基于小波變換的多任務下操作員眼電特征提取*

王嬈芬， 顧幸生， 陳 敏

(1.上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620； 2.華東理工大學 信息科學與工程學院，上海 200237)

0 引 言

操作員的電生理信號種類繁多[1～11]，如腦電信號、心電信號、眼電(electrooculogram,EOG)信號等，與其他生理信號相比，眼電信號具有幅值高、容易檢測和干擾少等優點[12,13]。同時，研究表明，由于中樞神經會控制面部表情，影響眼睛的活動，因此，操作員眼電信號的變化可以反映視覺需求、疲勞和其他操作條件等。眼電信號的特征包括：眨眼頻率、眨眼頻率變化率、眨眼幅度、閉眼時間等。當操作員專注于某項任務時，眼睛會集中在某一點，可能導致眨眼率降低。文獻[14]分析了駕駛員的眼電特征，當駕駛員疲勞時，眼瞼下垂、眨眼幅度減少，而眨眼頻率更高，閉眼時間更長。目前對眼電信號的研究主要集中在時域分析上，分析了心理狀態與眨眼率、眨眼變化率、眨眼幅度等特征的關系。而關于眼電信號的能量分布與心理狀態之間關系的研究較少。

本文采用小波變換分析方法[15]，分析了操作員的眼電信號，從頻域角度研究了不同頻段的相對能量與操作者疲勞、焦慮和努力程度的關系，提取了具有顯著性的眼電頻域特征。

1 數據采集實驗

實驗采用密閉艙空氣管理系統[16,17](automation-enhanced cabin air management system，Auto-CAMS)模擬了航空器中的生命支撐系統,該系統有4個子系統，對應大氣條件的4個關鍵參數，包括艙內氧氣濃度、二氧化碳濃度、溫度和壓力。4個子系統可以由被試人員手動操作控制對應的參數在正常范圍內，也可以自動運行。通過改變由被試人員手動控制的子系統個數，可以產生不同的操作員任務負荷，從而使得操作員的精神負荷隨之改變。

實驗前，每位被試人員進行了超過7 h的手動控制任務的訓練，模擬實驗過程，開展了5 h的訓練。經過訓練后，被試人員都能夠熟練地操作Auto-CAMS。6位健康被試(SA～SF)參與了本實驗，每人進行了3次實驗。

實驗設計期望在實驗過程中，被試的心理負荷隨著實驗的進展逐步增加再慢慢降低。實驗分8個階段，共100 min，實驗范式如圖1所示。C1和C8階段為5 min的基準測試階段，被試的任務是監視Auto-CAMS的運行。C2～C7為常規控制階段，分別需要被試手動控制的子系統個數為1，3，4，4，3，1，每階段15 min。從C2～C4階段，任務負荷逐漸增大，從C5～C7階段，任務負荷逐漸減小。為了避免生理影響，每人的3次實驗在不同天的同一時間段進行 (SA1, SA2, SA3)。

圖1 實驗范式

實驗采集的數據包括：眼電數據和主觀心理負荷數據。眼電數據通過放置在被試右眼眼球正上及正下位置的電極采集，采集的是被試的垂直眼電信號，包含與被試心理負荷相關的眨眼、眼動等信息。實驗采用視覺模擬尺度(visual analogue scale)方法記錄主觀心理負荷度量數據，主觀度量變量為0～100之間的值。每階段實驗結束后，被試都要進行1次主觀心理負荷記錄，包括疲勞程度、焦慮程度和努力程度。

2 眼電信號處理結果與分析

2.1 眼電信號的小波分析結果

本文在對比了haar，sym4，coif4，db4，db5等母小波的分析結果后，選用db4母小波分解眼電信號，既保證信號不失真，又能夠提取眼電信號中的有效特征信息。

實驗中，眼電信號的采樣頻率為500 Hz。眼電信號屬于低頻信號，眼電信號中的主要成分集中在100 Hz以內，且眨眼信息的有效頻率成分集中在0～10 Hz內，為了有效獲取眨眼信號的特征信息，選擇了對眼電信號進行10層小波分解。D1～D10和A10的頻率范圍如表1所示。

2.2 特征提取

表1 各層頻率范圍

圖2給出了各子頻段的相對能量分布情況，可以看出，眼電信號的能量主要集中在D6～D10以及A10頻段，眼電信號D6～D10以及A10頻段的相對能量可能跟操作員的心理狀態有關，因此，選取D6～D10以及A10頻段的相對能量做進一步的分析。圖3給出了被試SA1在實驗過程中D6～D10以及頻段相對能量隨實驗階段進展的變化情況。圖4給出了SA1的心理狀態的主觀度量變化情況。

圖2 各子頻段的相對能量分布(被試SA，C1階段)

圖3 8個階段D6～D10及A10頻段相對能量分布

圖4 8個階段操作員心理負荷的主觀評價

2.3 相關性分析

采用相關性分析來定量衡量眼電信號特征與操作員心理負荷的相互關系。本文以被試每階段的主觀心理度量作為操作員實際的心理負荷，分析了被試D6～D10，A10頻段相對能量與疲勞、焦慮、努力程度的相關性。表2給出了被試SA1的D6～D10，A10頻段相對能量與被試心理負荷主觀測量之間的相關系數，可以明顯看出D6和D9頻段相對能量與操作員努力程度相關，A10的相對能量與操作員焦慮相關。

表2 眼電信號特征與疲勞、焦慮及努力程度的相關性(SA1)

對所有被試的眼電信號進行了分析。圖5～圖7分別給出了D6～D10，A10頻段相對能量與操作員疲勞、焦慮和努力程度的相關性。

圖5 眼電信號特征與操作員疲勞的相關性

圖6 眼電信號特征與操作員焦慮的相關性

圖7 眼電信號特征與操作員努力程度的相關性

依照圖5～圖7的相關性分析結果，本文選取了各被試眼電特征中分別與疲勞、焦慮和努力程度最相關的2個特征，并將結果總結，如表3。可以看出，對于被試SA而言，D6和D9的相對能量可以作為疲勞、焦慮和努力程度的顯著性指標。而對于被試SC而言，D6和D10的相對能量是候選指標。但對被試SD而言，D9的相對能量可以作為疲勞、焦慮和努力程度的顯著性指標，而D6的相對能量可以作為焦慮和努力程度的衡量指標。綜合所有被試的分析結果來看，D7(3.91～7.81 Hz)的相對能量更能夠反映操作員疲勞的變化，D6(7.81～15.63Hz)和D9(0.98～1.95 Hz)的相對能量與操作員焦慮和努力程度更相關。以上結果表明，通過小波變換提取出來的眼電特征能夠反映操作員心理負荷的變化情況。本文結果可以用于將來對操作員心理負荷狀態的估計。

表3 每位被試的顯著性指標

3 結束語

本文采用小波變換方法分析了操作員的眼電信號，提出了與操作員疲勞、焦慮和努力程度顯著相關的眼電特征。實驗結果表明：D6，D7和D9頻段的相對能量能夠顯著反映操作員心理負荷的變化。未來將采用眼電特征建立有效的模型，估計操作員的心理負荷。