視覺特征論文:飛行模擬器環境下視覺特征分析

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作者：孫瑞山汪苧單位：中國民航大學民航安全科學研究所

我國在眼動方面的研究起步較晚，最早開始于上世紀70年代末80年代初，在民用航空領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駕駛艙設計與評價[10-11]；航空人因工程領域眼動研究[12-14]以及其它航空領域的眼動研究[15]本文以固定式飛行模擬器為實驗環境，利用非接觸式FaceLAB4.0眼動儀作為眼動跟蹤設備搭建實驗平臺，簡化飛行員獲取信息的目標區域，并利用馬爾科夫鏈的數學分析方法對飛行員的視覺特征進行研究。

1駕駛艙眼動實驗設計

1.1實驗平臺搭建實驗平臺搭建需要使用如下儀器設備：飛機駕駛艙人機交互仿真與測試系統τ下文簡稱為飛行模擬器υ和FaceLAB4.0眼動儀[16]實驗中的駕駛環境采用固定式飛行模擬器該飛行模擬器包括系統控制臺飛機仿真軟件計算機系統硬件飛機設備仿真件和外圍配套設備整個系統提供了對仿真平臺進行各種設置的人機接口，實現了在實驗室條件下對真實飛機操縱的模擬飛行中的外景圖像，通過系統自帶軟件和投影儀，播放到駕駛艙前方的屏幕上視線跟蹤設備采用澳大利亞Seeingmachine公司生產的FaceLAB4.0眼動儀該眼動儀是一個紅外攝像系統，采用非接觸式測量，實現對人臉的3D建模，極大地減少了測量儀器對人的干擾，為相關領域的研究提供實時的視線跟蹤。

1.2實驗設計選擇普通在校研究生τ男性，年齡從23至28歲υ作為實驗被試，被試的視力或矯正視力正常在實驗前期準備階段，被試需在實驗室模擬環境中進行5小時的飛行操作訓練，熟悉實驗平臺，并通過測試證實能夠獨立完成實驗任務實驗開始前，建立每位被試的頭部模型τTheHeadModelυ要求被試完成在同一機場相同氣象環境下τ晴朗的白天υ的飛機起飛任務，每次實驗的眼動數據從飛機對正跑道沿著跑道中心線起飛滑跑開始記錄，直到飛機高度表顯示已爬升至300英尺高度具體實驗設計方案如圖1所示。

2眼動建模及視覺區域劃分

2.1眼動設備建模FaceLAB4.0眼動儀首先要建立場景模型，場景模型是標定眼動儀被觀測物體與測試對象之間的相對位置關系也就是建立了基于眼動儀的坐標系而后，建立每位被試的頭部模型τ如圖2所示υ，通過標定面部特征點，眼動儀可以實時跟蹤頭部眼睛與視線的狀態最后，確立世界模型τTheWorldModelυ世界模型τ如圖3所示υ是FaceLAB4.0的重要改進允許使用者運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系中的大小與位置世界模型標定的準確與否，關系到能否準確捕捉到被試的注視目標物。

2.2模擬飛行中的視覺區域劃分飛行員視覺注視區域的劃分，是研究飛行員注意力分配和注視狀態轉移模式的基礎和前提視野平面機械劃分法將視野平面機械地劃分為幾部分，落在各部分的注視點即為該區域內的注視目標[17]飛行員在飛機操作過程中，通過艙內儀表能夠獲取飛機的各項性能數據在近地環境中，地面的標識燈光人員車輛環境能夠為飛行員提供周圍的交通環境信息在實驗室環境下，為了簡化飛行員的視野和注視目標，將飛行員的視野平面按照艙內艙外以及這之外的區域劃分為3個視覺區，分別記為：前窗艙外景區τ1區υ艙內儀表區τ2區υ其它視覺區τ3區υ實驗中被試的視野區域劃分如圖4所示。

3實驗數據預處理與方法分析

3.1實驗數據預處理每一次測試，FaceLAB4.0眼動儀會自動采集被試的眼動參數依據DataAnalysis程序，一次實驗完成后可以導出五個數據表，分別是：世界數據表τWorldDataυ特征圖像數據表τImageFeaturesυ時間數據表τTimingDataυ眼睛數據表τEyesDataυ和頭部數據表τHeadDataυ世界數據表主要存儲被觀測目標的坐標；特征圖像數據表主要存儲頭部眼部和瞳孔分別在攝像機A和B中的坐標；時間數據表存儲幀數與時間的關系；眼睛數據表存儲注視眼跳瞳孔等信息；頭部數據表主要存儲頭部在全局坐標系中的位置角度等信息本研究中的視覺狀態指：是否注視；如果注視，則收集注視目標物序號在模擬飛行實驗中，被試的注視點數據往往會因受到疲勞眨眼等因素的干擾而存在非注視點數據根據眼動設備的數據記錄類型，從眼睛的閉合度雙眼閉合置信度注視質量眨眼掃視PERCLOS值等方面建立注視狀態判斷條件，只有在同時滿足所有判斷條件的情況下，記錄的注視點數據才是最后用于實驗分析的注視點數據。

3.2馬爾科夫鏈建模根據上述判斷條件，篩選出高質量注視點數據，并收集最終用于分析的注視目標物序號結合注視基本理論中最小注視持續時間的規定，對注視點數據進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時間t=100ms的條件下，對同一目標物序號連續記錄6次，才達到最小持續時間因此，在處理數據時，規定連續6幀以上記錄到同一注視目標物記為一次注視狀態數據，記錄其注視目標物序號注視目標物序號在世界模型建立時確定，由輸出數據表中GAZE_OBJ_INDEX體現飛行員視野平面劃分為前窗艙外景區τ1區υ艙內儀表區τ2區υ其它視覺區τ3區υ，依次對應目標物序號輸出值12-1假設每個時間點τ每一幀υ，被試的注視狀態只有一種且由于數據采集的間隔很短，可以認為數據處理后得到的注視狀態數據是一種離散時間隨機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實驗結果

對數據處理后的高質量注視狀態數據進行分析1區域是實驗中劃分的前窗艙外景區如果被試當前注視點位于1區域，下一個注視點轉移情況的概率值如表2所示：表2數據顯示，如果被試當前注視點位于1區域，下一個注視點仍然位于1區域的概率τυ最大，平均達到96.84%說明被試觀察前窗艙外景區域時，絕大多數情況下不能在一次注視中就獲取足夠的信息，需要通過對該區域進行一次長時間的注視下一注視點轉移到23區域的概率都很小，說明被試在觀察前窗艙外景區域時，非常專注，對其它的視覺區域幾乎不關注2區域是實驗中劃分的艙內儀表區如果被試當前注視點位于2區域，下一個注視點轉移情況的概率值如表3所示：表3數據顯示，如果被試當前注視點位于2區域，下一個注視點仍然位于2區域的概率τυ最大，平均達到92.58%說明被試觀察艙內儀表區時，因該區域信息豐富，絕大多數情況下不能在一次注視中就獲取足夠的信息，需要通過對該區域進行一次長時間的注視下一注視點轉移到13區域的概率都很小，說明被試在觀察艙內儀表區域時，非常專注，對其它的視覺區域幾乎不關注3區域是實驗中劃分的其它視覺區此時被試主要觀察艙內儀表區和前窗艙外景區以外的視覺區域當被試當前注視點位于3區域時，下一個注視點轉移情況的概率值如表4所示：表4中的數據顯示，如果被試當前注視點位于3區域，下一個注視點位于三個視覺區域的概率均值大致相近說明被試在觀察其它區域時，會同時關注艙內儀表區和艙外景區當前注視點為3區時，不同飛行員之間的一步狀態轉移概率相差較大這是由于實驗過程中，被試在3區的注意力分配較少，加之我們在實驗后處理數據時，對注視這一視覺狀態進行嚴格篩選，并按照最小注視持續時間t=100ms對注視點數據做提取，這樣處理后的數據在使用馬爾科夫鏈分析方法進行分析時，3區的注視點數據非常有限，單個注視點數據就會對總體產生顯著影響通過對一步狀態轉移概率分布情況的分析，認為被試在觀察艙內儀表區和前窗艙外景區時，由于視覺區內信息豐富，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時，由于該區域信息量少，在一次注視狀態中就能獲取該區的全部有效信息，因此視覺注意力在下一時刻向各視覺區發生轉移的概率大致相近；被試在飛行模擬實驗中觀察視覺區獲取信息時，注意力相對較為集中飛行員在飛機起飛爬升過程中，需要獲得大量的信息，觀察艙內儀表區能夠獲得速度爬升率航向飛行高度等數據，觀察艙外景區可以確保起飛過程中飛機始終對正跑道，獲得跑道上的交通情況障礙物等各項有效信息這些實際情況也從實驗數據的處理結果中得到驗證。

5結束語

以固定式飛行模擬器和非接觸式眼動儀τFaceLAB4.0υ構建了在模擬飛行過程中測試飛行員視覺特征的眼動實驗平臺實驗中使用的眼動設備能夠精確標定面部視覺特征點標注注視物體，建立每位被試的頭部模型和世界模型，使眼動跟蹤數據更精確更有效該設備相比于其它眼動追蹤設備，因其非接觸式的特點對被試干擾少測試精度高而更具應用優勢眼動實驗中被試下一個注視點所處的位置，只依賴于當前的注視點位置，而與此前注視點的位置無關，因此采用馬爾可夫鏈的方法分析被試的注視點數據具有可行性本文搭建的實驗平臺及使用的數學分析方法，是一種研究飛行員飛行過程中視覺注視變化的有效手段。