基于眼動指標的腦力疲勞識別研究

鄭 欣副教授 郝騰騰 王慧宇 許開立教授

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

0引言

據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)今世界上所有人機系統(tǒng)失效中，約有70%～90%直接或間接源于人的因素。疲勞影響人的生理和心理，降低人的可靠性，引發(fā)人失誤導(dǎo)致事故發(fā)生。國內(nèi)外很多學(xué)者就如何避免疲勞作業(yè)做了很多相關(guān)研究。最初對疲勞的研究著重于交通駕駛方面，后來隨著人機工程學(xué)的逐漸成熟，對疲勞的研究范圍逐漸多元化。疲勞可以分為心理疲勞和生理疲勞，其中生理疲勞又包括體力疲勞和腦力疲勞。眼睛和大腦是緊密聯(lián)系的，如何通過眼動指標來表征腦力疲勞是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點。早期對眼電圖(Electro-oculogram，EOG)的研究表明,一些特殊的眨眼現(xiàn)象是腦力疲勞出現(xiàn)的最早標志；Dario Cazzoli等發(fā)現(xiàn)眼跳平均速度隨作業(yè)時長的增加而下降；Luigi De Gennaro等發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)生40h睡眠剝奪后，眼跳平均速度呈下降趨勢。眼動儀記錄法是目前廣泛應(yīng)用的眼動記錄方法之一。它能夠記錄眼動信息，同時可以將眼動信息和場景圖像疊加，使實驗數(shù)據(jù)更接近于真實場景。因前人已針對眼跳指標與腦力疲勞的相關(guān)性進行了大量研究，本文不再對眼跳指標進行研究。本文運用實驗手段探究作業(yè)前后被試者瞳孔直徑、注視點、陀螺(Gyro)和加速計(Accelerometer)等眼動指標的變化，探求眼動指標與疲勞之間的相關(guān)性，為企業(yè)實施有效的疲勞干預(yù)措施，減少人失誤提供新的思路。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗設(shè)備

視覺疲勞的數(shù)據(jù)由眼動追蹤儀Tobii Glasses 2和Tobii Glasses 2分析軟件所得，能夠測量的參數(shù)有瞳孔直徑(Pupil Diameter)、跳視(Saccade)時間、注視(Fixation)時間、陀螺(Gyro)和加速計(Accelerometer)等，還能測被測者的興趣區(qū)域、關(guān)注點圖(Gaze Point)和熱點圖(Heat Map)等。

1.2 被試者

為避免極端數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，被試者為3人，均為男生，身高在160～176cm之間，均為在校大四學(xué)生，且視力經(jīng)過光學(xué)矯正后均達到實驗要求。

1.3 實驗條件設(shè)置

根據(jù)Tobii自帶的數(shù)據(jù)分析軟件，可將測得的數(shù)據(jù)可視化。其中，圓形代表視野聚焦處，圓形大小代表注視時間長短，注視時間越長表征認知負荷越大。從圖1的2幅圖對比可知，仰視比平視時的圓形面積大，這說明閱讀時的不同視覺角度會形成不同程度的疲勞負荷。因此在采集閱讀時的眼動數(shù)據(jù)時，要注意電腦屏幕與被測者相對位置的設(shè)置。

圖1 不同仰角的眼動數(shù)據(jù)對比圖Fig.1 A eye movement data differed by elevation angle

在保證連接電源線的情況下，電腦屏幕亮度100%；屏幕背景顏色采用默認的白色；視覺距離保證在50～100cm之間，但作業(yè)者可隨意調(diào)整；屏幕在被試者水平視線偏下一點，字符行距為1.5倍行距，字符間距為默認間距；字符大小選擇中文四號字符；為保證相同字符大小一致，采用15.6寸的筆記本電腦，統(tǒng)一使用WPS辦公軟件，放大倍數(shù)為100%；字符顏色選擇黑色；為保證彩色程度一致，黑色為R0B0G0。

1.4 實驗步驟

實驗步驟如下：

步驟一：將電腦主機和Tobii Glasses 2眼鏡設(shè)備連接。

步驟二：被試者就位，進行10min休息后，佩戴使用Tobii Glasses 2眼鏡設(shè)備，測量瞳孔直徑、注視點個數(shù)、注視時間、Gyro和Accelerometer等參數(shù)。

步驟三：進行心算準確性測量。被試者進行兩位數(shù)加減法計算，測試時間為3min。

步驟四：開始英文閱讀作業(yè)，計時45min。

步驟五：再次進行心算準確性測量。被試者進行兩位數(shù)加減法計算，測試時間為3min。人的可靠性的測量可以通過心算準確性來表示。從表1中3名被試者作業(yè)前后的心算可靠性數(shù)據(jù)可以看出，被試者經(jīng)過45min的英語閱讀作業(yè)后，心算可靠性數(shù)據(jù)均降低，表明被試者都出現(xiàn)不同程度的腦力疲勞。

表1 作業(yè)前后心算可靠性Tab.1 Reliability of mental arithmetic before and after operation

步驟六：被試者佩戴使用Tobii Glasses 2眼鏡設(shè)備，測量疲勞后瞳孔直徑、注視點個數(shù)、注視時間、Gyro和Accelerometer等參數(shù)。

可靠度

R

可用式(1)表示。

R

=

n

×

K

(1)

式中：

n

—測試作業(yè)完成的量，%；

k

—測試作業(yè)的準確率，其大小為作業(yè)正確的題目數(shù)量與完成量的比值；

R

—可靠度?？煽慷仁亲鳂I(yè)人員完成任務(wù)的準確量，可靠度下降表示出現(xiàn)腦力疲勞。采用可靠度下降率

R

'來表示疲勞程度。

(2)

式中：

R

'—可靠度下降率，%；

R

—

k

時刻的可靠性數(shù)據(jù)；

R

—安靜時的可靠性數(shù)據(jù)。

2 實驗數(shù)據(jù)分析

2.1 注視點

對實驗對象作業(yè)前后的注視點進行測量，可以得到被試者作業(yè)前后注視點的熱點圖(如圖2)和軌跡圖(如圖3)。由圖2可直觀看到，作業(yè)后注視點分散程度明顯比作業(yè)前大，即在疲勞狀態(tài)下，注視的范圍會擴大。對比圖3中作業(yè)前后注視點個數(shù)，被試者1由43個增加到45個，整體數(shù)量變化不大，表1中被試者1的心算可靠性變化率也僅僅為3.6%,可能是被試者1的腦力疲勞程度不大導(dǎo)致注視點個數(shù)變化不明顯；被試者2由24減少到19；被試者3由26減少到17。3名被試者注視點個數(shù)在疲勞前后的變化規(guī)律不一致,為明確疲勞前后注視點個數(shù)的變化規(guī)律情況，需要進行樣本量更大的實驗。

圖2 作業(yè)前后注視點的熱點圖Fig.2 Hot spot maps of fixation points before and after operation

圖3 作業(yè)前后注視點的軌跡圖Fig.3 Trajectory diagram of fixation pointsbefore and after operation

選取10名研究對象分別進行3組實驗，將10名實驗對象疲勞前后的眼動實驗數(shù)據(jù)進行記錄與整理，并分別計算3組實驗中所有實驗對象的注視點個數(shù)，見表2。運用SPSS 25.0軟件對10名實驗對象疲勞前后的注視點個數(shù)進行配對樣本T檢驗，在進行配對T檢驗前進行方差齊性檢驗，Sig.1=0.132，Sig.2=0.680，Sig.3=0.879，3組實驗數(shù)據(jù)均滿足方差齊性。配對樣本T檢驗中

P

1=0.000<0.01，

P

2=0.000<0.01，

P

3=0.000<0.01，說明實驗對象作業(yè)前后在興趣區(qū)域內(nèi)的注視點個數(shù)差異性非常顯著，疲勞后注視點個數(shù)減少，注視點個數(shù)可以作為表征腦力疲勞的典型指標。表2中注視點個數(shù)比圖3中的少，因為實驗組數(shù)增加，佩戴眼動設(shè)備采集眼動數(shù)據(jù)的時間減少，采集的注視點個數(shù)因此減少。佩戴眼動設(shè)備采集眼動數(shù)據(jù)的時間減少不會對研究疲勞前后注視點個數(shù)變化趨勢產(chǎn)生影響。

2.2 瞳孔直徑

被試者作業(yè)前后瞳孔直徑變化情況，見表3。3名被試者作業(yè)后左右瞳孔直徑平均值的變化率分別為11.88%、5.124%和9.184%，可以看出：作業(yè)疲勞后瞳孔直徑呈增加趨勢。

表2 注視點個數(shù)Tab.2 Number of fixation points

表3 作業(yè)前后瞳孔直徑Tab.3 Pupil diameter before and after operation

2.3 Gyro和Accelerometer

Gyro和Accelerometer參數(shù)測量數(shù)據(jù)，見表4。3名被試者作業(yè)后，Gyro參數(shù)值降低率分別為2.784%、6.136%和2.045%；Accelerometer參數(shù)降低率分別為0.193%、0.322%和2.576%。由此可知，疲勞狀態(tài)下，人眼的Gyro和Accelerometer的矢量和數(shù)值都存在減小趨勢，Gyro和Accelerometer可以作為腦力疲勞的測量參數(shù)。

表4 Gyro和Accelerometer參數(shù)Tab.4 Gyro and Accelerorometer parameters

3 結(jié)論

(1)腦力疲勞可以導(dǎo)致作業(yè)可靠性下降，本文提出利用包含作業(yè)完成量和準確性雙因素的可靠度下降率模型表征疲勞程度。

(2)出現(xiàn)腦力疲勞時，從熱點圖和軌跡圖可以看出，注視點的分散程度明顯比作業(yè)前的大，即在疲勞情況下，注視的范圍會擴大，注視點的個數(shù)會減少?？衫米⒁朁c的分散程度和注視點的個數(shù)進行腦力疲勞的定性識別。

(3)眼動指標瞳孔直徑、Gyro和Accelerometer與腦力疲勞之間具有相關(guān)性。腦力疲勞時，瞳孔直徑有增大趨勢，Gyro和Accelerometer矢量和數(shù)據(jù)有減小趨勢。瞳孔直徑、Gyro和Accelerometer可做為表征腦力疲勞的定量指標。