眼動跟蹤技術研究進展

石建軍 許鍵

摘要：眼動跟蹤是指通過測量眼睛注視點的位置或者眼球相對頭部的運動而實現對眼球運動的追蹤。介紹了眼動跟蹤技術及近年來相關研究進展，分析了各種眼動跟蹤技術原理，詳細比較了各種測量方法的利弊。通過對幾種最新眼動跟蹤設備特性的比較，進一步了解國內外眼動跟蹤發展趨勢。最后介紹了眼動跟蹤技術的研究方向，并對眼動跟蹤技術應用前景進行了展望。

關鍵詞：眼動跟蹤;眼動測量;眼動儀;微機電（MEMS）

中圖分類號：TP39 文獻標志碼：A

引言

人的思想和意圖可以通過眼球的運動得到充分反映，基于人們所看到的事物采取眼動研究的方法可以確定他們的思想內容。對眼球運動進行跟蹤也就是測量眼球的運動，該領域的研究通常交替使用眼睛跟蹤、凝視跟蹤或眼睛注視跟蹤等術語。大約80%的外界信息是通過眼睛獲取的，對眼動的最初研究可追溯到古希臘時期，然而真正使用實驗儀器對眼動進行測量卻始于中世紀。到20世紀30年代才真正意義上出現眼動跟蹤的概念，人們最初的研究目的是出于商業考慮，由于受到傳感器技術及信息處理速度的限制導致其發展緩慢。伴隨著光信息技術、傳感技術、計算機技術、人機交互技術等各項技術的快速發展，眼動跟蹤技術也取得巨大突破，應用領域也在不斷拓展，已經廣泛應用到軍事、教育、醫學、市場調研、心理學等諸多領域。近年來，該技術廣泛應用到可穿戴設備、VR/AR、人工智能及游戲等，顯示出該技術越來越大的應用前景和價值。

1眼動跟蹤的人眼結構和基本概念

1.1人眼的生理結構

眼睛是人類感官中最重要的器官之一，大部分知識和記憶都是通過眼睛獲取的，眼睛能夠分辨不同顏色和亮度的光線并將這些信息轉變成神經信號傳送給大腦。人眼的主要組成部分如圖1所示，主要由視網膜、角膜、虹膜、鞏膜等構成。眼睛大致呈橢球形，直徑約24mm。通常眼窩中可見的眼睛外側部分為鞏膜、虹膜和瞳孔。

結構上，眼球壁分為三層，內層是視網膜，中層是血管膜，最外層是纖維膜。視網膜由三層神經細胞構成，分別是光感受細胞、雙極細胞和節狀細胞。外層主要由透明無血管的組織構成，這層透明組織叫角膜，光線通過角膜進入眼內，角膜是一種透明沒有血管的保護膜，覆蓋住虹膜。虹膜在血管膜的前部，是圓盤狀的薄膜，中央有一圓孔，稱為瞳孔，為光線進入眼球的唯一通道。外部光線強，則瞳孔縮小;光線暗，則瞳孔變大，從而調節眼睛接收的光線總是剛剛好。對內部眼球結構起保護作用的鞏膜，其特點為白色不透明，厚度小，是我們經常看到的白色眼球部分。此外，最外層的纖維膜對眼球也起著重要的保護作用。

1.2眼動的基本概念

所謂的眼動跟蹤方法是通過記錄眼動的注視時間、位置、軌跡等指標來了解人們對實時信息的獲取和加工過程。眼動的方式比較復雜，其主要方式為注視、眼跳、平滑追隨運動、眨眼及眼球震顫。

人們獲取的信息大部分是通過注視完成的，也就是人眼的中央窩對準要觀察的物體時間超過100 ms，該過程中被注視的物體要成像在中央窩上才能獲得充分的加工以形成清晰的像。當眼睛切換觀察對象時，注視點突然發生改變，兩個注視點之間眼睛的快速運動，通常稱之為“眼跳”，該過程中可獲得時間空間信息，但不能形成比較清晰的像。當個體與被觀察物體存在相對運動時，為了確保眼睛總是注視該物體，眼球會追隨物體移動，稱之為“追隨運動”。眨眼是一種快速的閉眼動作，也稱為“瞬目反射”。眼睛不自主、節律性的往返運動被稱作眼球震顫。通常為了更好的選擇信息以便形成清晰的像，上述幾種眼動方式可同時交替進行。

2眼動跟蹤的測量方法

眼動跟蹤的測量方法經歷了早期的直接觀察法、機械記錄法，隨著技術的發展，出現了接觸鏡法、眼電圖法、角膜反射法、雙普金野象法、虹膜一鞏膜邊緣法、瞳孔一角膜反射向量法等方法，最終發展到現如今的視頻電視法，基于微電子機械系統（MEMS）技術相結合的方法。

2.1直接觀察法

最原始的眼動跟蹤測量方法是直接用肉眼觀察被試者的眼球運動。1897年Javal通過放置在被試者面前的鏡子，站在其背后進行直接觀察，1925年Miles使用窺視孔法，即躲在閱讀材料的后面，通過閱讀材料中間的小孔觀察被試者閱讀材料時的眼動。在最初對眼動的研究中，觀察法發揮著重要的作用，眼動的一些基本規律，如注視、眼跳等都是通過觀察法發現的。但同時它只能對眼動進行比較粗略的了解，而且觀察的結果具有不確定性，現如今該方法很少被用于眼動研究。

2.2機械記錄法

眼動的機械記錄是指把眼睛與記錄測驗裝置用機械傳動方式連接起來實現眼動記錄。該方法充分利用角膜凸起的特點，借助一個杠桿來傳遞角膜的運動情況。1898年Richardson等利用橡皮膏將一個杠桿連接在眼球上，第一次記錄了被測試者閱讀過程中的眼動軌跡，如圖2所示。機械記錄法一般有3種：支點杠桿法，角膜吸附環狀物法，氣動記錄法。眼動的機械記錄法所使用的裝置較復雜且不易調整，更重要的是實驗結果的準確性也很低，現在普遍被準確性相對較高的方法所取代。

2.3瞳孔一角膜反射法

角膜反射法是眼動跟蹤領域廣泛認可的方法，其原理是基于眼角膜從眼球表面凸出的生理特性，當需要保持眼睛相對頭部位置不會改變的情況下對眼動進行測量時，可使用瞳孔一角膜反射法。用相機拍攝紅外光照射眼睛后的反射圖像，利用亮瞳孔和暗瞳孔原理，然后通過計算機處理，提取所拍圖像中的瞳孔和角膜，把角膜反射點作為相機和眼球相對位置的基點，瞳孔中心位置坐標就表示凝視點位置。該方法具有準確性高、誤差小、無干擾等優點，但對計算機圖像處理能力要求比較高。

2.4眼電圖法（EOG）

正常情況下眼球的視網膜具有很高的代謝水平，這就導致視網膜與角膜代謝作用的速度有所差異，眼角膜代謝速率小，而視網膜則相對較大，正是這種差異形成了角膜網膜電位差。當眼球轉動時，眼球周圍的電勢也隨之發生變化，分別將兩個貼在皮膚表面的電極放在眼部上下兩端，眼球向上移動時，網膜的陰極便接近下面的電極，而陽極接近上面的電極，這樣便產生一定的電位差，若眼球向下移動便產生相反的電極差。同理，1955年Woodworth記錄了左右方向上的運動。眼球方向上的變化所產生的電位差，經放大后得到眼球運動的位置信息。記錄的結果并非實際運動情況，需要間接的轉換計算，被測試者的個體電位也存在差異，從而不能保證測量結果的準確性，且該測量方法技術上較為復雜。電極分布如圖3所示。

2.5接觸鏡法

接觸鏡法是一種最精確的眼動跟蹤測量方法，同時也是最具侵入性的方法。首先將機械或光學的參照物安裝在眼鏡的接觸鏡上，然后直接佩戴并使用附著在角膜上的石膏，通過機械連接記錄筆進行眼動記錄，后來逐漸演變成使用裝有安裝桿的現代隱形眼鏡。雖然隱形眼鏡方便易攜帶，但同時需要更大的尺寸以保證能覆蓋角膜和鞏膜。構成接觸鏡的附著裝置最常用的工具有反射磷光體、線圖和線圈。其原理是根據眼動確定光學裝置的方向，進而推算眼動的方向，安裝在角膜上的反射鏡可以將眼動產生的光束反射到各個方向以便提取眼動信號。

嵌入鞏膜隱形眼鏡的搜索線圈和電磁場框架如圖4所示，隱形眼鏡嵌入眼睛的方法如圖5所示。雖然接觸鏡法是最精確的眼動測量方法之一，但鏡片的插入操作要十分小心，佩戴后可能引起不適。

2.6基于MEMS技術的跟蹤方法

MEMS是采用微電子技術、集成電路技術及其加工工藝制作而成的微米級機械器件，具有體積小、功耗低、易集成等優點，逐漸取代傳統機械器件。MEMS驅動器也可以實現眼動跟蹤功能，其獨特的優點使眼動跟蹤技術具有更大的發展潛力。

一種基于MEMS的微型眼動跟蹤系統如圖6所示，系統主要由微型攝像機、MEMS驅動器、分析處理器及相關配套設備構成。首先相機拍攝眼睛的圖像，MEMS裝置控制相機的視角方向，水平方向上的MEMS驅動器連接在攝像機后端來產生水平方向的移動，垂直方向上的MEMS驅動器連接在上端或下端產生豎直方向的移動，處理器接收攝像機拍攝到的眼睛圖像，根據所拍攝的圖像確定相機圖像內眼睛的位置，并控制MEMS驅動器以保持相機指向眼睛并確定圖像中眼睛的特定位置及大小，以保持對眼睛的實時追蹤。該系統可應用于移動端的微型眼動追蹤系統。

另一種完全基于MEMs的方法則不采用上述體積較大的攝像機，該方法適用于小型眼動追蹤系統，系統設計的原理是基于眼睛與眼角膜的直徑不同。利用一束低輻射的光束，從激光光源發出后射向掃描儀，該掃描儀內嵌MEMs驅動器，且具有平面鏡的功能，能夠將入射的光線反射，接著由掃描儀操控該光束射向眼角膜，然后從角膜表面反射到一個能接收光信號并產生電信號光電二極管，其輸出的電信號隨輸入光強的增大而增大。隨著眼睛的轉動，掃描儀控制光束追蹤眼角膜上能夠使光電二極管接收到最大信號的點，進而實現系統的眼動跟蹤。

3眼動跟蹤技術存在的主要問題及解決方法的探索

3.1米達斯接觸問題

米達斯接觸是指計算機很難識別由于隨意性視線運動而產生的意圖，這種不確定性導致計算機不能準確分析出由于用戶眼動而產生的真正想法，如何避免產生米達斯接觸問題是眼動跟蹤技術研究領域一直探索的問題，眼動跟蹤技術的挑戰之一就是避免米達斯接觸。

3.2數據獲取的準確性問題

由于對眼動跟蹤定義的角度太多，例如從注視點和眼跳這兩個角度來定義眼動就有所差別，概念的多樣性導致定義偏差，不能完全統一標準，這就造成對數據獲取的方式、角度、渠道產生很大差異，最終對數據的獲取及分析產生巨大影響。此外，通過實驗對數據獲取時，并不能保證被測者在設備上固定不動，這種人為的隨意運動，同樣對數據提取產生困難，也降低了數據獲取的準確性。

3.3測量精度及舒適度問題

硬件的測量精度相對較高，但是舒適性較差，需要一些外部硬件設備對頭部或眼部進行固定，復雜的設備佩戴給佩戴者帶來心理壓力和不舒適感，同時降低了自由性，測量不方便。而軟件測量相對硬件測量精度低，自由性限制少，增加了用戶的舒適性，但獲得的測量數據準確性不能夠保證。綜合上述分析，我們可以結合硬件測量和軟件測量的優點，提出既能夠提高精度又能增加舒適性的方法，從而改善眼動跟蹤技術測量精度及舒適度的問題。

3.4算法及多通道整合問題

構建理想的算法模型，充分體現以人為中心的設計理念，才能更準確地優化眼動跟蹤的準確性，由于眼動跟蹤自身的特性，視覺通道只有與其他通道配合才能發揮更大的作用，多通道整合需要從多個并行、協作、互補的通道中，采用非精確輸入方法以獲得用戶想傳達的任務信息，這是實現多通道整合問題的首要前提，也是面臨的重大挑戰。

4國內外研究狀況及各類眼動儀性能對比

國內對眼動的研究及相關設備的研制起步較晚，多數是引進國外設備作相關實驗的研究。20世紀80年代末，張名魁和孫復川等研發出了紅外光電反射眼動測量系統，它是通過紅外光發射管、光敏管等器件發射及接收眼球水平運動時角膜與鞏膜反射紅外光線大小的變化來測量眼動。該技術已達到國內外文獻報道的先進水平，成功利用該系統進行了閱讀研究。20世紀90年代，西安電子科技大學自主研發出了頭戴式眼動儀，該設計主要依據紅外攝像法，其跟蹤過程依次是眼睛圖像的獲取，高速信號實時處理并提取瞳孔中心坐標，最后與外景圖像進行疊合。

對于精確測量眼球運動的眼動儀，其結構一般由光學系統、瞳孔中心提取系統、視景與瞳孔坐標迭加系統、圖像和數據記錄分析系統4個部分構成。理想的眼動跟蹤設備應需要提供廣闊的視野且很好地接觸到頭部和臉部，不能直接接觸眼睛，盡可能擁有穩定的人工視網膜圖像。由于眼動跟蹤設備的精度易受到非線性、失真、噪聲、滯后和其他誤差的影響，因此對分辨率的要求較高，這樣才能檢測眼睛位置的微小變化，此外要求能夠提供良好的時間動態、響應速度且對眼睛平移不敏感，易于拓展到雙眼記錄，能很好的同時兼容頭部和身體的記錄，更重要的是可廣泛應用到不同的佩戴者身上。根據英國科學研究所建立的眼動儀數據庫公布的結果，全世界有超過44家眼動儀生產商。主要的產品有加拿大SR公司利用角膜反射法生產的Eyelink型眼動儀，德國SMI公司生產的iView型眼動儀，美國應用科學實驗室（ASL）生產的H6型眼動儀，日本ISCAN公司生產的ETL500系列眼動儀，澳大利亞SEEING MACHINE公司生產的faceLAB非接觸式眼動儀，瑞典Tobii系列眼動儀，其性能對比見表1。

5眼動跟蹤應用前景

近年來眼動跟蹤技術的應用越來越廣泛，隨著研究的深入在傳統眼動跟蹤原理的基礎上提出了許多創新的跟蹤方法。眼動跟蹤技術與其他技術結合的方法成為發展的趨勢，為眼動跟蹤研究提供了全新的思路，眼動跟蹤與MEMS技術、VR/AR技術、生物識別技術等相結合，積極服務于與人們生活相關的各個領域，具有廣闊的應用前景。基于MEMS技術研發的眼動跟蹤設備使眼動技術應用到小型化設備，將會使系統具有更高的性能以及更廣泛的用途，這對推動相關領域的發展具有重大意義。眼動跟蹤技術的研究對現代化建設也具有重要意義，航空領域對眼睛視線分析的研究、醫療領域對殘疾人通訊的研究、安防領域對生物識別的研究、交通領域對駕駛員狀態的研究等。

隨著眼動跟蹤技術的發展，相應的眼動跟蹤設備也不斷被優化完善。憑借眼動跟蹤技術所具有的獨特優點，完全可以創造并改變人們的生活，眼動跟蹤技術的研究也代表著跟蹤領域未來的發展方向，應引起企業和研究機構的高度重視。