一种基于眼动追踪的工业设备交互界面优化方法

本发明涉及工业人机交互，更具体地说，本发明涉及一种基于眼动追踪的工业设备交互界面优化方法。

背景技术：

1、在流程工业领域，操作员需要长时间注视分散控制系统或数据采集与监视控制系统的监控界面，监视生产运行状态并响应各类报警信息。监控界面上通常划定有安全关键报警区域，用于显示紧急停车、超温超压、有毒气体泄漏等最高优先级报警图标。当危险工况触发报警后，相应的报警图标以变色或闪烁方式呈现。

2、在实际生产环境中，操作员长时间处于低负荷监控状态下容易产生疲劳，注意力资源逐渐衰减。即使报警图标已在视野范围内激活，操作员仍可能未能及时察觉，这一现象在认知心理学中称为变化盲视。安全关键报警一旦被忽略，可能导致操作延误，带来安全隐患。

3、针对上述问题，已有方法尝试利用眼动追踪技术对监控界面进行优化。一类方法通过分析操作员的注视热图评估界面布局，属于离线调整而非实时干预。另一类方法在实时监测到操作员注视点未落在报警区域超过一定时长后，对该区域进行高亮或闪烁增强。此类方法的共同特点在于依赖注视结果进行事后触发，只能在操作员已经较长时间未注视报警区域之后作出响应，无法在忽略倾向形成阶段进行预测和主动干预；

4、因此，针对上述问题提出一种基于眼动追踪的工业设备交互界面优化方法。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种基于眼动追踪的工业设备交互界面优化方法，要解决现有方法依赖注视结果进行事后触发，无法在操作员忽略行为发生之前对安全关键报警的忽略倾向进行预测和干预的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于眼动追踪的工业设备交互界面优化方法，包括以下步骤：

4、s1：实时采集操作员在工业监控界面上的注视坐标和瞳孔直径，所述工业监控界面上划定有至少一个用于显示最高优先级报警图标的安全关键报警区域。

5、所采集的注视坐标和瞳孔直径为后续微眼跳检测和操作员警觉度评估提供原始数据。

6、s2：从实时采集的注视坐标中在线检测微眼跳事件，获取每个微眼跳的运动方向角和运动幅度。

7、所述微眼跳事件是操作员在注视期间眼球产生的幅度小于0.5°的快速不自主跳动。微眼跳的方向能够反映操作员内隐注意的转移倾向，即操作员在尚未实际移动注视点时，其微眼跳已会先行偏向其即将将注意转向的方向。基于这一特性，通过对微眼跳方向的持续监测，可以在操作员实际转移注视之前获取其注意倾向，为实现忽略倾向的早期预测提供依据。

8、进一步地，步骤s2中所述在线检测微眼跳事件的方式为：以滑动窗口内眼动速度中位数的6倍作为动态阈值，将瞬时眼动速度超过该动态阈值且持续时间超过6ms、运动幅度超过0.05°的眼动片段判定为微眼跳事件。

9、动态阈值随滑动窗口内数据的统计特征自适应变化，能够适应不同操作员的眼动模式差异以及同一操作员不同疲劳状态下的眼动变化，无需预设固定阈值，提高了微眼跳检测的鲁棒性和适用性。

10、s3：针对所述安全关键报警区域，取该微眼跳事件发生前预设时段内的注视坐标平均值作为当前注视坐标，将从该当前注视坐标指向该安全关键报警区域中心的方向作为期望注视方向，计算所述运动方向角与所述期望注视方向之间的夹角。

11、该夹角直接反映了微眼跳方向相对于安全关键报警区域的偏离程度。当操作员的微眼跳持续偏向某一方向而远离安全关键报警区域时，夹角增大，表明其内隐注意可能正在偏离该区域，该夹角是后续量化注意偏离的基础。

12、s4：计算每个微眼跳的偏离贡献值，所述偏离贡献值在该微眼跳的运动方向角与所述期望注视方向一致时为0，且随所述夹角增大而增大。

13、偏离贡献值用于量化单个微眼跳事件对注意偏离的贡献大小，将微眼跳的方向偏差转化为可累积的数值指标。当微眼跳方向恰好指向安全关键报警区域时，不产生偏离贡献；当微眼跳方向背离该区域时，产生相应的偏离贡献，且背离角度越大，贡献值越高。

14、进一步地，步骤s4中所述偏离贡献值的计算公式为：

15、

16、其中，为所述运动方向角与所述期望注视方向的夹角，为所述运动幅度，为的平方根。

17、该公式使偏离贡献值随夹角呈非线性增长，在较小时增长平缓，对正常的微眼跳方向抖动具有容忍性，避免因偶然的眼动波动产生过高的偏离贡献；

18、在较大时增长迅速，对明显的方向背离给予较高的偏离贡献值，确保系统性的注意偏离能够被有效捕捉。同时，乘以运动幅度的平方根使幅度较大的微眼跳被赋予更高权重，因为幅度较大的微眼跳往往意味着更强的注意转移意图。

19、s5：根据所述偏离贡献值更新方向累积偏离量，更新规则为：当所述夹角超过偏向阈值时，将当前方向累积偏离量按第一衰减速率衰减后与当前偏离贡献值相加；当所述夹角未超过所述偏向阈值时，将当前方向累积偏离量按第二衰减速率单独衰减，所述第二衰减速率大于所述第一衰减速率。

20、所述方向累积偏离量累积表征操作员注意系统性远离安全关键报警区域的程度。在更新规则中，朝向微眼跳触发更快的衰减速率，使累积量被迅速削减，体现操作员内隐注意重新向安全关键报警区域靠拢的趋势；背离微眼跳触发较慢的衰减速率，使累积量持续推高，体现操作员内隐注意持续远离安全关键报警区域的趋势。由此，方向累积偏离量的变化趋势能够实时反映操作员注意相对于安全关键报警区域的动态偏离状态。

21、进一步地，步骤s5中所述第一衰减速率记为，所述第二衰减速率记为，和均为指数衰减因子，且满足。

22、由于远小于，朝向微眼跳对方向累积偏离量的衰减速度显著大于背离微眼跳的累积速度，从而在方向累积偏离量的动态变化中同时实现了两个目标：一是对持续背离行为的累积追踪，二是对突然朝向行为的快速响应。这种非对称的设计确保在操作员注意真正开始返回安全关键报警区域时，方向累积偏离量能够迅速下降，减少不必要的扰动触发。

23、进一步地，步骤s5还包括：在预设滑动时间窗内对所述瞳孔直径进行线性拟合，得到所述瞳孔直径随时间的变化斜率，当所述变化斜率为负值时，增大的数值，的上限为0.99。

24、瞳孔直径持续收缩是操作员警觉度下降的生理表征。当检测到瞳孔收缩趋势时，表明操作员可能已进入疲劳或注意力涣散状态，此时通过增大来减缓方向累积偏离量的衰减速率，使偏离信息在疲劳状态下保留更久，方向累积偏离量更容易达到累积阈值。这一调制机制将操作员的生理状态与忽略倾向预测的灵敏度相关联，在操作员警觉度降低时自动提高预测灵敏度，增强对潜在忽略风险的防范能力。

25、s6：当所述方向累积偏离量超过累积阈值，且该状态连续保持预设时长，并在该预设时长内未出现所述夹角小于朝向阈值的微眼跳事件时，判定操作员对该安全关键报警区域存在忽略倾向，对该安全关键报警区域内的报警图标施加动态视觉扰动。

26、方向累积偏离量持续超过累积阈值表明操作员的注意已系统性远离安全关键报警区域，而预设时长内无朝向微眼跳出现则排除了注意正在返回的可能。两个条件同时满足时，表明操作员极有可能即将忽略该报警区域内的关键报警信息。在此条件下，对报警图标施加动态视觉扰动，能够主动捕获操作员的边缘视野注意，引导其将注视转移至该安全关键报警区域，在忽略行为发生之前完成注意干预。

27、进一步地，步骤s6中所述动态视觉扰动为：在界面渲染时，对所述报警图标的纹理坐标施加由极坐标角度和时间共同控制的周期性旋转与缩放偏移，扰动幅度与所述方向累积偏离量正相关，使所述报警图标呈现对数螺旋运动形态。

28、对数螺旋运动同时包含旋转和径向缩放两种运动分量，相比于单纯的颜色变化或闪烁，该运动形态能够选择性激活视觉皮层中的运动敏感区域，对边缘视野产生较强的自下而上的注意捕获效果。扰动幅度随方向累积偏离量自适应变化，使得忽略倾向越强时扰动越剧烈，在有效吸引注意的同时避免对轻微偏离状态的过度干扰。

29、进一步地，所述周期性旋转与缩放的频率范围为6hz至8hz。

30、该频率范围对应于视觉皮层运动敏感神经元的优选响应频段，在此频段内的运动刺激能够以较低的感知负载引发较强的神经响应，从而实现对操作员注意的高效捕获，同时不易造成视觉疲劳。

31、进一步地，所述方法还包括s7：在施加所述动态视觉扰动后持续监测操作员的注视坐标，当检测到一次扫视且该扫视的落点坐标位于所述安全关键报警区域内时，撤销所述动态视觉扰动并将所述方向累积偏离量复位为0，所述扫视的幅度和速度均大于所述微眼跳事件。

32、扫视是操作员主动转移注视的行为标志，其出现表明操作员的注意已被成功引导至安全关键报警区域。此时撤销扰动可避免持续的动态效果对操作员的后续信息处理和操作造成干扰，同时将方向累积偏离量复位为0，使系统回到初始状态，为下一轮忽略倾向预测做好准备。

33、进一步地，s7中所述撤销是指将扰动幅度在50ms内线性衰减至0。

34、线性衰减使报警图标从运动状态平滑恢复至静态显示，避免运动效果的突然消失引起操作员的不适或二次注意分散，确保操作员在注意到报警信息后能够专注于信息的阅读和后续处置。

35、进一步地，所述工业监控界面为分散控制系统监控界面或数据采集与监视控制系统监控界面。

36、该类界面是流程工业中操作员进行长时间监控的主要交互界面，操作员在此类界面下需要持续注视屏幕以监视生产运行状态，容易出现因疲劳或注意力固着导致的变化盲视现象。本方法能够在此类界面的监控场景中，通过对微眼跳方向的实时分析和动态视觉扰动的适时介入，有效降低安全关键报警被无意识忽略的风险。

37、本发明的技术效果和优点：

38、第一，本发明通过分析微眼跳方向特征实现忽略倾向的早期预测。微眼跳是注视期间产生的不自主快速眼跳，其方向与操作员内隐注意转移之间存在耦合关系。本发明计算每个微眼跳的偏离贡献值，并采用非对称衰减规则更新方向累积偏离量：朝向安全关键报警区域的微眼跳以较大衰减速率快速削减累积量，背离的微眼跳以较小衰减速率持续推高累积量。这一规则使得方向累积偏离量能够实时反映注意相对于报警区域的动态偏离状态，为忽略倾向的预测提供依据，使干预时机从事后提前至事前。

39、第二，本发明采用对数螺旋运动形态的动态视觉扰动进行注意引导。在方向累积偏离量持续超过阈值且无朝向微眼跳出现时，对报警图标的纹理坐标施加由极坐标角度和时间共同控制的周期性旋转与缩放偏移，扰动幅度与累积量正相关。对数螺旋运动能够有效激活视觉皮层的运动敏感区域，对边缘视野产生注意捕获效果，引导操作员将注视转移至报警区域。在检测到操作员作出朝向报警区域的扫视后，扰动在50ms内平滑撤销，方向累积偏离量同步复位，避免对后续操作造成干扰。

40、第三，本发明利用瞳孔直径变化趋势对衰减速率进行动态调制。瞳孔收缩是操作员警觉度下降的生理表征，当检测到瞳孔直径变化斜率为负值时，增大第一衰减速率的数值以减缓方向累积偏离量的衰减，使偏离信息在疲劳状态下保留更久，自动提高忽略倾向预测的灵敏度。这一调制机制将操作员的生理状态与预测参数相关联，有助于在不同警觉水平下保持对忽略风险的有效监测。