人機介面 視線軌跡追蹤 : 原理與應用

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人機介面 視線軌跡追蹤 : 原理與應用. 授課教師 開課單位. Outline. 眼動儀類型 應用領域與最新技術 Application areas State-of-the-art technology Eye tracker @NCCUCS 1.0 (wearable) Eye tracker @NCCUCS 2.0 (remote) Gaze-based HCI Demo ( 展示 ) Conclusions. 眼動儀類型. 侵入式 搜尋線圈法( Search Coil ) 眼電圖法( Electro- Oculography ) 非侵入式 - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

人機介面視線軌跡追蹤 : 原理與應用授課教師開課單位

Page 2: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Outline眼動儀類型應用領域與最新技術

– Application areas– State-of-the-art technologyEye tracker @NCCUCS 1.0

(wearable)Eye tracker @NCCUCS 2.0 (remote)Gaze-based HCI Demo ( 展示 )Conclusions

Page 3: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

眼動儀類型侵入式

– 搜尋線圈法( Search Coil )– 眼電圖法( Electro-Oculography )非侵入式– 紅外線視訊( Infra-red Video System )– 光學式瞳位追蹤 (Optical-type Eye Tracking

Device)– 紅外線眼動圖法( Infra-red Oculography )– Purkinje 影像追蹤法( Dual-Purkinje-

image )

Page 4: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

搜尋線圈法利用電磁感應的原理來測量眼球的移動

優點:有很好的空間和時間解析度缺點:需戴上侵入式鏡片受到眼球分泌物的影響固定磁場

搜尋線圈法四週固定磁場示意圖

Page 5: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

眼電圖法利用電極的原理來測量眼球的移動缺點:

必須貼電極貼在皮膚上 皮膚角質分泌影響皮膚電阻

優點: 價格便宜

Page 6: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

紅外線視訊系統影像追蹤的方法記錄眼球的移動缺點:

價格昂貴空間位置校正

優點: 可計算瞳孔移動位置和大小

Page 7: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

光學式瞳位追蹤系統由攝影機所獲得的瞳孔影像,利用影像處理的方式,分析眼球的移動軌跡

優點: 使用者頭部與攝影機之間的相對位置不會改變

第四代追瞳器裝置

缺點: 頭盔因本身重量往下滑 光源讓人不舒服 配戴眼鏡無法使用

Page 8: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

紅外線眼動圖法利用紅外線光源在眼角膜邊緣的反射差異,來檢測眼球運動狀況

缺點: 紅外線光對眼睛可能會造成傷害

優點: 測量範圍廣

Page 9: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Purkinje 影像追蹤法光源經過眼球組織不同的折射率,來計算眼球運動

缺點: 不能和眼球同步 價格極為昂貴

優點: 不易受眼瞼遮蔽準確度高

Page 10: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

應用領域醫療 : 漸凍人等身體障礙者輸入介面EyeMusic - 創作音樂EyeDraw - 繪畫Usability: 網頁和廣告的使用性和實用性電腦 - 替代滑鼠,文字輸入遊戲 - eye tracking game心理學 - 眼球測謊儀閱讀 - text 2.0遠端遙控 - 遠端電視操控, EyeTech

Page 11: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

基於影像之眼動追蹤An eye tracker is a device for measuring

eye positions and eye movements. The most popular variant uses video

images from which the eye position is extracted.Input source: visible spectrum vs. infrared

Page 12: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

眼動 Eye MovementsEye movements are typically divided into

fixations ( 凝視 when the eye gaze pauses in a certain position) and saccades ( 掃視 when it moves to another position).

The resulting series of fixations and saccades is called a scanpath. ( 掃描路徑 )

Page 13: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

掃描路徑實例

Page 15: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

EyeWriter Project

Page 16: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Web Design (U. of Manchester)

Heat map Gaze plot

Page 17: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Usability Study:Google Search Evaluation

Page 18: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Gaming

Page 19: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Driving Behavior

[Andrew T. Duchowski]

Page 20: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Character Input

EyeWrite [Andrew T. Duchowski]

Page 21: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Media ResearchThe Poynter Institute :

http://www.poynter.orgPublished first eye track study in

1991.More results published in 2000,

2004 and 2007.Eyetrack ’07:

http://www.poynter.org/content/content_view.asp?id=105035

Page 23: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Research Communities

ACM SIG/CHIEye Tracking Research and

Applications (ETRA) Symposium: http://www.e-t-r-a.org/ COGAIN: Communication by Gaze

Interaction http://www.cogain.orgReferences:

http://www.cogain.org/downloads/

Page 24: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

State-of-the-art Eye tracking Technology

Hi-Speed (SMI iView X™ Hi-Speed)Head-Mounted SystemRemote trackingIntegrated with LCD monitorWearable glasses

Page 25: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Mobile Eye Tracker 1.0 @ NCCUCS

eye camera

scene camera

Page 26: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Key ObjectivesLow-cost (NTD 10,000 vs.

1,000,000) MobilityEasily customized for specific

applicationsOn-line processingSampling rate?Accuracy?

Page 27: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

System Architecture

Eye image

Preprocessing

Pupil detection

Gaze point projection

Scene image

Calibration

9 pairsof points

Calibration process

Page 28: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Pupil Detection (I):extracting feature points

Page 29: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Pupil Detection (II): Ellipse fitting using RANSAC

Page 30: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Pupil Detection (III):checking fitness measure

• Ellipse model:

n

bfScore

m

afScore

n

iiin

in

m

iiout

out

11

)(,

)(

20,sin

coscossinsincos cy

cxba

yxp

,0

,)(,1otherwise

PaThresholdapiff outbrightout

,0

,)(,1otherwise

PbThresholdbpiff indarkin

Number of bright vs. dark points inside and out the perimeter

Page 31: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Results

Page 35: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Mobile Eye Tracker 2.0 @ NCCUCS

Improve the pupil detection algorithm to alleviate corneal reflection problem.Enhance the accuracy by

compensating for head movement. Construct and test a remote eye

tracker.More HCI applications using the

remote eye tracker.Use the eye tracking device to

assist mobile user interface design.

Page 36: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Improved Pupil Detection

Page 37: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Allowing Head Movement

Page 38: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Remote Eye Tracker

Page 39: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Experimental Results (Wearable)Calibration

point

Original error Compensate for head

movement

(error/standard deviation)

1 98.17 32.91 (12.7)

2 137.54 55.89 (10.94)

3 108.20 29.69 (9.57)

4 76.30 28.79 (21.19)

5 113.30 22.49 (7.79)

6 117.86 34.83 (10.96)

7 116.53 33.31 (8.01)

8 112.56 16.03 (6.78)

9 146.73 26.49 (9.66)

1 cm = 38 Pixels

Page 40: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Accuracy (Wearable)

Page 41: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Experimental Results (Remote)Calibration point Original error Compensate for head movement

(error/standard deviation)

1 238.73 39.69 (24.6)

2 227.51 63.56 (22.82)

3 132.97 44.30 (21.49)

4 222.97 51.66 (30.94)

5 306.58 31.15 (16.71)

6 280.79 51.66 (21.83)

7 311.89 69.03 (41.57)

8 344.24 69.88 (31.71)

9 347.03 64.66 (24.41)

Page 42: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Accuracy (Remote Eye Tracker)

Page 43: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Demo: Web Browsing

Page 44: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Demo: Photo Viewing

Page 45: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Demo: Interactive Story Telling

Page 46: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Demo: Tic-Tac-Toe

Page 47: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Gaze Path AnalysisRecursive intersection

– Find the similarity between two scan paths

– Order of scanning is irrelevant– Suitable for processing fixation dataModified dynamic time warping

– Order of scanning is taken into account– Can handle both fixation and saccade

data

Page 48: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Recursive Intersection

Path 2

Path 1

Page 49: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Recursive Intersection: Example

Page 50: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Dynamic Time Warping (DTW)

Page 51: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

Modified DTW (MDTW)

X-axisY-axis

time

Page 52: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

MDTW Result

Page 53: 人機介面 視線軌跡追蹤 :  原理與應用

SummaryEye tracking device

– Low cost (<$10,000 NTD)– Head-mounted with mobile functionality– Remote eye tracking– Allow slight head movements– Accuracy: suitable for some HCI

applications, image viewing tasks, not high enough for reading

HCI applications