面向艙外航天服的眼動交互技術(shù)研究

馬寶元，趙歆波，彭明地

（西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院，西安710072）

1 引言

航天員需要在近地軌道或天體表面脫離母船，執(zhí)行包括維修、裝卸、更換和回收各種有效載荷、組裝大型空間結(jié)構(gòu)（如空間站）和科學(xué)試驗等復(fù)雜任務(wù)，這些任務(wù)的完成依賴于艙外航天服的信息管理、信息顯示和控制功能。目前，出艙活動過程的支持主要依賴出艙航天員與艙內(nèi)航天員或地面任務(wù)支持中心的語音聯(lián)絡(luò)，艙外航天服為航天員提供的實時信息支持極為有限，影響了出艙活動的有效展開［1］。因此，開發(fā)具備視聽一體化的實時通信顯示系統(tǒng)和多通道人機交互系統(tǒng)成為保障艙外任務(wù)順利完成的必要手段。

近年來，國內(nèi)外研究機構(gòu)均對艙外航天服的頭戴式信息顯示系統(tǒng)進行了科研探索，例如楊新軍等人依據(jù)我國艙外服頭盔的結(jié)構(gòu)特點開發(fā)了穿透型航天員艙外頭盔信息顯示系統(tǒng)［2］；美國洛克西德馬丁公司為NASA研制了頭盔型艙外航天服信息微顯示系統(tǒng)原型［3］。這類頭戴式顯示系統(tǒng)雖然能夠提供文字、圖表和視頻等信息，但操作人員僅能通過實體按鍵控制器對系統(tǒng)進行控制。隨著出艙活動的復(fù)雜化，實體按鍵控制器（需要手操作）影響了出艙活動的工作效率。因此，可以將解放雙手的眼動交互技術(shù)引入對頭戴式信息顯示系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)多通道的人機交互。眼動交互技術(shù)是一種利用計算機和圖像處理對視線進行精確跟蹤、利用視線信息完成人機交互的新技術(shù)［4］。目前眼動交互技術(shù)主要應(yīng)用于殘疾人輔助設(shè)備和軍事領(lǐng)域，例如，李姍等利用眼動交互技術(shù)設(shè)計了面向殘障人士的繪畫系統(tǒng)［5］；美國相關(guān)研究機構(gòu)將眼動跟蹤技術(shù)應(yīng)用于新一代戰(zhàn)斗機（F?35） 飛行員頭盔［6］、實現(xiàn)武器的自動瞄準(zhǔn)［7］等。但是，目前國內(nèi)外鮮有將眼動交互技術(shù)應(yīng)用于艙外航天服設(shè)計的公開研究內(nèi)容。

因此，本文提出一種將頭戴式顯示技術(shù)（Head?Mounted Display，HMD）和眼動交互技術(shù)引入艙外航天服的設(shè)計方案，利用HMD設(shè)備實現(xiàn)增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）的信息顯示功能，設(shè)計一種基于注視停留時間觸發(fā)和長眼跳觸發(fā)的眼動交互模式，通過眼動交互設(shè)備及軟件實現(xiàn)航天員的眼控人機交互，為下一代先進艙外航天服的人機交互技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

2 眼動交互總體方案

由于出艙航天員在執(zhí)行維修、裝卸、更換和回收各種有效載荷等復(fù)雜任務(wù)時，現(xiàn)有的語音指揮系統(tǒng)不足以提供大量的實時輔助信息；艙外航天服的實體按鍵需要航天員用手操作，降低了出艙任務(wù)的工作效率。因此，本文引入HMD和眼動交互技術(shù)為航天員提供文字、圖表和視頻等多媒體信息，使航天員在執(zhí)行任務(wù)時雙手被占用的情況下也能基于HMD界面對艙外航天服做出有效的控制，輔助航天員完成各種復(fù)雜任務(wù)。

眼動交互技術(shù)的實現(xiàn)在硬件方面依賴于HMD和眼動儀，考慮到航天頭盔內(nèi)頭戴式設(shè)備的佩戴舒適度，本文將HMD設(shè)備集成到眼鏡式眼動儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體硬件架構(gòu)如圖1所示，將眼動跟蹤模塊、場景圖像采集模塊和增強現(xiàn)實顯示模塊集成到眼鏡式框架上，同時利用3D打印成型技術(shù)完成硬件框架加工。為保證眼動跟蹤的準(zhǔn)確性，頭戴式眼動儀的場景圖像采集模塊與增強現(xiàn)實顯示模塊的位置相對固定，只需要對兩個模塊進行一次標(biāo)定運算就能得到場景相機與虛擬投影面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

圖1 頭戴式眼動儀硬件架構(gòu)Fig.1 The hardware architecture of head?mounted eye tracker

本文依托集成HMD的眼動儀設(shè)計了眼動交互的總體方案。首先通過眼動跟蹤算法得到的視點信息，然后對視點信息進行預(yù)處理，最后根據(jù)設(shè)計的基于注視停留時間觸發(fā)和長眼跳觸發(fā)的眼動交互模式來進行交互系統(tǒng)測試。航天員通過規(guī)定的眼睛運動方式對HMD界面進行人機交互，如眼動實現(xiàn)界面菜單和按鈕的選擇與觸發(fā)、眼動控制維修手冊的翻頁、眼動控制視頻請求與關(guān)閉等。方案流程如圖2所示。

圖2 眼動交互方案流程圖Fig.2 Flowchart of eye movement interaction

考慮到眼動交互作為一種面向用戶的人機交互方式，為了驗證眼動交互的可行性，從以下方面對眼動交互系統(tǒng)進行試驗驗證：1）眼動交互的準(zhǔn)確性、實時性；2）用戶對眼動儀及眼動交互方式的滿意度。

3 眼動交互系統(tǒng)詳細設(shè)計

3.1 眼動跟蹤獲取視點

眼動跟蹤的準(zhǔn)確性與實時性嚴(yán)重制約了眼動交互的準(zhǔn)確性與實時性，本文硬件上使用頭戴式眼動儀，保證了頭部與硬件測量設(shè)備相對靜止，可以獲得較高的測量精度。軟件設(shè)計選擇成熟的眼動跟蹤算法——瞳孔?角膜反射向量法［8?9］。 眼動儀對佩戴者者侵?jǐn)_程度小，算法耗時短，并可獲得較精確的視線方向。眼動跟蹤需獲取兩個重要特征：紅外光源下獲得的清晰瞳孔圖像以及紅外光源反射在角膜上的亮斑。在眼動儀與頭部的相對位置保持不變的情況下，利用角膜反射亮斑作為參照量，獲取與瞳孔中心的方向向量來確定眼動跟蹤注視點。其基本流程如圖3所示，通過一個標(biāo)定的過程得到場景中注視點位置與眼部特征參數(shù)的映射關(guān)系，然后實時獲取眼部特征參數(shù)來獲得注視點位置。

圖3 眼動跟蹤算法流程圖Fig.3 Flowchart of eye tracking algorithm

3.2 眼動數(shù)據(jù)預(yù)處理

人眼的眼球漂移和微小震動等生理特性會降低視線跟蹤的準(zhǔn)確性［10］，所以在眼動交互前需要進行眼動數(shù)據(jù)預(yù)處理。眼動交互系統(tǒng)需要的有意義的數(shù)據(jù)主要有注視（fixation）和眼跳（saccade）兩種運動，其主要表征如表1所示［10］。為了從原始數(shù)據(jù)中提取出所需的兩種運動信息，須對眼動數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，具體操作有去噪濾波，剔除無效信息，合并微型眼跳等。

表1 注視及眼跳特征［10］Table 1 The characteristics of fixation and saccade［10］

在眼動信息預(yù)處理階段，眼睛的不自主震顫會導(dǎo)致原始眼動注視點在某一位置產(chǎn)生抖動的現(xiàn)象，由于注視停留時間的觸發(fā)方式對系統(tǒng)的注視點精確性敏感，此現(xiàn)象會造成用戶體驗差的后果。由此我們在預(yù)處理時利用均值濾波g（x，y，t） ＝∑f（x，y，t） （其中，m 為當(dāng)前參與均值濾波處理的數(shù)據(jù)總數(shù)， f（x，y，t） 為原始眼動注視點數(shù)據(jù)，g（x，y，t） 為經(jīng)濾波處理后的注視點數(shù)據(jù)）的數(shù)據(jù)處理方式消除了這種視覺上的劇烈抖動，并且保證了系統(tǒng)注視點的精確性，但這樣不可避免的導(dǎo)致運動中注視點的信息精準(zhǔn)度下降，我們的目標(biāo)為在注視點的精確性和下降的信息精準(zhǔn)度之間尋找一個最佳的折中。我們分別將去抖動濾波窗口設(shè)置為 0.5 s時長、0.8 s時長、1 s時長、1.2 s時長和1.5 s時長進行眼動注視行為試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)窗口大小設(shè)置為0.5 s時長時，用戶會感覺到注視點的劇烈抖動；而當(dāng)窗口大小設(shè)置為1.5 s時長時，用戶會感覺到注視點在跳躍時有明顯的延時現(xiàn)象，造成系統(tǒng)不精確的主觀印象；當(dāng)濾波窗口設(shè)置為約1 s時長數(shù)據(jù)區(qū)域時，用戶主觀上不會感受到注視點的抖動現(xiàn)象和注視點跳躍時的延時現(xiàn)象，獲得了較好的用戶體驗。

3.3 眼控觸發(fā)方式

眼動交互是一種利用眼睛的運動信息實現(xiàn)人機交互的方式，具有比常規(guī)交互方式（如手持操作設(shè)備交互）更直接，更符合人類思維習(xí)慣的優(yōu)點。對增強現(xiàn)實顯示界面的控制需要采用命令式交互的模式［5］，利用眼動交互系統(tǒng)中的眼動儀得到的原始眼動數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理后，判斷命令觸發(fā)條件，觸發(fā)交互命令。本文基于注視和眼跳等眼動信息設(shè)計了兩套眼控觸發(fā)方式，用戶可自主選擇使用長眼跳觸發(fā)或注視停留觸發(fā)兩種方式進行交互。

3.3.1 對角線式的長眼跳眼動交互方式

通過規(guī)定用戶的眼動點有序地在多個界面對象上進行跳躍來產(chǎn)生命令，這種眼動交互輸入機制僅僅依賴于界面對象之間的相對位置關(guān)系，對眼動設(shè)備的精確度不敏感。

眼動交互系統(tǒng)中，眼動信息在經(jīng)過預(yù)處理后，需要判斷是否為長眼跳狀態(tài)。規(guī)定眼跳交互的起始功能區(qū)為S區(qū)，終止功能區(qū)為T區(qū)，兩者滿足對角線方位，如圖4所示；眼跳起點和終點分別為s x，y( )和 t x，y( )。 判斷眼跳的起點 s x，y( )和終點t x，y( )是否落入相應(yīng)的功能區(qū)S區(qū)和T區(qū)（即對角線圓圈）內(nèi)，若符合，則執(zhí)行眼動命令，算法流程圖如圖5所示。

圖4 對角線式長眼跳觸發(fā)界面對象示意圖Fig.4 The diagram of diagonal long saccade trigger interface

圖5 長眼跳觸發(fā)算法流程Fig.5 The process of long saccade trigger algorithm

3.3.2 注視時間觸發(fā)方式

當(dāng)用戶注視界面中某些對象超過一定時間閾值時，系統(tǒng)會觸發(fā)相應(yīng)的功能做出響應(yīng)。將注視點停留時長設(shè)置為100～1500 ms的可調(diào)參數(shù)，由于不同的用戶對眼動操作的熟練程度不同，可根據(jù)主觀感受選擇參數(shù)。若注視時長過短的話很容易造成誤操作，注視時長過長的話造成用戶體驗很差，所以要找到一個合適的注視時長閾值達到較好的用戶體驗，基于注視的眼動交互對于用戶認(rèn)知有較小的負荷，符合用戶的使用習(xí)慣，本系統(tǒng)利用眼動注視在增強現(xiàn)實顯示界面能夠?qū)崿F(xiàn)菜單的喚醒與隱藏，二級菜單項觸發(fā)，文檔的查看與翻閱以及視頻通信等功能。算法流程如圖6所示。

3.4 眼動交互界面

考慮到人在認(rèn)知過程中不能同時處理大量的信息，需要對信息進行了一定的選擇和加工，因此交互界面顯示的信息不宜過多造成人的視覺及認(rèn)知上的疲憊感［11］。根據(jù)人眼的注視特性，人眼在注視某一點時，并非完全靜止，包含微小眼跳、眼球漂移、微型震動等，即一個不超過1°視角的微小區(qū)域。當(dāng)用于交互方式設(shè)計時，交互功能區(qū)域不應(yīng)小于1°。本文為保證交互的流暢性和系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，將功能區(qū)域設(shè)置為1.5°視角范圍；并在交互系統(tǒng)中加入了錯誤反饋機制，該機制可使錯誤觸發(fā)恢復(fù)至上一狀態(tài)。

圖6 注視點觸發(fā)算法流程Fig.6 The process of fixation stay trigger algorithm

系統(tǒng)的主要界面包括兩部分，分別為后臺監(jiān)控主界面和前端投影界面。后臺監(jiān)控主界面主要由場景圖像監(jiān)控區(qū)域、眼部圖像監(jiān)控區(qū)域和控制面板等組成，如圖7所示?？刂泼姘蹇赏瓿傻墓δ苡校航ⅲ瘮嚅_通信連接，眼動數(shù)據(jù)處理參數(shù)調(diào)節(jié)，定標(biāo)提示，九點標(biāo)定及結(jié)果的保存與讀取，實時數(shù)據(jù)顯示（亮斑中心、瞳孔中心、場景注視點、虛擬場景注視點和眼控交互狀態(tài)顯示等）。

圖7 后臺監(jiān)控主界面Fig.7 The main monitoring interface of backstage supporter

前端投影界面顯示虛擬場景信息及疊加的AR信息，其中虛擬場景信息是由系統(tǒng)初始化設(shè)定的信息，如圖8（a）所示，疊加的AR信息為系統(tǒng)在眼動命令觸發(fā)后依照功能需求顯示的信息，如圖8（b）～（d）所示。佩戴者實際視野展示如圖8（e）～（f）所示。功能需求包括主菜單的顯示與隱藏，一級菜單與二級菜單的觸發(fā)，文檔的翻頁和視頻通信等。

圖8 前端投影界面Fig.8 Front projection screen

4 試驗與分析

4.1 系統(tǒng)驗證環(huán)境搭建

為驗證眼動交互方法的可行性與準(zhǔn)確性，開發(fā)頭戴式眼動儀（圖9（a））、搭建硬件平臺及實現(xiàn)測試軟件對眼動交互方法進行模擬驗證。

在驗證系統(tǒng)中頭戴式眼動儀與航天員身上攜帶的可穿戴計算機相連，用于數(shù)據(jù)的采集與傳輸；光學(xué)透視式投影顯示模塊，將計算機處理后的AR畫面實時投影到航天員前方投影面上，便于航天員與后臺進行交互；用于模擬空間站／地面站的后臺計算機通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男问剑邮諄碜钥纱┐饔嬎銠C的眼部圖像和場景圖像并進行處理。整個軟件以客戶端／服務(wù)器端的形式實現(xiàn)，客戶端采集到的眼部圖像和場景圖像經(jīng)圖像傳輸模塊傳輸?shù)椒?wù)器端進行預(yù)處理與眼動跟蹤計算得到注視點，最終實現(xiàn)基于注視點完成眼控交互測試任務(wù)。驗證系統(tǒng)搭建如圖9（b）所示。

4.2 系統(tǒng)可用性評估

考慮到本系統(tǒng)的主要目的在于眼控交互功能的實現(xiàn)，令用戶參與到可用性評估［12］中，所以系統(tǒng)的可用性評估由眼控人機交互的實時性、準(zhǔn)確性和用戶滿意度決定。

圖9 頭戴式眼動儀及原理驗證系統(tǒng)Fig.9 Head mounted eye tracker and the principle of verification system

系統(tǒng)選用30 FPS的眼部攝像機和300 M無線USB網(wǎng)卡，視線估計算法用時約32±5 ms，能夠以25幀／s的速度獲取注視點，達到了實時性的要求。視線跟蹤的準(zhǔn)確度可用式（1）所示跟蹤誤差來衡量［10］：

其中，H為被測者到測試目標(biāo)所在平面的距離，α為允許的誤差視角，R為目標(biāo)所在平面上估算視線與真實視線的誤差圓半徑。本文將眼控交互功能觸發(fā)區(qū)域半徑設(shè)置為α為1°對應(yīng)的誤差圓半徑R，統(tǒng)計其功能觸發(fā)的正確率作為系統(tǒng)的準(zhǔn)確性評估。

為了評估系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和用戶滿意度，本文招募了30名測試者來完成以下測試任務(wù)，各個測試者視力情況均正常，統(tǒng)計測試結(jié)果并通過調(diào)查問卷的方式收集用戶的滿意度信息。

1）測試者佩戴眼動儀分別在不同注視時長閾值（100～1500 ms）下完成了10輪眼控觸發(fā)的試驗，并對主菜單的顯示與隱藏，一級菜單與二級菜單的觸發(fā)，文檔的前后翻頁及關(guān)閉和視頻通信及關(guān)閉共計11個控制對象的準(zhǔn)確率進行了統(tǒng)計，結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同注視時間閾值下的準(zhǔn)確率Fig.10 The accuracy rate of different fixation time

結(jié)果顯示，注視停留時間越長，功能觸發(fā)的準(zhǔn)確率越高，但是時間越長用戶體驗也就越差，給用戶留下系統(tǒng)延時太高的主觀印象。注視停留時間越短的話，功能觸發(fā)的錯誤率越高，由于不同的用戶的適應(yīng)能力不同，導(dǎo)致在不同時間閾值下的錯誤率不同。

2）針對長眼跳觸發(fā)的可用性評估，30名測試者佩戴眼動儀完成了長眼跳觸發(fā)實現(xiàn)文檔的前后翻頁功能測試且每名測試者有間隔的完成了10輪測試，將文檔的主對角線方向的長眼跳設(shè)置為向前翻頁，而副對角線方向設(shè)置為向后翻頁，分別統(tǒng)計了10輪測試中的功能觸發(fā)的準(zhǔn)確率，結(jié)果如圖11所示。

圖11 10輪測試下長眼跳觸發(fā)準(zhǔn)確率Fig.11 The accuracy rate of long saccade trigger in 10 rounds

隨著測試輪數(shù)的推進，系統(tǒng)長眼跳觸發(fā)的準(zhǔn)確率在慢慢增加至80%以上，這符合人的認(rèn)知規(guī)律，長眼跳觸發(fā)需要經(jīng)過學(xué)習(xí)訓(xùn)練來達到提高準(zhǔn)確率的目的。

3）對調(diào)查問卷進行統(tǒng)計，30名測試者佩戴眼動儀完成測試后對系統(tǒng)進行打分，分別就頭戴式眼動儀外觀及佩戴舒適程度、交互系統(tǒng)界面、注視停留時間觸發(fā)功能和長眼跳觸發(fā)功能的滿意程度進行主觀評價，每項打分均為10分制。對調(diào)查結(jié)果進行統(tǒng)計得到平均滿意度如表2所示。

表2 用戶主觀評價Table 2 User subjective evaluation

通過測試結(jié)果數(shù)據(jù)分析可知：測試者對系統(tǒng)的整體表現(xiàn)基本滿意，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)視線跟蹤；功能觸發(fā)的總的正確率為90%以上；用戶能及時搜索到交互對象，即界面設(shè)計滿足規(guī)范性與易理解性；綜上所述，面向艙外航天服的頭戴式眼動交互系統(tǒng)實現(xiàn)了所需功能，交互錯誤率低，用戶滿意度高，且界面友好，易于掌握。

5 結(jié)論

本文基于HMD和眼動交互技術(shù)設(shè)計的面向艙外航天服的頭戴式眼動交互系統(tǒng)的可行性通過得到了驗證?；谧⒁曂Ａ魰r間和長眼跳觸發(fā)相應(yīng)控制命令，佩戴者能通過眼動命令準(zhǔn)確地對HMD界面的圖標(biāo)、菜單和按鈕進行控制，眼動觸發(fā)功能的準(zhǔn)確率達到90%以上。

眼動交互為艙外活動提供了一種新穎的人機交互方式，兼具魯棒性與可靠性，滿足了人機交互系統(tǒng)中眼控觸發(fā)靈敏、交互界面友好和用戶滿意度高等需求，具有較好的應(yīng)用前景。

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