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作者：孫瑞山汪苧單位：中國(guó)民航大學(xué)民航安全科學(xué)研究所

我國(guó)在眼動(dòng)方面的研究起步較晚，最早開(kāi)始于上世紀(jì)70年代末80年代初，在民用航空領(lǐng)域的眼動(dòng)研究更為滯后其中具有代表性的是：基于飛行員眼動(dòng)視域特征的飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)[10-11]；航空人因工程領(lǐng)域眼動(dòng)研究[12-14]以及其它航空領(lǐng)域的眼動(dòng)研究[15]本文以固定式飛行模擬器為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用非接觸式FaceLAB4.0眼動(dòng)儀作為眼動(dòng)跟蹤設(shè)備搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，簡(jiǎn)化飛行員獲取信息的目標(biāo)區(qū)域，并利用馬爾科夫鏈的數(shù)學(xué)分析方法對(duì)飛行員的視覺(jué)特征進(jìn)行研究。

1駕駛艙眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建需要使用如下儀器設(shè)備：飛機(jī)駕駛艙人機(jī)交互仿真與測(cè)試系統(tǒng)τ下文簡(jiǎn)稱為飛行模擬器υ和FaceLAB4.0眼動(dòng)儀[16]實(shí)驗(yàn)中的駕駛環(huán)境采用固定式飛行模擬器該飛行模擬器包括系統(tǒng)控制臺(tái)飛機(jī)仿真軟件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件飛機(jī)設(shè)備仿真件和外圍配套設(shè)備整個(gè)系統(tǒng)提供了對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行各種設(shè)置的人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)真實(shí)飛機(jī)操縱的模擬飛行中的外景圖像，通過(guò)系統(tǒng)自帶軟件和投影儀，播放到駕駛艙前方的屏幕上視線跟蹤設(shè)備采用澳大利亞Seeingmachine公司生產(chǎn)的FaceLAB4.0眼動(dòng)儀該眼動(dòng)儀是一個(gè)紅外攝像系統(tǒng)，采用非接觸式測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)人臉的3D建模，極大地減少了測(cè)量?jī)x器對(duì)人的干擾，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供實(shí)時(shí)的視線跟蹤。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇普通在校研究生τ男性，年齡從23至28歲υ作為實(shí)驗(yàn)被試，被試的視力或矯正視力正常在實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備階段，被試需在實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境中進(jìn)行5小時(shí)的飛行操作訓(xùn)練，熟悉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并通過(guò)測(cè)試證實(shí)能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，建立每位被試的頭部模型τTheHeadModelυ要求被試完成在同一機(jī)場(chǎng)相同氣象環(huán)境下τ晴朗的白天υ的飛機(jī)起飛任務(wù)，每次實(shí)驗(yàn)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)從飛機(jī)對(duì)正跑道沿著跑道中心線起飛滑跑開(kāi)始記錄，直到飛機(jī)高度表顯示已爬升至300英尺高度具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2眼動(dòng)建模及視覺(jué)區(qū)域劃分

2.1眼動(dòng)設(shè)備建模FaceLAB4.0眼動(dòng)儀首先要建立場(chǎng)景模型，場(chǎng)景模型是標(biāo)定眼動(dòng)儀被觀測(cè)物體與測(cè)試對(duì)象之間的相對(duì)位置關(guān)系也就是建立了基于眼動(dòng)儀的坐標(biāo)系而后，建立每位被試的頭部模型τ如圖2所示υ，通過(guò)標(biāo)定面部特征點(diǎn)，眼動(dòng)儀可以實(shí)時(shí)跟蹤頭部眼睛與視線的狀態(tài)最后，確立世界模型τTheWorldModelυ世界模型τ如圖3所示υ是FaceLAB4.0的重要改進(jìn)允許使用者運(yùn)用球體平面等模擬外部可視場(chǎng)景世界模型確立被觀測(cè)物體在全局坐標(biāo)系中的大小與位置世界模型標(biāo)定的準(zhǔn)確與否，關(guān)系到能否準(zhǔn)確捕捉到被試的注視目標(biāo)物。

2.2模擬飛行中的視覺(jué)區(qū)域劃分飛行員視覺(jué)注視區(qū)域的劃分，是研究飛行員注意力分配和注視狀態(tài)轉(zhuǎn)移模式的基礎(chǔ)和前提視野平面機(jī)械劃分法將視野平面機(jī)械地劃分為幾部分，落在各部分的注視點(diǎn)即為該區(qū)域內(nèi)的注視目標(biāo)[17]飛行員在飛機(jī)操作過(guò)程中，通過(guò)艙內(nèi)儀表能夠獲取飛機(jī)的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)在近地環(huán)境中，地面的標(biāo)識(shí)燈光人員車輛環(huán)境能夠?yàn)轱w行員提供周圍的交通環(huán)境信息在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，為了簡(jiǎn)化飛行員的視野和注視目標(biāo)，將飛行員的視野平面按照艙內(nèi)艙外以及這之外的區(qū)域劃分為3個(gè)視覺(jué)區(qū)，分別記為：前窗艙外景區(qū)τ1區(qū)υ艙內(nèi)儀表區(qū)τ2區(qū)υ其它視覺(jué)區(qū)τ3區(qū)υ實(shí)驗(yàn)中被試的視野區(qū)域劃分如圖4所示。

3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理與方法分析

3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理每一次測(cè)試，F(xiàn)aceLAB4.0眼動(dòng)儀會(huì)自動(dòng)采集被試的眼動(dòng)參數(shù)依據(jù)DataAnalysis程序，一次實(shí)驗(yàn)完成后可以導(dǎo)出五個(gè)數(shù)據(jù)表，分別是：世界數(shù)據(jù)表τWorldDataυ特征圖像數(shù)據(jù)表τImageFeaturesυ時(shí)間數(shù)據(jù)表τTimingDataυ眼睛數(shù)據(jù)表τEyesDataυ和頭部數(shù)據(jù)表τHeadDataυ世界數(shù)據(jù)表主要存儲(chǔ)被觀測(cè)目標(biāo)的坐標(biāo)；特征圖像數(shù)據(jù)表主要存儲(chǔ)頭部眼部和瞳孔分別在攝像機(jī)A和B中的坐標(biāo)；時(shí)間數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)幀數(shù)與時(shí)間的關(guān)系；眼睛數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)注視眼跳瞳孔等信息；頭部數(shù)據(jù)表主要存儲(chǔ)頭部在全局坐標(biāo)系中的位置角度等信息本研究中的視覺(jué)狀態(tài)指：是否注視；如果注視，則收集注視目標(biāo)物序號(hào)在模擬飛行實(shí)驗(yàn)中，被試的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)往往會(huì)因受到疲勞眨眼等因素的干擾而存在非注視點(diǎn)數(shù)據(jù)根據(jù)眼動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)記錄類型，從眼睛的閉合度雙眼閉合置信度注視質(zhì)量眨眼掃視PERCLOS值等方面建立注視狀態(tài)判斷條件，只有在同時(shí)滿足所有判斷條件的情況下，記錄的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)才是最后用于實(shí)驗(yàn)分析的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3.2馬爾科夫鏈建模根據(jù)上述判斷條件，篩選出高質(zhì)量注視點(diǎn)數(shù)據(jù)，并收集最終用于分析的注視目標(biāo)物序號(hào)結(jié)合注視基本理論中最小注視持續(xù)時(shí)間的規(guī)定，對(duì)注視點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取本文所使用的眼動(dòng)儀采樣頻率為60Hz，在給定最小注視持續(xù)時(shí)間t=100ms的條件下，對(duì)同一目標(biāo)物序號(hào)連續(xù)記錄6次，才達(dá)到最小持續(xù)時(shí)間因此，在處理數(shù)據(jù)時(shí)，規(guī)定連續(xù)6幀以上記錄到同一注視目標(biāo)物記為一次注視狀態(tài)數(shù)據(jù)，記錄其注視目標(biāo)物序號(hào)注視目標(biāo)物序號(hào)在世界模型建立時(shí)確定，由輸出數(shù)據(jù)表中GAZE_OBJ_INDEX體現(xiàn)飛行員視野平面劃分為前窗艙外景區(qū)τ1區(qū)υ艙內(nèi)儀表區(qū)τ2區(qū)υ其它視覺(jué)區(qū)τ3區(qū)υ，依次對(duì)應(yīng)目標(biāo)物序號(hào)輸出值12-1假設(shè)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)τ每一幀υ，被試的注視狀態(tài)只有一種且由于數(shù)據(jù)采集的間隔很短，可以認(rèn)為數(shù)據(jù)處理后得到的注視狀態(tài)數(shù)據(jù)是一種離散時(shí)間隨機(jī)變量序列此序列無(wú)后效性，是離散時(shí)間的馬爾科夫鏈[18]于是，可以得到如下馬爾科夫鏈。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)數(shù)據(jù)處理后的高質(zhì)量注視狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析1區(qū)域是實(shí)驗(yàn)中劃分的前窗艙外景區(qū)如果被試當(dāng)前注視點(diǎn)位于1區(qū)域，下一個(gè)注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移情況的概率值如表2所示：表2數(shù)據(jù)顯示，如果被試當(dāng)前注視點(diǎn)位于1區(qū)域，下一個(gè)注視點(diǎn)仍然位于1區(qū)域的概率τυ最大，平均達(dá)到96.84%說(shuō)明被試觀察前窗艙外景區(qū)域時(shí)，絕大多數(shù)情況下不能在一次注視中就獲取足夠的信息，需要通過(guò)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行一次長(zhǎng)時(shí)間的注視下一注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移到23區(qū)域的概率都很小，說(shuō)明被試在觀察前窗艙外景區(qū)域時(shí)，非常專注，對(duì)其它的視覺(jué)區(qū)域幾乎不關(guān)注2區(qū)域是實(shí)驗(yàn)中劃分的艙內(nèi)儀表區(qū)如果被試當(dāng)前注視點(diǎn)位于2區(qū)域，下一個(gè)注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移情況的概率值如表3所示：表3數(shù)據(jù)顯示，如果被試當(dāng)前注視點(diǎn)位于2區(qū)域，下一個(gè)注視點(diǎn)仍然位于2區(qū)域的概率τυ最大，平均達(dá)到92.58%說(shuō)明被試觀察艙內(nèi)儀表區(qū)時(shí)，因該區(qū)域信息豐富，絕大多數(shù)情況下不能在一次注視中就獲取足夠的信息，需要通過(guò)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行一次長(zhǎng)時(shí)間的注視下一注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移到13區(qū)域的概率都很小，說(shuō)明被試在觀察艙內(nèi)儀表區(qū)域時(shí)，非常專注，對(duì)其它的視覺(jué)區(qū)域幾乎不關(guān)注3區(qū)域是實(shí)驗(yàn)中劃分的其它視覺(jué)區(qū)此時(shí)被試主要觀察艙內(nèi)儀表區(qū)和前窗艙外景區(qū)以外的視覺(jué)區(qū)域當(dāng)被試當(dāng)前注視點(diǎn)位于3區(qū)域時(shí)，下一個(gè)注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移情況的概率值如表4所示：表4中的數(shù)據(jù)顯示，如果被試當(dāng)前注視點(diǎn)位于3區(qū)域，下一個(gè)注視點(diǎn)位于三個(gè)視覺(jué)區(qū)域的概率均值大致相近說(shuō)明被試在觀察其它區(qū)域時(shí)，會(huì)同時(shí)關(guān)注艙內(nèi)儀表區(qū)和艙外景區(qū)當(dāng)前注視點(diǎn)為3區(qū)時(shí)，不同飛行員之間的一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率相差較大這是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，被試在3區(qū)的注意力分配較少，加之我們?cè)趯?shí)驗(yàn)后處理數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)注視這一視覺(jué)狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格篩選，并按照最小注視持續(xù)時(shí)間t=100ms對(duì)注視點(diǎn)數(shù)據(jù)做提取，這樣處理后的數(shù)據(jù)在使用馬爾科夫鏈分析方法進(jìn)行分析時(shí)，3區(qū)的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)非常有限，單個(gè)注視點(diǎn)數(shù)據(jù)就會(huì)對(duì)總體產(chǎn)生顯著影響通過(guò)對(duì)一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率分布情況的分析，認(rèn)為被試在觀察艙內(nèi)儀表區(qū)和前窗艙外景區(qū)時(shí)，由于視覺(jué)區(qū)內(nèi)信息豐富，短時(shí)間注視無(wú)法獲得足夠信息，往往需要長(zhǎng)時(shí)間的注視；被試的視覺(jué)注意力在其它視覺(jué)區(qū)時(shí)，由于該區(qū)域信息量少，在一次注視狀態(tài)中就能獲取該區(qū)的全部有效信息，因此視覺(jué)注意力在下一時(shí)刻向各視覺(jué)區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率大致相近；被試在飛行模擬實(shí)驗(yàn)中觀察視覺(jué)區(qū)獲取信息時(shí)，注意力相對(duì)較為集中飛行員在飛機(jī)起飛爬升過(guò)程中，需要獲得大量的信息，觀察艙內(nèi)儀表區(qū)能夠獲得速度爬升率航向飛行高度等數(shù)據(jù)，觀察艙外景區(qū)可以確保起飛過(guò)程中飛機(jī)始終對(duì)正跑道，獲得跑道上的交通情況障礙物等各項(xiàng)有效信息這些實(shí)際情況也從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果中得到驗(yàn)證。

5結(jié)束語(yǔ)

以固定式飛行模擬器和非接觸式眼動(dòng)儀τFaceLAB4.0υ構(gòu)建了在模擬飛行過(guò)程中測(cè)試飛行員視覺(jué)特征的眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)中使用的眼動(dòng)設(shè)備能夠精確標(biāo)定面部視覺(jué)特征點(diǎn)標(biāo)注注視物體，建立每位被試的頭部模型和世界模型，使眼動(dòng)跟蹤數(shù)據(jù)更精確更有效該設(shè)備相比于其它眼動(dòng)追蹤設(shè)備，因其非接觸式的特點(diǎn)對(duì)被試干擾少測(cè)試精度高而更具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)中被試下一個(gè)注視點(diǎn)所處的位置，只依賴于當(dāng)前的注視點(diǎn)位置，而與此前注視點(diǎn)的位置無(wú)關(guān)，因此采用馬爾可夫鏈的方法分析被試的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)具有可行性本文搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及使用的數(shù)學(xué)分析方法，是一種研究飛行員飛行過(guò)程中視覺(jué)注視變化的有效手段。