基于眼疲勞檢測的顯示器色彩匹配研究

郭 贊，史 越，何榮光，王文蔚

(空軍工程大學工程學院，陜西 西安 710038)

隨著現代飛機座艙的顯示設備的彩色化、綜合化和信息化，顯示器色彩匹配設計的問題凸現出來。目前，飛機座艙顯示器畫面色彩匹配設計存在效率和效果之間的矛盾:一方面是設計師難以在海量的畫面色彩匹配方案中進行優選，往往依靠固有經驗和主觀喜好;另一方面是計算機工具難以模擬人的思維和視覺特性，設計方案效果不符合飛行員的視覺和主觀心理特征。顯示器作為人機交互的接口，是飛行員獲取信息的主要途徑，顯示器性能的優劣直接影響到信息交互效率的高低。因此，為實現人機系統的最高綜合效能，研究色彩在顯示器中的應用是非常有意義的［1］。

目前，評價顯示器顏色匹配優劣還沒有客觀的量化方法，大多是采用實驗和主觀評價的方法［2－3］。不好的顏色匹配界面將會增加人眼的疲勞，降低工作效率，因此采用人眼的疲勞程度作為評價顯示器顏色匹配優劣的指標是可行的。當顯示器色彩匹配合理時，人眼的各項生理指標(如眼壓、眼皮張開程度、眨眼頻率、眨眼幅度、瞳孔大小等)均應處在正常的舒適范圍內，而當顯示器色彩匹配不合理時，眼壓明顯升高，眼皮張開程度、眨眼頻率和瞳孔明顯變小。

目前，用于檢測眼睛疲勞的方法主要有模糊識別方法、基于ICA和HMM的方法、Ballon模型和PERCLOS方法等［4－9］，應用領域最廣和效果最好的是 PERCLOS 方法［10］。大量實驗表明，PERCLOS方法也可用以判斷人在進行其他工作時的眼睛疲勞狀態，因此本文采用PERCLOS方法對實驗人員的眼睛疲勞狀態進行判斷，檢測實驗人員在實驗時間內眼睛閉合時間所占的比例，以此作為顯示器色彩匹配方案優劣的量化指標。

1 PERCLOS測評疲勞的原理和測量方法

1.1 PERCLOS原理

PERCLOS是指在一定的時間內眼睛閉合時間所占的比例，其原理如圖1所示。t1為眼睛完全睜開到第一次閉合M%的時間;t2為眼睛完全睜開到第一次閉合N%的時間;t3為眼睛完全睜開到下一次睜開M%的時間;t4為眼睛完全睜開到下一次睜開N%的時間，M+N=100。在實驗中用得最多的是P70，P80和EM這3種度量標準，其中P80與客觀疲勞程度相關系數最大，所以在本實驗中采用P80標準(分別用20%和80%代替M%和N%即可)。

圖1 PERCLOS的測量原理示意圖

1.2 基于PERCLOS的被試人員疲勞檢測步驟

疲勞檢測過程如圖2所示。

圖2 疲勞檢測過程

首先采集實驗對象頭部圖像，然后將彩色圖像轉換為灰度圖像，再進行二值化處理，之后由圖像處理模塊和一定算法進行眼睛定位，提取眼睛特征參數，檢測和跟蹤眼睛的開閉運動，分析其開閉狀態，在一定時間內連續統計被試眼睛的開閉時間，計算PERCLOS值，據此判斷被試的疲勞程度。

1.3 圖像去色處理

眼睛區域的形狀信息不需要色彩即可顯現出來，為減少計算量，使圖像更加簡潔，將圖像顏色去除。可在Matlab中用命令將彩色圖像轉換為灰度圖像，命令如下:

1.4 圖像二值化處理

用某一閾值T將包含人臉的灰度圖像二值化，其中，高于或等于閾值的灰度，對應于白色;低于閾值的灰度，對應于黑色。

在圖像二值化處理中，確定閾值是非常關鍵的。常用的閾值選取方法有基于像素值閾值的點相關技術、基于區域性質閾值的區域相關技術和基于坐標位置閾值的動態閾值技術。點相關技術和區域相關技術，由于對各個像素使用相同的閾值來分割，故也叫做全局閾值。動態閾值技術確定的閾值是針對圖像中的局部區域的。由于本文要尋找眼睛區域的位置，且眼睛區域在圖像中的灰度最暗，所以采用第一類選取閾值的方法即可。一副原始圖像f(x，y)經過單閾值分割后的圖像可定義為

本文采用Matlab提供的函數graythresh確定閾值。具體命令為:

1.5 疲勞判斷

根據測量結果，按照公式

計算PERCLOS值，如果有PERCLOS＞15%，且眼睛持續閉合時間(t3－t2)＞3 s，就認為被試人員處于疲勞狀態，則此顯示器顏色匹配方案不合理。

2 實驗方法

2.1 實驗設計

實驗所用的顯示器界面仿真模型用C語言編寫，使用Visual C++6.0進行編譯。通過參考相關文獻資料，模型確定的仿真界面如圖3所示。

圖3 專家推薦顯示畫面(載圖)

該仿真模型在一臺主頻為1.6 GHz，雙CPU的計算機上運行，顯示器色彩匹配畫面呈現在17 in的純平或液晶顯示器上，采用1280×1024像素分辨力。

2.2 實驗對象

被試對象為30名空軍工程大學具有相關人機工效知識背景的大三學生(均為男生，執行相同的作息、學習制度，進行同樣科目的體育鍛煉)，年齡在20～23歲，矯正視力在1.0以上，實驗前一天確保其得到充足的睡眠，實驗開始前首先測定其脈搏、呼吸、皮電，判定疲勞程度，從而確保對象各項生理指標均處于良好狀態。

2.3 實驗過程

實驗分為2組進行，每組隨機分配15人，被試對象坐于距離顯示器屏幕600 mm的座椅上，A組目視由人機工效專家根據色彩匹配原則構建的虛擬顯示器畫面(共6幅，A1～A6，如圖3)，其間眼睛可以離開顯示器，但不得超過5 s，每次實驗30 min;B組目視由系統隨機生成的虛擬顯示器畫面(共6幅，B1～B6，如圖4)。利用動作捕捉系統自動記錄被試人員瞳孔變化圖像，利用PERCLOS方法對圖像進行分析，檢測在實驗時間內各組被試人員眼睛閉合時間所占的比例，以此作為顯示器色彩匹配方案優劣的量化指標。

圖4 系統自動生成的實驗界面(載圖)

3 實驗結果分析

表1為兩組實驗結果。

表1 A組和B組實驗結果

依據表1數據，生成不同方案平均閉眼次數、平均閉眼時間和PERCLOS平均值的對比圖，如圖5、圖6、圖7所示。

從圖5、圖6和圖7可明顯看出，B組被試的平均閉眼次數、平均閉眼時間及PERCLOS平均值都高于A組，因此A組的顯示界面顏色匹配優于B組顯示界面的顏色匹配，而且還可看出，在A組的6個方案中，A3方案為最優，該結論與專家主觀判斷一致，因此該方法具有實用性。

圖7 不同方案PERCLOS平均值對比圖

4 小結

本文提出了一種基于PERCLOS疲勞檢測的判斷顯示器顏色匹配方案優劣的方法，為顯示器顏色匹配方案優劣的客觀量化判斷提供了一種切實可行的方法。依據疲勞程度，即可判斷顏色匹配方案的優劣。疲勞程度大的即為不符合人眼視覺特性的方案，疲勞程度輕的即為比較優化的方案。

［1］崔準，譚話能.色彩與構成［M］.北京:中國紡織出版社，2003.

［2］張磊，莊達民.飛機界面設計顏色匹配性［J］.北京航空航天大學學報，2009，35(8):1001－1004.

［3］葛燕，周榮剛，林欽，等.年輕學生對計算機操作界面的顏色偏好研究［J］. 人類工效學，2004，10(3):23－25

［4］翁茂榮.基于眼睛狀態的駕駛員疲勞模糊識別研究［J］.計算機仿真，2008，25(6):244－247.

［5］楊秋芬，桂衛華，胡豁生，等.基于ICA和HMM的疲勞駕駛眼部狀態識別算法［J］. 計算機工程與應用，2008，44(27):5－7.

［6］邢益良，張榮國，邵永波，等.基于預處理的Ballon模型及在眼疲勞檢測中的應用［J］. 計算機工程與設計，2009，30(21):4980－4983.

［7］萬玉麗，謝金法.一種基于PERCLOS駕駛員疲勞檢測方法的實現算法［J］. 農業裝備技術，2009，35(2):25－28.

［8］唐捷，方祖華，李玲.基于ADSP－BF548的駕駛員疲勞檢測系統設計［J］. 電視技術，2011，35(7):114－116.

［9］高曉晶，于鴻洋.在司機疲勞監控中的人眼狀態檢測方法研究［J］.電視技術，2009，33(S2):212－213.

［10］PERCLOS:a valid psychophysiological measure of alertness as assessed by psychomotor vigilance［EB/OL］.［2011－03－03］.http://www.fmcsa.dot.gov/pdfs/tb98－006.pdf.