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 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

0引言

據統計，當今世界上所有人機系統失效中，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，引發人失誤導致事故發生。國內外很多學者就如何避免疲勞作業做了很多相關研究。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系的，如何通過眼動指標來表征腦力疲勞是當前國內外研究的熱點。早期對眼電圖(Electro-oculogram，EOG)的研究表明,一些特殊的眨眼現象是腦力疲勞出現的最早標志；Dario Cazzoli等發現眼跳平均速度隨作業時長的增加而下降；Luigi De Gennaro等發現當發生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，使實驗數據更接近于真實場景。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性，為企業實施有效的疲勞干預措施，減少人失誤提供新的思路。

1 實驗設計

1.1 實驗設備

視覺疲勞的數據由眼動追蹤儀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域、關注點圖(Gaze Point)和熱點圖(Heat Map)等。

1.2 被試者

為避免極端數據的出現，被試者為3人，均為男生，身高在160～176cm之間，均為在校大四學生，且視力經過光學矯正后均達到實驗要求。

1.3 實驗條件設置

根據Tobii自帶的數據分析軟件，可將測得的數據可視化。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據時，要注意電腦屏幕與被測者相對位置的設置。

圖1 不同仰角的眼動數據對比圖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，但作業者可隨意調整；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，統一使用WPS辦公軟件，放大倍數為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眼鏡設備，測量瞳孔直徑、注視點個數、注視時間、Gyro和Accelerometer等參數。

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

步驟四：開始英文閱讀作業，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名被試者作業前后的心算可靠性數據可以看出，被試者經過45min的英語閱讀作業后，心算可靠性數據均降低，表明被試者都出現不同程度的腦力疲勞。

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

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

可靠度

R

可用式(1)表示。

R

=

n

×

K

(1)

式中：

n

—測試作業完成的量，%；

k

—測試作業的準確率，其大小為作業正確的題目數量與完成量的比值；

R

—可靠度。可靠度是作業人員完成任務的準確量，可靠度下降表示出現腦力疲勞。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

時刻的可靠性數據；

R

—安靜時的可靠性數據。

2 實驗數據分析

2.1 注視點

對實驗對象作業前后的注視點進行測量，可以得到被試者作業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，作業后注視點分散程度明顯比作業前大，即在疲勞狀態下，注視的范圍會擴大。對比圖3中作業前后注視點個數，被試者1由43個增加到45個，整體數量變化不大，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致注視點個數變化不明顯；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在疲勞前后的變化規律不一致,為明確疲勞前后注視點個數的變化規律情況，需要進行樣本量更大的實驗。

圖2 作業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據進行記錄與整理，并分別計算3組實驗中所有實驗對象的注視點個數，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組實驗數據均滿足方差齊性。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，說明實驗對象作業前后在興趣區域內的注視點個數差異性非常顯著，疲勞后注視點個數減少，注視點個數可以作為表征腦力疲勞的典型指標。表2中注視點個數比圖3中的少，因為實驗組數增加，佩戴眼動設備采集眼動數據的時間減少，采集的注視點個數因此減少。佩戴眼動設備采集眼動數據的時間減少不會對研究疲勞前后注視點個數變化趨勢產生影響。

2.2 瞳孔直徑

被試者作業前后瞳孔直徑變化情況，見表3。3名被試者作業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：作業疲勞后瞳孔直徑呈增加趨勢。

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

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

2.3 Gyro和Accelerometer

Gyro和Accelerometer參數測量數據，見表4。3名被試者作業后，Gyro參數值降低率分別為2.784%、6.136%和2.045%；Accelerometer參數降低率分別為0.193%、0.322%和2.576%。由此可知，疲勞狀態下，人眼的Gyro和Accelerometer的矢量和數值都存在減小趨勢，Gyro和Accelerometer可以作為腦力疲勞的測量參數。

表4 Gyro和Accelerometer參數Tab.4 Gyro and Accelerorometer parameters

3 結論

(1)腦力疲勞可以導致作業可靠性下降，本文提出利用包含作業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前的大，即在疲勞情況下，注視的范圍會擴大，注視點的個數會減少。可利用注視點的分散程度和注視點的個數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性。腦力疲勞時，瞳孔直徑有增大趨勢，Gyro和Accelerometer矢量和數據有減小趨勢。瞳孔直徑、Gyro和Accelerometer可做為表征腦力疲勞的定量指標。