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(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710038)

隨著現(xiàn)代飛機座艙的顯示設(shè)備的彩色化、綜合化和信息化，顯示器色彩匹配設(shè)計的問題凸現(xiàn)出來。目前，飛機座艙顯示器畫面色彩匹配設(shè)計存在效率和效果之間的矛盾:一方面是設(shè)計師難以在海量的畫面色彩匹配方案中進行優(yōu)選，往往依靠固有經(jīng)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(shè)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(yōu)劣直接影響到信息交互效率的高低。因此，為實現(xiàn)人機系統(tǒng)的最高綜合效能，研究色彩在顯示器中的應(yīng)用是非常有意義的［1］。

目前，評價顯示器顏色匹配優(yōu)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(yōu)劣的指標(biāo)是可行的。當(dāng)顯示器色彩匹配合理時，人眼的各項生理指標(biāo)(如眼壓、眼皮張開程度、眨眼頻率、眨眼幅度、瞳孔大小等)均應(yīng)處在正常的舒適范圍內(nèi)，而當(dāng)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(yīng)用領(lǐng)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(tài)，因此本文采用PERCLOS方法對實驗人員的眼睛疲勞狀態(tài)進行判斷，檢測實驗人員在實驗時間內(nèi)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(yōu)劣的量化指標(biāo)。

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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，其中P80與客觀疲勞程度相關(guān)系數(shù)最大，所以在本實驗中采用P80標(biāo)準(zhǔn)(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(zhuǎn)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(shù)，檢測和跟蹤眼睛的開閉運動，分析其開閉狀態(tài)，在一定時間內(nèi)連續(xù)統(tǒng)計被試眼睛的開閉時間，計算PERCLOS值，據(jù)此判斷被試的疲勞程度。

1.3 圖像去色處理

眼睛區(qū)域的形狀信息不需要色彩即可顯現(xiàn)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(zhuǎn)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(yīng)于白色;低于閾值的灰度，對應(yīng)于黑色。

在圖像二值化處理中，確定閾值是非常關(guān)鍵的。常用的閾值選取方法有基于像素值閾值的點相關(guān)技術(shù)、基于區(qū)域性質(zhì)閾值的區(qū)域相關(guān)技術(shù)和基于坐標(biāo)位置閾值的動態(tài)閾值技術(shù)。點相關(guān)技術(shù)和區(qū)域相關(guān)技術(shù)，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(tài)閾值技術(shù)確定的閾值是針對圖像中的局部區(qū)域的。由于本文要尋找眼睛區(qū)域的位置，且眼睛區(qū)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(jīng)過單閾值分割后的圖像可定義為

本文采用Matlab提供的函數(shù)graythresh確定閾值。具體命令為:

1.5 疲勞判斷

根據(jù)測量結(jié)果，按照公式

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

2 實驗方法

2.1 實驗設(shè)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(guān)文獻(xiàn)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(xiàn)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(xué)具有相關(guān)人機工效知識背景的大三學(xué)生(均為男生，執(zhí)行相同的作息、學(xué)習(xí)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(biāo)均處于良好狀態(tài)。

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(jù)色彩匹配原則構(gòu)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(tǒng)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(tǒng)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(nèi)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(yōu)劣的量化指標(biāo)。

圖4 系統(tǒng)自動生成的實驗界面(載圖)

3 實驗結(jié)果分析

表1為兩組實驗結(jié)果。

表1 A組和B組實驗結(jié)果

依據(jù)表1數(shù)據(jù)，生成不同方案平均閉眼次數(shù)、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(shù)、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(yōu)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(yōu)，該結(jié)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(jié)

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(yōu)劣的方法，為顯示器顏色匹配方案優(yōu)劣的客觀量化判斷提供了一種切實可行的方法。依據(jù)疲勞程度，即可判斷顏色匹配方案的優(yōu)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(yōu)化的方案。

［1］崔準(zhǔn)，譚話能.色彩與構(gòu)成［M］.北京:中國紡織出版社，2003.

［2］張磊，莊達(dá)民.飛機界面設(shè)計顏色匹配性［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2009，35(8):1001－1004.

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

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［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.