馬寶元，趙歆波，彭明地

（西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，西安710072）

1 引言

航天員需要在近地軌道或天體表面脫離母船，執(zhí)行包括維修、裝卸、更換和回收各種有效載荷、組裝大型空間結(jié)構(gòu)（如空間站）和科學(xué)試驗(yàn)等復(fù)雜任務(wù)，這些任務(wù)的完成依賴于艙外航天服的信息管理、信息顯示和控制功能。目前，出艙活動(dòng)過(guò)程的支持主要依賴出艙航天員與艙內(nèi)航天員或地面任務(wù)支持中心的語(yǔ)音聯(lián)絡(luò)，艙外航天服為航天員提供的實(shí)時(shí)信息支持極為有限，影響了出艙活動(dòng)的有效展開(kāi)［1］。因此，開(kāi)發(fā)具備視聽(tīng)一體化的實(shí)時(shí)通信顯示系統(tǒng)和多通道人機(jī)交互系統(tǒng)成為保障艙外任務(wù)順利完成的必要手段。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)均對(duì)艙外航天服的頭戴式信息顯示系統(tǒng)進(jìn)行了科研探索，例如楊新軍等人依據(jù)我國(guó)艙外服頭盔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了穿透型航天員艙外頭盔信息顯示系統(tǒng)［2］；美國(guó)洛克西德馬丁公司為NASA研制了頭盔型艙外航天服信息微顯示系統(tǒng)原型［3］。這類頭戴式顯示系統(tǒng)雖然能夠提供文字、圖表和視頻等信息，但操作人員僅能通過(guò)實(shí)體按鍵控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。隨著出艙活動(dòng)的復(fù)雜化，實(shí)體按鍵控制器（需要手操作）影響了出艙活動(dòng)的工作效率。因此，可以將解放雙手的眼動(dòng)交互技術(shù)引入對(duì)頭戴式信息顯示系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多通道的人機(jī)交互。眼動(dòng)交互技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)和圖像處理對(duì)視線進(jìn)行精確跟蹤、利用視線信息完成人機(jī)交互的新技術(shù)［4］。目前眼動(dòng)交互技術(shù)主要應(yīng)用于殘疾人輔助設(shè)備和軍事領(lǐng)域，例如，李?yuàn)櫟壤醚蹌?dòng)交互技術(shù)設(shè)計(jì)了面向殘障人士的繪畫(huà)系統(tǒng)［5］；美國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)將眼動(dòng)跟蹤技術(shù)應(yīng)用于新一代戰(zhàn)斗機(jī)（F?35） 飛行員頭盔［6］、實(shí)現(xiàn)武器的自動(dòng)瞄準(zhǔn)［7］等。但是，目前國(guó)內(nèi)外鮮有將眼動(dòng)交互技術(shù)應(yīng)用于艙外航天服設(shè)計(jì)的公開(kāi)研究?jī)?nèi)容。

因此，本文提出一種將頭戴式顯示技術(shù)（Head?Mounted Display，HMD）和眼動(dòng)交互技術(shù)引入艙外航天服的設(shè)計(jì)方案，利用HMD設(shè)備實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）的信息顯示功能，設(shè)計(jì)一種基于注視停留時(shí)間觸發(fā)和長(zhǎng)眼跳觸發(fā)的眼動(dòng)交互模式，通過(guò)眼動(dòng)交互設(shè)備及軟件實(shí)現(xiàn)航天員的眼控人機(jī)交互，為下一代先進(jìn)艙外航天服的人機(jī)交互技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

2 眼動(dòng)交互總體方案

由于出艙航天員在執(zhí)行維修、裝卸、更換和回收各種有效載荷等復(fù)雜任務(wù)時(shí)，現(xiàn)有的語(yǔ)音指揮系統(tǒng)不足以提供大量的實(shí)時(shí)輔助信息；艙外航天服的實(shí)體按鍵需要航天員用手操作，降低了出艙任務(wù)的工作效率。因此，本文引入HMD和眼動(dòng)交互技術(shù)為航天員提供文字、圖表和視頻等多媒體信息，使航天員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)雙手被占用的情況下也能基于HMD界面對(duì)艙外航天服做出有效的控制，輔助航天員完成各種復(fù)雜任務(wù)。

眼動(dòng)交互技術(shù)的實(shí)現(xiàn)在硬件方面依賴于HMD和眼動(dòng)儀，考慮到航天頭盔內(nèi)頭戴式設(shè)備的佩戴舒適度，本文將HMD設(shè)備集成到眼鏡式眼動(dòng)儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體硬件架構(gòu)如圖1所示，將眼動(dòng)跟蹤模塊、場(chǎng)景圖像采集模塊和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示模塊集成到眼鏡式框架上，同時(shí)利用3D打印成型技術(shù)完成硬件框架加工。為保證眼動(dòng)跟蹤的準(zhǔn)確性，頭戴式眼動(dòng)儀的場(chǎng)景圖像采集模塊與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示模塊的位置相對(duì)固定，只需要對(duì)兩個(gè)模塊進(jìn)行一次標(biāo)定運(yùn)算就能得到場(chǎng)景相機(jī)與虛擬投影面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

圖1 頭戴式眼動(dòng)儀硬件架構(gòu)Fig.1 The hardware architecture of head?mounted eye tracker

本文依托集成HMD的眼動(dòng)儀設(shè)計(jì)了眼動(dòng)交互的總體方案。首先通過(guò)眼動(dòng)跟蹤算法得到的視點(diǎn)信息，然后對(duì)視點(diǎn)信息進(jìn)行預(yù)處理，最后根據(jù)設(shè)計(jì)的基于注視停留時(shí)間觸發(fā)和長(zhǎng)眼跳觸發(fā)的眼動(dòng)交互模式來(lái)進(jìn)行交互系統(tǒng)測(cè)試。航天員通過(guò)規(guī)定的眼睛運(yùn)動(dòng)方式對(duì)HMD界面進(jìn)行人機(jī)交互，如眼動(dòng)實(shí)現(xiàn)界面菜單和按鈕的選擇與觸發(fā)、眼動(dòng)控制維修手冊(cè)的翻頁(yè)、眼動(dòng)控制視頻請(qǐng)求與關(guān)閉等。方案流程如圖2所示。

圖2 眼動(dòng)交互方案流程圖Fig.2 Flowchart of eye movement interaction

考慮到眼動(dòng)交互作為一種面向用戶的人機(jī)交互方式，為了驗(yàn)證眼動(dòng)交互的可行性，從以下方面對(duì)眼動(dòng)交互系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證：1）眼動(dòng)交互的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性；2）用戶對(duì)眼動(dòng)儀及眼動(dòng)交互方式的滿意度。

3 眼動(dòng)交互系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 眼動(dòng)跟蹤獲取視點(diǎn)

眼動(dòng)跟蹤的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性嚴(yán)重制約了眼動(dòng)交互的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，本文硬件上使用頭戴式眼動(dòng)儀，保證了頭部與硬件測(cè)量設(shè)備相對(duì)靜止，可以獲得較高的測(cè)量精度。軟件設(shè)計(jì)選擇成熟的眼動(dòng)跟蹤算法——瞳孔?角膜反射向量法［8?9］。 眼動(dòng)儀對(duì)佩戴者者侵?jǐn)_程度小，算法耗時(shí)短，并可獲得較精確的視線方向。眼動(dòng)跟蹤需獲取兩個(gè)重要特征：紅外光源下獲得的清晰瞳孔圖像以及紅外光源反射在角膜上的亮斑。在眼動(dòng)儀與頭部的相對(duì)位置保持不變的情況下，利用角膜反射亮斑作為參照量，獲取與瞳孔中心的方向向量來(lái)確定眼動(dòng)跟蹤注視點(diǎn)。其基本流程如圖3所示，通過(guò)一個(gè)標(biāo)定的過(guò)程得到場(chǎng)景中注視點(diǎn)位置與眼部特征參數(shù)的映射關(guān)系，然后實(shí)時(shí)獲取眼部特征參數(shù)來(lái)獲得注視點(diǎn)位置。

圖3 眼動(dòng)跟蹤算法流程圖Fig.3 Flowchart of eye tracking algorithm

3.2 眼動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理

人眼的眼球漂移和微小震動(dòng)等生理特性會(huì)降低視線跟蹤的準(zhǔn)確性［10］，所以在眼動(dòng)交互前需要進(jìn)行眼動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理。眼動(dòng)交互系統(tǒng)需要的有意義的數(shù)據(jù)主要有注視（fixation）和眼跳（saccade）兩種運(yùn)動(dòng)，其主要表征如表1所示［10］。為了從原始數(shù)據(jù)中提取出所需的兩種運(yùn)動(dòng)信息，須對(duì)眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，具體操作有去噪濾波，剔除無(wú)效信息，合并微型眼跳等。

表1 注視及眼跳特征［10］Table 1 The characteristics of fixation and saccade［10］

在眼動(dòng)信息預(yù)處理階段，眼睛的不自主震顫會(huì)導(dǎo)致原始眼動(dòng)注視點(diǎn)在某一位置產(chǎn)生抖動(dòng)的現(xiàn)象，由于注視停留時(shí)間的觸發(fā)方式對(duì)系統(tǒng)的注視點(diǎn)精確性敏感，此現(xiàn)象會(huì)造成用戶體驗(yàn)差的后果。由此我們?cè)陬A(yù)處理時(shí)利用均值濾波g（x，y，t） ＝∑f（x，y，t） （其中，m 為當(dāng)前參與均值濾波處理的數(shù)據(jù)總數(shù)， f（x，y，t） 為原始眼動(dòng)注視點(diǎn)數(shù)據(jù)，g（x，y，t） 為經(jīng)濾波處理后的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)）的數(shù)據(jù)處理方式消除了這種視覺(jué)上的劇烈抖動(dòng)，并且保證了系統(tǒng)注視點(diǎn)的精確性，但這樣不可避免的導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)中注視點(diǎn)的信息精準(zhǔn)度下降，我們的目標(biāo)為在注視點(diǎn)的精確性和下降的信息精準(zhǔn)度之間尋找一個(gè)最佳的折中。我們分別將去抖動(dòng)濾波窗口設(shè)置為 0.5 s時(shí)長(zhǎng)、0.8 s時(shí)長(zhǎng)、1 s時(shí)長(zhǎng)、1.2 s時(shí)長(zhǎng)和1.5 s時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行眼動(dòng)注視行為試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)窗口大小設(shè)置為0.5 s時(shí)長(zhǎng)時(shí)，用戶會(huì)感覺(jué)到注視點(diǎn)的劇烈抖動(dòng)；而當(dāng)窗口大小設(shè)置為1.5 s時(shí)長(zhǎng)時(shí)，用戶會(huì)感覺(jué)到注視點(diǎn)在跳躍時(shí)有明顯的延時(shí)現(xiàn)象，造成系統(tǒng)不精確的主觀印象；當(dāng)濾波窗口設(shè)置為約1 s時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)區(qū)域時(shí)，用戶主觀上不會(huì)感受到注視點(diǎn)的抖動(dòng)現(xiàn)象和注視點(diǎn)跳躍時(shí)的延時(shí)現(xiàn)象，獲得了較好的用戶體驗(yàn)。

3.3 眼控觸發(fā)方式

眼動(dòng)交互是一種利用眼睛的運(yùn)動(dòng)信息實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的方式，具有比常規(guī)交互方式（如手持操作設(shè)備交互）更直接，更符合人類思維習(xí)慣的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示界面的控制需要采用命令式交互的模式［5］，利用眼動(dòng)交互系統(tǒng)中的眼動(dòng)儀得到的原始眼動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，判斷命令觸發(fā)條件，觸發(fā)交互命令。本文基于注視和眼跳等眼動(dòng)信息設(shè)計(jì)了兩套眼控觸發(fā)方式，用戶可自主選擇使用長(zhǎng)眼跳觸發(fā)或注視停留觸發(fā)兩種方式進(jìn)行交互。

3.3.1 對(duì)角線式的長(zhǎng)眼跳眼動(dòng)交互方式

通過(guò)規(guī)定用戶的眼動(dòng)點(diǎn)有序地在多個(gè)界面對(duì)象上進(jìn)行跳躍來(lái)產(chǎn)生命令，這種眼動(dòng)交互輸入機(jī)制僅僅依賴于界面對(duì)象之間的相對(duì)位置關(guān)系，對(duì)眼動(dòng)設(shè)備的精確度不敏感。

眼動(dòng)交互系統(tǒng)中，眼動(dòng)信息在經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，需要判斷是否為長(zhǎng)眼跳狀態(tài)。規(guī)定眼跳交互的起始功能區(qū)為S區(qū)，終止功能區(qū)為T(mén)區(qū)，兩者滿足對(duì)角線方位，如圖4所示；眼跳起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為s x，y( )和 t x，y( )。 判斷眼跳的起點(diǎn) s x，y( )和終點(diǎn)t x，y( )是否落入相應(yīng)的功能區(qū)S區(qū)和T區(qū)（即對(duì)角線圓圈）內(nèi)，若符合，則執(zhí)行眼動(dòng)命令，算法流程圖如圖5所示。

圖4 對(duì)角線式長(zhǎng)眼跳觸發(fā)界面對(duì)象示意圖Fig.4 The diagram of diagonal long saccade trigger interface

圖5 長(zhǎng)眼跳觸發(fā)算法流程Fig.5 The process of long saccade trigger algorithm

3.3.2 注視時(shí)間觸發(fā)方式

當(dāng)用戶注視界面中某些對(duì)象超過(guò)一定時(shí)間閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的功能做出響應(yīng)。將注視點(diǎn)停留時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為100～1500 ms的可調(diào)參數(shù)，由于不同的用戶對(duì)眼動(dòng)操作的熟練程度不同，可根據(jù)主觀感受選擇參數(shù)。若注視時(shí)長(zhǎng)過(guò)短的話很容易造成誤操作，注視時(shí)長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)的話造成用戶體驗(yàn)很差，所以要找到一個(gè)合適的注視時(shí)長(zhǎng)閾值達(dá)到較好的用戶體驗(yàn)，基于注視的眼動(dòng)交互對(duì)于用戶認(rèn)知有較小的負(fù)荷，符合用戶的使用習(xí)慣，本系統(tǒng)利用眼動(dòng)注視在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示界面能夠?qū)崿F(xiàn)菜單的喚醒與隱藏，二級(jí)菜單項(xiàng)觸發(fā)，文檔的查看與翻閱以及視頻通信等功能。算法流程如圖6所示。

3.4 眼動(dòng)交互界面

考慮到人在認(rèn)知過(guò)程中不能同時(shí)處理大量的信息，需要對(duì)信息進(jìn)行了一定的選擇和加工，因此交互界面顯示的信息不宜過(guò)多造成人的視覺(jué)及認(rèn)知上的疲憊感［11］。根據(jù)人眼的注視特性，人眼在注視某一點(diǎn)時(shí)，并非完全靜止，包含微小眼跳、眼球漂移、微型震動(dòng)等，即一個(gè)不超過(guò)1°視角的微小區(qū)域。當(dāng)用于交互方式設(shè)計(jì)時(shí)，交互功能區(qū)域不應(yīng)小于1°。本文為保證交互的流暢性和系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，將功能區(qū)域設(shè)置為1.5°視角范圍；并在交互系統(tǒng)中加入了錯(cuò)誤反饋機(jī)制，該機(jī)制可使錯(cuò)誤觸發(fā)恢復(fù)至上一狀態(tài)。

圖6 注視點(diǎn)觸發(fā)算法流程Fig.6 The process of fixation stay trigger algorithm

系統(tǒng)的主要界面包括兩部分，分別為后臺(tái)監(jiān)控主界面和前端投影界面。后臺(tái)監(jiān)控主界面主要由場(chǎng)景圖像監(jiān)控區(qū)域、眼部圖像監(jiān)控區(qū)域和控制面板等組成，如圖7所示?？刂泼姘蹇赏瓿傻墓δ苡校航ⅲ瘮嚅_(kāi)通信連接，眼動(dòng)數(shù)據(jù)處理參數(shù)調(diào)節(jié)，定標(biāo)提示，九點(diǎn)標(biāo)定及結(jié)果的保存與讀取，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示（亮斑中心、瞳孔中心、場(chǎng)景注視點(diǎn)、虛擬場(chǎng)景注視點(diǎn)和眼控交互狀態(tài)顯示等）。

圖7 后臺(tái)監(jiān)控主界面Fig.7 The main monitoring interface of backstage supporter

前端投影界面顯示虛擬場(chǎng)景信息及疊加的AR信息，其中虛擬場(chǎng)景信息是由系統(tǒng)初始化設(shè)定的信息，如圖8（a）所示，疊加的AR信息為系統(tǒng)在眼動(dòng)命令觸發(fā)后依照功能需求顯示的信息，如圖8（b）～（d）所示。佩戴者實(shí)際視野展示如圖8（e）～（f）所示。功能需求包括主菜單的顯示與隱藏，一級(jí)菜單與二級(jí)菜單的觸發(fā)，文檔的翻頁(yè)和視頻通信等。

圖8 前端投影界面Fig.8 Front projection screen

4 試驗(yàn)與分析

4.1 系統(tǒng)驗(yàn)證環(huán)境搭建

為驗(yàn)證眼動(dòng)交互方法的可行性與準(zhǔn)確性，開(kāi)發(fā)頭戴式眼動(dòng)儀（圖9（a））、搭建硬件平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)測(cè)試軟件對(duì)眼動(dòng)交互方法進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

在驗(yàn)證系統(tǒng)中頭戴式眼動(dòng)儀與航天員身上攜帶的可穿戴計(jì)算機(jī)相連，用于數(shù)據(jù)的采集與傳輸；光學(xué)透視式投影顯示模塊，將計(jì)算機(jī)處理后的AR畫(huà)面實(shí)時(shí)投影到航天員前方投影面上，便于航天員與后臺(tái)進(jìn)行交互；用于模擬空間站／地面站的后臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男问?，接收?lái)自可穿戴計(jì)算機(jī)的眼部圖像和場(chǎng)景圖像并進(jìn)行處理。整個(gè)軟件以客戶端／服務(wù)器端的形式實(shí)現(xiàn)，客戶端采集到的眼部圖像和場(chǎng)景圖像經(jīng)圖像傳輸模塊傳輸?shù)椒?wù)器端進(jìn)行預(yù)處理與眼動(dòng)跟蹤計(jì)算得到注視點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)基于注視點(diǎn)完成眼控交互測(cè)試任務(wù)。驗(yàn)證系統(tǒng)搭建如圖9（b）所示。

4.2 系統(tǒng)可用性評(píng)估

考慮到本系統(tǒng)的主要目的在于眼控交互功能的實(shí)現(xiàn)，令用戶參與到可用性評(píng)估［12］中，所以系統(tǒng)的可用性評(píng)估由眼控人機(jī)交互的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和用戶滿意度決定。

圖9 頭戴式眼動(dòng)儀及原理驗(yàn)證系統(tǒng)Fig.9 Head mounted eye tracker and the principle of verification system

系統(tǒng)選用30 FPS的眼部攝像機(jī)和300 M無(wú)線USB網(wǎng)卡，視線估計(jì)算法用時(shí)約32±5 ms，能夠以25幀／s的速度獲取注視點(diǎn)，達(dá)到了實(shí)時(shí)性的要求。視線跟蹤的準(zhǔn)確度可用式（1）所示跟蹤誤差來(lái)衡量［10］：

其中，H為被測(cè)者到測(cè)試目標(biāo)所在平面的距離，α為允許的誤差視角，R為目標(biāo)所在平面上估算視線與真實(shí)視線的誤差圓半徑。本文將眼控交互功能觸發(fā)區(qū)域半徑設(shè)置為α為1°對(duì)應(yīng)的誤差圓半徑R，統(tǒng)計(jì)其功能觸發(fā)的正確率作為系統(tǒng)的準(zhǔn)確性評(píng)估。

為了評(píng)估系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和用戶滿意度，本文招募了30名測(cè)試者來(lái)完成以下測(cè)試任務(wù)，各個(gè)測(cè)試者視力情況均正常，統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果并通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷的方式收集用戶的滿意度信息。

1）測(cè)試者佩戴眼動(dòng)儀分別在不同注視時(shí)長(zhǎng)閾值（100～1500 ms）下完成了10輪眼控觸發(fā)的試驗(yàn)，并對(duì)主菜單的顯示與隱藏，一級(jí)菜單與二級(jí)菜單的觸發(fā)，文檔的前后翻頁(yè)及關(guān)閉和視頻通信及關(guān)閉共計(jì)11個(gè)控制對(duì)象的準(zhǔn)確率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同注視時(shí)間閾值下的準(zhǔn)確率Fig.10 The accuracy rate of different fixation time

結(jié)果顯示，注視停留時(shí)間越長(zhǎng)，功能觸發(fā)的準(zhǔn)確率越高，但是時(shí)間越長(zhǎng)用戶體驗(yàn)也就越差，給用戶留下系統(tǒng)延時(shí)太高的主觀印象。注視停留時(shí)間越短的話，功能觸發(fā)的錯(cuò)誤率越高，由于不同的用戶的適應(yīng)能力不同，導(dǎo)致在不同時(shí)間閾值下的錯(cuò)誤率不同。

2）針對(duì)長(zhǎng)眼跳觸發(fā)的可用性評(píng)估，30名測(cè)試者佩戴眼動(dòng)儀完成了長(zhǎng)眼跳觸發(fā)實(shí)現(xiàn)文檔的前后翻頁(yè)功能測(cè)試且每名測(cè)試者有間隔的完成了10輪測(cè)試，將文檔的主對(duì)角線方向的長(zhǎng)眼跳設(shè)置為向前翻頁(yè)，而副對(duì)角線方向設(shè)置為向后翻頁(yè)，分別統(tǒng)計(jì)了10輪測(cè)試中的功能觸發(fā)的準(zhǔn)確率，結(jié)果如圖11所示。

圖11 10輪測(cè)試下長(zhǎng)眼跳觸發(fā)準(zhǔn)確率Fig.11 The accuracy rate of long saccade trigger in 10 rounds

隨著測(cè)試輪數(shù)的推進(jìn)，系統(tǒng)長(zhǎng)眼跳觸發(fā)的準(zhǔn)確率在慢慢增加至80%以上，這符合人的認(rèn)知規(guī)律，長(zhǎng)眼跳觸發(fā)需要經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練來(lái)達(dá)到提高準(zhǔn)確率的目的。

3）對(duì)調(diào)查問(wèn)卷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，30名測(cè)試者佩戴眼動(dòng)儀完成測(cè)試后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行打分，分別就頭戴式眼動(dòng)儀外觀及佩戴舒適程度、交互系統(tǒng)界面、注視停留時(shí)間觸發(fā)功能和長(zhǎng)眼跳觸發(fā)功能的滿意程度進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，每項(xiàng)打分均為10分制。對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到平均滿意度如表2所示。

表2 用戶主觀評(píng)價(jià)Table 2 User subjective evaluation

通過(guò)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)分析可知：測(cè)試者對(duì)系統(tǒng)的整體表現(xiàn)基本滿意，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)視線跟蹤；功能觸發(fā)的總的正確率為90%以上；用戶能及時(shí)搜索到交互對(duì)象，即界面設(shè)計(jì)滿足規(guī)范性與易理解性；綜上所述，面向艙外航天服的頭戴式眼動(dòng)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了所需功能，交互錯(cuò)誤率低，用戶滿意度高，且界面友好，易于掌握。

5 結(jié)論

本文基于HMD和眼動(dòng)交互技術(shù)設(shè)計(jì)的面向艙外航天服的頭戴式眼動(dòng)交互系統(tǒng)的可行性通過(guò)得到了驗(yàn)證?；谧⒁曂Ａ魰r(shí)間和長(zhǎng)眼跳觸發(fā)相應(yīng)控制命令，佩戴者能通過(guò)眼動(dòng)命令準(zhǔn)確地對(duì)HMD界面的圖標(biāo)、菜單和按鈕進(jìn)行控制，眼動(dòng)觸發(fā)功能的準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。

眼動(dòng)交互為艙外活動(dòng)提供了一種新穎的人機(jī)交互方式，兼具魯棒性與可靠性，滿足了人機(jī)交互系統(tǒng)中眼控觸發(fā)靈敏、交互界面友好和用戶滿意度高等需求，具有較好的應(yīng)用前景。

［1］ 周曉晶，李潭秋，夏林根，等.可穿戴計(jì)算機(jī)及其在先進(jìn)艙外航天服中的應(yīng)用［J］.載人航天，2009，15（2）：10?15.

Zhou Xiaojing， Li Tanqiu， Xia Lingen， et al.Application of wearable computer for advanced extravehicular activity space suit［J］.Manned Spaceflight， 2009， 15（2）：10?15.（in Chi?nese）

［2］ 楊新軍，吳華夏，余曉芬，等.穿透型航天員艙外頭盔信息顯示系統(tǒng)［J］.紅外與激光工程，2010，39（2）：241?245.

Yang Xinjun， Wu Huaxia， Yu Xiaofen，et al.Helmet?mount?ed display system for supporting extravehicular activity of as?tronaut［J］， Infrared and Laser Engineering， 2010， 39（2）：241?245.（in Chinese）

［ 3 ］ Marmolejo J A.Helmet?mounted display and associated re?search activities recently conducted by the NASA Johnson Space Center［C］ ／／Helmet?and Head?Mounted Displays and Symbology Design Requirements.International Society for Op?tics and Photonics， 1994， 2218： 281?292.

［4］ 王向軍，蔡方方，劉峰，等.非接觸動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)視線跟蹤技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)與探索，2015，9（3）： 266?278.

Wang Xiangjun， Cai Fangfang， Liu Feng， et al.Non?contact dynamic real?time eye tracking technology［ J］.Journal of Frontiers of Computer Science and Technology， 2015， 9（3）：266?278.（in Chinese）

［5］ 李?yuàn)?，潘綱，李石堅(jiān).面向殘障人士的基于眼動(dòng)交互的繪畫(huà)系統(tǒng)［J］.電子學(xué)報(bào)， 2011， 39（S1）： 163?167.

Li Shan， Pan Gang， Li Shijian， et al.Eye?controlled painting system for disabled［J］.Acta Electronica Sinica， 2011， 39（S1）： 163?167.（in Chinese）

［6］ 賈宏博，師國(guó)偉，姚欽.眼動(dòng)跟蹤技術(shù)及其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2016， 29（5）：385?390.

Jia Hongbo， Shi Guowei， Yao Qin.Eye tracking technology and its application on military［J］.Space Medicine ＆ Medical Engineering， 2016， 29（5）： 385?390.（in Chinese）

［7］ 尹露，王雨婷，羅斌，等.基于眼動(dòng)跟蹤的自動(dòng)瞄準(zhǔn)技術(shù)研究［J］.兵工學(xué)報(bào)， 2014（S1）： 74?79.

Yin Lu， Wang Yuting， Luo Bin， et al.Study of automatic ai?ming technology based on eye tracking［J］.Acta Armamenta?rii， 2014（S1）： 74?79.（in Chinese）

［8］ 張闖，遲健男，張朝暉，等.一種新的基于瞳孔?角膜反射技術(shù)的視線追蹤方法［J］.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2010，33（7）：1272?1285.

Zhang Chuang， Chi Jiannan， Zhang Zhaohui， et al.A novel eye gaze tracking technique based on pupil center cornea re?flection technique［J］.Chineae Journal of Computer， 2010，33（7）： 1272?1285.（in Chinese）

［9］ Li D， Winfield D， Parkhurst D J.Starburst： A hybrid algo?rithm for video?based eye tracking combining feature?based and model?based approaches［C］ ／／IEEE Computer Society Confer?ence on Computer Vision and Pattern Recognition.IEEE，2005： 79?79.

［10］ 張昀.視線跟蹤技術(shù)及可計(jì)算眼動(dòng)建模研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2010.

Zhang Yun.Research on Eye Tracking and Computable Eye Movement Modeling［D］.Xi’an： Northwestern Polytechnical University， 2010.（in Chinese）

［11］ 謝歡，趙歆波，侯陽(yáng).適用于手機(jī)的眼動(dòng)輸入方法研究［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化， 2013（4）： 81?85.

Xie Huan， Zhao Xinbo， Hou Yang.Eye?input interaction for mobile phones［J］.Jisuanji Yu Xiandaihua， 2013（4）： 81?85.（in Chinese）

［12］ 劉穎.人機(jī)交互界面的可用性評(píng)估及方法［J］.人類工效學(xué)， 2002， 8（2）： 35?38.

Liu Ying.Usability evaluation and method of human?computer interaction interface［J］.Chinese Journal of Ergonomics，2002， 8（2）： 35?38.（in Chinese）