眼動追蹤技術(shù)的各種實現(xiàn)方法分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u17040眼動追蹤技術(shù)的各種實現(xiàn)方法分析綜述 132191.1人眼結(jié)構(gòu)和視覺原理 1225111.2眼動追蹤算法 2138551.3眼動追蹤算法的發(fā)展及應(yīng)用 2259731.3.1人機交互領(lǐng)域的應(yīng)用 265741.3.2交通領(lǐng)域的應(yīng)用 257651.3.3商業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用 3294211.3.4醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 3180771.3.5教育領(lǐng)域的應(yīng)用 3112011.4眼動追蹤技術(shù)的各種實現(xiàn)方法 3191831.4.1瞳孔定位技術(shù) 3297021.4.2判斷視線技術(shù) 51.1人眼結(jié)構(gòu)和視覺原理如圖1.1.1描述，這是人眼的生理結(jié)構(gòu)，人眼近似一個球，由屈光系統(tǒng)和感光系統(tǒng)兩部分組成，眼球壁、眼內(nèi)腔和內(nèi)容物、神經(jīng)、血管等組織都屬于它。圖1.1.1人眼生理結(jié)構(gòu)我們把人眼類比為照相機，角膜：鏡頭前的濾光鏡，起著保護的作用。鞏膜：照相機的外殼，起保護的作用。瞳孔：照相機的光圈，可以調(diào)節(jié)景深。晶狀體：照變焦鏡頭，負責(zé)把像聚焦，投射到視網(wǎng)膜上。脈絡(luò)膜：照相機的暗箱。視網(wǎng)膜：照相機內(nèi)的膠卷，是影像成形的地方。各個位置相輔相成，任何部分出現(xiàn)問題，都會影響清晰影像的形成。1.2眼動追蹤算法我們將人的眼睛看作一個球體，眼動可以分為：凝視、跳動、平滑移動以及眨眼。凝視是指眼睛的焦點長時間停留在某個物體上。在此期間其實眼睛也是在運動的，不過比較微小，大體上可以分成三種運動：自顫，慢漂移和微跳動。跳動指注視的目標(biāo)會從一個地方跳到另一個更感喜好的地方，此時就會發(fā)生眼跳運動，這個過程速度是非?？斓?。3.平滑移動。當(dāng)觀察的物體在運動時，眼睛會隨著物體的運動而發(fā)生運動。平滑追蹤的過程中，人的追蹤能力水平高于豎直，下高于上形成閉環(huán)。4.眨眼。是一種不自覺的保護動作，可以緩解眼睛的肌肉壓力，如果頭部保持不動，眼睛轉(zhuǎn)動可以改變視線方向。1.3眼動追蹤算法的發(fā)展及應(yīng)用早期眼動追蹤的研究主要使用觀察法，通過直接觀察獲取結(jié)果，這種方法得到的結(jié)果很粗略。后來人們研究出一種自動化的方式：通過橡膠吸盤直接與眼睛接觸得到記錄數(shù)據(jù)，這種方法非常不舒服并且不方便。還有一種方法是使用照相機拍攝眼睛運動的連續(xù)圖像，但眼電電位的記錄不是很準(zhǔn)確。最早的追蹤電子設(shè)備電磁鞏膜搜索線圈，該方法需要將儀器嵌入隱形眼鏡中，會對人造成很大傷害。最終經(jīng)過人們不斷地研究探索，人們發(fā)明了非侵入式眼動追蹤方法。眼動追蹤技術(shù)也被逐漸應(yīng)用到各個領(lǐng)域當(dāng)中。1.3.1人機交互領(lǐng)域的應(yīng)用人機交互是指用戶通過人機交互界面與系統(tǒng)交流，常用的眼動設(shè)備有頭戴式眼動儀，開源設(shè)備還有遠程眼動儀。從早期通過輸入輸出與計算機交流開始，到現(xiàn)在自然的人機交互，人們的研究越來越注重以人為中心。人的眼睛是接受外界信息的重要渠道，通過對人眼的追蹤可以獲取人的視覺信息，判斷使用者的意圖。1.3.2交通領(lǐng)域的應(yīng)用隨著人民生活水平逐漸提高，幾乎每家每戶都被普及了汽車，汽車的使用者多了，這就會導(dǎo)致交通事故的增多，除去外界的因素，司機本人的狀態(tài)對是否會發(fā)生事故有很大的影響，通過人眼軌跡的追蹤，可以科學(xué)有效的判斷司機的疲勞狀態(tài)，能有效避免交通事故，也為已發(fā)生的交通事故處理提供了方便，這對飛行員也同樣適用1.3.3商業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用眼動追蹤技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域非常實用，是獲取客戶信息的有效手段，通過對眼睛運動軌跡的追蹤獲取運動數(shù)據(jù)根據(jù)運動數(shù)據(jù)了解消費者的喜好并對此做出調(diào)整。例如在超市，我們可以借助有關(guān)數(shù)據(jù)幫助超市合理上貨擺貨，有針對性的改進包裝缺陷。在淘寶等手機商店界面可以判斷消費者喜好并根據(jù)獲取信息推薦商品，有效的增加消費量。1.3.4醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)治療領(lǐng)域，英國卡迪夫大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院做了相關(guān)的研究，該院的研究人員對于利用眼動追蹤技術(shù)研究控制亞歷克斯患者行為做出的反饋具有杰出貢獻。美國威視公司開發(fā)的VISXSTARS3可以治療遠視和散光。在心理學(xué)方面宋杰等發(fā)現(xiàn)低焦慮者更關(guān)心積極的信息，高焦慮者更關(guān)心消極的信息。根據(jù)追蹤患者的眼睛運動軌跡可以分析他們的心理活動，醫(yī)生可以根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)科學(xué)幫助病人更快更好的治療。1.3.5教育領(lǐng)域的應(yīng)用在教育領(lǐng)域，斯洛伐克科技大學(xué)專門對此做出了研究，為了研究學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)以及生活狀態(tài)鍵入了眼動追蹤技術(shù)，老師可以隨時關(guān)注學(xué)生在發(fā)現(xiàn)并解決問題中注意力集中程度、得到的學(xué)習(xí)成果以及在此期間心理變化情況，以此可以確定出學(xué)生感興趣的區(qū)域。1.4眼動追蹤技術(shù)的各種實現(xiàn)方法1.4.1瞳孔定位技術(shù)1.眼睛區(qū)域求質(zhì)心法xp=xω(xp)=N（I(其中眼睛區(qū)域用Ω表示，灰度圖用I表示，N表示均值μ，方差σ2的1.基于Hough變換圓的瞳孔中心定位方法先對清晰圖像進行二值化處理然后進行邊緣提取，使用Hough變圓，圓心近似瞳孔中心。3.基于主動輪廓線定位方法該算法需要計算很長時間，會影響實驗進程，有些難懂，不建議使用。4.基于局部閾值分割法的定位方法我們先用公式取出圓的邊緣：max(r,檢測出圓形后，使用局部閾值分割對紅外圖像進行二值化操作，根據(jù)幾何平均得到瞳孔中心。5.幾何法定位技術(shù)該方法旨在區(qū)域內(nèi)使用Sobel算子提取瞳孔邊緣輪廓線。圖1.4.1構(gòu)造圖在輪廓線上任選三點構(gòu)造三角形并作出外接圓，外接圓的中心近似瞳孔中心，如圖1.4.1構(gòu)造圖。6.基于圖像梯度法的定位技術(shù)圖像梯度向量場的向量指向中心，使用下式找到平均值最大的點近似為瞳孔中心：除此之外還有很多對瞳孔定位的相關(guān)算法。1.4.2判斷視線技術(shù)1.模板匹配法假設(shè)有一個Img，在Img上疊放一個模板，模板在1≤之間移動。求誤差，E，i，j的最小值作為最終值，i31.坐標(biāo)系變換法該方法使用電磁頭動追蹤系統(tǒng)檢測頭部相對地面的方向位置，再使用角膜的偏移等方法得到眼睛的位置。3.最小二乘法設(shè)坐標(biāo)(X