐斜视；泪膜破裂时间缩短。

以上临床表现主要是由于视觉所看到的影像与身体内部感知到的状况不一致所造成，主要有以下几项原因。

（1）由于显示画质，纱窗、拖尾、闪烁等过低的画面质量引发视觉疲劳，进而引发眩晕。提高屏幕分辨率、响应时间、刷新率，降低头动和视野的延迟（MTP），可缓解上述症状。

（2）视觉与其他感官通道冲突，如前庭功能障碍、幽闭恐惧症。对此，可通过强化眼动追踪定位，提高广视角和角分辨率，改善畸变等，强化视觉与听觉、触觉、前庭系统、动作反馈的协同一致，进而缓解冲突症状。

（3）辐辏调节冲突。佩戴VR/AR 头显设备后，双眼在产生立体视的同时，双目焦点调节与视觉景深并不匹配。因而VR/AR 头显设备难以如实反映类似现实世界中观看远近物体的清晰或者模糊变化。因此可选择非固定焦深的多焦点显示（Multifocal Display）或可变焦显示（Varifocal Display）缓解上述问题。

4 虚拟现实视觉健康影响实验

本次实验共收集6 款不同类型、具有代表性的虚拟现实产品，皆为市面上最新型号的在售产品。其中2 款为头戴式VR 眼镜，2 款为头戴式AR 眼镜，2 款为裸眼3D 产品。本次实验共招募40 名受试者，均为年龄在20 ～45 岁的社会人士。受试者经过筛选，视力、眼压、中央及周边前房深度、屈光度、泪膜功能、调节与辐辏等方面均达健康指标，无眼部疾病史。

实验分别在中山大学中山眼科中心和深圳赛西实验室进行。实验环境照度低于10 lx，温度在25 ～30 ℃，保证受试者在无其他光源干扰且安静舒适的环境中进行实验。

实验使用的测试片源分辨率为1 920×1 080，包含静态物、动态物、高速物以及立体显示等多种内容。为模拟实际使用场景，受试者将观看30 min。

在观看测试片源前后，测试人员将依据标准给出的方法，对受试者的核心眼科指标进行测量和记录。分别使用OCULUS-eratograph 干眼分析仪（70670）测量泪膜破裂时间，NIDEK 全自动综合验光仪（TS-310）测量调节辐辏，EDTRS 视力表测量视力，使用NIDEK 非接触式眼压计测量眼压，最后受试者以纸笔的方式在视觉疲劳问卷上进行自我评分。

根据健康受试者观看前与观看后的主视眼的测量结果，进行统计学分析及结果判定。若观看前与观看后的测量数值具有统计学差异，判定该指标为阳性；若观看前与观看后之间无统计学差异，判定该指标为阴性。根据阳性视觉健康指标的数量及组合方式，判定低、中、高风险虚拟现实产品，评估方法如表1 所示。

根据记录的实验结果，计算出每一项的平均值，再依据表1 规定的评估方法，得到本次实验的最终结果，如表2 所示。其中，VR 眼镜2 号和2 款裸眼3D 产品在观看前和观看后的测量数值均无统计学差异（P值＞0.05），获得了低风险的评估。VR眼镜1 号与AR 眼镜1 号在观看前和观看后的视觉疲劳评分上有统计学差异（P值＜0.05），其余测量数值无统计学差异，获得中风险评估。AR 眼镜2号在观看前和观看后的辐辏功能和视觉疲劳评分上有统计学差异（P值＜0.05），获得高风险评估。

表1 视觉健康影响等级评估表

表2 受试者实验结果

5 结 语

《虚拟现实产品视觉健康影响评价方法》为我国首个虚拟现实视觉健康团体标准，首次提出了虚拟现实视觉健康检测流程和检测核心指标，建立了虚拟现实技术视觉健康检测体系和平台。该标准的出台，将规范虚拟现实领域健康发展，促进虚拟现实行业技术升级，对推进产业技术进步、引导行业发展起到重要支撑作用，形成医学界、产业界共建虚拟现实健康生态的新范式。

该团体标准的发布，有助于加快构建技术先进、结构优化、国际兼容的虚拟现实标准体系，持续提升我国虚拟现实产业标准的技术水平、创新能力和国际化程度，促进建立多层次、多类型的虚拟现实技术人才体系。接下来，将进一步携手虚拟现实领域医-企-研机构，提高虚拟现实舒适安全性、光电物理参数等领域标准研制水平，持续优化、完善包括虚拟现实技术在内的泛终端视觉健康评价标准体系，开发针对泛终端在内的技术平台、网络服务平台、检测/认证/转化平台，加速推进虚拟现实等泛终端产品的视觉健康行业标准/国家标准落地，规范行业的健康发展。