·1608 工程科学学报.第42卷，第12期 孔直径数据作为研究对象，因此平滑窗口宽度设置 Odp.i p-dp×100% (4) 为60s,数据降噪结果（部分展示）如图3所示 dop 式中：6dp为i时刻瞳孔直径变化率，%；dn为实验 Before smoothing -After smoothing 开始一段时间的瞳孔平均直径，mm,本实验取实 验开始2~5min平均瞳孔直径；dp为i时刻平均 瞳孔直径，mm.瞳孔直径变化率统计结果如图5 (a 00 oiuie -8 -12 2000 4000 6000 Time/s (b) 图3瞳孔直径去噪后处理 Fig.3 Post-processing of pupil diameter denoising 2.2瞳孔直径随照度变化 51015202530354045505560 瞳孔直径的变化与光照度具有很强的相关 Time/min 性，为探究在不同照度条件下瞳孔半径的变化规 图5不同照度下瞳孔直径随作业时间变化 律，将瞳孔直径随不同照度的变化进行统计.田 Fig.5 Changes in pupil diameter with operating time under different illuminances 会娟等研究表明，不同性别之间的标准化瞳 孔直径具有相同的变化趋势，因此将男女瞳孔直 3讨论 径取平均值.瞳孔直径与照度之间的关系如图4 3.1光照对瞳孔影响分析 可明显看到，随着照度的增强，瞳孔直径呈减小 瞳孔直径的扩张变化是通过虹膜扩张器肌 趋势 肉，由交感神经系统支配0，德国慕尼黑大学 6.5 Pfleging等B认为，瞳孔直径也受认知任务的影 6.0 8 Pupil diameter 响，当认知任务增大时，瞳孔直径变大，其变化范 Pupil 围大致在0.1~0.5mm之间，但其导致的变化远远 000p0 小于由于光照导致的变化.华盛顿大学的Binda 等四在研究不同注视内容和不同光照时发现，照 度对瞳孔直径的大小的影响远大于注视的内容， 3.5 照度对瞳孔变化的影响是图片特征对瞳孔变化影 3.0 响的3倍左右，因此本实验控制打字内容为文字， -1000100200300400500600700 所以，实验内容引起的差异远远小于33%.因此， Illuminance/lx 为探究在不同照度条件下瞳孔半径的变化规律， 图4瞳孔直径随照度变化 可以忽视认知（本研究中即为不同打字内容带来 Fig.4 Changes in pupil diameter with illuminance 的差异)的影响因素，单独研究瞳孔随照度变化关 2.3瞳孔直径随作业时间变化 系.Iskander等29在研究3D头盔景深与瞳孔关系 Iskander等29利用瞳孔相对变化率来衡量瞳 变化时，分别用指数函数，直线，二次函数，三次函 孔的变化，如式(4).该方法减少了由于个体差异 数进行拟合，发现指数函数的拟合度最好，因此， 带来的影响，因此本研究在数据处理工程中选用 在此基础上结合数据特征，本研究增加第4种拟 瞳孔直径变化率来评判瞳孔直径变化.工作前几 合方式，即幂函数拟合，拟合曲线和结果如图6和 分钟可以认定为作业人员还未发生视觉疲劳，因 表2. 此选择前5min的瞳孔尺寸.同时，又考虑到因环 从图6和表2可以看出，随着照度增大，瞳孔 境适应过程带来的干扰，别除了前2min的数据， 直径总体呈减小趋势，4种函数拟合结果表明，幂 本研究将第2~5min的瞳孔直径取平均值. 函数拟合效果最好，调整系数R2达到0.9856.该拟孔直径数据作为研究对象，因此平滑窗口宽度设置 为 60 s，数据降噪结果（部分展示）如图 3 所示. 2.2    瞳孔直径随照度变化 瞳孔直径的变化与光照度具有很强的相关 性，为探究在不同照度条件下瞳孔半径的变化规 律，将瞳孔直径随不同照度的变化进行统计. 田 会娟等研究表明[18] ，不同性别之间的标准化瞳 孔直径具有相同的变化趋势，因此将男女瞳孔直 径取平均值. 瞳孔直径与照度之间的关系如图 4. 可明显看到，随着照度的增强，瞳孔直径呈减小 趋势. 2.3    瞳孔直径随作业时间变化 Iskander 等[29] 利用瞳孔相对变化率来衡量瞳 孔的变化，如式（4）. 该方法减少了由于个体差异 带来的影响，因此本研究在数据处理工程中选用 瞳孔直径变化率来评判瞳孔直径变化. 工作前几 分钟可以认定为作业人员还未发生视觉疲劳，因 此选择前 5 min 的瞳孔尺寸. 同时，又考虑到因环 境适应过程带来的干扰，剔除了前 2 min 的数据， 本研究将第 2～5 min 的瞳孔直径取平均值. δdp,i = d¯ p,i −d¯ b,p d¯ b,p ×100% （4） δdp,i d¯ b,p d¯ p,i 式中： 为 i 时刻瞳孔直径变化率，%； 为实验 开始一段时间的瞳孔平均直径，mm，本实验取实 验开始 2～5 min 平均瞳孔直径； 为 i 时刻平均 瞳孔直径，mm. 瞳孔直径变化率统计结果如图 5. 3    讨论 3.1    光照对瞳孔影响分析 瞳孔直径的扩张变化是通过虹膜扩张器肌 肉 ，由交感神经系统支配 [30] . 德国慕尼黑大 学 Pfleging 等[31] 认为，瞳孔直径也受认知任务的影 响，当认知任务增大时，瞳孔直径变大，其变化范 围大致在 0.1～0.5 mm 之间，但其导致的变化远远 小于由于光照导致的变化. 华盛顿大学的 Binda 等[32] 在研究不同注视内容和不同光照时发现，照 度对瞳孔直径的大小的影响远大于注视的内容， 照度对瞳孔变化的影响是图片特征对瞳孔变化影 响的 3 倍左右. 因此本实验控制打字内容为文字， 所以，实验内容引起的差异远远小于 33%. 因此， 为探究在不同照度条件下瞳孔半径的变化规律， 可以忽视认知（本研究中即为不同打字内容带来 的差异）的影响因素，单独研究瞳孔随照度变化关 系. Iskander 等[29] 在研究 3D 头盔景深与瞳孔关系 变化时，分别用指数函数，直线，二次函数，三次函 数进行拟合，发现指数函数的拟合度最好，因此， 在此基础上结合数据特征，本研究增加第 4 种拟 合方式，即幂函数拟合，拟合曲线和结果如图 6 和 表 2. 从图 6 和表 2 可以看出，随着照度增大，瞳孔 直径总体呈减小趋势，4 种函数拟合结果表明，幂 函数拟合效果最好，调整系数 R 2 达到 0.9856. 该拟 2000 4000 6000 1 2 3 4 5 6 7 8 Pupil diameter/mm Time/s Before smoothing After smoothing 图 3    瞳孔直径去噪后处理 Fig.3    Post-processing of pupil diameter denoising −100 0 100 200 300 400 500 600 700 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 Pupil diameter/mm Illuminance/lx Pupil diameter Pupil 图 4    瞳孔直径随照度变化 Fig.4    Changes in pupil diameter with illuminance −12 −8 −4 0 4 8 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 −12 −8 −4 0 4 8 300 lx 400 lx 550 lx 700 lx Pupil diameter change rate/ % Time/min 50 lx 100 lx 200 lx 300 lx (a) (b) 图 5    不同照度下瞳孔直径随作业时间变化 Fig.5     Changes  in  pupil  diameter  with  operating  time  under  different illuminances · 1608 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期