【《眼动追踪技术实现原理分析》2000字】

PAGEI眼动追踪技术实现原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u7384眼动追踪技术实现原理分析 183051.1人眼的结构与眼动的基本特征 1251751.2视觉测量技术原理 2149791.3瞳孔角膜反射法眼动追踪技术原理 31.1人眼的结构与眼动的基本特征人眼的生理构造是研究眼动追踪的基本知识，人眼的生理结构和成像原理如图2-1所示。图2-1人眼基本结构和视觉成像示意图角膜是位于眼球最前面的圆形透明膜，眨眼会使泪液湿润角膜保持角膜的清澈透明，使光线能不受阻挡的直接进入眼内。瞳孔会随着光线的强弱而自动调节大小，保护眼睛不会因强光照射而受伤。晶状体有屈光作用，它通过睫状肌的缩放来改变厚度，从而调节焦距使成像清晰。眼睛的最后方是视网膜，视网膜上的感光细胞在受到光的刺激后，经过一系列的物理化学变化将光刺激转变成了神经冲动，再经过神经纤维的传导，最后到达大脑皮层的视觉中枢从而产生视觉。眼动追踪是对人眼的行为动作进行跟踪，主要有以下四种特征：。1.凝视。也称为注视，主要是指视线在某一个物体上的停留时间超过100毫秒以上。视线停留并不代表眼睛会处于静止状态，仍会存在一些微小的动作，例如自颤、慢漂移等。2.眼跳。眼跳是指从一个注视点快速跳到另一个注视点。这种跳跃的速度非常快，最高可达到1000°/s，由于跳跃速度过快，图像在视网膜的停留时间过短，一般不会产生视觉图像。3.平滑跟踪。当人们观察运动物体时，为了确保感兴趣位置在视线中心，眼睛就会产生跟踪行为。平滑跟踪是一种缓慢的眼动行为，一般速度小于30°/s，一旦超过这个速度平滑跟踪就变为了眼跳。4.眨眼。据统计平均5s左右人就要眨眼一次，完成一次眨眼需要0.2s到0.4s左右。眨眼是为了使视网膜和眼肌能得到短暂的休息，如果受到外部刺激，眨眼是一种不自主的保护性行为。1.2视觉测量技术原理基于视频眼动追踪的核心是使用一个或多个相机拍摄一系列的眼睛图像。相机成像的原理与人眼相似，在相机成像的数学模型中主要涉及4个坐标系的转化，图2-2展示了相机中常用的坐标系，其中：ow为世界坐标系，oc为相机坐标系，o为图像坐标系，1．像素坐标系：表示图像在算法处理时图像所在的二维坐标系。在计算机中图像会被保存为M×N的数组形式，其中每一个元素被称为像素，每一个元素值的大小代表该像素位置的亮度。2．图像坐标系：由于像素坐标系不具备物理意义，所以建立了有实际物理单位的图像坐标系，其单位为毫米(mm)，它表示相机坐标系中的三维坐标点投影到相机感光器件上形成的二维坐标点，由相机的成像平面所决定。3．相机坐标系：表示真实世界中的点相对于相机的位置关系。相机坐标系由相机的位置决定，其坐标原点oc为相机的光心，z4．世界坐标系：表示物体在真实三维世界中的位置，通常以所研究对象物体的中心为原点。图2-2相机系统中常见的坐标系示意图通过这四个坐标系的转化，再对由生产工艺等问题产生的畸变进行矫正，可以得到人眼与相机之间的坐标映射关系。而在眼动仪使用前，首先会对眼动仪进行校准，这时候就会得到相机与屏幕之间的坐标映射关系，经过以上两个坐标映射的转化，最终眼动仪输出的就是视线在屏幕上的落点坐标。本文所使用的Tobii眼动仪采用两个摄像头来采集用户在近红外光照射下角膜和瞳孔的反射图像。两个摄像机可以形成双目立体视觉测量，这种测量技术一般使用两个摄像头在不同的位置拍摄两幅图像，然后根据视差原理计算物体的三维坐标。使用双目立体视觉测量技术可以精确的获得眼睛的三维坐标，有助于建立用户眼睛的三维模型，使眼动追踪更加精确，并且能捕获用户细微的眼跳等眼动特征，其双摄像头还能对双眼明瞳和暗瞳进行追踪，可以使该眼动仪适用于更广泛的被试群体。1.3瞳孔角膜反射法眼动追踪技术原理由于技术的限制，早期人们主要使用观察法、机械记录等这些简单直观的方法来研究眼动，但这些方法会干扰受试者的视觉并且存在着一定的风险。后来伴随着图像技术的发展和高性能摄像头的出现，发展出了基于视频的眼动追踪技术，例如角膜反射法、瞳孔角膜反射跟踪法、巩膜-虹膜边缘法和双普尔钦图像法等非干扰式的技术ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>武媛媛</Author><Year>2009</Year><RecNum>150</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[38]</style></DisplayText><record><rec-number>150</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="etxvzvf9zfrvdzeeev5vr2tfw2pss2zpfze0"timestamp="1602470196">150</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>武媛媛</author></authors><tertiary-authors><author>王军宁,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>眼动跟踪技术研究</title></titles><keywords><keyword>眼动跟踪</keyword><keyword>特征点探测</keyword><keyword>注视点标定</keyword><keyword>最小二乘法</keyword></keywords><dates><year>2009</year></dates><publisher>西安电子科技大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls><related-urls><url>/details/detail.do?_type=degree&id=Y1485986</url></related-urls></urls><remote-database-provider>北京万方数据股份有限公司</remote-database-provider><language>chi</language></record></Cite></EndNote>[38]，其中瞳孔角膜反射技术是目前应用最广泛的眼动追踪技术。由于角膜不是平的，其表面是凸出的，因此眼球在运动的时候角膜也随之发生变化，当有固定的光源照射眼睛时，角膜对光的反射角度也是变化的。因为角膜对红外光的反射能力强，并且人肉眼无法看到近红外光，不会对视觉造成干扰，所以角膜反射法的光源一般选择近红外光。如图2-4所示，在红外光源照射下，摄像头拍摄的眼睛图像中会出现清晰的瞳孔和明亮的光斑，根据瞳孔和虹膜颜色的差异，通过二值化等图像处理技术可以检测出瞳孔的轮廓。图像中的光