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作者：孫瑞山汪苧單位：中國民航大學(xué)民航安全科學(xué)研究所

我國在眼動方面的研究起步較晚，最早開始于上世紀(jì)70年代末80年代初，在民用航空領(lǐng)域的眼動研究更為滯后其中具有代表性的是：基于飛行員眼動視域特征的飛機(jī)駕駛艙設(shè)計與評價[10-11]；航空人因工程領(lǐng)域眼動研究[12-14]以及其它航空領(lǐng)域的眼動研究[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眼動儀作為眼動跟蹤設(shè)備搭建實(shí)驗(yàn)平臺，簡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)分析方法對飛行員的視覺特征進(jìn)行研究。

1駕駛艙眼動實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1.1實(shí)驗(yàn)平臺搭建實(shí)驗(yàn)平臺搭建需要使用如下儀器設(shè)備：飛機(jī)駕駛艙人機(jī)交互仿真與測試系統(tǒng)τ下文簡稱為飛行模擬器υ和FaceLAB4.0眼動儀[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)控制臺飛機(jī)仿真軟件計算機(jī)系統(tǒng)硬件飛機(jī)設(shè)備仿真件和外圍配套設(shè)備整個系統(tǒng)提供了對仿真平臺進(jìn)行各種設(shè)置的人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室條件下對真實(shí)飛機(jī)操縱的模擬飛行中的外景圖像，通過系統(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眼動儀該眼動儀是一個紅外攝像系統(tǒng)，采用非接觸式測量，實(shí)現(xiàn)對人臉的3D建模，極大地減少了測量儀器對人的干擾，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供實(shí)時的視線跟蹤。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計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小時的飛行操作訓(xùn)練，熟悉實(shí)驗(yàn)平臺，并通過測試證實(shí)能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)開始前，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)的眼動數(shù)據(jù)從飛機(jī)對正跑道沿著跑道中心線起飛滑跑開始記錄，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)計方案如圖1所示。

2眼動建模及視覺區(qū)域劃分

2.1眼動設(shè)備建模FaceLAB4.0眼動儀首先要建立場景模型，場景模型是標(biāo)定眼動儀被觀測物體與測試對象之間的相對位置關(guān)系也就是建立了基于眼動儀的坐標(biāo)系而后，建立每位被試的頭部模型τ如圖2所示υ，通過標(biāo)定面部特征點(diǎn)，眼動儀可以實(shí)時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景世界模型確立被觀測物體在全局坐標(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模擬飛行中的視覺區(qū)域劃分飛行員視覺注視區(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)操作過程中，通過艙內(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個視覺區(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)處理每一次測試，F(xiàn)aceLAB4.0眼動儀會自動采集被試的眼動參數(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)表主要存儲被觀測目標(biāo)的坐標(biāo)；特征圖像數(shù)據(jù)表主要存儲頭部眼部和瞳孔分別在攝像機(jī)A和B中的坐標(biāo)；時間數(shù)據(jù)表存儲幀數(shù)與時間的關(guān)系；眼睛數(shù)據(jù)表存儲注視眼跳瞳孔等信息；頭部數(shù)據(jù)表主要存儲頭部在全局坐標(biāo)系中的位置角度等信息本研究中的視覺狀態(tài)指：是否注視；如果注視，則收集注視目標(biāo)物序號在模擬飛行實(shí)驗(yàn)中，被試的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)往往會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)物序號結(jié)合注視基本理論中最小注視持續(xù)時間的規(guī)定，對注視點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取本文所使用的眼動儀采樣頻率為60Hz，在給定最小注視持續(xù)時間t=100ms的條件下，對同一目標(biāo)物序號連續(xù)記錄6次，才達(dá)到最小持續(xù)時間因此，在處理數(shù)據(jù)時，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)物序號注視目標(biāo)物序號在世界模型建立時確定，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其它視覺區(qū)τ3區(qū)υ，依次對應(yīng)目標(biāo)物序號輸出值12-1假設(shè)每個時間點(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)是一種離散時間隨機(jī)變量序列此序列無后效性，是離散時間的馬爾科夫鏈[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%說明被試觀察前窗艙外景區(qū)域時，絕大多數(shù)情況下不能在一次注視中就獲取足夠的信息，需要通過對該區(qū)域進(jìn)行一次長時間的注視下一注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移到23區(qū)域的概率都很小，說明被試在觀察前窗艙外景區(qū)域時，非常專注，對其它的視覺區(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%說明被試觀察艙內(nèi)儀表區(qū)時，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，需要通過對該區(qū)域進(jìn)行一次長時間的注視下一注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移到13區(qū)域的概率都很小，說明被試在觀察艙內(nèi)儀表區(qū)域時，非常專注，對其它的視覺區(qū)域幾乎不關(guān)注3區(qū)域是實(shí)驗(yàn)中劃分的其它視覺區(qū)此時被試主要觀察艙內(nèi)儀表區(qū)和前窗艙外景區(qū)以外的視覺區(qū)域當(dāng)被試當(dāng)前注視點(diǎn)位于3區(qū)域時，下一個注視點(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，下一個注視點(diǎn)位于三個視覺區(qū)域的概率均值大致相近說明被試在觀察其它區(qū)域時，會同時關(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，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)過程中，被試在3區(qū)的注意力分配較少，加之我們在實(shí)驗(yàn)后處理數(shù)據(jù)時，對注視這一視覺狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格篩選，并按照最小注視持續(xù)時間t=100ms對注視點(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，3區(qū)的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)非常有限，單個注視點(diǎn)數(shù)據(jù)就會對總體產(chǎn)生顯著影響通過對一步狀態(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，由于視覺區(qū)內(nèi)信息豐富，短時間注視無法獲得足夠信息，往往需要長時間的注視；被試的視覺注意力在其它視覺區(qū)時，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，因此視覺注意力在下一時刻向各視覺區(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)中觀察視覺區(qū)獲取信息時，注意力相對較為集中飛行員在飛機(jī)起飛爬升過程中，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)可以確保起飛過程中飛機(jī)始終對正跑道，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

以固定式飛行模擬器和非接觸式眼動儀τFaceLAB4.0υ構(gòu)建了在模擬飛行過程中測試飛行員視覺特征的眼動實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)驗(yàn)中使用的眼動設(shè)備能夠精確標(biāo)定面部視覺特征點(diǎn)標(biāo)注注視物體，建立每位被試的頭部模型和世界模型，使眼動跟蹤數(shù)據(jù)更精確更有效該設(shè)備相比于其它眼動追蹤設(shè)備，因其非接觸式的特點(diǎn)對被試干擾少測試精度高而更具應(yīng)用優(yōu)勢眼動實(shí)驗(yàn)中被試下一個注視點(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)平臺及使用的數(shù)學(xué)分析方法，是一種研究飛行員飛行過程中視覺注視變化的有效手段。