Wie funktionieren Eye Trackers?

Tobii ist seit 20 Jahren führend im Bereich Eye Tracking. Mit Anwendungen in Bereichen, die von Wissenschaft und Verbraucherforschung bis hin zu XR und Automobil reichen, haben die Eye Trackers von Tobii die Welt durch einzigartige Einblicke in die menschliche Aufmerksamkeit, Absicht und das Verhalten weiterentwickelt. In diesem Artikel wird die Funktionsweise von Eye Tracking eingehend erläutert. Wir veranschaulichen Schritt-für-Schritt-Prozesse von bildschirmbasierten und tragbaren Eye Trackern.

Was ist Eye Tracking?

Eye Tracking ist eine Sensortechnologie, die die Position und Bewegung der Augen misst und aufzeichnet. Ein Eye Tracker ist ein Gerät, mit dem man feststellen kann, wohin man schaut oder was man sieht, auch bekannt als Blickpunkt .

Der Blickpunkt kann bei verschiedenen Arten von Stimuli identifiziert werden. In der Regel richtet eine Person, deren Augen getrackt werden, ihre Aufmerksamkeit auf einen Stimulus, der auf einem Computerbildschirm, in einer realen Umgebung oder in einer virtuellen Realität erscheinen kann. Eye Trackers können als eigenständige Geräte verwendet oder in andere Technologien integriert werden, z. B. in XR-Headsets, PCs und Fahrzeuge (als Teil von Automobillösungen).

Die Eye Tracking-Technologie hat ein breites Spektrum an Anwendungen , darunter die wissenschaftliche und medizinische Forschung, die Zugänglichkeit für Menschen mit Behinderungen, die Verbesserung der Verkehrssicherheit beim Autofahren und die Verbesserung von Virtual-Reality- und Spielerlebnissen.

Wichtige Hardware-Komponenten eines Eye Trackers

Videobasierte Eye Tracker, wie z. B. Tobii, bestehen in der Regel aus diesen wichtigen Hardware-Komponenten (Abbildung 1):

• Beleuchtungsmodule für Nahinfrarotlicht

• Kamera-Sensoren

• Prozessor (Bilderkennung, 3D-Augenmodell, Algorithmus für die Blickzuordnung)

Wie funktioniert das Eye Tracking?

1. Beleuchtung der Augen

Die Eye Tracker von Tobii verwenden Licht im nahen Infrarotbereich, um die Augen zu beleuchten und Lichtreflexionsmuster auf jedem Auge zu erzeugen. Die Lichtreflexion fällt insbesondere auf die Pupille (die runde schwarze Öffnung in der Mitte des Auges) und die Hornhaut (die transparente äußere Schicht im vorderen Teil des Auges).

Die Reflexion des Lichts auf der Hornhaut (auch Glint genannt) wird im Verhältnis zur Position des Pupillenzentrums verfolgt, was es uns ermöglicht, den Blickpunkt zu bestimmen. Diese Erkennungsmethode wird als Pupillen-Zentrum-Hornhaut-Reflexion (PCCR) bezeichnet.

2. Erkennung von Reflexionen durch Sensoren

Die Eye Trackers enthalten Kamerasensoren, die für Nahinfrarotlicht empfindlich sind und Bilder von den Augen und den Reflexionen aufnehmen. Die Kamerasensoren sind vor dem Benutzer positioniert und haben eine klare Sicht auf die Augen des Benutzers. Je nach Geschwindigkeit des Eye Trackers können Sie Informationen über bestimmte Arten von Augenbewegungen erfassen. Der schnellste Eye Tracker von Tobii (Tobii Pro Spectrum ) nimmt alle 0,833 ms (1200 Hz) ein Bild der Augen auf und ermöglicht die Verfolgung von Mikrosakkaden - den kleinsten Augenbewegungen mit einer Amplitude von weniger als 0,1 Grad des Blickwinkels.

3. Bildverarbeitung und -analyse

Während der Erfassung wird das Bild eines Auges von der Kamera aufgenommen und zur Analyse gesendet. Hochentwickelte Bildverarbeitungsalgorithmen werden verwendet, um ein 3D-Modell des Auges der Person und die Position des Auges im Raum zu schätzen. Mit den Eye Trackers von Tobii kann der Blickpunkt ohne Kopfstütze oder Kinnhalterung genau berechnet werden. Die Pupillenmitte und die Hornhautreflexion werden während der Bildanalyse erkannt, um den Blickpunkt zu berechnen.

Vergrößern: Pupillenzentrierte Hornhautreflexionsmethode (PCCR)

Um den Blickpunkt zu bestimmen, verwenden die Eye Tracker von Tobii eine Methode namens Pupillen-Zentrum-Hornhaut-Reflexion (PCCR ). Die Methode basiert auf der Identifizierung und Lokalisierung der Pupillenmitte und der Lichtreflexion auf der Hornhaut (bekannt als Glint ). Die Beleuchtung durch eine Nahinfrarot-Lichtquelle erzeugt eine Lichtreflexion auf der Hornhaut und der Pupille (Abbildung 2).

Die Bildverarbeitungsalgorithmen identifizieren das Zentrum der Pupille und die Lichtreflexion auf der Hornhaut (Abbildung 3). Wenn wir unsere Augen bewegen, ändert sich die Position der Iris und der Pupille in Bezug auf die Hornhautreflexion. Die Eye Tracking-Algorithmen verwenden den Vektor zwischen der Pupillenmitte und der Hornhautreflexion und führen weitere Berechnungen durch, um die Position des Blickpunkts (d. h. das, worauf wir schauen) mit großer Genauigkeit zu bestimmen.

Heranzoomen: Was ist Nah-Infrarot-Licht und warum wird es für Eye Tracking verwendet?

Die Genauigkeit des Eye Tracking hängt von einer präzisen Erfassung der Pupillenmitte und der Hornhautreflexion ab. Es wird eine stabile Beleuchtungsquelle benötigt, die Umgebungsschwankungen standhält und jederzeit eine genaue Aufzeichnung ermöglicht. Nahinfrarotlicht ist eine hervorragende Lichtquelle, die alle Anforderungen für genaues und hochpräzises Eye Tracking erfüllt:

• Unsichtbar für das menschliche Auge

Nahinfrarotlicht ist für das menschliche Auge unsichtbar - es verursacht kein Unbehagen und lenkt die Person, die sich vor dem Eye Tracker befindet, nicht ab.

• Stabile Beleuchtung unter verschiedenen Bedingungen

Nahinfrarotlicht interferiert im Vergleich zum sichtbaren Spektrum weniger mit dem Umgebungslicht. Dies gewährleistet eine zuverlässige und genaue Beleuchtung der Hornhaut und sorgt für stabile Eye Tracking-Ergebnisse in unterschiedlichen Umgebungen.

Arten von Eye Tracking-Geräten und ihre Funktionsweise

Videobasierte Eye Tracker sind die am häufigsten verwendeten modernen Eye Trackers und lassen sich in die folgenden Typen unterteilen:

• bildschirmbasierte Eye Tracker, auch bekannt als Remote Eye Tracker

• Mobile Eye Trackers oder einfach Eye Tracking-Brillen

• Integrierte oder eingebettete Systeme oder Augmented Reality-Geräte (z. B. XR)

Bildschirmbasierte Eye Tracker von Tobii

Wie der Name schon sagt, wird der bildschirmbasierte Eye Tracker auf dem Desktop- oder Laptop-Bildschirm angebracht (Abbildung 4). Bildschirmbasierte Eye Tracker berechnen die Position und den Blickpunkt des Auges auf dem Computerbildschirm. Bildschirmbasierte Eye Tracker werden häufig in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt, aber auch zur Verbesserung des Spielerlebnisses oder zur Verbraucherforschung.

Tragbare Eye Tracker von Tobii

Der tragbare Eye Tracker oder einfach Eye Tracker-Brille wird wie eine normale Brille getragen (Abbildung 5). Der tragbare Eye Tracker verfügt über eine Frontkamera, die aufzeichnet, wohin der Benutzer blickt, und so Einblicke in reale Umgebungen aus erster Hand ermöglicht. Der tragbare Eye Tracker wird häufig in der wissenschaftlichen Forschung, in der Nutzer- und Verbraucherforschung sowie in der Schulung und Bewertung eingesetzt.

Eye Tracking im XR-Headset integriert

Erweiterte Realität (XR) ist ein Überbegriff, der immersive Technologien beschreibt. Die wichtigsten Arten sind Virtual Reality (VR), Augmented Reality (AR) und Mixed Reality (MR).

In einem XR-Headset umfassen die Eye Tracking-Komponenten in der Regel Kameras und Lichtquellen, die in einer ringähnlichen Struktur zwischen dem Benutzer und dem Display angeordnet sind (Abbildung 6). Die zentralen Algorithmen des maschinellen Lernens interpretieren das Kameramaterial, um Echtzeit-Datenpunkte wie Pupillengröße, Blickvektor und Augenöffnung zu generieren. Diese Informationen können verwendet werden, um die Aufmerksamkeit und den kognitiven Zustand des Benutzers zu verstehen und seine Absichten zu antizipieren.

Eye Tracking kann in Brillen integriert werden, indem entweder alle Eye Tracking-Komponenten vollständig in die Brillengläser eingebettet werden, alle Komponenten nahtlos in den Brillenrahmen integriert werden oder eine Kombination aus Einbettung in die Gläser und in den Rahmen erfolgt (Abbildung 7). All dies unter Verwendung von Tobii-Technologie und Eye Tracking-Referenzdesigns.

Eye Tracking in XR Anwendungen erstreckt sich auf Bereiche wie Gesundheitswesen, Training, Simulation, UX Einblicke, MedTech, EdTech und wissenschaftliche Forschung.