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视线追踪技术在移动阅读中的应用研究

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作者信息
姓名: 
张赛男
学校名称: 
北京科技大学

解决关键问题:随着计算机视觉的发展与人机交互技术的应用,基于视频分析的视线追踪技术成为研究读者阅读行为的新热点,并逐渐出现及应用于手机、平板电脑等移动阅读终端。靠“眼神”控制阅读行为,触发电子终端响应为助老、助残以及幼儿阅读教育的开展提供了一条新的途径。传统侵入式视线追踪设备需要使用者佩戴头盔、眼镜等视线追踪设备以捕获眼球活动变化图像,极大的影响了读者的阅读体验。本文总结国内外视线追踪技术的发展趋势,探讨自然光下单摄像机视线追踪技术(无穿戴)在移动阅读中的应用原理及实践,对视线追踪技术在移动阅读中的应用前景作以展望。

相关信息新技术:视线追踪技术早期主要是应用在疾病的治疗预防以及心理健康研究,在人机交互,医疗卫生、敬老助残等方向具有十分显著的研究意义。随着虚拟现实技术、计算机技术及机械辅助设计的发展,目前视线追踪已经逐渐扩展到电子阅读、信息检索、人因分析等新兴领域,并对认知科学、信息技术、社会文化研究等知识工作相关领域产生重要的指导作用。2014年安卓开发者大会Droidcon London上,The Eye Tribe公司演示一款仅通过视线就能控制平板电脑的配件,尺寸仅为20×1.9×1.9厘米,这是当今世界上最小的视线追踪器。通过该产品,用户可以通过眼动控制电子书及网页阅读方式,达到下拉,翻页,标注,搜索等等功能。在此之前,The Eye Tribe已经发布了一款通过USB3.0连接的Windows系统配件,可以让所有使用Windows系统的台式机、平板电脑及笔记本都可以支持眼球视线追踪技术。同时,在CES2015上赛睿发布了眼球视线追踪设备Sentry Eye Tracker,三星发布的Galaxy S5上也配备了视线追踪的功能。

大量研究数据表明,在虚拟阅读环境中,使用视线追踪交互技术比指点式交互技术效率会更高。尤其在远距离使用时发挥出的优势更加明显。多通道交互技术是人机交互的研究热点,而视线追踪技术作为一种新的辅助阅读手段可以和其他人机交互技术相结合,更贴近人类的自然交流。

研究方法:在自然使用过程中通过人脸(人眼)图像识别检测视线特征参数(虹膜中心与眼角点之间的矢量),然后构建基于多项式映射模型的视线落点估计方法,通过特征参数带入视线映射函数从而计算出视线落点在屏幕上的映射点。通过特征参数补偿与前馈补偿,消除由于头动带来的估计误差,提高控制效果。

        视线追踪流程图

研究结果:本文所述硬件实验平台基于单摄像机视线追踪系统,提出相应视线追踪落点估计方法。实验中将阅读环境视线追踪项目加载头动偏移算法,在估计视线落点之前运用前馈的思想对视线特征参数进行补偿,调整由于头部运动带来的估计误差。以电子屏幕上九个对应点为标准进行试验,对比补偿算法加入前后视线落点情况如下:

              未补偿前视线落点估计                     补偿后视线落点估计

 由图可以直观的看出加载特征参数前馈补偿方法之后在头动状态下阅读视线估计更加准确稳定,视线估计落点基本位于标定点附近。

实验结果显示,补偿之后阅读视线跟踪落点相对稳定,没有出现比较大的波动,相对于未补偿的实验效果有了很大改善,符合应用要求。