Айтрекинг

Айтрекинг (англ. eye tracking)- это технология отслеживания движений и положения глаз. Она позволяет оценивать и фиксировать направление взгляда и регистрировать реакцию человека на раздражители (например, смену положения глаз в ответ на звуковой сигнал).

Для лучшего понимания работы систем отслеживания кратко рассмотрим физиологию взгляда: на сетчатке глаза имеется центральная ямка (или желтое пятно) – область наибольшей остроты зрения при дневном освещении. Человек придает глазу такое положение, при котором пучок света, проходящий из окружающей среды в глаз через зрачок (зрительная ось), фокусируется в области данной ямки.

Айтрекинг-системы могут использовать методики расчета зрительной оси (например, геометрическое 3D моделирование) для того, чтобы определить точку взгляда человека.¹

Исследователи могут использовать технологию отслеживания взгляда, чтобы получить ценную информацию о человеческом поведении, физиологии, психологии, восприятии и визуальном внимании. 

Прикладное значение айтрекинга

Сфера применения систем отслеживания взгляда крайне широка:²

• Использование в научных исследованиях и экспериментах, например, по психологии человеческого поведения, по изучению зрительно-моторной координации;
• В медицине для офтальмологических, нейрофизиологических исследований; айтрекеры в аппаратуре для микрохирургии глаза и в др. медицинской технике;³
• Айтрекинг в маркетинговых исследованиях, например, при анализе рынка, тестировании приложений для смартфонов;
• Отслеживание взгляда используется в устройствах модуляции речи для людей с нарушением речевой функции;
• Возможно применение айтрекинга в исследованиях безопасности для человека техники и/или производственной среды, например, оценка уровня обзора у водителя транспортного средства;
• Применение в индустрии развлечений / в устройствах бытовой и пр.техники: айтрекеры используются в игровых ноутбуках, очках виртуальной и дополненной реальности, интегрированы в приборные панели автомобилей и пр.

Методы айтрекинга

Традиционные методы

1. Прямое наблюдение – исследователь сидит напротив испытуемого и самостоятельно отслеживает движения его глаз;
2. Электромагнитная склеральная катушка – метод основан на регистрации небольших электрических токов, индуцированных магнитным полем, в катушке из очень узкого провода, заключенной в гибкое пластиковое кольцо в форме “пончика”, которое помещается на глаз;⁴
3. Двойная система визуализации Пуркинье – метод основан на улавливании отраженного инфракрасного света, который проецируется на глаз, с помощью сложной комбинации линз и светоуправляемых зеркал непрерывно определяется местоположения первого и четвертого изображений Пуркинье. 

Данные методы используются  для сверхвысококачественных нейрофизиологических, зрительных и офтальмологических исследований, поскольку они обладают чрезвычайно высокой точностью, однако для масштабных исследований данные технологии не применимы, из-за сложности их применения и высоко уровня дискомфорта пациента во время исследования. 

Отслеживание глаз на основе видео

1. 

   Система “темного зрачка” – метод, при котором ИК-излучение располагается дальше от объектива камеры, в результате зрачок становится черным и система обработки изображений будет отслеживать самые темные и круглые объекты в поле зрения.

2. Система “светлого зрачка” – метод, при котором ИК-излучение располагается однонаправленно с объективом камеры, тем самым создавая эффект яркого зрачка, подобно эффекту “красных глаз”, система обработки изображений будет отслеживать этот яркий зрачок.

Использование инфракрасного излучения практически незаметно для участника, а артефакты от других  источников света можно легко отфильтровать по длине волны. Метод отслеживание глаз на основе видео на сегодняшний день является самым перспективным, так как позволяет отслеживать положение глаза с высокой точностью и не вызывает дискомфорт при исследовании у испытуемого. 

Айтрекинг-системы на основе веб-камер

Данные метод основан на отслеживании положения глаза посредством обычной веб-камеры. Данный метод не требует специального оборудования, однако его существенным недостатком является плохая точность низкое качество данных. 

Методы настройки, калибровки и проверки

Большинство современных систем слежения за глазами требуют относительно небольшой настройки. Средства для обнаружения зрачка и CR и удаления артефактов теперь автоматизированы и постоянно регулируются. Системы айтрекинга достаточно хорошо адаптируются к разному цвету, размеру, форме и межзрачковому расстоянию глаз.

Участник должен находиться перед камерой (или, в случае очков с отслеживанием взгляда, устройств AR (дополненная реальность)/ VR (виртуальная реальность) или повязки на голову, камера должна быть помещена на участника). Эксперимент должен быть спроектирован таким образом, чтобы участник оставался в поле зрения камеры на протяжении всего теста и чтобы исключались источники трудностей с отслеживанием (см. Ограничения методологии)

Системы слежения за глазами требуют калибровки, которая представляет собой метод алгоритмического связывания физического положения глаза с точкой в ​​пространстве, на которую смотрит участник. Это связано с тем, что существуют некоторые различия в размере глаз, положении центральной ямки сетчатки и общей физиологии, которые необходимо учитывать для каждого человека. В некоторой степени положение взгляда зависит от восприятия участника. Калибровка обычно предполагает, что участник смотрит на фиксированные известные точки в поле зрения. Они могут отображаться на экране компьютера для экранной системы слежения за глазами или отображаться в физическом мире для очков слежения за глазами.

Калибровка может осуществляться по одной центрированной цели, но чаще всего это 5, 9 или даже 13 точек. Алгоритм осуществляет математическое преобразование между положением глаза (минус CR) и положением взгляда для каждой цели, а затем создает матрицу для покрытия всей области калибровки. Чем больше используется целей, тем выше и равномернее будет точность по всему полю зрения. Область калибровки определяет наиболее точную часть диапазона системы слежения за глазами, при этом точность падает, если глаз перемещается под углом, большим, чем используемые точки.

Некоторые очень продвинутые системы могут выполнять самокалибровку, создавая сложные модели глаза и пассивно измеряя характеристики у каждого человека. Калибровку также можно выполнять без активного сотрудничества со стороны участника, делая предположения о положении взгляда на основе содержания изображения, эффективно «скрывая» калибровочные цели в другой визуальной информации. 

Некоторые устройства не нуждаются в калибровке, если полезные данные можно получить из исходного положения зрачка (например, медицинское оборудование для определения вестибулярно-окулярного рефлекса, системы контроля усталости и т. д.).

Ограничения методологии

• Обструкция зрачка: одна из основных проблем заключается в том, что система слежения за глазами, основанная на видео, как правило,  должна иметь беспрепятственный обзор зрачка. Веки и ресницы могут закрывать обзор зрачка для камеры слежения за глазами. 
• Макияж глаз: это гораздо меньшая проблема, но макияж (подводка для глаз и тушь) иногда может поглощать ИК-свет и становиться похожим на зрачок для системы отслеживания. Некоторые исследователи настаивают на удалении макияжа с глаз перед экспериментами по айтрекингу.
• Линзы: любые очки будут искажать обзор камеры и уменьшать часть отраженного ИК-излучения. Большинство современных систем слежения за глазами могут работать с обычными очками, но бифокальных очков (бифокальная линза имеет две оптические зоны: большая – для дали и сегмент для чтения) стараются избегать. Контактные линзы обычно не вызывают проблем с точностью, хотя в высокотехнологичных экспериментах по отслеживанию глаз (например, в исследованиях чтения) их следует избегать, потому что линзы “плавают”, искажая положение зрачка и CR во время быстрых движений глаз.
• Сотрудничество: большинство систем отслеживания взгляда требуют калибровки, и для этого процесса необходимо сотрудничество со стороны участника. Участники исследования, которые не будут смотреть по команде на калибровочную цель (младенцы, приматы и т. д.), должны быть обучены (или привлечены) смотреть на них. Проведение данных исследований у людей с частичной слепотой или глазодвигательными нарушениями также обычно является затруднительным  в случае, когда требуется пристальный взгляд.

• 

  Солнечный свет: современные системы слежения за глазами очень хороши в фильтрации и настройке для искусственного освещения, но солнечный свет имеет широкий ИК-компонент, который может затемнять зрачок и ослеплять камеру слежения за глазами. Лишь несколько имеющихся в продаже систем способны справляться с солнечным светом, но, как правило, они все равно требуют некоторого затемнения глаз. Если исследование проводится в среде, где неизбежен солнечный свет, лучше расположить участника так, чтобы солнце было позади него и не отражалось в глазах. В настоящее время отслеживание взгляда на открытом воздухе доступно на устройствах связи Tobii Dynavox I-13 и I-16.⁵

Оборудование для айтрекинга

В основном оборудование для айтрекинга использует схожие методы отслеживания взгляда, однако есть ряд возможных отличий между данными устройствами:

1. Интерфейс: наиболее очевидное различие между устройствами отслеживания взгляда заключается в том, как они взаимодействуют с пользователем и окружающей средой. Некоторые системы требуют стабилизации головы с помощью опоры для подбородка или прикуса. Остальные приспособления встроены в повязку на голову или очки и носятся участником. Самый распространенный тип устройств вообще не касается человека и отслеживает взгляд на расстоянии.Существуют и более инвазивные методы отслеживания взгляда (например, системы склеральных поисковых катушек) 
2. Область слежения: большинство устройств слежения за глазами используют экран компьютера в качестве области слежения и не фиксируют движения глаз за его пределами. Некоторые системы способны отслеживать взгляд на более сложные геометрические объекты (например, кабину пилота или многоэкранную область), а некоторые предназначены для отслеживания в условиях “реального мира”, т.е. практически всего, на что смотрит участник.
3. Технические характеристики: оборудование может отличаться по своим техническим характеристикам: пространственное разрешение, точность, частота дискретизации и пр.

Типы айтрекинг-устройств

Большинство современных систем  айтрекинга можно поделить на четыре категории: стабилизирующие голову, удаленные, мобильные (устанавливаемые на голову) и встроенные (интегрированные). 

Отслеживание глаз со стабилизацией головы. 

Данный системы айтрекинга, как правило представляют собой высокоточные исследовательские системы, которые применяются в нейрофизиологии или при исследовании зрения, где комфорт участников вторичен по отношению к точности. Данные системы фиксируют голову участника с помощью опоры для подбородка или посредством прикусной планки. Как правило, такие исследования позволяют достигать уровня точности, который невозможен при других типах айтрекинга, они имеют высокое временное разрешение, что дает более быстрый анализ движения глаз.

Удаленное отслеживание глаз

Данные системы айтрекинга способны отслеживать взгляд человека, на ограниченной рабочей поверхности, которая может представлять собой монитор компьютера. Такой тип является бесконтактным для человек, камера, которая может быть установлена на монитор компьютера, автоматически будет подстраиваться под изменение положения головы человека. Система  позволяет отслеживать естественное положение взгляда человека, а также является единственно возможной технологией отслеживания взгляда для младенцев  или пациентов, который не могут использовать дополнительное оборудование крепящиеся к голове.

Мобильное отслеживание глаз

Данные системы айтрекинга представляют собой устройство, которое позволяет отслеживать взгляд человека в реальном времени и включают в себя почти все поле зрения человека. Как правило такое устройство выглядит как очки, дополнительно оборудованные рядом камер, часть которых располагается на пути обзора и фиксирует положение глаза и сетчатки, в то время как другие камеры записывают поле зрения человека.  Такие системы айтрекинга хорошо подходят для исследования в области спорта, вождения, навигации, социальной коммуникации, зрительно-моторной координации, тестирования мобильных устройств и т.д.

Интегрированные или встроенные системы

Данные системы айтрекинга представляют собой устройства интегрированные в другие технологии. Например прицельные приспособления в системах хирургии глаза, системы автофокусировки фотоаппарата, основанные на положении взгляда в видоискателе и т.д. На сегодняшний день самой масштабной интеграцией являются технологии AR (AR-дополненная реальность) и VR (VR – виртуальная реальность). В VR айтрекинг позволяет снижать нагрузку на вычислительные приборы путем отслеживания положения глаза и проекции туда более четкой картинки, в то время как периферическое изображение не нуждается в высоком разрешении картинки. 

Заключение

Технология айтрекинга в последние десятилетия совершила огромный шаг вперед, что позволило значительно упростить и сделать удобной его проведение. Это привело к расширению сферы применения отслеживания глаз: от (в основном) медицинских исследований в области нейрофизиологии и офтальмологии, как это было ранее, к более разнообразному применению как в медицине, так и далеко за ее пределами – анализ поведения и психологии, исследования рынка, развлекательная индустрия, возможность управления техникой путем отслеживания глаз, что позволяет общаться людям с нарушениями двигательной функции, и многое другое. Это перспективное направление в развитии современной техники, чья область применения и уровень развития, вероятно, в будущем будут только расти.

1. Фазылзянова Гузалия Ильгизовна, Балалов Виталий Викторович. Айтрекинг: когнитивные технологии в визуальной культуре // Вестник российских университетов. Математика. 2014. №2.
2. Mark A. Mento. Different Kinds of Eye Tracking Devices. June 12, 2020/ Bitbrain
3. Mark A. Mento. This Is How Eye Tracking Technology Works. May 5, 2020/ Bitbrain
4. Paul J Murphy, Anne L Duncan, Alastair J Glennie, Paul C Knox, The effect of scleral search coil lens wear on the eye, British Journal of Ophthalmology, 2001
5. Tobii Dynavox Brings the Power of Assistive Eye Tracking Technology Outdoors / JUN 15, 2020