國外軍事航空中視覺追蹤技術的具體使用,軍事技術論文

國外軍事航空中視覺追蹤技術的具體使用,軍事技術論文隨著軍事理論變革，在將來當代化高科技戰(zhàn)爭中，航空武器裝備不斷升級，作戰(zhàn)的類型、樣式也呈多樣化、信息化。在軍用航空領域，飛行作業(yè)人員在特定作戰(zhàn)環(huán)境中管理操作著極為復雜精致細密的儀器設備，了解飛行作業(yè)人員的眼動數(shù)據(jù)對于保障軍事航空作業(yè)安全和效率有著實際意義[1].視覺追蹤技術也稱為眼動追蹤技術，是利用機械、電子、光學等各種檢測手段獲取受試者當下視覺注意方向的技術，它廣泛應用于人機交互、輔助駕駛、心理研究、虛擬現(xiàn)實和軍事等多個領域[2].根據(jù)英國拉夫堡大學視覺研究中心建立的視覺追蹤設備數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站所列，當前全球約有30家著名的視覺追蹤系統(tǒng)研發(fā)生產(chǎn)公司生產(chǎn)各類視覺追蹤系統(tǒng)。視覺追蹤系統(tǒng)有多種分類方式，按系統(tǒng)與人的關系，可分為穿戴式視覺追蹤系統(tǒng)和非穿戴式〔遙測式〕視覺追蹤系統(tǒng)。穿戴式視覺追蹤系統(tǒng)是將視線追蹤設備安裝在人的頭部，通過固定的架子或綁帶將包括攝像機在內(nèi)的系統(tǒng)構件固定在頭部，以保持設備與人的相對位置不變，其優(yōu)點在于攝像機與人眼的距離始終保持相對不變，減輕了后續(xù)圖像處理工作的難度。但由于設備需固定在受試者頭部，對受試者有一定的干擾。為減少穿戴式視覺追蹤系統(tǒng)對受試者的影響，提高使用舒適度，眼鏡式視覺追蹤系統(tǒng)逐步發(fā)展起來。非穿戴式視覺追蹤系統(tǒng)是一種非侵入式的視覺測量設備，它與使用者不直接接觸，對受試者的干擾小，在實驗室研究及飛行模擬器上這兩類視覺追蹤系統(tǒng)均有使用，并逐步向非穿戴式的視覺追蹤設備發(fā)展。早在1950年，F(xiàn)itts等人就開場對儀表引導進場時飛行員的眼動情況進行研究[3].上世紀90年代，美國空軍開場使用眼動追蹤技術，記錄模擬飛行作業(yè)時飛行員的眼部及頭部移動情況[4].而如今，視覺追蹤技術在國外軍事航空領域的應用更為廣泛，本文主要介紹視覺追蹤技術在飛行駕駛安全、飛行模擬訓練、人機交互界面設計以及飛行中的目的瞄準與鎖定中的應用情況。1飛行駕駛安全中的應用1.1飛行員工作負荷的測量隨著飛機的自動化程度越來越高，飛行員需處理的信息量也越來越大，這也加重了飛行員的工作負荷，對飛行安全造成了極大的威脅。準確了解飛行員的工作負荷，對合理布置飛行任務，保證任務完成效率至關重要。美國家航空航天局任務負荷量表〔NASA-TLX〕是常用的工作負荷量表，但由于該量表是主觀量表，對工作負荷的評價有一定的局限性。利用視覺追蹤技術可通過測量眨眼頻率、視線方向等客觀參數(shù)反響與評價飛行員的工作負荷。中國臺灣國防大學Li等人〔2020〕開展了一項飛行作業(yè)中飛行員眼動及工作負荷研究發(fā)現(xiàn)，軍用飛機飛行人員的工作負荷與眼部凝視時間有較高的相關性，通過測量飛行員眼部活動，能夠評估飛行員在飛行中的工作負荷、認知狀態(tài)及飛行表現(xiàn)[5].荷蘭皇家空軍在模擬F-16駕駛機艙內(nèi)，利用視覺追蹤系統(tǒng)和生理傳感器對飛行員的心率、瞳孔大小、眨眼頻率等基本生理參數(shù)進行記錄，用以評估飛行員的工作負荷，進而進一步完善飛行任務方案，保障飛行安全[6].1.2飛行員疲憊的檢測飛行中的疲憊是造成航空事故的主要原因之一，國外各軍種都投入了大量的資源對飛行人員的疲憊管理與監(jiān)測進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，很多眼動特征可反響飛行中人員出現(xiàn)疲憊或注意力分散的情況，利用視覺追蹤系統(tǒng)對飛行人員作業(yè)時的眼動特征進行評估，可用于飛行疲憊的預防和監(jiān)測。美陸軍醫(yī)學研究和材料司令部遠程醫(yī)學和高級技術中心贊助研發(fā)的一套非侵入式追蹤和控制系統(tǒng)Eye-ComTM,可通過紅外脈沖光來分辨有睡意和正常狀態(tài)下人員眨眼形式的區(qū)別，并在超過預設閾值時觸發(fā)警報，提醒作業(yè)人員或通知遠程控制中心。該系統(tǒng)已在黑鷹直升機上完成適航性測試，美空軍利用該系統(tǒng)對模擬高海拔、低氧條件下戰(zhàn)斗機飛行員的意識情況進行預測和監(jiān)測。美海軍曾在聯(lián)合特遣97-2演習中使用PMI公司研發(fā)的FIT2000系統(tǒng)對飛行員及作戰(zhàn)人員的疲憊情況進行監(jiān)測，保障了高強度演習任務的順利完成。FIT2000系統(tǒng)是利用視覺追蹤技術和瞳孔測量，對作業(yè)人員由疲憊引發(fā)的生理狀態(tài)損害情況進行檢測與評估[7].2飛行模擬訓練中的應用2.1空間定向障礙的訓練空間定向障礙是飛行中普遍存在的問題，幾乎所有飛行員在他們的職業(yè)生涯中都碰到過空間定向障礙。Cheung等人〔1998〕在加拿大特倫頓空軍基地內(nèi)的C-130運輸機飛行模擬器上利用ElMar2000型視覺追蹤系統(tǒng)對飛行員空間定向障礙和情境感悟情況進行了研究。加拿大軍方據(jù)此在飛行員空間定向障礙訓練建議中提出，可采用視覺追蹤技術來訓練飛行中的飛行員注意力局限的問題，通過反復演示正確掃描形式，反應飛行學員在出現(xiàn)空間定向障礙時的實時表現(xiàn)，建立和強化正確的視覺策略，避免出現(xiàn)注意力局限等問題[8].2.2視覺掃描形式的訓練飛行人員在飛行經(jīng)過中的對儀表區(qū)的掃描是現(xiàn)有情況發(fā)生時的下意識活動，其反響飛行員在特定飛行階段對某些特定信息的需要以及他們腦力活動狀態(tài)。假如腦力活動與飛行階段不相符合，飛行員會因掃描不充分而錯誤利用各類空間線索。美空軍Dixon等人〔1988〕將視覺追蹤設備安裝到C-130飛行模擬器上，對兩種不同視域條件下有經(jīng)歷體驗飛行員低空投彈任務的作業(yè)時的視線掃描形式進行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，不同視域情況下飛行員的視線方向存在差異[9].Kasarskis等人〔2001〕利用美國國家應用實驗室ASL5000型視覺追蹤系統(tǒng)，對7名有經(jīng)歷體驗的空軍飛行員和10名飛行學員在模擬進場時的視覺掃描習慣進行了比擬，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在較大差異。有經(jīng)歷體驗的飛行員在著陸時視線會在跑道和空速表之間來回轉(zhuǎn)換，而飛行學員的視覺掃描形式則顯得不固定。基于這種差異，在訓練時，飛行學員被要求在最后著陸階段反復觀察跑道及空速表，以保證能更準確地完成著陸任務[10].德國空軍醫(yī)學研究所Maxi等人〔2020〕利用Ergoneer公司Dikablis頭戴式視覺追蹤系統(tǒng)，在EC135直升機飛行模擬器上對飛行學員與有經(jīng)歷體驗的飛行員直升機模擬著艦任務中的作業(yè)表現(xiàn)進行研究，研究發(fā)現(xiàn)，利用有經(jīng)歷體驗飛行員著艦時的掃描策略與飛行員學員的掃描策略進行比擬，可確定飛行學員存在的掃描形式失誤，并通過個性化的指導和糾正，優(yōu)化飛行學員的掃描形式，提高飛行安全和任務完成效率。除此之外，研究者以為，利用視覺追蹤系統(tǒng)還能對飛行員的選拔和考核提供一定的參考根據(jù)[11].1997年，美空軍在倫道夫空軍基地T-37飛行模擬器、路克空軍基地F-16空戰(zhàn)模擬器和F-117A飛行模擬器上安裝了ElMar公司的2000型便攜式視覺追蹤系統(tǒng)，用于記錄飛行人員飛行作業(yè)時的表現(xiàn)和輔助模擬飛行訓練，同時針對模擬訓練的反應結果，進一步改良飛行模擬器的視覺系統(tǒng)[12-13].美軍錄制一系列復雜情況下飛行人員有效視覺掃描策略，在F-16戰(zhàn)斗機模擬訓練中反復播放和比擬，提高訓練效果[14].在F-16戰(zhàn)斗機模擬訓練的15個科目中，有10個應用視覺追蹤系統(tǒng)進行輔助訓練[15].除此之外，美空軍將視覺追蹤技術整合至頭盔顯示系統(tǒng)中，對模擬飛行作業(yè)中學員的掃描形式、注意力分配情況及認知工作負荷進行分析，對飛行作業(yè)中存在的失誤和缺乏進行甄別，進而進一步提高訓練效果[16].3人機界面設計中的應用3.1飛行儀表界面的設計分析飛行員眼部運動就可獲知其在特定環(huán)境中，管理操作復雜系統(tǒng)與機械的注意力分配情況以及儀表、屏幕及設備布局怎樣設計才能獲得最好的人機交互。美陸軍在CH-47F直升機水平狀態(tài)顯示器-懸停指示設計修改時，利用美國家應用實驗室ASLH6型視覺追蹤系統(tǒng)和光學頭部追蹤系統(tǒng)記錄飛行員頭部及眼部的動作，用以分析修改后的水平狀態(tài)顯示器對飛行員工作負荷、飛行表現(xiàn)的影響，進而決定能否對懸停指示顯示器進行修改[17].美空軍航空航天醫(yī)學院利用ElMar公司Vision2000便攜式眼部測量系統(tǒng)視覺掃描技術，對無人機操作人員模擬操作時的視覺掃描形式進行了研究，旨在了解RQ-1捕食者無人機操作系統(tǒng)顯示器上各類參數(shù)顯示方式與操作人員視覺掃描形式之間的關系，并從人機工效學的角度，對顯示系統(tǒng)設計進行改善[18].3.2飛行模擬器的設計上世紀90年代，美軍就將視覺追蹤技術應用于飛行模擬器的設計中。以往飛行模擬器視覺系統(tǒng)的設計及訓練效果的評價，是通過主觀調(diào)查問卷和客觀評價飛行員作業(yè)表現(xiàn)相結合的方式方法進行的。主觀問卷帶主觀性，且無法評估模擬訓練設備中視覺系統(tǒng)被利用及飛行員注意力分配情況?？陀^飛行作業(yè)表現(xiàn)評價也有一定的局限性，由于飛行員常能利用儀表等輔助手段來彌補視覺系統(tǒng)中的缺乏。而眼部追蹤技術可直接測定飛行員的眼動狀態(tài)和視線掃描形式，進而更準確地對飛行模擬器視覺系統(tǒng)的可接受性和保真度進行評估。美海軍研究局利用模擬飛行中飛行員的作業(yè)表現(xiàn)客觀評價、飛行模擬器可接受度問卷以及客觀生理參數(shù)測量3個方面的數(shù)據(jù)，為飛行模擬器的設計和視覺系統(tǒng)保真度的提升提供實證性根據(jù)，在客觀生理參數(shù)測量中眼動及腦電掃描是兩個重要的參考指標[19].4目的瞄準與鎖定中的應用頭盔式顯示器在當代戰(zhàn)斗機飛行作業(yè)中有著特別重要的作用。在頭盔式顯示器中整合視覺追蹤系統(tǒng)，可使飛行員只需用其眼部就可鎖定目的和制導武器。國外空軍對在頭盔顯示器中整合視覺追蹤技術進行了一系列的研究。荷蘭皇家空軍和國家航空航天實驗室研發(fā)了一款實驗室用內(nèi)置微型視覺追蹤器的頭盔式顯示器，用于空戰(zhàn)中目的鎖定的研究。該款頭盔式顯示器已在模擬飛行作業(yè)中對其可用性進行了初步評估。但若要推廣至實戰(zhàn)中應用，仍有很多問題亟需解決，如實際作業(yè)中的眼部校準及在慣性力存在時，系統(tǒng)怎樣精到準確使用等[20].瑞典國防研究機構對空軍戰(zhàn)機使用的頭盔式顯示器〔HMD〕、平視顯示器〔HUD〕和新型基于遙測式視覺追蹤技術的目的瞄準技術進行了比擬，結果顯示基于遙測式視覺追蹤技術的目的瞄準在其瞄準速度、準確性上有一定的優(yōu)勢，在實際使用中，則需進一步考慮攝像頭的大小、安頓位置以及操作安全性[21].5結束語視覺追蹤技術在國外軍事航空領域研