视线跟踪技术及其应用VIP免费

文章编号:100628309(2009)0320048205·综述·作者简介:卞锋(1978-),男,上海人,博士研究生,研究方向:车辆现代设计理论与方法、虚拟现实技术、汽车人机工程学,(电话)021-63085705(电子信箱)cnbf@163.com。视线跟踪技术及其应用卞锋1,江漫清2,张红3(1.同济大学汽车学院,上海201804;2.泛亚汽车技术中心有限公司,上海201201;3.中国农业大学工学院,北京100083)摘要:本文介绍了研究、应用视线跟踪技术的必要性,回顾了视线跟踪技术的研究历程,概述了主要的视线跟踪技术及其原理,比较了各种视线跟踪技术的优缺点。重点探讨了当前常用的基于视频的瞳孔-角膜高光向量法的原理和技术,并介绍了视线跟踪技术的研究方向和发展趋势。最后对视线跟踪技术在人机交互、智能机器等领域的应用前景进行了介绍和展望。关键词:视线跟踪;眼睛跟踪;视线交互中图分类号:TP391.41文献标识码:A1引言随着对人机交互技术研究的不断深入,多通道的交互备受关注,人机界面更强调"以人为中心"的原则,使用户能运用各种感觉通道以最自然的方式和计算机交互。现有的人机交互输入绝大多数通过鼠标、键盘等实现,这些输入需要视觉或听觉接收输出信息相配合。此外,语音识别输入技术在逐渐成熟;而对身体姿势的理解、触觉的输入输出等技术在智能虚拟现实环境中得到了较多的研究。常见的上下文信息还隐藏于我们的视线中,视线反应了我们感兴趣的对象、目的和需求,具有输入输出双向性特点。视线检测使得抽取对人机交互有用的信息成为可能,从而实现自然的、直觉的和有效的交互,因此,对视线跟踪技术及其在人机交互中应用的研究具有特殊的价值。目前,视线跟踪技术和对视线所蕴含信息的理解还处在实验研究阶段。2视线跟踪技术概述视线跟踪器是用于测量眼睛运动的装置。一般而言,存在两种类型的眼睛运动跟踪技术:第一种方法测量相对于头部的眼睛位置,第二种是测量空间中眼睛关注点[1]。人机交互系统主要关注的是交互场景中用户所关注的对象,这通常使用后一种测量方法。最广泛使用的测量关注点是基于瞳孔-角膜反射向量的视线跟踪方法。2.1常见的眼睛运动测量方法目前存在四大类的眼睛运动测量方法:眼电图法,巩膜接触镜/搜寻线圈,POG法或VOG法和基于视频的结合角膜反射。2.1.1眼电图法眼电图法(图1)出现在70年代,曾被广泛应用,它使用电极测量眼窝附近皮肤的电压差来实现对眼睛运动的测量。人的眼球存在着电压差,角膜表现为正极,眼底为负极,一般为1毫伏到数毫伏。在眼睛附近皮肤贴上电极,当眼睛运动时,电极会产生不同信号,大约可以识别出3度的眼球水平转动和5度的眼球竖直转动[1]。眼电图法会产生不适的感觉,不适合长期使用和用于人机交互。另外,仪器制造材料要求较高且需要稳定的照明条件和调节标定程序,而使用者的变化也可能造成信号的不稳定,比如,皮肤电阻会因为皮角质的不断分泌而改变。2.1.2巩膜接触镜/搜寻线圈法巩膜接触镜/搜寻线圈法是最精确的眼睛运动测量方法之一,它将一个机械的或者光学的元件连接到直接佩戴到眼睛的接触镜上。早期的·84·人类工效学2009年3月第15卷第1期图1眼电图方法记录仪将熟石膏圈附加到角膜上[2],通过机械铰链连接到纪录笔上。随着技术的发展,现代的接触镜通常附有安装杆。接触镜的尺寸需要足够大,将角膜和巩膜同时覆盖,以免镜头滑动。常用的附加装置有:反射镜、搜寻线圈等。图2接触镜和磁场框架其原理是通过测量由于眼睛的转动而决定的附加装置的方位来确定眼睛的方位。使用反射镜可以将固定光束反射到不同方向,从而获得眼睛的运动状态。使用搜寻线圈时在眼睛周围加上固定的磁场,当眼睛转动时会牵动搜寻线圈,使线圈中的磁通量发生变化而产生感生电动势,而依据电压的变化可以分析眼球的运动。内置搜索线圈的接触镜和电磁场框架如图2所示。佩戴接触镜的方式如图3所示。图3安装接触镜的方法接触镜法是比较精确的眼睛运动测量方法,在5度的测量范围内可以精确到8-10分[1],但这是一个最具侵入性的方法,通常会滴入人工泪液以减轻这种不舒。接触镜的双层构造会影响使用者的视力,不适合于测量注意点。2.1.3照片图像法(POG)、视频图像法(VOG)照片、视频图像法指测量眼睛的可区分特征的一类眼睛运动测量技术,这些特...