前言：本站為你精心整理了視覺特征論文:飛行模擬器環(huán)境下視覺特征分析范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

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(huán)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(qū)域，并利用馬爾科夫鏈的數(shù)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(tǒng)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(huán)境采用固定式飛行模擬器該飛行模擬器包括系統(tǒng)控制臺飛機仿真軟件計算機系統(tǒng)硬件飛機設備仿真件和外圍配套設備整個系統(tǒng)提供了對仿真平臺進行各種設置的人機接口，實現(xiàn)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(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(tǒng)，采用非接觸式測量，實現(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(huán)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(huán)境下τ晴朗的白天υ的飛機起飛任務，每次實驗的眼動數(shù)據(jù)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(qū)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(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(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(qū)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(shù)據(jù)在近地環(huán)境中，地面的標識燈光人員車輛環(huán)境能夠為飛行員提供周圍的交通環(huán)境信息在實驗室環(huán)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(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艙內儀表區(qū)τ2區(qū)υ其它視覺區(qū)τ3區(qū)υ實驗中被試的視野區(qū)域劃分如圖4所示。

3實驗數(shù)據(jù)預處理與方法分析

3.1實驗數(shù)據(jù)預處理每一次測試，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，一次實驗完成后可以導出五個數(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的坐標；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A和B中的坐標；時間數(shù)據(jù)表存儲幀數(shù)與時間的關系；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，則收集注視目標物序號在模擬飛行實驗中，被試的注視點數(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數(shù)據(jù)根據(jù)眼動設備的數(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，記錄的注視點數(shù)據(jù)才是最后用于實驗分析的注視點數(shù)據(jù)。

3.2馬爾科夫鏈建模根據(jù)上述判斷條件，篩選出高質量注視點數(shù)據(jù)，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(xù)時間的規(guī)定，對注視點數(shù)據(jù)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(xù)時間t=100ms的條件下，對同一目標物序號連續(xù)記錄6次，才達到最小持續(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物記為一次注視狀態(tài)數(shù)據(jù)，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(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艙內儀表區(qū)τ2區(qū)υ其它視覺區(qū)τ3區(qū)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(tài)只有一種且由于數(shù)據(jù)采集的間隔很短，可以認為數(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(shù)據(jù)處理后的高質量注視狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析1區(qū)域是實驗中劃分的前窗艙外景區(qū)如果被試當前注視點位于1區(qū)域，下一個注視點轉移情況的概率值如表2所示：表2數(shù)據(jù)顯示，如果被試當前注視點位于1區(qū)域，下一個注視點仍然位于1區(qū)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(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)域進行一次長時間的注視下一注視點轉移到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)域幾乎不關注2區(qū)域是實驗中劃分的艙內儀表區(qū)如果被試當前注視點位于2區(qū)域，下一個注視點轉移情況的概率值如表3所示：表3數(shù)據(jù)顯示，如果被試當前注視點位于2區(qū)域，下一個注視點仍然位于2區(qū)域的概率τυ最大，平均達到92.58%說明被試觀察艙內儀表區(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)域進行一次長時間的注視下一注視點轉移到13區(qū)域的概率都很小，說明被試在觀察艙內儀表區(qū)域時，非常專注，對其它的視覺區(qū)域幾乎不關注3區(qū)域是實驗中劃分的其它視覺區(qū)此時被試主要觀察艙內儀表區(qū)和前窗艙外景區(qū)以外的視覺區(qū)域當被試當前注視點位于3區(qū)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(shù)據(jù)顯示，如果被試當前注視點位于3區(qū)域，下一個注視點位于三個視覺區(qū)域的概率均值大致相近說明被試在觀察其它區(qū)域時，會同時關注艙內儀表區(qū)和艙外景區(qū)當前注視點為3區(qū)時，不同飛行員之間的一步狀態(tài)轉移概率相差較大這是由于實驗過程中，被試在3區(qū)的注意力分配較少，加之我們在實驗后處理數(shù)據(jù)時，對注視這一視覺狀態(tài)進行嚴格篩選，并按照最小注視持續(xù)時間t=100ms對注視點數(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行分析時，3區(qū)的注視點數(shù)據(jù)非常有限，單個注視點數(shù)據(jù)就會對總體產生顯著影響通過對一步狀態(tài)轉移概率分布情況的分析，認為被試在觀察艙內儀表區(qū)和前窗艙外景區(qū)時，由于視覺區(qū)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(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)生轉移的概率大致相近；被試在飛行模擬實驗中觀察視覺區(qū)獲取信息時，注意力相對較為集中飛行員在飛機起飛爬升過程中，需要獲得大量的信息，觀察艙內儀表區(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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yōu)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(shù)據(jù)具有可行性本文搭建的實驗平臺及使用的數(shù)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。