眼動追蹤技術(shù)與虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)

（上海交通大學(xué)，上海 200000）

一、引言

虛擬現(xiàn)實VR(Visual Reality)系統(tǒng)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng)，使得用戶沉浸到其模擬環(huán)境中。用戶視野的獲取是VR系統(tǒng)中最基礎(chǔ)也是最重要的環(huán)節(jié)，VR技術(shù)的三大核心要素為交互性、沉浸感、想象力。現(xiàn)階段主要通過追蹤用戶頭部運(yùn)動的方式來定位用戶視野，用戶通過扭動頭部獲取不同的視野。此方式與人類生活習(xí)慣相類似，易于使用者快速融入VR系統(tǒng)。

但是，單純的頭部跟蹤定位視野的方式會使得使用者易于疲勞，降低用戶體驗。基于此問題，更輕松和快速的視野定位系統(tǒng)—眼動跟蹤系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)首先通過放置在用戶頭部的攝像頭采集眼部圖像，然后將圖像傳送給處理芯片，處理芯片可以對圖像進(jìn)行裁剪、去噪等初步處理后發(fā)送到圖像識別工作站，工作站將得到的圖像輸入到Deep Learning圖像識別模型中，最終跟蹤得到用戶的眼球位置，從而實現(xiàn)眼球跟蹤定位視野。

一方面，將頭部運(yùn)動跟蹤與眼動跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合，得到更為完善的VR視野定位系統(tǒng)，使用戶能夠完全以實際生活的本能適應(yīng)虛擬現(xiàn)實，提升用戶體驗。

另一方面，通過眼動追蹤，得到的特殊眼球運(yùn)動軌跡，可以作為VR系統(tǒng)中的特殊指令，加強(qiáng)眼部與系統(tǒng)的交互性。這樣，即可通過更便捷的眼球運(yùn)動發(fā)布指令，提供更強(qiáng)大的交互性。通過眼球與頭部運(yùn)動協(xié)調(diào)進(jìn)行VR視野定位，在沉浸感上實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

二、市場應(yīng)用前景分析

眼動追蹤技術(shù)主要解決的主要問題如下：一是VR系統(tǒng)中根據(jù)頭部運(yùn)動定位視野方向的方式使得使用者容易疲勞。通過跟蹤眼球修正視野，使用者能更輕松地融入虛擬現(xiàn)實。二是根據(jù)跟蹤眼球運(yùn)動軌跡實現(xiàn)特定的操作指令。

（一）解決當(dāng)前的VR暈屏問題

在目前現(xiàn)有的頭戴式虛擬現(xiàn)實頭盔或虛擬現(xiàn)實盒子技術(shù)中，暈屏（看屏幕時有惡心、暈眩的感覺）是最迫切需要解決的問題。在當(dāng)前技術(shù)下，使用者在觀看或使用VR產(chǎn)品時，只能用頭部運(yùn)動來變換視野。由于這種單純的頭部定位方式并不符合人類本能習(xí)慣，因此當(dāng)使用時間過長或者需要在短時間內(nèi)快速進(jìn)行多個視覺焦點的變化時，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的暈屏效應(yīng)。該技術(shù)的成功實現(xiàn)，將可以很大程度地讓VR視野定位更加貼近人類視覺本能，減小暈屏感。

（二）為殘疾人提供使用VR技術(shù)的可能

在人體的身體構(gòu)造上，眼球的運(yùn)動是不受脊椎控制的。而對于相當(dāng)一部分殘疾人來說，他們雖然失去了四肢的運(yùn)動能力，但是眼球的活動仍然是自如的。科技進(jìn)步的意義在于造福人類，眼動追蹤技術(shù)可以給予殘疾人“無形的雙手”，自由的發(fā)布指令。因此，眼動追蹤技術(shù)在殘疾人配套設(shè)施領(lǐng)域，亦有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用空間。

三、配套技術(shù)制約

周邊硬件是虛擬現(xiàn)實的重要組成部分。每一項新的智能硬件的成熟，或者其中的某個，某些關(guān)鍵技術(shù)點的突破，都能給智能媒體的形態(tài)帶來巨大變化。虛擬現(xiàn)實的硬件設(shè)備，應(yīng)當(dāng)有足夠能力支持以下兩種需要：

（一）自由的高速接入能力

隨著移動通信技術(shù)的提升，從3G到4G到現(xiàn)在的5G試點，Wi-Fi成為室內(nèi)甚至是公共區(qū)域的標(biāo)配，無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)十分普及。智能終端可通過移動通信網(wǎng)絡(luò)方便地接入到互聯(lián)網(wǎng)中。虛擬環(huán)境的展現(xiàn)需要和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合才能發(fā)揮價值。這涉及三維動態(tài)模型的流式傳輸，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式無法滿足這一要求。UC Berkeley和UIUC對于壓縮技術(shù)的研究證明，在實時三維重建技術(shù)或網(wǎng)絡(luò)帶寬取得突破之前，動態(tài)模型的實時壓縮與傳輸難以提高。

（二）數(shù)據(jù)處理能力和軟硬件的匹配

當(dāng)前的智能終端硬件已具有類似PC的快速處理速度，可實現(xiàn)復(fù)雜處理能力，極大地減少了軟件運(yùn)行限制，隨芯片技術(shù)持續(xù)提升還將進(jìn)一步發(fā)展。但是隨著媒體智能化進(jìn)程的進(jìn)一步深入，需要處理的數(shù)據(jù)量會比現(xiàn)在更多更復(fù)雜，因此可能會需要超越PC級的信息處理能力。

正如前文所言，虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的過程，不僅僅是娛樂和顯示行業(yè)自身的一種進(jìn)化和升級，而是將多種行業(yè)生態(tài)、多種技術(shù)融為一體的過程。如果某一項技術(shù)的發(fā)展較為緩慢，則無法充分服務(wù)于智能媒體中的其他功能。因此，上述的兩個重要的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點的協(xié)同發(fā)展，將直接影響虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進(jìn)步。

四、小結(jié)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過獲取和記錄用戶在虛擬現(xiàn)實中的不同動作，可將數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理后進(jìn)行深度數(shù)據(jù)挖掘，得到更貼近用戶的VR系統(tǒng)，從而使虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有更廣闊的商業(yè)前景。