国外军事航空中视觉追踪技术的具体使用,军事技术论文

　　随着军事理论变革，在未来现代化高科技战争中，航空武器装备不断升级，作战的类型、样式也呈多样化、信息化。在军用航空领域，飞行作业人员在特定作战环境中管理操作着极为复杂精密的仪器设备，了解飞行作业人员的眼动数据对于保障军事航空作业安全和效率有着实际意义[1].

　　视觉追踪技术也称为眼动追踪技术，是利用机械、电子、光学等各种检测手段获取受试者当前"视觉注意"方向的技术，它广泛应用于人机交互、辅助驾驶、心理研究、虚拟现实和军事等多个领域[2].根据英国拉夫堡大学视觉研究中心建立的视觉追踪设备数据库网站所列，目前全球约有30家着名的视觉追踪系统研发生产公司生产各类视觉追踪系统。视觉追踪系统有多种分类方式，按系统与人的关系，可分为穿戴式视觉追踪系统和非穿戴式（遥测式）视觉追踪系统。穿戴式视觉追踪系统是将视线追踪设备安装在人的头部，通过固定的架子或绑带将包括摄像机在内的系统构件固定在头部，以保持设备与人的相对位置不变，其优点在于摄像机与人眼的距离始终保持相对不变，减轻了后续图像处理工作的难度。

　　但由于设备需固定在受试者头部，对受试者有一定的干扰。为减少穿戴式视觉追踪系统对受试者的影响，提高使用舒适度，眼镜式视觉追踪系统逐渐发展起来。非穿戴式视觉追踪系统是一种非侵入式的视觉测量设备，它与使用者不直接接触，对受试者的干扰小，在实验室研究及飞行模拟器上这两类视觉追踪系统均有使用，并逐步向非穿戴式的视觉追踪设备发展。

　　早在1950年，Fitts等人就开始对仪表引导进场时飞行员的眼动情况进行研究[3].上世纪90年代，美国空军开始使用眼动追踪技术，记录模拟飞行作业时飞行员的眼部及头部移动情况[4].

　　而如今，视觉追踪技术在国外军事航空领域的应用更为广泛，本文主要介绍视觉追踪技术在飞行驾驶安全、飞行模拟训练、人机交互界面设计以及飞行中的目标瞄准与锁定中的应用情况。

　　1飞行驾驶安全中的应用

　　1.1飞行员工作负荷的测量

　　随着飞机的自动化程度越来越高，飞行员需处理的信息量也越来越大，这也加重了飞行员的工作负荷，对飞行安全造成了极大的威胁。准确了解飞行员的工作负荷，对合理安排飞行任务，保证任务完成效率至关重要。美国家航空航天局任务负荷量表（NASA-TLX）是常用的工作负荷量表，但由于该量表是主观量表，对工作负荷的评价有一定的局限性。利用视觉追踪技术可通过测量眨眼频率、视线方向等客观参数反应与评价飞行员的工作负荷。中国台湾国防大学Li等人（2013）开展了一项飞行作业中飞行员眼动及工作负荷研究发现，军用飞机飞行人员的工作负荷与眼部注视时间有较高的相关性，通过测量飞行员眼部活动，能够评估飞行员在飞行中的工作负荷、认知状态及飞行表现[5].荷兰皇家空军在模拟F-16驾驶机舱内，利用视觉追踪系统和生理传感器对飞行员的心率、瞳孔大小、眨眼频率等基本生理参数进行记录，用以评估飞行员的工作负荷，从而进一步完善飞行任务方案，保障飞行安全[6].

　　1.2飞行员疲劳的检测

　　飞行中的疲劳是造成航空事故的主要原因之一，国外各军种都投入了大量的资源对飞行人员的疲劳管理与监测进行研究。研究发现，许多眼动特征可反应飞行中人员出现疲劳或注意力分散的情况，利用视觉追踪系统对飞行人员作业时的眼动特征进行评估，可用于飞行疲劳的预防和监测。美陆军医学研究和材料司令部远程医学和高级技术中心资助研发的一套非侵入式追踪和控制系统Eye-ComTM,可通过红外脉冲光来分辨有睡意和正常状态下人员眨眼模式的区别，并在超过预设阈值时触发警报，提醒作业人员或通知远程控制中心。该系统已在黑鹰直升机上完成适航性测试，美空军利用该系统对模拟高海拔、低氧条件下战斗机飞行员的意识情况进行预测和监测。美海军曾在"联合特遣部队97-2"演习中使用PMI公司研发的FIT2000系统对飞行员及作战人员的疲劳情况进行监测，保障了高强度演习任务的顺利完成。FIT2000系统是利用视觉追踪技术和瞳孔测量，对作业人员由疲劳引发的生理状态损害情况进行检测与评估[7].

　　2飞行模拟训练中的应用

　　2.1空间定向障碍的训练

　　空间定向障碍是飞行中普遍存在的问题，几乎所有飞行员在他们的职业生涯中都遇到过空间定向障碍。Cheung等人（1998）在加拿大特伦顿空军基地内的C-130运输机飞行模拟器上利用ElMar2000型视觉追踪系统对飞行员空间定向障碍和情境感知情况进行了研究。加拿大军方据此在飞行员空间定向障碍训练建议中提出，可采用视觉追踪技术来训练飞行中的飞行员注意力局限的问题，通过反复演示正确扫描模式，反馈飞行学员在出现空间定向障碍时的实时表现，建立和强化正确的视觉策略，避免出现注意力局限等问题[8].

　　2.2视觉扫描模式的训练

　　飞行人员在飞行过程中的对仪表区的扫描是现有情况发生时的下意识活动，其反应飞行员在特定飞行阶段对某些特定信息的需要以及他们脑力活动状态。如果脑力活动与飞行阶段不相符合，飞行员会因扫描不充分而错误利用各类空间线索。美空军Dixon等人（1988）将视觉追踪设备安装到C-130飞行模拟器上，对两种不同视域条件下有经验飞行员低空投弹任务的作业时的视线扫描模式进行了分析，研究发现，不同视域情况下飞行员的视线方向存在差异[9].Kasarskis等人（2001）利用美国国家应用实验室ASL5000型视觉追踪系统，对7名有经验的空军飞行员和10名飞行学员在模拟进场时的视觉扫描习惯进行了比较，发现两者之间存在较大差异。有经验的飞行员在着陆时视线会在跑道和空速表之间来回转换，而飞行学员的视觉扫描模式则显得不固定。基于这种差异，在训练时，飞行学员被要求在最后着陆阶段反复观察跑道及空速表，以保证能更准确地完成着陆任务[10].德国空军医学研究所Maxi等人（2013）利用Ergoneer公司Dikablis头戴式视觉追踪系统，在EC135直升机飞行模拟器上对飞行学员与有经验的飞行员直升机模拟着舰任务中的作业表现进行研究，研究发现，利用有经验飞行员着舰时的扫描策略与飞行员学员的扫描策略进行比较，可确定飞行学员存在的扫描模式失误，并通过个性化的指导和纠正，优化飞行学员的扫描模式，提高飞行安全和任务完成效率。此外，研究者认为，利用视觉追踪系统还能对飞行员的选拔和考核提供一定的参考依据[11].

　　1997年，美空军在伦道夫空军基地T-37飞行模拟器、路克空军基地F-16空战模拟器和F-117A飞行模拟器上安装了ElMar公司的2000型便携式视觉追踪系统，用于记录飞行人员飞行作业时的表现和辅助模拟飞行训练，同时针对模拟训练的反馈结果，进一步改进飞行模拟器的视觉系统[12-13].美军录制一系列复杂情况下飞行人员有效视觉扫描策略，在F-16战斗机模拟训练中反复播放和比较，提高训练效果[14].在F-16战斗机模拟训练的15个科目中，有10个应用视觉追踪系统进行辅助训练[15].此外，美空军将视觉追踪技术整合至头盔显示系统中，对模拟飞行作业中学员的扫描模式、注意力分配情况及认知工作负荷进行分析，对飞行作业中存在的失误和不足进行甄别，从而进一步提高训练效果[16].

　　3人机界面设计中的应用

　　3.1飞行仪表界面的设计

　　分析飞行员眼部运动就可获知其在特定环境中，管理操作复杂系统与机械的注意力分配情况以及仪表、屏幕及设备布局如何设计才能获得最好的人机交互。美陆军在CH-47F直升机"水平状态显示器-悬停指示"设计修改时，利用美国家应用实验室ASLH6型视觉追踪系统和光学头部追踪系统记录飞行员头部及眼部的动作，用以分析修改后的水平状态显示器对飞行员工作负荷、飞行表现的影响，从而决定是否对悬停指示显示器进行修改[17].美空军航空航天医学院利用ElMar公司Vision2000便携式眼部测量系统视觉扫描技术，对无人机操作人员模拟操作时的视觉扫描模式进行了研究，旨在了解RQ-1捕食者无人机操作系统显示器上各类参数显示方式与操作人员视觉扫描模式之间的关系，并从人机工效学的角度，对显示系统设计进行改善[18].
　　
　　3.2飞行模拟器的设计

　　上世纪90年代，美军就将视觉追踪技术应用于飞行模拟器的设计中。以往飞行模拟器视觉系统的设计及训练效果的评价，是通过主观调查问卷和客观评价飞行员作业表现相结合的方法进行的。主观问卷带主观性，且无法评估模拟训练设备中视觉系统被利用及飞行员注意力分配情况。

　　客观飞行作业表现评价也有一定的局限性，因为飞行员常能利用仪表等辅助手段来弥补视觉系统中的不足。而眼部追踪技术可直接测定飞行员的眼动状态和视线扫描模式，从而更准确地对飞行模拟器视觉系统的可接受性和保真度进行评估。

　　美海军研究局利用模拟飞行中飞行员的作业表现客观评价、飞行模拟器可接受度问卷以及客观生理参数测量3个方面的数据，为飞行模拟器的设计和视觉系统保真度的提升提供实证性依据，在客观生理参数测量中眼动及脑电扫描是两个重要的参考指标[19].

　　4目标瞄准与锁定中的应用

　　头盔式显示器在现代战斗机飞行作业中有着十分重要的作用。在头盔式显示器中整合视觉追踪系统，可使飞行员只需用其眼部就可锁定目标和制导武器。国外空军对在头盔显示器中整合视觉追踪技术进行了一系列的研究。荷兰皇家空军和国家航空航天实验室研发了一款实验室用内置微型视觉追踪器的头盔式显示器，用于空战中目标锁定的研究。该款头盔式显示器已在模拟飞行作业中对其可用性进行了初步评估。但若要推广至实战中应用，仍有许多问题亟需解决，如实际作业中的眼部校准及在惯性力存在时，系统如何精确使用等[20].瑞典国防研究机构对空军战机使用的头盔式显示器（HMD）、平视显示器（HUD）和新型基于遥测式视觉追踪技术的目标瞄准技术进行了比较，结果显示基于遥测式视觉追踪技术的目标瞄准在其瞄准速度、准确性上有一定的优势，在实际使用中，则需进一步考虑摄像头的大小、安放位置以及操作安全性[21].

　　5结束语

　　视觉追踪技术在国外军事航空领域研究应用较早，范围较广。但因技术原因所限，视觉追踪技术大多数情况下还只局限于实验室及模拟飞行器上的应用与科研。但随着视觉追踪技术的进一步发展，在测量精度、灵敏度、准确性以及视觉捕获区域上的突破，技术已逐步向实际飞行作业中应用发展，为飞行人员的飞行绩效提供实时测量与分析。在实际飞机中通过安装眼动跟踪装置，通过检测飞行员的眼动指标，可以用于判断飞行员的眼动规律，也可用于判断飞机座舱布局、信息显示是否合理，最终达到提高人机交互的效率。