Окулометр

Окулометр – это прибор, отслеживающий движение глаз . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Окулометр вычисляет движение глаз, отслеживая отражение роговицы относительно центра зрачка . ^{[ 3 ]} Окулометр, который может обеспечивать непрерывные измерения в режиме реального времени, может стать исследовательским инструментом для изучения взгляда, а также когнитивных функций. Кроме того, его можно применять для управления без помощи рук. ^{[ 3 ]} Он имеет применение в летной подготовке, ^{[ 4 ]} когнитивная оценка, ^{[ 4 ]} диагностика заболеваний, ^{[ 5 ]} и лечение. ^{[ 6 ]} В основе окулометра лежит принцип, согласно которому, когда на глаз падает коллимированный луч света, направление движения глаза пропорционально положению отражения этого светового луча от роговицы относительно центра зрачка. ^{[ 3 ]} Движения глаз можно точно измерить в линейном диапазоне более 20 $^{\circ }$ с разрешением 0,1 $^{\circ }$ . ^{[ 7 ]}

История

Движение и отслеживание глаз изучались на протяжении веков, причем самое первое отслеживание глаз представляло собой простое наблюдение за глазами самим или другим человеком. ^{[ 4 ]} Первое улучшение произошло в 1738 году, когда наблюдатель мог ощупывать закрытые веки снаружи, чтобы отслеживать движение глаз. ^{[ 4 ]} Затем, в 1879 году, было реализовано изобретение, позволяющее прослушивать движения мышц с помощью кимографа . ^{[ 4 ]} Несмотря на то, что эти ранние методы являются элементарными, они на протяжении всей истории неоднократно демонстрировали необходимость отслеживать движения глаз. ^{[ 4 ]}

Первое настоящее устройство слежения за взглядом было изобретено Хьюи в 1898 году. ^{[ 4 ]} Для работы этому устройству требовалось контактировать с роговицей , что ограничивало его комфорт, удобство использования и возможность обобщения. ^{[ 4 ]}

Лишь в 20 веке появился надежный бесконтактный современный айтрекер. Это устройство, названное фотокорнографом, работало путем фотографирования движения глаз на основе отражения от роговицы. ^{[ 4 ]} Это устройство записывало только горизонтальные движения, пока работа Джадда и его коллег в 1905 году не добавила как временную, так и вертикальную запись. ^{[ 4 ]}

Благодаря многочисленным применениям устройства слежения за глазами авиаторами и пилотами, НАСА и ВВС США провели обширные исследования этой технологии, продвигая эту область вперед. ^{[ 4 ]} Большая часть этого произошла в 1970-е и 1980-е годы. ^{[ 4 ]} Однако даже несмотря на эти обширные исследования, окулометры оставались громоздкими и технически сложными. ^{[ 3 ]}

Окулометры исследовательского уровня, наконец, получили удобный для пользователя обновленный дизайн, и с недавних пор стали доступны коммерческие устройства. Эти низкопрофильные устройства можно носить ненавязчиво на очках. ^{[ 6 ]}

Преимущества

Поскольку принципы, управляющие работой окулометра, основаны на относительно простой концепции (электрооптическое распознавание глаза), это гарантирует, что окулометр будет работать всякий раз, когда пользователь видит. ^{[ 3 ]} Кроме того, положение отражения коллимированного луча от роговицы можно аппроксимировать как положение в плоскости зрачка. Это подразумевает минимальную ошибку параллакса между отражением от роговицы и центром зрачка, что делает окулометр нечувствительным к изменениям положения головы во время измерений. Эти свойства окулометра обеспечивают минимальное вмешательство в повседневную деятельность пользователя во время измерений. Это также исключает необходимость в обширном оборудовании, таком как прикусные пластины или жесткие зажимы черепа для измерений.

Оптические компоненты ^{[ 3 ]}

Источник света: источник освещения, такой как электронно-лучевая трубка или трубка модулятора свечения.
Фильтр : свет фильтруется таким образом, что свет, падающий на глаз, находится в ближнем инфракрасном диапазоне.
Поляризатор : свет от источника поляризуется, чтобы улавливать только истинные отражения роговицы.
Окуляр : пользователь смотрит через объектив в окуляре, через который проходит луч освещения, облучающий глаз.
Линзы : две коллимирующие линзы
Разделители луча : один светоделитель направляет видимый свет в глаз, другой направляет свет на детектор.
Детектор: камера с кремниевым диодом записывает измерения.

Общие принципы

Движение глаз можно оценить количественно по отражению от роговицы. Однако в этом случае движение головы также приведет к регистрации движения. ^{[ 4 ]} Этого можно избежать, жестко зафиксировав головку, чтобы предотвратить любые движения, однако это навязчиво и неудобно для пользователя и не имеет широкого применения для исследований на людях. Или весь аппарат можно закрепить на голове, что тоже громоздко и неудобно. Лучшим решением является измерение двух параметров, таких как отражение роговицы и движение зрачка (в зависимости от центра зрачка). ^{[ 8 ]}

Оптическая конструкция

Оптическая схема окулометра обеспечивает нормальное зрение, направляет свет от фиксированного внутреннего источника на глаз пользователя и формирует изображение зрачка на детекторе. ^{[ 3 ]} Базовая конструкция объектива включает фиксированный окуляр и регулируемый объектив, за которыми следуют два светоделителя. Устройство также состоит из системы поляризации для поляризации света от источника (обычно трубки модулятора свечения) в направлении H. Чтобы ослабить свет от источника за счет отражений в окуляре, на оптическом пути помещают линейный поляризатор в направлении V. Четвертьволновая пластина помещается между глазом и окуляром и поворачивает плоскость поляризации на 90 градусов, гарантируя, что V-поляризатор не ослабляет истинные отражения роговицы.

Источник света и детектор расположены соосно. Когда глаз движется, отражение от роговицы смещается от центра зрачка. ^{[ 8 ]} Это смещение измеряется

${\textstyle D=\kappa *sin\theta }$ ^{[ 8 ]}

D – перемещение, $\kappa$ расстояние от центра роговицы, $\theta$ — угол наклона оптической оси глаза к окулометру. ^{[ 8 ]}

Ближний инфракрасный свет (NIR) (длины волн примерно от 750 до 2500 нм) используется по нескольким причинам. ^{[ 8 ]} Во-первых, ближний ИК-свет менее заметен для человеческого глаза, чем другие длины волн видимого света, поэтому луч ближнего ИК-света менее навязчив или заметен для пользователя. ^{[ 8 ]} Во-вторых, при такой конфигурации зрачок подсвечивается сзади, в результате чего получается яркий диск, эффективно отличающий зрачок от остальной части глаза и лица. ^{[ 8 ]}

Обычно окулометр состоит из окуляра, через который видит пользователь. Существует альтернативная конструкция, в которой окулометр крепится на голове. Это устройство не включает в себя традиционный окуляр, и пользователь видит через прозрачный изогнутый козырек, расположенный перед его глазами.

Электронный дизайн

Традиционный окулометр работает в двух режимах: режиме сбора данных и режиме отслеживания. ^{[ 3 ]} Когда пользователь впервые смотрит в окуляр, грубое растровое сканирование фиксирует черный зрачок и яркие отражения от роговицы. ^{[ 3 ]} Затем устройство автоматически переключается в режим слежения, в котором мультиплексное сканирование с временным разделением получает непрерывные измерения направления взгляда. ^{[ 3 ]} Направление глаз на основе сканирований с временным разделением каналов вычисляется путем суперпозиции положений сканирования отражения роговицы и положений зрачков. ^{[ 3 ]} В случае неисправности устройства или потери непрерывности из-за моргания пользователем устройство переключается обратно в режим сбора данных до тех пор, пока отслеживание не будет восстановлено. ^{[ 3 ]} В последних разработках режим сбора данных был автоматизирован, чтобы гарантировать, что граница зрачка/радужки будет мгновенно фиксироваться, как только пользователь смотрит в окуляр. ^{[ 3 ]} Автоматизация также привела к автоматическому переключению в режим отслеживания после получения первоначального обнаружения или после того, как пользователь моргнул. ^{[ 3 ]}

Приложения

Пилотирование самолета

Существует множество применений окулометра в области авиации . ^{[ 4 ]} Один из них – понять, достаточны ли когнитивные способности для разрешения на полет. Кроме того, программы полета могут использовать окулометр для проектирования кабины с точки зрения приборных панелей, изучая взгляды пилотов во время полета. ^{[ 4 ]} Наконец, обучение авиаторов также выиграло от использования окулометра. ^{[ 4 ]} Понимание того, как конкретный пилот сканирует свое поле зрения во время полета, позволяет получать персонализированную обратную связь от летных тренеров. ^{[ 4 ]} Оно может предоставить инструкторам дополнительную информацию для оценки и дальнейшего обучения пилотов-обучающихся. По этой причине НАСА и Вооруженные силы США использовали окулометры в своих программах обучения, создав в конце 1900-х годов методику обучения окулометрам. ^{[ 4 ]}

НАСА

Исследовательский проект НАСА, касающийся окулометра, заключался в реализации способности человека управлять машиной с помощью глаз, что в первую очередь требует измерения движений глаз. НАСА разработало телескопический окулометр, в котором пользователь смотрит в окуляр, и, учитывая, что пользователь может видеть через окуляр, будут измеряться движения глаз. ^{[ 3 ]}

Одним из конкретных применений окулометров НАСА является зрительный контроль маневрового устройства астронавтов (АМУ). ^{[ 3 ]} Когда космонавт находится в космосе и хочет двигаться, АМУ способствует этому. Однако управление таким агрегатом – задача нетривиальная. ^{[ 3 ]} Ручное/ручное управление затруднено, поскольку имеется много осей и, следовательно, для координации трехмерного движения требуется много мышечных усилий. ^{[ 3 ]} Однако зрительный контроль было бы проще реализовать с помощью окулометра. ^{[ 3 ]}

Когнитивная оценка

Авиация требует надежных и четких когнитивных функций, а глаза являются частью центральной нервной системы, поскольку они являются продолжением мозга и связывают когнитивные функции со здоровыми функциями глаз. ^{[ 4 ]} Таким образом, окулометры могут функционировать как инструменты когнитивной оценки. ^{[ 4 ]}

Диагностика болезни Паркинсона

Аномальные движения глаз являются признанным биомаркером многочисленных двигательных заболеваний, включая болезнь Паркинсона . ^{[ 9 ]} Ожидается, что каждое двигательное заболевание будет вызывать различные характерные нарушения движений глаз. ^{[ 9 ]} Поэтому использование этих моделей движения глаз как в качестве диагностического инструмента, так и для мониторинга прогрессирования заболевания представляет научный интерес. ^{[ 9 ]} Поэтому в этой области используются окулометры для отслеживания движения глаз. ^{[ 9 ]} Перспективно использование окулометров для диагностики двигательных заболеваний, однако оно еще не апробировано в клинике. ^{[ 9 ]}

В частности, при болезни Паркинсона характерными нарушениями движений глаз являются горизонтальные саккады (быстрые, сопряженные движения глаз, которые смещают центр поля зрения). ^{[ 5 ]} У пациентов с болезнью Паркинсона наблюдалась высокая неспособность выполнять антисаккадические задачи (движение глаз в направлении, противоположном возникающему триггеру). ^{[ 5 ]} Таким образом, измерение антисаккад позволяет ученым выявлять ранние стадии болезни Паркинсона. ^{[ 5 ]} Эти исследования все еще находятся на стадии исследования. ^{[ 5 ]}

Умные очки

Для этого приложения электронная конструкция традиционного окулометра была модифицирована, чтобы заменить сложную обработку видео в реальном времени, так что окулометр может помещаться в легкие очки и иметь относительно длительное время автономной работы. ^{[ 6 ]} Умные очки используются для исправления ошибок зрения, вызванных возрастными заболеваниями, и восстановления нормального зрения. ^{[ 6 ]} В «умных» очках используются настраиваемые окуляры, в отличие от фиксированных линз, используемых в обычных очках. ^{[ 6 ]}

Эти очки работают, проецируя свет с нескольких разных направлений с помощью инфракрасных светодиодов на глазное яблоко пользователя и получая преломленный свет от дискретных инфракрасных датчиков приближения, также расположенных в нескольких разных местах. ^{[ 6 ]} Использование нескольких детекторов не только позволяет использовать окулометры в качестве легких носимых устройств, но также гарантирует, что сигналы, обнаруживаемые датчиками, не зависят от внешнего освещения. ^{[ 6 ]} Это свойство позволяет устройству работать в темноте. ^{[ 6 ]} Основным недостатком использования датчиков по сравнению с непрерывной обработкой видео является значительное снижение точности, поскольку сокращается как частота, так и количество измерений. ^{[ 6 ]}

Другие приложения

Другое потенциальное применение окулометров, которые все еще находятся в стадии разработки, включает управление воздушным движением , где операторы могут определять воздушные суда по движению глаз; ^{[ 10 ]} в лазерной связи в динамических ситуациях, когда операторы могут передавать сигналы, глядя на сигнал; в телевизионных системах для контроля направления взгляда при просмотре телевизионного изображения, чтобы сенсорные потребности глаза могли быть удовлетворены при более низкой полосе пропускания; и в психологических тестах для анализа образов, которых пациенты склонны избегать.

Ссылки

^ Кроуфорд, Дэниел; Бердетт, Дэниел; Капрон, Уильям (1 января 1994 г.). «Методы, используемые для анализа данных сканирования глаз окулометром, полученных с дисплея авиадиспетчерской службы» .
^ «LoCO: недорогой окулометр для носимых компьютерных дисплеев, крепящихся на голову» . www.sbir.gov . США: Исследование инноваций в малом бизнесе , Правительство США .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р ^с Мерчант, Дж. (1 июля 1967 г.). «Окулометр» . НАСА .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р ^с ^т Видулич, Михаил А.; Цанг, Памела С. (11 февраля 2019 г.). Улучшение характеристик авиации посредством применения инженерной психологии: достижения авиационной психологии . ЦРК Пресс. ISBN 9780429960147 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Антониадес, Калифорния; Ху, М.; Кеннард, К. (1 ноября 2012 г.). «Нарушение антисаккад при болезни Паркинсона» . Журнал неврологии, нейрохирургии и психиатрии . 83 (Приложение 2): А10. дои : 10.1136/jnnp-2012-304200a.39 . ISSN 0022-3050 . S2CID 75265389 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Мастранжело, А.С.; Карханис, М.; Лихите, Р.; Бюльбюль, А.; Ким, Х.; Мастранжело, Швейцария; Хасан, Н.; Гош, Т. (июль 2018 г.). «Низкопрофильный цифровой окулометр с отслеживанием глаз для умных очков». 2018 11-я Международная конференция по взаимодействию человека и системы (HSI) . Том. 2018. С. 506–512. дои : 10.1109/HSI.2018.8431368 . ISBN 978-1-5386-5024-0 . ПМЦ 8528137 . ПМИД 34676133 . S2CID 52004561 .
^ Бах, М.; Буи, Д.; Фишер, Б. (1 сентября 1983 г.). «Точный и линейный инфракрасный окулометр». Журнал методов нейробиологии . 9 (1): 9–14. дои : 10.1016/0165-0270(83)90103-6 . ISSN 0165-0270 . ПМИД 6415349 . S2CID 6569293 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Гейл, А.Г. (1 мая 1981 г.). «Недорогой окулометр для исследования человеческого фактора» . Методы и инструменты исследования поведения . 13 (3): 385–388. дои : 10.3758/BF03202041 . ISSN 1554-3528 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Фицджеральд, Джеймс Дж.; Лу, Чжунцзяо; Джареонсеттасин, Прем; Антониадес, Кристалина А. (2018). «Количественная оценка двигательных нарушений при двигательных расстройствах» . Границы в неврологии . 12 :202. дои : 10.3389/fnins.2018.00202 . ПМК 5904266 . ПМИД 29695949 .
^ Смит, Кристофер С.; Доминесси, Мэри Э. (6 августа 2016 г.). «Сравнение окулометра и прицельной сетки, закрепленной на голове, с голосом или переключателем для тактического взаимодействия с дисплеем». Материалы ежегодного собрания Общества человеческого фактора . 32 (2): 116–120. дои : 10.1177/154193128803200225 . S2CID 67095431 .

[1] Кроуфорд, Дэниел; Бердетт, Дэниел; Капрон, Уильям (1 января 1994 г.). «Методы, используемые для анализа данных сканирования глаз окулометром, полученных с дисплея авиадиспетчерской службы» .

[2] «LoCO: недорогой окулометр для носимых компьютерных дисплеев, крепящихся на голову» . www.sbir.gov . США: Исследование инноваций в малом бизнесе , Правительство США .

[:0-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р ^с Мерчант, Дж. (1 июля 1967 г.). «Окулометр» . НАСА .

[:1-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р ^с ^т Видулич, Михаил А.; Цанг, Памела С. (11 февраля 2019 г.). Улучшение характеристик авиации посредством применения инженерной психологии: достижения авиационной психологии . ЦРК Пресс. ISBN 9780429960147 .

[:2-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Антониадес, Калифорния; Ху, М.; Кеннард, К. (1 ноября 2012 г.). «Нарушение антисаккад при болезни Паркинсона» . Журнал неврологии, нейрохирургии и психиатрии . 83 (Приложение 2): А10. дои : 10.1136/jnnp-2012-304200a.39 . ISSN 0022-3050 . S2CID 75265389 .

[:3-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Мастранжело, А.С.; Карханис, М.; Лихите, Р.; Бюльбюль, А.; Ким, Х.; Мастранжело, Швейцария; Хасан, Н.; Гош, Т. (июль 2018 г.). «Низкопрофильный цифровой окулометр с отслеживанием глаз для умных очков». 2018 11-я Международная конференция по взаимодействию человека и системы (HSI) . Том. 2018. С. 506–512. дои : 10.1109/HSI.2018.8431368 . ISBN 978-1-5386-5024-0 . ПМЦ 8528137 . ПМИД 34676133 . S2CID 52004561 .

[7] Бах, М.; Буи, Д.; Фишер, Б. (1 сентября 1983 г.). «Точный и линейный инфракрасный окулометр». Журнал методов нейробиологии . 9 (1): 9–14. дои : 10.1016/0165-0270(83)90103-6 . ISSN 0165-0270 . ПМИД 6415349 . S2CID 6569293 .

[:4-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Гейл, А.Г. (1 мая 1981 г.). «Недорогой окулометр для исследования человеческого фактора» . Методы и инструменты исследования поведения . 13 (3): 385–388. дои : 10.3758/BF03202041 . ISSN 1554-3528 .

[:5-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Фицджеральд, Джеймс Дж.; Лу, Чжунцзяо; Джареонсеттасин, Прем; Антониадес, Кристалина А. (2018). «Количественная оценка двигательных нарушений при двигательных расстройствах» . Границы в неврологии . 12 :202. дои : 10.3389/fnins.2018.00202 . ПМК 5904266 . ПМИД 29695949 .

[10] Смит, Кристофер С.; Доминесси, Мэри Э. (6 августа 2016 г.). «Сравнение окулометра и прицельной сетки, закрепленной на голове, с голосом или переключателем для тактического взаимодействия с дисплеем». Материалы ежегодного собрания Общества человеческого фактора . 32 (2): 116–120. дои : 10.1177/154193128803200225 . S2CID 67095431 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]