視線跟蹤技術(shù)及其應(yīng)用

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1、·48·人類工效學2009年3月第15卷第1期文章編號:100628309(2009)0320048205·綜述·視線跟蹤技術(shù)及其應(yīng)用123卞鋒,江漫清,張紅(1.同濟大學汽車學院,上海201804;2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海201201;3.中國農(nóng)業(yè)大學工學院,北京100083)摘要:本文介紹了研究、應(yīng)用視線跟蹤技術(shù)的必要性,回顧了視線跟蹤技術(shù)的研究歷程,概述了主要的視線跟蹤技術(shù)及其原理,比較了各種視線跟蹤技術(shù)的優(yōu)缺點。重點探討了當前常用的基于視頻的瞳孔-角膜高光向量法的原理和技術(shù),并介紹

2、了視線跟蹤技術(shù)的研究方向和發(fā)展趨勢。最后對視線跟蹤技術(shù)在人機交互、智能機器等領(lǐng)域的應(yīng)用前景進行了介紹和展望。關(guān)鍵詞:視線跟蹤;眼睛跟蹤;視線交互中圖分類號:TP391.41文獻標識碼:A1引言常使用后一種測量方法。最廣泛使用的測量關(guān)隨著對人機交互技術(shù)研究的不斷深入,多通注點是基于瞳孔-角膜反射向量的視線跟蹤方道的交互備受關(guān)注,人機界面更強調(diào)"以人為中法。心"的原則,使用戶能運用各種感覺通道以最自2.1常見的眼睛運動測量方法然的方式和計算機交互。目前存在四大類的眼睛運動測量方法:眼電現(xiàn)有的人機交互輸入

3、絕大多數(shù)通過鼠標、鍵圖法,鞏膜接觸鏡/搜尋線圈,POG法或VOG法盤等實現(xiàn),這些輸入需要視覺或聽覺接收輸出信和基于視頻的結(jié)合角膜反射。息相配合。此外,語音識別輸入技術(shù)在逐漸成2.1.1眼電圖法熟;而對身體姿勢的理解、觸覺的輸入輸出等技眼電圖法(圖1)出現(xiàn)在70年代,曾被廣泛應(yīng)術(shù)在智能虛擬現(xiàn)實環(huán)境中得到了較多的研究。用,它使用電極測量眼窩附近皮膚的電壓差來實常見的上下文信息還隱藏于我們的視線中,現(xiàn)對眼睛運動的測量。人的眼球存在著電壓差,視線反應(yīng)了我們感興趣的對象、目的和需求,具角膜表現(xiàn)為正極,眼底為負

4、極,一般為1毫伏到有輸入輸出雙向性特點。視線檢測使得抽取對數(shù)毫伏。在眼睛附近皮膚貼上電極,當眼睛運動人機交互有用的信息成為可能,從而實現(xiàn)自然時,電極會產(chǎn)生不同信號,大約可以識別出3度[1]的、直覺的和有效的交互,因此,對視線跟蹤技術(shù)的眼球水平轉(zhuǎn)動和5度的眼球豎直轉(zhuǎn)動。及其在人機交互中應(yīng)用的研究具有特殊的價值。眼電圖法會產(chǎn)生不適的感覺,不適合長期使目前,視線跟蹤技術(shù)和對視線所蘊含信息的理解用和用于人機交互。另外,儀器制造材料要求較還處在實驗研究階段。高且需要穩(wěn)定的照明條件和調(diào)節(jié)標定程序,而使2視線跟蹤

5、技術(shù)概述用者的變化也可能造成信號的不穩(wěn)定,比如,皮視線跟蹤器是用于測量眼睛運動的裝置。膚電阻會因為皮角質(zhì)的不斷分泌而改變。一般而言,存在兩種類型的眼睛運動跟蹤技術(shù):2.1.2鞏膜接觸鏡/搜尋線圈法第一種方法測量相對于頭部的眼睛位置,第二種鞏膜接觸鏡/搜尋線圈法是最精確的眼睛運是測量空間中眼睛關(guān)注點[1]。人機交互系統(tǒng)主動測量方法之一,它將一個機械的或者光學的元要關(guān)注的是交互場景中用戶所關(guān)注的對象,這通件連接到直接佩戴到眼睛的接觸鏡上。早期的作者簡介:卞鋒(1978-),男,上海人,博士研究生,研究方

6、向:車輛現(xiàn)代設(shè)計理論與方法、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、汽車人機工程學,(電話)021-63085705(電子信箱)cnbf@163.com。人類工效學2009年3月第15卷第1期·49·光源的角膜反射等。2.1.3.1角膜-鞏膜異色邊緣反射法角膜-鞏膜異色邊緣反射法利用紅外線光在角膜-鞏膜邊緣反射的差異來測量眼睛運動狀況。該方法以數(shù)個紅外線LED以固定的角度照射在虹膜周圍,經(jīng)虹膜和鞏膜反射的紅外光被對應(yīng)的紅外光敏管接受;由于深色虹膜的反射能力差,大部分光線被吸收,而白色鞏膜部分的紅外線幾乎被完全反射;眼睛轉(zhuǎn)動的

7、時候,光敏管圖1眼電圖方法接收到的紅外線會隨之變化,利用這些變化的紅[2]記錄儀將熟石膏圈附加到角膜上,通過機械鉸外線信號,可以檢測眼球的運動。鏈連接到紀錄筆上。隨著技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代的接2.1.3.2角膜反射法觸鏡通常附有安裝桿。接觸鏡的尺寸需要足夠角膜能反射落在它上面的光,當眼球運動大,將角膜和鞏膜同時覆蓋,以免鏡頭滑動。常時,光以變化的角度射到角膜,得到不同方向上用的附加裝置有:反射鏡、搜尋線圈等。的反光。角膜表面形成的虛像因眼球旋轉(zhuǎn)而移動,實時檢測出圖像的位置,經(jīng)信號處理可得到眼動信號。2.1

8、.3.3雙普金野象法普金野圖像是由眼睛的若干光學界面反射所形成的圖像。角膜前表面、晶狀體后表面所反圖2接觸鏡和磁場框架射的圖像是第一和第四普金野圖像。雙普金野其原理是通過測量由于眼睛的轉(zhuǎn)動而決定方法使用紅外光照射形成的第一和第四普金爾的附加裝置的方位來確定眼睛的方位。使用反野反射,測量這兩個反射的相對位置并分析圖像射鏡可以將固定光束反射到不同方向,從而獲得數(shù)據(jù),可以計算眼睛在相對于頭部的朝向。Gen2[3]眼睛的運動狀態(tài)。使用搜尋線圈時在眼睛周圍eration-V眼睛