基于不同仰角的正面吊驾驶员动态视觉搜索绩效研究

何含笑,张守宝,盛进路

(1.重庆交通大学 交通运输学院，重庆市 南岸区 400074； 2.重庆交通大学 船舶与海洋工程学院，重庆市 南岸区 400074)

1 引言

视觉是人类感知世界，获取信息的主要渠道，驾驶员行车过程中80%以上的信息是通过视觉获得[1]，而实际在驾驶过程中的驾驶员视觉是动态视觉，与交通事故密切相关的也正是驾驶员的动态视觉特性[2]。正面吊在集装箱堆垛、运输等作业中发挥着不可替代的作用，在实际工作中由于堆垛高度条件的限制，正面吊驾驶员的视野范围和视角会发生变化，在集装箱堆垛过程中驾驶员需要进行集装箱对位锁闭、落箱等操作，仰角大小和视野范围受限势必会影响驾驶员视觉搜索绩效。

视觉搜索绩效直接影响人类工作效率，因此视觉搜索绩效一直是在各个行业生产活动中备受关注的重点。Engel FL[3]曾指出影响搜索绩效的具体相关参数：视野面积、一次凝视和扫视到下一凝视点的时间、目标落入视野内被发现的概率以及搜索区域面积；不只是视野面积，视野形状也会对视觉搜索绩效造成影响，Rantanen EM[4]等又提出与视野形状相关的8个参数：如周长面积比、形状因子等，随后Derek又给出了更为详尽的16个视野参数[5]。此外，光线色彩、强度等都是影响人们视觉感知的重要因素，颜色和闪烁的突显方式能够显著促进被试视觉搜索绩效[6-7]，如以黑色作为背景[8-9]。很多研究表明视觉搜索绩效存在个体差异[10]，在不同时间压力、图片难度下，影响视觉搜索绩效的个体因素也有所不同[11]，而当目标比较罕见时，那些具有较高工作记忆容量的人更善于发现目标[12]。

随着研究的深入，学者们发现：语音噪音环境[12]、人格与任务难度(高难度、低难度)[13]、移动速度、目标个数和时间压力[14]等对视觉搜索绩效都会产生影响，在视觉搜索绩效方面的研究仍也在继续，多数只是停留于特定职业如放射科、安检等职业人员，在其他行业的研究甚少，并未对仰角变化对视觉搜索绩效的影响进行详尽探究，所以需要根据行业特性进行更细致的研究，能够提升具视觉搜索绩效研究价值。

2 研究方法

2.1 被试

本实验选取重庆某大学的10名男性大四学生(正面吊驾驶员以男性为主)作为本实验的被试，年龄范围为21～23岁，身高175～180 cm，身体健康，无心理疾病，无色盲色弱，各项指标均符合本次实验要求。被试人员测试之前均未参加过相关的培训，没有任何视觉检测经验。

2.2 仰角选取

本实验仰角度数计算以RSC45-5M正面吊为例，其吊取示意图如图1。根据被试人员的坐姿眼高、堆高安全距离以及集装箱尺寸等计算可得，座椅高加坐姿眼高离地面约3 m，45 t集装箱的高度约2.71 m，当堆码层数为1层时，驾驶员操作时约为平视(0°)；当堆码层数为2层时，仰角约为25°；当堆码层数为3层时，仰角约为45°；当堆码层数为4和5层时，仰角分别约为57°和64°。因此本次实验选取0°、25°、45°和60°四个仰角角度来分别测试驾驶员的视野范围及绩效。

图1 正面吊集装箱作业尺寸

2.3 实验设备与布置

本实验采用北京汇云易听网络科技有限公司的视觉测试系统，能够测绘出被试视野形状，搜索用时等视觉指标，实验中使用能够安装视觉测试系统的笔记本电脑，通过调整被试的位置,以及放置电脑平台的高度等，分别确保被试者以平视、不同仰角下注视电脑屏幕时，眼球与屏幕相距50 cm，且视线刚好落于屏幕中央，设定移动角速度为10°/s。

2.4 实验流程

(1)被试填写个人基本信息后，主试讲解实验操作步骤及注意事项，在被试熟悉操作步骤后开始逐一进行实验。

(2)根据被试者身高、坐姿眼高等调整座椅高度、电脑屏幕位置及平台高度等，使被试者能够平视电脑屏幕中央；

(3)进入视觉测试系统，点入“动态视野测试”，进行参数设置，及被试人员信息录入；

(6)调整被试座椅高度、电脑放置高度等，使被试满足分别以25°、45°、60°的仰视角度下视线落于电脑屏幕中央；

(7)再进入“动态视野测试”，进行参数设置及被试人员信息录入，开始25°、45°、60°仰角下的动态视野测试，结束后保存数据，返回“目录”；

(8)进入“绩效测试”，人员信息录入后，开始25°、45°、60°仰角下的视野搜索绩效测试，保存实验数据，直至每位被试完成不同仰角下的动态视野测试及绩效测试结束。

(9)实验结束，进行实验数据汇总分析。

3 研究结果

3.1 不同仰角下的动态视觉边界图

根据视野测试系统测试,系统绘制被试者视觉边界图(如图2-4),其中，阴影边界线为被试视野边界线，内部的阴影区域为该仰角下的视野区域。选取被试者3、5、9进行陈列。

图2 被试3动态视野形状图

图3 被试5动态视野形状图

图4 被试9动态视野形状图

从视觉测试系统中导出实验数据，进行各指标数据整合计算，如表1所示。

表1 不同仰角下的动态视野形状各指标值

3.2 不同仰角下的动态视觉各指标值变化趋势分析

根据不同仰角下被试动态视野形状图，以及各项指标值，分析不同仰角下被试视觉指标变化趋势。

(1)周长与面积

图5 不同仰角下动态视野周长和面积对比图

根据不同仰角下被试动态视野周长和面积对比图发现： 0°～60°被试视视野面积和周长呈现逐渐减小趋势，而在从25°到45°视野面积无明显变化，视野周长下降趋势变缓，当仰角60°时，被试视野面积和周长开始急剧下降，并达到最低，见图5。

(2)圆度

图6 不同仰角下的动态视野圆度各项指标对比图

视野圆度各项指标越趋于1，说明视野圆度越好，根据不同仰角下动态视野圆度指标变化发现：0°～60°被试动态视觉圆度各项指标越来越小，并往偏离1的方向发展，从25°到45°动态视觉圆度基本稳定，而当仰角达到60°时，视觉不均匀变化最大，圆度最小，见图6。

(3)视觉平滑性

图7 不同仰角下的动态视野平滑性对比图

根据不同仰角下动态视野平滑性对比图发现：随着仰角的逐渐增加，被试动态视野平滑性指标逐渐趋于1，当仰角为45°和60°时，视觉边界粗糙度越来越明显，同时在60°时视觉边界褶皱性约为1，而锥性达到最大，视野边界粗糙度达到最大，见图7。

(4)对称性

图8 不同仰角下的动态视野对称性对比图

对称性方面，根据不同仰角下对称性指标对比图发现：整体来说，0°～60°被试动态视觉对称性逐渐下降，其中，凸包水平对称性和凸包竖直对称性随着仰角的增大在远离1的方向上不断增大，而水平顶点和竖直顶点对称性，以及上下和左右面积对称性随着仰角的增大远离0方向上不断增大；在60°时凸包垂直对称性和凸包水平对称性达到最大，水平、竖直顶点对称性，上下左右面积对称性趋于一点，视野对称性最差，见图8。

(5)延展性和规则性

图9 不同仰角下动态视野延展性和规则性指标对比图

不同仰角下动态视野延展性和规则性指标对比发现：0°～60°随着仰角的增大，被试动态视野延展性和规则性逐渐减小，其中在45°～60°时，视野延展性和规则性降低趋势最为缓慢，当仰角60°时延展性和规则性指标值最低，被试视野延展性和规则性最差，见图9。

通过以上对不同仰角下的动态视野形状各项指标值分析，可得出以下结论：被试视野周长、面积随着仰角的增大逐渐减少，同时被试视野圆度、边界平滑性以及对称性、规则性和延展性也随仰角增大而降低。总体说明，仰角对被试视野范围造成一定程度的影响。

3.3 不同仰角下的动态视觉搜索绩效分析

上述分析了仰角大小对视野形状的影响,现将各被试在四种仰角下视觉搜索绩效测试数据，搜索用时和准确率进行统计，见表2。

表2 搜索用时(单位：s)及准确率统计表

根据的数据可以发现，随着仰角的增加，平均搜索用时有所增加，准确率也随之降低。

对搜索用时的方差进行分析，并进行显著性检验，见公式(1)～(5)：

(1)

(2)

(3)

(4)

SE=ST-SA

(5)

表3 不同仰角下的搜索时间方差分析

将显著性水平设置为0.05，经计算如表3所示，由于F(3,36)<23.66016206，故认为不同仰角下的搜索用时具有显著性差异。

为了再次确定相邻仰角之间的视觉搜索绩效有无显著变化，对相邻仰角的搜索用时时进行t检验，检验结果见表4。

表4 视觉搜索用时t检验结果

取α=0.05，查表得： "" _"" ("" )"" _DDd变化时，视觉搜索用时明显增加，虽然仰角由从25°到45°和45°到60°时，视觉搜索用时的增长幅度较低于0°到25°的搜索用时增长幅度。但也可以发现，仰角从0°到60°变化时，视觉搜索用时一直趋于增长状态，正确率也趋于降低，因此可以说明仰角大小会影响视觉搜索效率，即随着仰角的增大，视觉搜索绩效会随之降低。

4 讨论

在注视过程中，大脑对视觉信息的加工处理是决定视觉范围和视觉搜索绩效的关键，而空间因素对大脑处理视觉信息存在影响，视觉注视点区域会随视角的变化而发生改变，根据“基于空间”的注意理论大脑不能够同时对注视区域内所有的点进行有效的接收处理，在中央窝视觉区，视觉敏感度最高，成功捕获视觉信息的可能最高，仰角的增大使得中央窝视觉区与平视状态下发生相对偏移，从而造成随着仰角的增大被试视野边界往视野中央逐渐靠拢的情况发生，即仰角增大使得视野面积和周长逐渐减小。同时，由于视觉注意力在信息呈现的位置上存在差异，而造成被试视野边界随着仰角的增大在不同方向上的视觉信息捕捉力出现差异，使得视野形状图边界的不规则性明显，即随着仰角的增大视野边界圆度、平滑性、对称性、规则性和延展性逐渐降低。此外，随着仰角的增大，视野边界的逐渐减小增加了视觉搜索难度，以及长时间的仰视使得视觉疲劳明显，对被试动态视觉搜索用时和正确率造成负面影响，使得随着仰角的增大，被试动态视觉搜索用时增加，正确率随之降低。

5 结论

通过对不同仰角下的正面吊驾驶员动态视野形状变化进行分析，以及对不同仰角下的视觉搜索绩效的变化进行显著检验，得出：不同仰角下的动态视野形状有所差异，随着仰角的增大，动态视野形状周长、面积逐渐减少，视野的圆度、边界平滑性以及对称性、规则性和延展性也随之降低，视野范围受限；同时，随着仰角的增大动态视觉搜索用时逐渐增加，正确率降低，动态视觉搜索绩效减小。因此，为降低仰角对正面吊驾驶员视野范围及搜索绩效的影响，相关部门应当定期对正面吊驾驶员进行理论和操作实务培训，提高驾驶员作业适应力，同时合理分配驾驶员工作时间，降低因驾驶员堆垛作业时间过长造成的视觉疲劳，提高驾驶员视觉绩效和作业效率，还可通过增设相应设备或通过其他技术手段增加正面吊驾驶员作业可视范围。