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Method Article
アイトラッキングは、情報処理をプローブするための非侵襲的な方法です。この記事では、アイトラッキングを使用して、短時間パイロットのフライトシミュレーション緊急タスク中の視線行動を研究する方法について説明します(つまり、<350飛行時間)。
アイトラッキングは、スキルパフォーマンスの根底にある認知、知覚、感覚運動のプロセスについての洞察を得るためのプロキシとして広く使用されてきました。これまでの研究で、従来の視線測定と高度な視線測定では、パイロットの専門知識、認知負荷、疲労、さらには状況認識 (SA) にしっかりとした違いがあることがわかっています。
この研究では、ウェアラブル アイ トラッカーと、忠実度の高い飛行モーションレス シミュレーターで自然な頭と目の動き (つまり、視線) をキャプチャする視線マッピング アルゴリズムを使用する方法について説明します。この論文で概説した方法では、参加者が見ている場所に関連するより多くのコンテキストを提供する関心領域(AOI)ベースの視線分析と、参加者が固定情報をどれだけ効率的に処理しているかを示す滞在時間について説明します。このプロトコルは、予期せぬ飛行中の緊急事態に応じた視線行動の変化を評価するためのウェアラブルアイトラッカーとコンピュータービジョンアルゴリズムの有用性を示しています。
代表的な結果から、緊急事態が発生した際に視線に大きな影響が及んだことが示された。具体的には、注意配分、視線拡散、視線シーケンスの複雑さが大幅に減少し、緊急時のフロントウィンドウ外視と対気速度計に大きく集中するようになりました( すべてのp 値は0.05<)。視線行動の時空間特性と航空領域における情報処理との関係を理解するために、高忠実度の静止飛行シミュレーション環境でウェアラブルアイトラッカーを使用することの有用性と限界について説明します。
人間は主に、まず目と頭を動かして視線 (つまり、視線) を特定のオブジェクトまたは関心のある場所に向けることによって、周囲の世界と対話します。これは、パイロットが複数の競合する刺激に直面する航空機のコックピットなどの複雑な環境に特に当てはまります。視線の動きは、人間が安全かつ柔軟に環境と対話できるようにする高解像度の視覚情報の収集を可能にします1、これは航空において最も重要なことです。研究によると、眼球運動と視線行動は、さまざまなタスク1,2,3にわたる根底にある知覚、認知、および運動プロセスへの洞察を提供することが示されています。さらに、どこを見るかは、上肢の動きの計画と実行に直接影響します3。したがって、航空タスク中の視線行動分析は、客観的で非侵襲的な方法を提供し、眼球運動パターンが情報処理とパフォーマンスのさまざまな側面にどのように関連しているかを明らかにする可能性があります。
いくつかの研究では、さまざまな実験室のパラダイム、および複雑な現実世界のタスク(航空機の操作など)にわたる視線とタスクのパフォーマンスとの関連が実証されています。例えば、タスクに関連する領域は、より頻繁に、より長い合計時間で固定される傾向があり、固定位置、頻度、および滞留時間が、神経認知および航空タスクにおける注意の割り当ての代理であることが示唆されている4,5,6。非常に成功したパフォーマーと専門家は、あまり成功していないパフォーマーや初心者と比較して、タスククリティカルな領域に対して有意な固定バイアスを示しています4,7,8。視線の時空間的側面は、さまざまな関心領域(AOI)にわたる滞在時間パターンの変化や、固定分布の尺度(つまり、定常視エントロピー:SGE)を通じて捉えられます。実験室ベースのパラダイムの文脈では、平均凝視時間、スキャンパス長、および視線シーケンスの複雑さ(すなわち、視線遷移エントロピー:GTE)は、問題解決とより困難なタスクの目標/解決策を詳述するために必要なスキャンと処理の増加により増加する傾向があります4,7。
逆に、航空研究では、スキャンパスの長さと視線シーケンスの複雑さは、タスクの複雑さと認知負荷とともに減少することが示されています。この不一致は、タスクのコンポーネントと採用されているパラダイムの要求を理解することが、視線メトリックの正確な解釈にとって重要であるという事実を浮き彫りにしています。全体として、これまでの研究は、視線測定が、タスクの難易度、認知負荷、およびタスクのパフォーマンスの違いの根底にあるタスク固有の情報処理について有意義で客観的な洞察を提供することを裏付けています。アイトラッキング技術(携帯性、キャリブレーション、コスト)の進歩に伴い、「野生」での視線行動の調査は、医学9,10,11および航空12,13,14の分野における職業訓練の進歩に向けて具体的な応用が可能な新たな研究分野です。
現在の研究は、視線ベースのメトリックを使用して情報処理に関する洞察を得ることの有用性をさらに調査することを目的としています。具体的には、短時間パイロットの緊急飛行シミュレーションタスク中にウェアラブルアイトラッカーを使用します。この研究は、頭部安定化アイトラッカー(EyeLink II)を使用して、飛行困難(気象条件の変化)の関数としての視線行動指標の違いを調べた以前の研究を拡張したものです5。この原稿で提示された研究は、バーチャルリアリティシステム15でアイトラッキングを使用するための方法論的および分析的アプローチを記述した他の研究にも拡張されています。私たちの研究では、より忠実度の高いモーションレスシミュレーターを使用し、眼球運動データ(つまり、エントロピー)の追加分析を報告しています。このタイプの分析は、以前の論文で報告されています。ただし、現在の文献の限界は、分析ステップの報告における標準化の欠如です。例えば、関心領域がどのように定義されているかを報告することは、結果として得られるエントロピー値16に直接影響を与えるため、非常に重要です。
要約すると、現在の研究では、従来の動的な視線行動の指標を調査し、タスクの難易度は飛行中の緊急シナリオ(つまり、予期しない完全なエンジン故障)の導入によって操作されました。飛行中の緊急シナリオの導入により、より困難なタスク条件下での情報処理の根底にある視線行動の変化についての洞察が得られると期待されていました。ここで報告した研究は、コンピテンシーベースのパイロットトレーニングに情報を提供するためのフライトシミュレータでのアイトラッキングの有用性を調査した大規模な研究の一部です。ここで紹介した結果は、まだ公開されていません。
以下のプロトコルは、ウェアラブルアイトラッカーとフライトシミュレータを含む研究に適用することができます。現在の研究では、フライトシミュレータで複雑な航空関連のタスクとともに記録された視線追跡データが含まれています( 資料の表を参照)。このシミュレータは、セスナ 172 を代表するように構成され、必要な計器パネル (蒸気計構成)、アビオニクス/GPS システム、オーディオ/ライト パネル、ブレーカー パネル、および飛行制御ユニット (FCU) と共に使用されました ( 図 1 を参照)。この研究で使用されたフライトシミュレータデバイスは、トレーニング目的で認定可能であり、低リスク環境でエンジン故障などのさまざまな緊急シナリオに対応するために必要なスキルセットを訓練するために地元のフライトスクールによって使用されています。この研究の参加者は全員ライセンスを持っていました。そのため、彼らは以前にトレーニングの過程でエンジン故障シミュレーターのシナリオを経験しました。この研究は、ウォータールー大学の研究倫理局(43564;日付:2021年11月17日)。すべての参加者(N = 24、男性14人、女性10人、平均年齢= 22歳、飛行時間範囲:51-280時間)は、書面によるインフォームドコンセントを提供しました。
図1:フライトシミュレータの環境。 フライト シミュレータの環境の図。コックピットに対する参加者の視点は、カリフォルニア州オンタリオ州ブレスラウのウォータールー国際空港への風下から基地、最終アプローチに事前設定されたセスナ 172 を操縦するパイロットの視点を再現しました。オレンジ色のボックスは、視線分析で使用される 10 の主要な関心領域を表しています。これには、(1) 対気速度、(2) 姿勢、(3) 高度計、(4) 方向計、(5) 方位、(6) 垂直速度、(7) パワー インジケーター、(8) フロント ウィンドウ、(9) 左ウィンドウ、(10) ライト ウィンドウが含まれます。この図は、Ayala et al.5から修正されました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
1. 参加者のスクリーニングとインフォームドコンセント
2. ハードウェア/ソフトウェアの要件とスタートアップ
3. データ収集
注: 試行ごとにこれらの手順を繰り返します。ラップトップはコックピットの外側のベンチに置くことをお勧めします。
4. データ処理と分析
用語 | 定義 |
成功率 (%) | 上陸試験の成功率 |
完了時間 (秒) | 着陸シナリオの開始から飛行機が滑走路上で完全に停止するまでの時間 |
着陸硬度(fpm) | タッチダウンポイントでのまともな率 |
着陸誤差 (°) | 着陸地点における飛行機の中心と 500 フィートの滑走路マーカーの中心との差 |
表 1: シミュレーターのパフォーマンス結果変数。 航空機の性能依存変数とその定義。
図2:着陸シナリオの飛行経路。 (A) すべての試験で完了した着陸回路、および (B) 着陸ゾーンの基準点として使用された 500 フィートのマーカー (つまり、中央のオレンジ色の円) を備えた滑走路の概略図。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 3: 対象地域のマッピング。 フレーム選択のウィンドウを示すバッチ スクリプトの図。最適なフレームを選択するには、マッピングする対象領域のほとんどまたはすべてを含むビデオ フレームを選択する必要があります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:「画面内」座標をマッピングする関心領域の生成。 「画面内」座標選択のウィンドウを示すバッチスクリプトの図。この手順では、記録全体を通して表示され、画像に固有で、静的なままの正方形/長方形の領域を選択します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 5: マッピングする対象領域の特定。 対象エリアの選択とラベリングを可能にするバッチ スクリプト ウィンドウの図。略語: AOIs = 関心領域。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 6: バッチ スクリプト処理。ビデオを処理するバッチ スクリプトと、試行中に行われた凝視の視線マッピングの図。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
用語 | 定義 |
滞在時間 (%) | すべての AOI に累積されたすべての固定時間の合計に対する、1 つの AOI に累積されたすべての固定時間の合計の割合 |
平均固定時間(ms) | 入口から出口までの1つのAOIに対する固定の平均期間 |
点滅速度(点滅/秒) | 1秒あたりの点滅回数 |
SGE(ビット) | 固定分散液 |
GTE (ビット) | スキャンシーケンスの複雑さ |
試合数 | 認知トンネリングイベントの数 (>10 秒) |
合計試合時間(秒) | 認知トンネリングイベントの合計時間 |
表2:アイトラッキングの結果変数。 視線行動依存変数とその定義。
タスク要求が飛行性能に与える影響
データは、基本条件と緊急条件の両方で成功した着陸試験に基づいて分析されました。すべての測定値は、対応のあるサンプルの t検定(被験者内因子:課題条件(基本、緊急))に供されました。すべての t検定は、アルファ水準を0.05に設定して実行しました。緊急シナリオの試験中に4人の参加者が墜落し?...
ここで説明するアイトラッキング法は、ウェアラブルアイトラッカーを介して、フライトシミュレータ環境での情報処理の評価を可能にします。視線行動の空間的および時間的特性を評価することは、高度に制御された実験室パラダイム4,7,28を使用して広く研究されてきた人間の情報処理への洞?...
競合する金銭的利益は存在しません。
この研究は、カナダの自然科学工学研究評議会(NSERC)のカナダ大学院奨学金(CGS)と、New Frontiers in Research Fundの探査助成金(00753)によって部分的にサポートされています。本資料に記載されている意見、調査結果、結論、または推奨は著者のものであり、必ずしもスポンサーの意見を反映するものではありません。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
flight simulator | ALSIM | AL-250 | fixed fully immersive flight simulation training device |
laptop | Hp | Lenovo | eye tracking data collection laptop; requirements: Windows 10 and python 3.0 |
portable eye-tracker | AdHawk | MindLink eye tracking glasses (250 Hz, <2° gaze error, front-facing camera); eye tracking batch script is made available with AdHawk device purchase |
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