Name: 在复杂的航空任务中进行眼动追踪，以深入了解信息处理 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-04-04T12:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 48 s
Description: 了解眼动追踪技术在飞行模拟紧急任务中评估飞行员信息处理和注意力分配的方法。该技术可监测认知负荷与疲劳状态，为航空训练提供客观的心理生理学指标，提升飞行安全与培训效果。

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本工作部分得到了加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）的加拿大研究生奖学金（CGS）以及新前沿研究基金的探索资助（00753）的支持。本文材料中表达的观点、发现、结论或建议均为作者（们）的观点，不一定反映资助方的意见。

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<li>Manoel, E. D. J., Connolly, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Variability+and+the+development+of+skilled+actions%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Psychophys%22%5BJournal%5D)">Variability and the development of skilled actions.</a> Int J Psychophys. 19 (2), 129-147 (1995).</li>
</ol>

不存在竞争性财务利益。

本文所述的眼动追踪方法通过可穿戴眼动仪，实现了在飞行模拟器环境中对信息加工过程的评估。对注视行为时空特征的分析有助于理解人类的信息加工机制，这一机制已通过高度受控的实验室范式得到广泛研究4,7,28。借助近年来的技术进步，眼动追踪研究得以推广至更为真实、高保真的实验范式，从而更贴近自然情境。本研究旨在表征任务难度对低飞行时长飞行员在模拟着陆场景中的注视行为、飞行表现以及情境意识（SA）的影响。要求受试者在高能见度目视飞行规则（VFR）条件下完成着陆任务，该任务包括基础着陆场景以及一项挑战性操作，即意外引入飞行中紧急情况（如发动机完全失效）。结果与预期一致，在着陆过程中引入紧急情况导致飞行表现和情境意识显著下降，同时注视行为发生明显改变。下文将进一步讨论这些方法、结果以及通过注视行为分析所获得的关于信息加工、飞行表现和情境意识的深入见解。
在方法学方面，有几个关键点需要注意，包括对方案的修改以及该方...

人类主要通过首先移动眼睛和头部，将视线（即注视）聚焦于特定物体或感兴趣的位置，来与周围世界进行交互。在飞机驾驶舱等复杂环境中，飞行员面临多种相互竞争的刺激，这一特点尤为明显。注视运动使人类能够获取高分辨率的视觉信息，从而以安全且灵活的方式与环境互动1，这在航空领域至关重要。研究表明，眼动和注视行为能够揭示多种任务中潜在的感知、认知和运动过程1,2,3。此外，我们的注视位置会直接影响上肢运动的规划与执行3。因此，在航空任务中对注视行为进行分析，提供了一种客观且非侵入性的方法，有助于揭示眼动模式与信息处理及操作表现各个方面的关系。
多项研究已表明，在各种实验室范式以及复杂的现实世界任务（例如驾驶飞机）中，注视行为与任务表现之间存在关联。例如，与任务相关的区域往往被更频繁地注视，且总注视时间更长，这表明在神经认知和航空任务中，注视位置、频率和停留时间可作为注意力分配的指标4,5,6。相较于表现较差者或新手，表现优异者和专家在注视任务关键区域时表现出显著的偏向性4,7,8。注视行为的时空特征可通过不同兴趣区域（AOIs）的停留时间模式变化或注视分布的测量指标（例如：静态注视熵，Stationary Gaze Entropy: SGE）来捕捉。在基于实验室的范式中，由于解决更复杂任务目标或方案需要更多的扫描与信息处理，平均注视持续时间、扫描路径长度以及注视序列复杂性（例如：注视转移熵，Gaze Transition Entropy: GTE）通常会增加4,7。
相反，航空领域的研究表明，随着任务复杂性和认知负荷的增加，视觉扫描路径长度和注视序列的复杂性会降低。这一差异凸显了一个事实：准确解读注视指标的关键在于理解任务的组成部分以及所采用范式的具体要求。总体而言，迄今为止的研究支持以下结论：注视测量能够为任务特异性信息加工过程提供有意义且客观的洞察，从而揭示任务难度、认知负荷与任务表现之间的差异。随着眼动追踪技术的进步（例如便携性、校准方法和成本的改善），在真实环境中考察注视行为正成为一个新兴的研究领域，并在医学9,10,11和航空12,13,14等领域的职业培训发展中具有实际应用价值。
本研究旨在通过在低飞行时长飞行员中进行紧急飞行模拟任务时使用可穿戴眼动仪，进一步探讨基于注视的指标在洞察信息加工过程中的效用。该研究拓展了先前使用头部固定式眼动仪（即 EyeLink II）来分析不同飞行难度（即气象条件变化）下注视行为指标差异的工作5。本文所呈现的研究也延伸了其他关于在虚拟现实系统中使用眼动追踪技术的方法学与分析方法的已有研究15。本研究采用更高保真度的静止模拟器，并对眼动数据进行了额外分析（即熵值分析）。此类分析在以往文献中已有报道；然而，当前文献中的一个局限在于缺乏对分析步骤报告的标准化。例如，报告兴趣区的定义方式至关重要，因为它直接影响最终的熵值结果16。
综上所述，本研究通过引入飞行中紧急情况（即意外的完全发动机失效）来调节任务难度，考察了传统和动态的注视行为指标。预期引入飞行中紧急情况将有助于揭示在更具挑战性的任务条件下，信息加工过程中注视行为的变化。本报告的研究是更大规模研究的一部分，旨在探讨在飞行模拟器中使用眼动追踪技术以支持基于能力的飞行员培训的实用性。本文所呈现的结果此前尚未发表。

<table><tbody><tr><td>飞行模拟器</td><td>ALSIM</td><td>AL-250</td><td>固定式全沉浸式飞行模拟训练设备</td></tr><tr><td>笔记本电脑</td><td>Hp</td><td>Lenovo</td><td>眼动数据采集笔记本电脑；要求：Windows 10 和 Python 3.0</td></tr><tr><td>便携式眼动仪</td><td>AdHawk&amp;nbsp;</td><td></td><td>MindLink 眼动追踪眼镜（250 Hz，&amp;lt;2&amp;deg; 视线误差，前置摄像头）；眼动追踪批处理脚本随 AdHawk 设备购买提供</td></tr></tbody></table>

在复杂航空任务中进行眼动追踪以探究信息处理机制

Eye Tracking During A Complex Aviation Task For Insights Into Information Processing

眼动追踪已被广泛用作研究技能表现背后认知、感知和感觉运动过程的间接手段。先前的研究表明，传统和高级的注视指标能够可靠地揭示飞行员在专业水平、认知负荷、疲劳程度以及情境意识（SA）方面的显著差异。
本研究描述了一种使用可穿戴眼动仪和视线映射算法的方法，用于在高保真飞行静止模拟器中捕捉自然状态下的头部和眼部运动（即视线）。本文所述方法包括基于感兴趣区域（AOI）的视线分析，该分析可提供更多关于参与者注视位置的上下文信息，以及注视持续时间分析，用以反映其处理注视信息的效率。该方案展示了可穿戴眼动仪与计算机视觉算法在评估飞行中突发紧急情况所引发的视线行为变化方面的应用价值。
代表性结果表明，当引入紧急事件时，注视行为受到显著影响。具体而言，在紧急情境下，注意力分配、注视分散程度和注视序列复杂性均显著降低，并高度集中于前窗外部及空速表的观察（所有p值&#60; 0.05）。本文讨论了在高保真静态飞行模拟环境中使用可穿戴眼动仪来理解航空领域中注视行为的时空特征及其与信息处理关系的实用性与局限性。

任务需求对飞行表现的影响 
数据基于基本条件和紧急条件下的成功着陆试验进行分析。所有指标均进行配对样本t检验（被试内因素：任务条件（基本、紧急））。所有t检验的显著性水平α均设定为0.05。有四名参与者在紧急情景试验中发生坠毁，由于数据稀疏无法得出有意义的结论，因此未纳入主要分析。除成功率外，所有变量仅针对成功试验进行分析。
成功率（%）在条件间产生主效应，t(23) = 2.145，p = 0.043。具体而言，紧急试次（平均值 = 83%）的着陆失败率（即坠毁）显著高于基础试次（平均值 = 100%）（图7A）。完成时间（s）在条件间亦产生主效应，t(19) = 8.420，p &lt; 0.001。紧急试次的完成时间显著更短（平均值 = 121 s，SD = 3.9），相较于基础试次（平均值 = 174 s，SD = 5.6）（图...

眼动追踪是一种无创的信息加工研究方法。本文介绍了如何利用眼动追踪技术研究飞行时间较短的飞行员（即飞行时长&lt;350小时）在飞行模拟紧急任务中的注视行为。

眼动追踪已被广泛用作研究技能背后认知、感知和感觉运动过程的间接手段……

我们的研究利用眼动追踪技术开发飞行员情境意识的客观心理生理测量方法，以增强基于数据和能力的训练与评估。眼动追踪技术的进步通过监测注意力状态（如疲劳、认知负荷和思维游离），提升了航空训练水平，有助于提高飞行员的表现和飞行安全。将眼动追踪技术集成到模拟器、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）中，能够对飞行员的心理状态和视觉扫描行为进行真实评估，推动相关研究从实验室环境向真实驾驶舱和高保真模拟环境延伸。一个关键的挑战是感兴趣区域的分割和标签验证，这些工作非常耗时，但却至关重要。本实验探索了一种尚需进一步开发的早期自动化方法。我的研究支持在航空训练中应用眼动追踪技术，以评估飞行员的信息处理能力、注意力分配、压力管理以及可提示影响飞行器监控与安全风险的注视行为。首先，打开飞行模拟器和投影屏幕。在指令屏幕上，按下“预设”选项卡，并确认所需的“位置”和/或“天气”预设已可用。接下来，打开采集用笔记本电脑，并使用凭据登录。出现提示时，可选择一个已有的配置文件，或为新参与者创建一个新的配置文件，也可选择“访客”选项以覆盖其上一次的校准。要校准眼镜，请打开眼动仪外壳并取出眼镜，然后选择鼻托类型。将笔记本电脑的USB端口与眼镜的Micro-USB接口通过数据线连接。然后在眼动仪设备箱内找到黑色校准盒。将眼镜放入校准盒中。在采集用笔记本电脑的视线追踪 Hub 中，选择“工具”然后选择“设备校准”。在弹出窗口中按“开始”以启动校准。校准完成后，从盒子中取出眼镜。为确保鼻托合适，请指导受试者坐在驾驶舱内并戴上眼镜。查看屏幕右下角“眼镜盒”中的调整适配情况。如果适配状态显示为“优秀”，则继续下一步操作。否则，请点击该复选框。然后指导参与者根据屏幕上的适配建议调整鼻托，确保眼镜佩戴舒适，并目视前方直视笔记本电脑屏幕。现在，用手指捏住鼻托中间位置，将其从眼镜上滑出，再将另一个鼻托滑入安装到位。为遵循本研究的固定注视校准模式，请指导受试者移动头部，使方框与黑色方块重叠并对齐。然后要求受试者将视线聚焦在黑色方块内的十字线上，并按下空格键。随后检查头戴设备是否已连接至仪表板左下方的插孔。在进行眼球校准之前，前往眼动追踪中心的参数框。勾选校准模式，并根据研究需求选择“固定注视”或“固定头部”。确保校准点以3×3网格形式显示，共九个点。确认验证模式与校准模式相匹配。然后检查眼动追踪输出结果，并使用复选框确保已选中研究所需的所有参数。在眼动追踪中心，依次点击文件、设置和眼动追踪。检查采样率是否设置为 250 赫兹。按下“验证您的设置”框，并确认平均绝对误差小于一度，然后将校准保存至配置文件。在数据采集过程中，向受试者明确说明试验或飞行路径的指令，包括在模拟开始前如何调整仪表板上的设置。在指令界面，按下橙色的“已停止”按钮以开始采集数据。确认按钮颜色变为绿色，且文字更新为“飞行中”。在采集用笔记本电脑上，点击“开始录制”，以同步眼动仪数据与飞行模拟器数据。当参与者完成飞行路线并着陆后，需等待飞行器完全停止。在操作界面屏幕上，按下绿色的“飞行”按钮以停止数据采集。请确认按钮颜色恢复为橙色，且文字更新为“已停止”。运行眼动追踪批量脚本，以手动定义感兴趣区域（AOI），用于视线映射。该脚本将打开一个新窗口用于关键帧选择。滚动浏览视频，选择一个能清晰显示所有待分析关键AOI的帧。按照屏幕上的说明，在视频全程可见、具有唯一性且保持稳定的画面区域上绘制一个矩形。然后依次为画面中的每个感兴趣区域（AOI）绘制一个矩形，并为每个矩形命名。使用“添加更多”按钮添加新的兴趣区域（AOI），并在最后一个区域上点击“完成”。启动脚本以处理各个兴趣区域并生成注视数据，系统将生成一幅显示视频上扫视和注视情况的图表。与基本条件相比，紧急任务条件显著降低了着陆的成功率。紧急试验的完成时间明显短于基础试验。与基础试验相比，紧急试验的着陆误差也显著更高。在紧急任务期间，主观情境感知评分明显低于基础任务。情境意识的供给与需求从基础试验到应急试验呈上升趋势，而对情境意识的理解则从基础试验到应急试验有所下降。眼动指标显示，在应急情况下，注视关键仪表（如高度表和姿态指示器）的停留时间显著减少。与基础情况相比，应急情况下的眨眼频率显著增加。在紧急情况下，SGE 和 GTE 等高级注视指标显著降低。

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利用眼动追踪评估视觉与前庭输入在翻滚平面中对皮层下运动处理的相对重要性

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5-选择序列反应时间任务：一种用于啮齿类动物的注意力与冲动控制检测方法

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利用威胁概率任务评估不确定与确定威胁下的焦虑与恐惧

了解眼动追踪技术在飞行模拟紧急任务中评估飞行员信息处理和注意力分配的方法。该技术可监测认知负荷与疲劳状态，为航空训练提供客观的心理生理学指标，提升飞行安全与培训效果。

在复杂航空任务中进行眼动追踪以探究信息处理机制

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