实验报告：长时间使用VR头显对青少年的视力会造成哪些影响？

2017-05-08 19:49

背景说明
随着虚拟现实技术（VR）的快速发展，VR设备逐渐走入大众的视野，当前主流的VR头戴式显示设备一般采用双目单焦面的设计，这种设计结构简单，适用性范围较广。相对于传统VR用于专业化短时间的应用情景，目前VR技术希望能够更多地应用于普适化长时间的应用情景。但是用户在使用VR头戴式显示设备时，双眼长时间聚焦在一个固定的距离，这引发了人们对头戴式显示设备可能会对用户带来较为严重的眼部疲劳甚至损伤的担心。鉴于VR技术已经为各行各业带来翻天覆地的变化和革新，这种隐忧为行业发展带来了不确定性。
为此，北京市未来影像高精尖创新中心联合北京理工大学等多家单位，设计本实验来探究长时间使用VR头戴式显示设备对低年龄段用户视力的影响。
实验目标
本实验目的在于探究长时间使用VR头戴式显示设备对于低年龄段用户视力的影响。实验将分别针对智能平板和VR头戴式显示设备这两种设备进行对比测试，并将被试人员安置在特定的、相似的使用场景中，进行约为一小时的使用测试。同时通过主客观测量方法，获取被试使用设备前后和使用过程中的相关数据，从而分析VR头戴式显示设备对低年龄用户的视力影响。
实验设计
1 被试选取
本实验共计50名被试，四、六年级组各25名（其中六年级组女性11人，男性14人，四年级组女性13人，男性12人），全部参与完成VR实验。为了保证实验的可靠性，在VR实验全部完成后，从各年级的25名被试中再各自抽取13名被试，用于隔天的平板对比组实验。

2 VR内容选择
本实验最终选用VR内容如表3-2所示，画面如图3-1所示：

(a)Tilt Brush

(b)Drawing Pad画板
图3-1 实验选用的VR内容
3 实验流程
实验的整体流程分为三个阶段：实验预备阶段、实验测试阶段以及视力恢复阶段。

图3-2 实验整体流程
实验开始前，被试者进行5分钟眼部放松后，填写视觉疲劳量表，并进行一次验光与视力测试。实验现场如图3-3所示：

图3-3 验光与视力测试
实验测试阶段，平板组在正常室内光照条件下使用画板工具进行绘画，VR组佩戴头戴式显示设备，并使用Tilt Brush软件进行绘画。
每个被试的测试时间为60分钟，这60分钟分为三个阶段，每阶段时长20分钟，其间保持被试者在测试期间持续完成绘画任务，保证平板组和VR组在同一时间段内的绘画内容大致相同。每个阶段结束后，组织被试者完成视觉疲劳测试量表并采集视力表箱数据；各个检测步骤所花的时间并不计算在各个实验阶段的20分钟内，每个测试时间均≤2.5分钟。在整个流程60分钟结束后，还需额外的对被试者进行一次验光。

图3-4 实验测试现场
实验结束后，安排所有被试者进行总长为20分钟的眼部放松，分为两个阶段，每个阶段10分钟，期间禁止观看任何电子屏幕，以进行视力恢复。在每个10分钟结束后，组织被试者完成视觉疲劳测试量表并采集视力表箱数据；在整个流程20分钟结束后，还需另对被试者进行一次验光。
实验结果
1 主观测量结果——视疲劳量表
使用视疲劳量表的结果如图4-1所示，图中所呈现的数据为第2、3、4、5、6次测验的疲劳数值减去初次测量数值的差，代表这一实验阶段对被测实验数据的影响，即数值0可代表与实验前处于同一水平。从反馈回来的视疲劳量表中可以观察出VR被试的视觉疲劳程度与平板被试在不同的疲劳症状中的主观视觉疲劳度变化。其中平板被试有部分症状的平均疲劳程度略高于VR被试的情况，例如图4-1（a）（b）所呈现的第四症状（眼睛刺激感）和第六症状（视野模糊）。也有部分症状平板被试略低，例如图4-1（c）（d）所呈现的第八症状（眼睛干涩）和第九症状（头痛）。

(a)

(b)

(c)

(d)
图4-1 视疲劳症状变化图
另外，从以上四幅图中可以观测出，由于实验所引发的视疲劳，VR被试和平板被试均可在休息过程中逐渐恢复，也就是说本次实验VR组和平板组的视疲劳在短暂休息后都会完全消失。
对于VR被试部分症状的出现，一个可能的原因是由于本次实验所采用的头戴式显示设备（HTC Vive），其可调节的最小瞳距为60mm；而本次实验中六年级被试的平均瞳距为60mm，最低为56mm，四年级被试的平均瞳距为57mm，最小为52mm。佩戴时瞳距略有差异可能会对疲劳度产生一定的影响。此外，VR组的体验运动量更大，少数四年级被试反映头盔略微沉重，也是可能是VR组部分症状产生的重要原因。这一现象及原因有待进一步实验考证。
2 客观测量结果——人眼视力变化
由于低年龄段用户的视力及视觉调节力较好，因此被试群体中双眼视力为1.5的样本较多，而1.5为国际标准视力表的上限值，向上并无增长空间，因此以初次测量时双眼视力达到1.5与否为标准对各组样本进行划分后独立分析。
2.1 初始视力为1.5的被试
按照流程计算总共对被试进行了6次视力测试。对于四年级和六年级初始视力为1.5（即对数视力表的5.2）的样本而言，不论是VR组还是平板组，其在对数视力表下视力变化的绝对值均小于0.1，并且在下一阶段快速恢复。

2.2 初始视力小于1.5的被试
对于初始视力小于1.5的样本而言，除四年级平板组的被试之外，其余三组的视力值在第一阶段中都是增加的；而在实验内容结束后（即开始实验60分钟后），所有组别的视力值都比实验之前高。在休息过程中，平板组被试的视力逐渐回落而VR组被试的视力仍有增长的趋势。

表4-2 初始视力小于1.5的被试平均视力变化
表4-2呈现了初始视力非1.5的被试，在休息阶段的视力变化情况。可以从图中看出，对于平板被试而言，他们的视力在休息过程中反而呈现下降趋势：六年级平板被试的最后一次视力仅仅与实验前相同，而四年级平板被试已经略低于实验前的数值。与之相对的，VR被试在结束实验休息的20分钟内，平均视力都恢复到实验前的状态，甚至相对于实验前相同或较高的值。然而上观表4-2，这部分视力数据具有较大的标准差，因此只能作为定性分析大致推断VR被试的恢复情况略好的平板被试。

图4-2 休息阶段视力恢复情况
此外，我们还对实验开始20分钟后、实验结束时和休息阶段结束后的视力与实验前进行对比分析，结果如图4-3所示。可以看出，VR组被试在整个流程超过1小时20分钟的时间内，视力持平乃至提升的比例高达90%。

图4-3 视力变化情况比例图
实验中的另一个观察到的现象是：从实验刚开始到休息结束后，VR组被试中视力持平或者升高发生的比例与平板基本持平，甚至更高，但并未达到统计学意义的显著区别。

图4-4视力升高人数占比

图4-5被试平均视力值变化
根据表4-2和图4-3得出实验最终视力变化图4-4和4-5。其中根据图4-4视力升高人数占比图，整个实验流程结束后，高达14%的VR被试视力出现了一定幅度提升，而平板组仅为7.7%，VR组出现视力上升的案例比平板组多出近一倍；在图4-5关于被试平均视力变化的统计分布数据中，VR组被试视力变化平均值均≥0，意味着VR组的平均视力较实验前呈上升状态；而平板组平均视力值≤0，意味着平板组的平均视力较实验前呈持平甚至下降状态。从目前初步实证结果来看，正确佩戴VR设备，选取合适的VR内容，VR最终对学生视力的影响也是较为积极的。如果我们能接受学生使用平板电脑进行课堂学习，那么VR也是可以被接受的。
2.3 远视与近视对实验结果的影响
本次实验的50个VR样本中，有22个样本在验光中检测出至少有一只眼睛屈光度大于0；而在26个平板被试样本中，有12个样本检测出上述情况。这些屈光度大于0 的眼睛，可视为具有远视倾向，其在长时间观看呈现于近处且足够清晰的物体将会调节该眼球晶状体，使该眼的焦平面拉近。若眼睛的屈光度小于0，可以初步将该眼认为近视倾向，其在长时间观看呈现于远处而又足够清晰的物体，将会调节该眼球晶状体，使该眼的焦平面推远。
为探究初始视力小于1.5并具有远/近视症状的被试，根据使用VR/平板1小时后视力的变化，总结出如下数据：

50个VR样本中，具有远视右眼的人有15个，其中初始视力为1.5的被试有8名（表中未列出），初始视力小于1.5的被试有7名；这7名被试在实验1小时后，有3名被试的视力相对与实验前较高，2名被试视力与实验前持平，2名被试视力较实验前低；2名视力下降的被试占该类别总人数15人的13.3%。
可以发现，在头戴式显示装置的设计中，“左右眼到各自显示屏虚焦面的距离相同”并不符合此年龄段用户的需求。合理的面向低龄用户的头戴式显示器设计应当满足两只眼睛远近视不同的需要，而实现双眼焦距独立可调。
图4-5所列为近视/远视眼的视力在实验前后的变化情况分布。

图4-5 单眼非正常视力变化情况比例图
根据上述统计结果可以大致得出：远视眼的视力在VR实验中得到了一定程度的矫正（这仅仅针对初始视力小于1.5的样本集、并未包含初始视力1.5的样本）。有近视眼的被试眼睛视力在VR实验中也有部分出现了上升，而下降的比例小于该类别总数的25%。从表4-3也可以看出，就非正常视力的样本而言，VR组在实验中视力下降的比例与平板组较为接近。
结论
根据本次实验的数据，可以初步进行如下分析：
结论1：在1小时内使用VR头戴式显示器的被试，视力大多为持平或者上升；

图5-1 VR被试视力变化比重图
这一情况主要是由于实验中存在较大数量具有远视倾向的被试，使得视力的测量值有所提升。从表4-2中可以看出，在实验正式开始后20分钟、40分钟、1个小时里，VR被试的视力平均值都高于实验前；图5-1是由图4-3中VR被试组的三张子图压缩变化而成，可以反映实验的三个时段中，初始视力非1.5的被试其视力变化比重。从图中可以看出，在实验1小时后，VR被试中视力持平或上升的比例高达总人数的90%，仅有10%出现了视力下降。
结论2：连续使用1小时后，平板组被试仅依靠20分钟的休息，不能全部恢复视力到实验前的状态；VR组被试则呈现出较为积极的变化；
根据表4-2和图4-2可以看出，在实验后的20分钟休息阶段里，平板组的视力出现了缓慢回落，其中6年级平板被试最终视力和初始状态相同；而4年级平板被试的视力在最后甚至低于初始状态。相对于平板，VR组被试的视力基本保持稳定，甚至出现了上升。其中，根据图4-4显示，整个实验流程结束后，高达14%的VR被试视力出现了一定幅度提升，而平板组仅为7.7%，VR组出现视力上升的案例比平板组多出近一倍。因此有理由相信，在内容和方法适当的前提下，VR可以在一定程度上改善低龄用户的视力。
结论3：低年龄段用户视力容易受到VR头戴式显示器的影响

图5-2 实验20min非1.5被试视力变化比重
将图4-3中实验开始20分钟的子图取出并加以整改，可以得出图5-2，反映实验开始20分钟后，视力发生变化的人数比例。在实验开始20分钟后，有28%的VR被试视力出现了变动，而平板被试只有不到20%，说明在20分钟内VR被试视力受到的影响高过平板被试。
根据实验数据可以发现，VR设备在较短的使用时间内就会对具有近/远视视力的低年龄段用户的视力产生影响。根据图4-6及表4-3所示，具有远视左眼的VR被试有41.2%在实验后1小时后视力上升，具有远视右眼的有20%视力上升；具有近视左眼的VR被试有13.6%视力上升，具有近视右眼的有19.4%出现上升。另外，本次实验VR设备（HTC Vive）的实测虚像距约为1.7m，比起通常学生使用平板的眼睛对焦距离0.3m-0.45m要远，在内容适当的情况下，较远的虚像距对长期观看的被试更为有益。
因此，如果头戴式显示设备的虚像距离设计合理，该设备可以起到较好视力矫正的作用。相对的，如果虚像距离设计不合理，将会导致视力的进一步下降。
建议
根据上述对实验数据的分析，项目组针对用于低龄用户的VR头戴式显示器可以给出如下建议：
1） VR头戴式显示器可作为视力矫正设备
低年龄用户的近远视大多是假性的，具有正常化的可能性；但低年龄段用户若长期频繁的处于固定的聚焦条件下，将有可能使视力定型。因此，当前市场上针对成人正常眼球设计的、具有较近距离和固定虚焦面的头戴式显示装置并不适合儿童长期长时间使用。
如果VR头戴式显示器能够在呈现趣味性内容的同时，允许用户将近视眼对应屏幕的虚像距离适当拉远，将远视眼的虚像距离适当拉近，可以适当解决青少年左右眼视力不均、以及青少年假性近/远视的情况。同时，视力正常的青少年则需要在使用一段时间后适当调节一下虚焦距，这样可以起到提前预防近视的作用。
2）低年龄用户需要个性化的VR头戴式显示器
鉴于结论3所述，低年龄段用户视力分布情况较为复杂，如果需要低年龄段用户较长时间使用VR设备，一个较为合理的建议是：需要通过视力检查掌握每一个用户的实际视力情况，并在头戴式显示器上进行相应调整，以满足低年龄段用户的用眼健康要求。假设，如果瞳距可以适应更大范围的调节，又或者VR设备本身更加轻便小巧等，那么理论上VR可以被更大的年龄范围所接受。
来源：未来影像高精尖创新中心 AICFVE

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