视觉特征论文:飞行模拟器环境下视觉特征分析

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作者：孙瑞山汪苧单位：中国民航大学民航安全科学研究所

我国在眼动方面的研究起步较晚，最早开始于上世纪70年代末80年代初，在民用航空领域的眼动研究更为滞后其中具有代表性的是：基于飞行员眼动视域特征的飞机驾驶舱设计与评价[10-11]；航空人因工程领域眼动研究[12-14]以及其它航空领域的眼动研究[15]本文以固定式飞行模拟器为实验环境，利用非接触式FaceLAB4.0眼动仪作为眼动跟踪设备搭建实验平台，简化飞行员获取信息的目标区域，并利用马尔科夫链的数学分析方法对飞行员的视觉特征进行研究。

1驾驶舱眼动实验设计

1.1实验平台搭建实验平台搭建需要使用如下仪器设备：飞机驾驶舱人机交互仿真与测试系统τ下文简称为飞行模拟器υ和FaceLAB4.0眼动仪[16]实验中的驾驶环境采用固定式飞行模拟器该飞行模拟器包括系统控制台飞机仿真软件计算机系统硬件飞机设备仿真件和外围配套设备整个系统提供了对仿真平台进行各种设置的人机接口，实现了在实验室条件下对真实飞机操纵的模拟飞行中的外景图像，通过系统自带软件和投影仪，播放到驾驶舱前方的屏幕上视线跟踪设备采用澳大利亚Seeingmachine公司生产的FaceLAB4.0眼动仪该眼动仪是一个红外摄像系统，采用非接触式测量，实现对人脸的3D建模，极大地减少了测量仪器对人的干扰，为相关领域的研究提供实时的视线跟踪。

1.2实验设计选择普通在校研究生τ男性，年龄从23至28岁υ作为实验被试，被试的视力或矫正视力正常在实验前期准备阶段，被试需在实验室模拟环境中进行5小时的飞行操作训练，熟悉实验平台，并通过测试证实能够独立完成实验任务实验开始前，建立每位被试的头部模型τTheHeadModelυ要求被试完成在同一机场相同气象环境下τ晴朗的白天υ的飞机起飞任务，每次实验的眼动数据从飞机对正跑道沿着跑道中心线起飞滑跑开始记录，直到飞机高度表显示已爬升至300英尺高度具体实验设计方案如图1所示。

2眼动建模及视觉区域划分

2.1眼动设备建模FaceLAB4.0眼动仪首先要建立场景模型，场景模型是标定眼动仪被观测物体与测试对象之间的相对位置关系也就是建立了基于眼动仪的坐标系而后，建立每位被试的头部模型τ如图2所示υ，通过标定面部特征点，眼动仪可以实时跟踪头部眼睛与视线的状态最后，确立世界模型τTheWorldModelυ世界模型τ如图3所示υ是FaceLAB4.0的重要改进允许使用者运用球体平面等模拟外部可视场景世界模型确立被观测物体在全局坐标系中的大小与位置世界模型标定的准确与否，关系到能否准确捕捉到被试的注视目标物。

2.2模拟飞行中的视觉区域划分飞行员视觉注视区域的划分，是研究飞行员注意力分配和注视状态转移模式的基础和前提视野平面机械划分法将视野平面机械地划分为几部分，落在各部分的注视点即为该区域内的注视目标[17]飞行员在飞机操作过程中，通过舱内仪表能够获取飞机的各项性能数据在近地环境中，地面的标识灯光人员车辆环境能够为飞行员提供周围的交通环境信息在实验室环境下，为了简化飞行员的视野和注视目标，将飞行员的视野平面按照舱内舱外以及这之外的区域划分为3个视觉区，分别记为：前窗舱外景区τ1区υ舱内仪表区τ2区υ其它视觉区τ3区υ实验中被试的视野区域划分如图4所示。

3实验数据预处理与方法分析

3.1实验数据预处理每一次测试，FaceLAB4.0眼动仪会自动采集被试的眼动参数依据DataAnalysis程序，一次实验完成后可以导出五个数据表，分别是：世界数据表τWorldDataυ特征图像数据表τImageFeaturesυ时间数据表τTimingDataυ眼睛数据表τEyesDataυ和头部数据表τHeadDataυ世界数据表主要存储被观测目标的坐标；特征图像数据表主要存储头部眼部和瞳孔分别在摄像机A和B中的坐标；时间数据表存储帧数与时间的关系；眼睛数据表存储注视眼跳瞳孔等信息；头部数据表主要存储头部在全局坐标系中的位置角度等信息本研究中的视觉状态指：是否注视；如果注视，则收集注视目标物序号在模拟飞行实验中，被试的注视点数据往往会因受到疲劳眨眼等因素的干扰而存在非注视点数据根据眼动设备的数据记录类型，从眼睛的闭合度双眼闭合置信度注视质量眨眼扫视PERCLOS值等方面建立注视状态判断条件，只有在同时满足所有判断条件的情况下，记录的注视点数据才是最后用于实验分析的注视点数据。

3.2马尔科夫链建模根据上述判断条件，筛选出高质量注视点数据，并收集最终用于分析的注视目标物序号结合注视基本理论中最小注视持续时间的规定，对注视点数据进行提取本文所使用的眼动仪采样频率为60Hz，在给定最小注视持续时间t=100ms的条件下，对同一目标物序号连续记录6次，才达到最小持续时间因此，在处理数据时，规定连续6帧以上记录到同一注视目标物记为一次注视状态数据，记录其注视目标物序号注视目标物序号在世界模型建立时确定，由输出数据表中GAZE_OBJ_INDEX体现飞行员视野平面划分为前窗舱外景区τ1区υ舱内仪表区τ2区υ其它视觉区τ3区υ，依次对应目标物序号输出值12-1假设每个时间点τ每一帧υ，被试的注视状态只有一种且由于数据采集的间隔很短，可以认为数据处理后得到的注视状态数据是一种离散时间随机变量序列此序列无后效性，是离散时间的马尔科夫链[18]于是，可以得到如下马尔科夫链。

4实验结果

对数据处理后的高质量注视状态数据进行分析1区域是实验中划分的前窗舱外景区如果被试当前注视点位于1区域，下一个注视点转移情况的概率值如表2所示：表2数据显示，如果被试当前注视点位于1区域，下一个注视点仍然位于1区域的概率τυ最大，平均达到96.84%说明被试观察前窗舱外景区域时，绝大多数情况下不能在一次注视中就获取足够的信息，需要通过对该区域进行一次长时间的注视下一注视点转移到23区域的概率都很小，说明被试在观察前窗舱外景区域时，非常专注，对其它的视觉区域几乎不关注2区域是实验中划分的舱内仪表区如果被试当前注视点位于2区域，下一个注视点转移情况的概率值如表3所示：表3数据显示，如果被试当前注视点位于2区域，下一个注视点仍然位于2区域的概率τυ最大，平均达到92.58%说明被试观察舱内仪表区时，因该区域信息丰富，绝大多数情况下不能在一次注视中就获取足够的信息，需要通过对该区域进行一次长时间的注视下一注视点转移到13区域的概率都很小，说明被试在观察舱内仪表区域时，非常专注，对其它的视觉区域几乎不关注3区域是实验中划分的其它视觉区此时被试主要观察舱内仪表区和前窗舱外景区以外的视觉区域当被试当前注视点位于3区域时，下一个注视点转移情况的概率值如表4所示：表4中的数据显示，如果被试当前注视点位于3区域，下一个注视点位于三个视觉区域的概率均值大致相近说明被试在观察其它区域时，会同时关注舱内仪表区和舱外景区当前注视点为3区时，不同飞行员之间的一步状态转移概率相差较大这是由于实验过程中，被试在3区的注意力分配较少，加之我们在实验后处理数据时，对注视这一视觉状态进行严格筛选，并按照最小注视持续时间t=100ms对注视点数据做提取，这样处理后的数据在使用马尔科夫链分析方法进行分析时，3区的注视点数据非常有限，单个注视点数据就会对总体产生显著影响通过对一步状态转移概率分布情况的分析，认为被试在观察舱内仪表区和前窗舱外景区时，由于视觉区内信息丰富，短时间注视无法获得足够信息，往往需要长时间的注视；被试的视觉注意力在其它视觉区时，由于该区域信息量少，在一次注视状态中就能获取该区的全部有效信息，因此视觉注意力在下一时刻向各视觉区发生转移的概率大致相近；被试在飞行模拟实验中观察视觉区获取信息时，注意力相对较为集中飞行员在飞机起飞爬升过程中，需要获得大量的信息，观察舱内仪表区能够获得速度爬升率航向飞行高度等数据，观察舱外景区可以确保起飞过程中飞机始终对正跑道，获得跑道上的交通情况障碍物等各项有效信息这些实际情况也从实验数据的处理结果中得到验证。

5结束语

以固定式飞行模拟器和非接触式眼动仪τFaceLAB4.0υ构建了在模拟飞行过程中测试飞行员视觉特征的眼动实验平台实验中使用的眼动设备能够精确标定面部视觉特征点标注注视物体，建立每位被试的头部模型和世界模型，使眼动跟踪数据更精确更有效该设备相比于其它眼动追踪设备，因其非接触式的特点对被试干扰少测试精度高而更具应用优势眼动实验中被试下一个注视点所处的位置，只依赖于当前的注视点位置，而与此前注视点的位置无关，因此采用马尔可夫链的方法分析被试的注视点数据具有可行性本文搭建的实验平台及使用的数学分析方法，是一种研究飞行员飞行过程中视觉注视变化的有效手段。