眼动仪在道路交通安全方面的应用及国内外发展现状

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1、摘 要随着我国经济的迅猛发展，道路交通变得越来越便捷的同时汽车数量也迅速的增加，而由此引发的道路交通安全方面存在的高事故率、高伤亡、高损失问题同样变得更加严重。驾驶员在汽车道路行驶过程中扮演着重要的角色，因此提高道路交通安全对驾驶员的研究就显得尤其的重要。本文基于眼动仪在目前通过监控驾驶员进而提高道路交通安全性的现状，重点介绍了眼动仪在道路交通安全中的应用以及国内外发展的现状。关键词：驾驶员、眼动仪、道路交通安全AbstractWith the rapid development of Chinas economy, road traffic has become more and more

2、convenient, while the number of cars has increased rapidly, and road safety aspects arising from the existence of the high accident rate, high-casualty, high losses of the same more seriously. Driver in the car during road traffic play an important role, so the driver to improve road safety research

3、 are particularly important. Based on eye tracking in the current driver and then by monitoring the current situation to improve road traffic safety, focusing on the eye tracking application in road safety in the development of the situation at home and abroad.Keywords：Driver, Eye tracking, Road tra

4、ffic safety第一章 概述1.1 眼动仪简介 早在 19 世纪就有人通过考察人的眼球运动来研究人的心理活动，通过分析记录到的眼动数据来探讨眼动与人的心理活动的关系。眼动仪的问世为心理学家利用眼动技术（eye movement technique）探索人在各种不同条件下的视觉信息加工机制，观察其与心理活动直接或间接奇妙而有趣的关系，提供了新的有效工具。眼动技术先后经历了观察法、后像法、机械记录法、光学记录法、影像记录法等多种方法的演变。眼动技术就是通过对眼动轨迹的记录从中提取诸如注视点、注视时间和次数、眼跳距离、瞳孔大小等数据，从而研究个体的内在认知过程。20 世纪60 年代以来，随着摄

5、像技术、红外技术（infrared technique）和微电子技术的飞速发展，特别是计算机技术的运用，推动了高精度眼动仪的研发，极大地促进了眼动研究在国际心理学及相关学科中的应用。眼动心理学的研究已经成为当代心理学研究的一种有用范型。现代眼动仪的结构一般包括四个系统，即光学系统、瞳孔中心坐标提取系统、视景与瞳孔坐标迭加系统和图像与数据的记录分析系统。眼动有三种基本方式：注视（fixation）、眼跳（saccades）和追随运动（pursuit movement）。眼动可以反映视觉信息的选择模式，对于揭示认知加工的心理机制具有重要意义，从近年来发表的研究报告看，利用眼动仪进行心理学研究常用的

6、资料或参数主要包括：注视点轨迹图、眼动时间、眼跳方向（DIRECTION）的平均速度(AVERAGE VELOCITY)时间和距离（或称幅度AMPLITUDE）、瞳孔（PUPIL）大小（面积或直径，单位象素pixel）和眨眼（Blink）。眼动的时空特征是视觉信息提取过程中的生理和行为表现，它与人的心理活动有着直接或间接的关系，这也是许多心理学家致力于眼动研究的原因所在。眼动理论研究及应用领域主要包括：眼动与视觉信息加工的心理机制研究、阅读的眼动研究、图画观看视觉搜索和模式识别的眼动研究、眼动分析法在广告心理学研究中的应用、动机与态度研究、发展心理学研究、眼动在工效学研究中的应用、眼动的交通心

7、理学研究、眼动在航空心理学研究中的应用。1.2 我国道路交通的现状随着交通事业的发展以及人类生产、生活的不断提高，世界各国在近一个世纪的时间里公路建设的里程数迅速的增长，交通世界得到了空前的发展。我国在建国后30余年的时间中由于生产力水平的制约所修建的公路等级均较低，线形指标要求不高，虽然很多在近20年中得到了一定的整修与完善，但是标准依然很低。改革开放以后，伴随着经济的崛起，我国的道路交通状况得到的极大的促进和发展。图1.1 我国公路里程长度统计（百公里）由于国土面积辽阔、地形复杂，这就造成了我们国家公路建设具有距离长，路况复杂的特点，同时运输事业蓬勃发展以及汽车性能的不断提高，我国道路交通

8、运输具有远途性、连续性的特点，这就必然引起交通事故频发。我国每年发生约50余万起道路交通事故，造成重大的人员伤亡，其中具有关部门统计从2001年到2004年，连续四年我国道理交通事故死亡人数超过10万人，近5年的时间中，伴随着人们安全意识的提高，监管部门的严查力度以及车辆安全性能的提高，伤亡数字虽有所降低，但是仍然不低于8万人，这已经是我国连续多年来道路交通事故中高居世界第一，巨大的人员伤亡和财产损失严重的干扰了社会的稳定和社会主义现代化建设进程。1.3 驾驶员在交通事故中的影响驾驶员作为车辆的操作者，道路的使用者，环境条件的感受者，是道路交通系统活动的主题，在这个动态系统中处于主导地位，对于

9、保证系统的稳定性有着较大的能动性，是影响交通安全的首要因素。表1.1列出了道路交通系统中各种因素与交通事故的关系。影响交通肇事的因素各种因素所占百分比纯系人的因素 58%纯系车的因素 2%纯系道路、环境因素 4%人与环境的综合因素 26%人与车的综合因素 6%车与环境综合因素 1%人、车、环境综合因素 3% 表1.1 交通肇事与影响因素的关系从表1.1中可以看出，驾驶员因素是引发交通事故的第一因素，如果将与驾驶员有关的因素统计在一起，那么比例将达到交通事故总量的90%以上，由此可见提供道路交通安全性，对驾驶员的研究是十分必要的，眼动仪的研究与发展正是基于这个原因。第二章 眼动仪在交通安全中的应

10、用2.1 高速公路广告牌对驾驶员视觉影响的研究在深入的了解了广告色彩专业知识以及眼动仪的工作原理和操作方法后，可选择一段广告密集、形式多样具有一定代表性的高速公路作为试验的场地。同时，采用根据强膜反射法设计的眼动仪作为试验仪器，该仪器可记录驾驶员在行驶过程中眼睛一动的轨迹以及注视时间等数据。可分别选择不同年龄段的驾驶员按照不同的速度行驶选择好路段，记录数据。通过眼动仪自身的数据分析以及试验人员的理论数学分析，得出结论：1对驾驶员在该路段行驶中，对沿线广告牌的凝视时间进行了处理分析，认为高速公路广告牌距道沿的距离以5-6m范围为最佳。2驾驶员在行驶过程中，对广告牌上大字体的凝视时间要少于对小字体

11、的凝视时间。因此，设计文字时应尽可能采用大一些的字体直径。3驾驶员在行驶过程中，对与广告牌背景色彩相对比较为鲜艳、醒目的广告牌区域上凝视时间较短，而对与广告牌背景色彩相对比较为模糊而不易区分的广告牌区域上的凝视时间较长。所以，广告设计时最好选择与背景色对比比较醒目的色彩。4驾驶员在图片上的凝视时间普遍低于在文字上的浏览时间。因此，最好多用图片的形式表达广告意图。5、基于高速公路广告牌的特殊性，其广告牌的设计应简洁明了、不宜过于新颖，当以图文并茂的形式设计时，图片最好置于整个版面的左方。2.2 不同道路条件下驾驶员动态视觉差异性分析 在我国道路交通事故中，城市道路交通事故占40%以上，而道路条件

12、又是造成交通事故高发率的重要诱因。利用眼动仪记录数据，对不同道路条件下驾驶员动态视觉进行差异性分析。通过对数十位位驾驶员在几十段城市道路上驾驶时的眼动特征参数进行统计，分析了不同路段上驾驶员注视和扫视行为的总体特征，进一步通过眼动特征参数的统计盒形图、单因素方差检验以及可重复双因素方差检验分析了路段因素对驾驶员动态视觉参数影响的显著性，以及路段与驾驶经验双因素对驾驶员动态视觉参数影响的显著性。对分析结果进行总结，可得到以下结论：(1)在各个路段上，驾驶员注视时间在300ms以内的注视频次均超过了75，且不同路段上驾驶员在各个注视时间区段内的注视频次差异不大：在交通环境相对复杂路段，驾驶员水平方

13、向搜索广度较大，注视区域较分散，在交通环境相对简单路段，驾驶员水平方向注视区域较集中，在十字路口路段驾驶员的水平方向搜索广度最大；驾驶员在交通环境较简单时，其小幅度扫视行为较多，而在交通环境较复杂时，其小幅度扫视行为减少，大幅度扫视行为增多；但在各种路段类型路段及交通环境中，驾驶员的扫视行为均以小幅度扫视为主；驾驶员在交通环境较简单时，其低速扫视行为较多，而在交通环境较复杂时，其低速扫视行为减少，高速扫视行为增多；但在各种类型路段及交通环境中，驾驶员的低速扫视行为均比高速扫视行为要多。(2)在3种十字路口路段上，驾驶员水平方向视觉搜索广度以及扫视幅度均有非常显著的差异；在3种城市普通道路上，驾

14、驶员水平方向视觉搜索广度、垂直方向视觉搜索广度以及扫视幅度均有比较显著的差异；在3种快速干道上，驾驶员水平方向视觉搜索广度、扫视幅度以及扫视速度也均有比较显著的差异。将9种路段放在一起比较时可发现，在9种不同类型路段上，驾驶员平均注视时间、水平方向视觉搜索广度、扫视幅度以及扫视速度均有非常显著的差异。(3)不同驾驶经验的驾驶员在3种十字路口路段的平均注视时间有较显著的差异，在9种类型路段上，不同经验驾驶员的水平方向视角位置也均有较显著的差异；驾驶员在不同类型路段上时，其水平方向视觉搜索广度均有非常显著的差异，而驾驶经验对此的影响不显著；驾驶经验和路段类型对驾驶员的扫视幅度均有非常显著的影响，在

15、城市普通道路和城市快速干道上，不同驾驶经验的驾驶员，其扫视速度有非常显著的差异；在其它各种情况，驾驶经验和路段类型因素对各动态视觉参数的影响均不甚显著。(4)仅在3种十字路口路段上，驾驶经验和路段类型的交互作用对驾驶员垂直方向搜索广度有影响。第三章 眼动仪国内外研究现状3.1 国外研究现状国外对于眼动规律的研究开始于20世纪中叶。在1968年，随着便携式照相机技术的发展，Rockwell、Overby和Mourant开发了第一个眼睛跟踪系统，用其监测和记录驾驶员在道路上的视觉行为19J。此后，国外对于驾驶员视觉行为展开了广泛的研究。根据检索到的文献资料来看，近年来国外在驾驶员视觉行为领域开展的

16、研究相当广泛，具体研究方面包括：熟练驾驶员与非熟练驾驶员的视觉搜索模式、搜索策略的比较、驾驶员视觉行为与车辆控制、操作的关系研究、年龄对驾驶员视觉的影响、视觉生理缺陷驾驶员的视觉行为研究、工作负荷对驾驶员视觉的影响、驾驶员的注视区域与交通设施之间的联系、驾驶员视觉与辅助驾驶系统等几个方面。在熟练驾驶员与非熟练驾驶员的视觉搜索模式、搜索策略的比较方面开展研究的有瑞典Link6ping大学、英国Nottingham大学等。英国Nottinghaln大学心理学院受英国运输部资助，建立了一个事故研究室(ARU)，1998年，该研究室成员David Crundall等人llUj通过在试验中引入不同类型的

17、道路，以改变受试驾驶员的认知负荷水平，从而对熟练驾驶员和非熟练驾驶员视觉搜索策略的差异进行了研究。每次试验中，先让受试驾驶员进行20分钟的适应驾驶，然后让其戴上眼动仪并继续在指定路线上驾驶，以记录其眼动行为。试验后，通过对驾驶员的平均注视持续时间、注视点数目以及水平与垂直方向搜索分散范围的分析，得出以下结论：熟练驾驶员在信息量较少的道路(乡村道路)上的注视持续时间较长，在信息量大的道路(双车道)上的注视持续时间变短，而非熟练驾驶员则相反；熟练驾驶员与非熟练驾驶员在水平方向搜索广度方面存在显著差的大得多。说明熟练驾驶员能根据道路的复杂程度选择性地改变其视觉搜索策略，而非熟练驾驶员在驾驶需求变化了

18、的时候，其视觉搜索策略显得太过于僵硬死板。2002年，该研究室成员Geoffrey Underwood等人通过试验，对非熟练驾驶员水平方向搜索广度比熟练驾驶员小的原因进行了研究。对熟练驾驶员和非熟练驾驶员在三种路段上的注视次数、总的观察时间、注视持续时间，以及回头看的次数等等这些量进行了分析，发现非熟练驾驶员更依赖车内后视镜来观察交通状况，甚至当用车外的后视镜观察效果更好的时候，非熟练驾驶员仍然常常用车内的后视镜来观察交通状况。当然随着驾驶的需要，非熟练驾驶员观察车外后视镜的次数也在增多，表明他们对车外的后视镜有一定程度的注意。2002年，该研究室成员Geoffrey Underwood等人在

19、实验室内，通过让受试驾驶员观看在真实交通环境中摄制的场景录像，对熟练驾驶员与非熟练驾驶员的视觉搜索特性进行了研究。结果发现，即使是在实验室观看录制的驾驶场景录像而不是进行实际驾驶(即排除了“需要控制车辆”这个因素的影响)，非熟练驾驶员的视觉搜索广度仍然没有熟练驾驶员广泛，尤其是在信息量较大的有混合交通的双车道上的时候，这一差别更加明显。2002年，Peter Chapman等人通过使用自行设计的一套驾驶员搜索模式训练方案，研究了训练对驾驶员视觉搜索技能的影响，结果表明，训练对于驾驶员的视觉搜索有显著影响：训练组的注视持续时间变短(表明观看录像片段使其提高了对危险类型的认识，加速了其处理危险的过

20、程)；训练组的水平方向搜索广度增大(表明训练可以改善搜索行为)；训练改变了驾驶员在道路上的视觉搜索策略(表明驾驶员能够把在录像片段中学到的技能应用到实际的驾驶行为中)。2005年，瑞典Link6ping大学的T0rbj6m Falkmer等人f1为了研究熟练驾驶员和非熟练驾驶员视觉搜索策略的差异，使用NAC Eye Mark Recorder(EMR)600型眼动仪对20名熟练驾驶员和20名非熟练驾驶员在真实交通环境中的眼动行为进行了测量，通过对测得的眼动数据进行分析，验证了其他研究人员的一些结论，即相对于熟练驾驶员而言，非熟练驾驶员的眼动行为具有以下特征：注视点更靠近所驾驶的车辆而不是远方；

21、对车内物体注视更为频繁；水平方向注视广度小；对重要交通线索的注视更为频繁；对包含潜在危险的目标的注视更为频繁。其研究中数据处理时是对落在不同区域内注视点数目及频次进行统计分析，然后进行口=005水平下的铲检验，以对比分析两组驾驶员的视觉搜索差异。2007年，英国Salford大学的Adam Galpin与Noaingham大学的Geoffrey Underwood等人研究驾驶员视觉的改变是否受到视觉经验的影响，提供了两个试验来监控观测者的眼动，同时使被试驾驶员在两张同时出现的图片之间寻找区别，并且当看到或者是感觉到区别时，判断两张图片之间的差异。其中一个试验显示被试驾驶员注视位置易受到图片上的

22、不同之处的影响，图片内容上的差异比图片形状的差异更易影响注视位置。另一个试验证明形状的不同更能影响被试驾驶员的观看反应。在眼动仪应用方面，国外还有很多领域以及具体的道路交通安全方面的应用。3.2 国内研究现状国内关于眼球运动的研究多集中在语言学、广告学、心理学及医学应用等方面，如天津师范大学、辽宁师范大学等在这些方面进行了不少的理论研究和试验研究。而在交通领域，研究交通工具的操作者视觉的很少，其中北京航空航天大学开展了飞行员的视觉研究；而在公路交通领域研究汽车驾驶员视觉的主要集中在几所高校里。西南交通大学的张殿业在对驾驶员动态视野与行车安全可靠度的研究中，建立了驾驶员动态视野行为模式，提出驾驶

23、员视野随车速的增大而变窄。研究还分析了驾驶员视野机理与测试方法，建立了动态视野量化指标评价体系，并通过室内试验，对事故组与非事故组驾驶员进行动态视野可靠度分析，指出事故组的可靠度远远小于非事故组驾驶员的可靠度。西安交通大学的杨建国等人通过驾驶员视觉关注焦点的移动规律、视场范围和障碍物遮挡等3个方面的研究，提出了一个非熟练驾驶员视觉感知模型，并通过计算机模拟实际场景，完成了模型有效性的验证。同济大学的潘晓东等人刚利用EMR8B眼动仪，研究了在逆光条件下交通标志的可视距离。同济大学的杨志清等人p51根据驾驶员的视觉特性，提出了一个新概念“空间视距”用于量化驾驶员的视觉信息，并给出了空间视距的近似算

24、法，用于计算路线任意位置处的近似空间视距值。结合试验，采用回归方法得到了期望车速与空间视距的非线性关系，并通过纵坡修正，最终得到高速公路运行车速的预测模型。参考文献【1】Luke Fletcher,Nicholas Apostoloff,Lars Petersson,Alexander ZelinskyVision in and out of vehicles【J】IEEE Computer Society,2003，5：12-17【2】张殿业驾驶员动态视野与行车安全可靠度【J】西南交通大学学报，2000，35(3)：319322【3】杨建国，肖永剑，王兆安交通微观仿真中的驾驶员视觉感知模型【J】系统仿真学报，2005，17(10)：24372441【4】王海林，刘仲国，朱凯曼影响汽车驾驶员行车安全的内在因素分析【J】汽车研究与开发，2002，5：3242【5】Chia-Fen Chi，FangTsan LinA new method for describing search paaems and quantifying visual load using eye movement dataJInternational Journal of Industrial Ergonomics，1 997，1 9(3)：249257