Окулометр - Oculometer

Окулометр это устройство, которое отслеживает движение глаз.[1][2] Окулометр вычисляет движение глаз, отслеживая отражение роговицы относительно центра ученица.[3]Окулометр, который может обеспечивать непрерывные измерения в режиме реального времени, может быть инструментом исследования для понимания взгляда, а также когнитивных функций. Кроме того, его можно использовать для управления без помощи рук.[3] Имеет применение в летной подготовке,[4] когнитивная оценка,[4] диагностика заболеваний,[5] и лечение.[6] Окулометр основан на том принципе, что когда коллимированный световой луч падает на глаз, направление, в котором движется глаз, пропорционально положению отражения этого светового луча от роговицы по отношению к центру зрачка.[3] Движение глаз можно точно измерить в линейном диапазоне более 20 с разрешением 0,1.[7]

История

Движение и отслеживание глаз изучались веками, с самых первых отслеживание глаз это простое наблюдение за глазами либо собой, либо другим.[4] Первое улучшение произошло в 1738 году, когда наблюдатель почувствовал закрытые веки снаружи, чтобы отследить движение глаз.[4] Затем, в 1879 году, появилась инновация - слушать движения мышц с помощью кимограф был реализован.[4] Хотя эти ранние методы и являются примитивными, они демонстрируют повторяющуюся потребность в отслеживании движений глаз на протяжении всей истории.[4]

Первое настоящее устройство слежения за глазами было изобретено Хьюи в 1898 году.[4] Для работы на этом устройстве требовалось связаться с роговица, что ограничивало его удобство, удобство использования и универсальность.[4]

Только в 20 веке появился надежный, бесконтактный современный айтрекер. Это устройство, называемое фотокорнографом, работало путем фотографирования движения глаз на основе отражения от роговицы.[4] Это устройство регистрировало только горизонтальные движения, пока в работе Джадда и его коллег в 1905 году не были добавлены временные и вертикальные записи.[4]

Из-за того, что устройство отслеживания взгляда широко применяется для авиаторов и пилотов, НАСА и ВВС США провели обширные исследования этой технологии, продвигая эту область вперед.[4] Многое из этого произошло в 1970-х и 1980-х годах.[4] Однако даже после этого обширного исследования окулометры оставались громоздкими и технически сложными.[3]

Окулометры исследовательского класса наконец-то получили удобный для пользователя дизайн, и с недавнего времени появились коммерческие устройства. Эти низкопрофильные устройства можно носить с очками ненавязчиво.[6]

Преимущества

Поскольку принципы, регулирующие работу окулометра, основаны на относительно простой концепции (электрооптическое зондирование глаза), это гарантирует, что окулометр будет работать всякий раз, когда пользователь видит.[3] Кроме того, положение отражения коллимированного луча от роговицы может быть приблизительно равно плоскости зрачка. Это подразумевает минимальную ошибку параллакса между отражением роговицы и центром зрачка, что делает окулометр нечувствительным к изменениям положения головы во время измерений. Эти свойства окулометра гарантируют минимальное вмешательство в повседневную деятельность пользователя во время измерений. Это также устраняет необходимость в обширном оборудовании, таком как прикусные пластины или жесткий зажим для черепа для измерений.

Оптические компоненты[3]

  • Источник света: Источник освещения, например электронно-лучевая трубка или трубка модулятора свечения
  • Фильтр: свет фильтруется таким образом, что свет, падающий на глаза, находится в ближнем инфракрасном диапазоне
  • Поляризатор: свет от источника поляризован для захвата только истинных отражений роговицы
  • Окуляр: пользователь смотрит через линзу объектива в окуляр, через который световой луч проходит, освещая глаз
  • Линзы: две коллимирующие линзы
  • Делители луча: один светоделитель направляет видимый свет в глаза, другой - на детектор
  • Детектор: силиконовая диодная камера записывает измерения
Схема окулометра, изображающая расположение источника света, линзы объектива, светоделителя, двух поляризационных линз, детектора и окуляра.

Общие принципы

Движение глаз можно количественно определить по отражению от роговицы. Однако в этом случае движение головы также вызовет запись движения.[4] Этого можно избежать, жестко закрепив голову, чтобы предотвратить любые движения, однако это навязчиво и неудобно для пользователя и не широко применимо для исследований на людях. Или весь аппарат может быть установлен на голове, что также громоздко и неудобно. Лучшее решение - измерение двух параметров, таких как отражение роговицы и движение зрачка (на основе центра зрачка).[8]

Оптический дизайн

Оптическая конструкция окулометра обеспечивает нормальное зрение, направляет свет от фиксированного внутреннего источника на глаз пользователя и формирует изображение зрачка на детекторе.[3] Базовая конструкция линз включает фиксированный наглазник и регулируемую линзу объектива, за которыми следуют 2 светоделителя. Устройство также состоит из поляризационной системы для поляризации света от источника (обычно трубки модулятора свечения) в направлении H. Чтобы ослабить свет от источника за счет отражений в окуляре, на оптическом пути размещается линейный поляризатор в направлении V. Между глазом и окуляром помещается четвертьволновая пластинка, которая поворачивает плоскость поляризации на 90 градусов, гарантируя, что V-поляризатор не ослабит истинные отражения роговицы.

Источник света и детектор расположены коаксиально. Когда глаз движется, отражение от роговицы смещается от центра зрачка.[8] Это смещение измеряется

[8]

D - смещение, это расстояние от центра роговицы, - угол наклона оптической оси глаза к окулометру.[8]

Возле инфракрасный свет (NIR) (длина волны от 750 до 2500 нм) используется по нескольким причинам.[8] Во-первых, ближний ИК-свет менее заметен человеческим глазом, чем другие длины волн видимого света, поэтому световой пучок ближнего ИК-диапазона менее навязчив или заметен для пользователя.[8] Во-вторых, при такой конфигурации зрачок подсвечивается сзади, что приводит к яркому диску, эффективно отличающему зрачок от остальной части глаза и лица.[8]

Обычно окулометр состоит из окуляра, через который видит пользователь. Существует альтернативная конструкция, в которой окулометр закреплен на голове. Эта конструкция не включает традиционный окуляр, и пользователь видит сквозь прозрачный изогнутый козырек, расположенный перед его глазами.

Электронный дизайн

Традиционный окулометр работает в двух режимах: в режиме сбора данных и отслеживания.[3] Когда пользователь впервые видит сквозь окуляр, грубое растровое сканирование фиксирует черный зрачок и яркие отражения от роговицы.[3] Затем устройство автоматически переключается в режим отслеживания, в котором при сканировании с временным мультиплексированием фиксируются непрерывные измерения направления взгляда.[3] Направление глаза из сканирований с мультиплексированием с временным разделением вычисляется путем наложения положений сканирования, отражающих роговицу, и положений зрачка.[3] В случае неисправности устройства или потери непрерывности из-за того, что пользователь моргает, устройство переключается обратно в режим сбора данных, пока отслеживание не будет восстановлено.[3] В последних разработках режим сбора данных был автоматизирован, чтобы гарантировать, что граница зрачка / радужной оболочки мгновенно фиксируется, как только пользователь видит через окуляр.[3] Автоматизация также привела к автоматическому переключению в режим слежения после получения начального захвата или после того, как пользователь моргнул.[3]

Приложения

Пилотажный самолет

Окулометр широко используется в области авиация.[4] Один из них - понять, достаточно ли когнитивных способностей для получения разрешения на полет. Кроме того, в программах полета окулометр может использоваться для информирования о конструкции кабины с точки зрения приборных панелей, путем изучения взглядов пилотов во время полета.[4] Наконец, окулометр также полезен для подготовки авиаторов.[4] Понимание того, как конкретный пилот просматривает свое поле зрения во время полета, позволяет получать индивидуальную обратную связь от летных тренеров.[4] Он может предоставить инструкторам дополнительную информацию для оценки и дальнейшего обучения обучающихся пилотов. По этой причине НАСА и Вооруженные силы США использовали окулометры в своих программах обучения, создав в конце 1900-х годов технику тренировочной ленты окулометра.[4]

НАСА

Исследовательский проект НАСА в отношении окулометра заключался в том, чтобы реализовать способность человека управлять машиной с помощью глаз, что в первую очередь требует измерения движения глаз. НАСА разработало телескопический окулометр, в котором пользователь смотрит в окуляр, и, учитывая, что пользователь может видеть через окуляр, движения глаз будут измеряться.[3]

Одним из конкретных приложений окулометрических усилий НАСА является контроль глаз Отряд маневрирования космонавта (AMU).[3] Когда космонавт находится в космосе и хочет переместиться, AMU облегчает это. Однако управлять таким агрегатом - нетривиальная задача.[3] Ручное / ручное управление затруднено, так как существует много осей и, следовательно, много мышечных выходов, необходимых для координации трехмерного движения.[3] Однако управление глазами было бы проще реализовать с помощью окулометра.[3]  

Когнитивная оценка

Авиация требует сильной и четкой когнитивной функции, а глаз является частью центральной нервной системы, поскольку они являются расширениями мозга, связывающими когнитивные функции со здоровой функцией глаз.[4] Следовательно, окулометры могут функционировать как инструменты когнитивной оценки.[4]

Диагностика болезни Паркинсона

Аномальные движения глаз являются признанным биомаркером многих двигательных заболеваний, включая: Болезнь Паркинсона.[9] Предполагается, что каждое моторное заболевание вызывает различные характерные особенности аномалий движения глаз.[9] Поэтому использование этих паттернов движения глаз как диагностического инструмента, так и для мониторинга прогрессирования заболевания представляет научный интерес.[9] Поэтому в этой области используются окулометры для отслеживания движения глаз.[9] Использование окулометров для диагностики двигательных заболеваний является многообещающим, хотя еще не прошло апробацию в клинике.[9]

В частности, для болезни Паркинсона характерный паттерн аномалий движения глаз проявляется в виде горизонтальных саккад (быстрое, сопряженное движение глаз, которое смещает центр поля зрения).[5] Пациенты с болезнью Паркинсона демонстрировали высокую неспособность выполнять антисаккадические задачи (движение глаз в направлении, противоположном начальному триггеру).[5] Таким образом, измерение антисаккад позволяет ученым определять ранние стадии болезни Паркинсона.[5] Эти исследования все еще находятся на стадии исследования.[5]

Умные очки

Для этого приложения электронная конструкция традиционного окулометра была изменена, чтобы заменить сложную обработку видео в реальном времени, так что окулометр мог поместиться на легкие очки и иметь относительно длительный срок службы батареи.[6] Умные очки используются для исправления ошибок зрения, связанных с возрастом, с одновременным восстановлением нормального зрения.[6] В «умных» очках используются настраиваемые окуляры по сравнению с фиксированными линзами, используемыми в обычных очках.[6]

Эти очки работают, проецируя свет с нескольких разных направлений с помощью инфракрасного излучения. Светодиоды на глазное яблоко пользователя и принимает преломленный свет от дискретных инфракрасных датчиков приближения, также размещенных в нескольких разных местах.[6] Использование нескольких детекторов не только позволяет использовать окулометры как легкие носимые устройства, но также гарантирует, что сигналы, обнаруживаемые сенсорами, не зависят от внешнего освещения.[6] Это свойство позволяет устройству работать в темноте.[6] Основным недостатком использования датчиков по сравнению с непрерывной обработкой видео является значительное снижение точности, поскольку измерения уменьшаются как по частоте, так и по количеству измерений.[6]

Другие приложения

Другое возможное применение окулометров, которое все еще находится в стадии разработки, включает: управления воздушным движением для операторов, чтобы обозначать воздушное судно движением глаз;[10] в лазерной связи в динамических ситуациях, когда операторы могут передавать сигналы, глядя на сигнал; в телевизионных системах для отслеживания направления глаз при просмотре телевизионного дисплея, чтобы сенсорные потребности глаза могли быть удовлетворены с более низкой полосой пропускания; и в психологических тестах для анализа образов, которых пациенты стараются избегать.

Рекомендации

  1. ^ Кроуфорд, Дэниел; Бёрдетт, Дэниел; Капрон, Уильям (1994-01-01). «Методы, используемые для анализа данных сканирования глаз окулометра, полученных с дисплея управления воздушным движением».
  2. ^ «LoCO: недорогой окулометр для дисплеев носимых компьютеров». www.sbir.gov. НАС.: Исследование инноваций малого бизнеса, Правительство США.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s Купец Дж. (01.07.1967). «Окулометр». НАСА. Проверить значения даты в: | дата = (помощь)
  4. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т Видулич, Михаил А .; Цанг, Памела С. (11.02.2019). Повышение эффективности авиации за счет применения инженерной психологии: достижения в авиационной психологии. CRC Press. ISBN  9780429960147.
  5. ^ а б c d е Antoniades, C.A .; Hu, M .; Кеннард, К. (2012-11-01). «Нарушение антисаккад при болезни Паркинсона». Журнал неврологии, нейрохирургии и психиатрии. 83 (Приложение 2): A10. Дои:10.1136 / jnnp-2012-304200a.39. ISSN  0022-3050. S2CID  75265389.
  6. ^ а б c d е ж грамм час я Мастранджело, А. С .; Карханис, М .; Likhite, R .; Bulbul, A .; Kim, H .; Mastrangelo, C.H .; Hasan, N .; Гош, Т. (июль 2018 г.). «Низкопрофильный цифровой окулометр с отслеживанием взгляда для умных очков». 2018 11-я Международная конференция по взаимодействию человеческих систем (HSI): 506–512. Дои:10.1109 / HSI.2018.8431368. ISBN  978-1-5386-5024-0. S2CID  52004561.
  7. ^ Бах, М .; Bouis, D .; Фишер, Б. (1 сентября 1983 г.). «Точный и линейный инфракрасный окулометр». Журнал методов неврологии. 9 (1): 9–14. Дои:10.1016/0165-0270(83)90103-6. ISSN  0165-0270. PMID  6415349. S2CID  6569293.
  8. ^ а б c d е ж грамм Гейл, А. Г. (1981-05-01). «Недорогой окулометр для исследования человеческого фактора». Методы и инструменты исследования поведения. 13 (3): 385–388. Дои:10.3758 / BF03202041. ISSN  1554-3528.
  9. ^ а б c d е Фитцджеральд, Джеймс Дж .; Лу, Чжунцзяо; Jareonsettasin, Prem; Антониадес, Кристалина А. (2018). «Количественная оценка моторных нарушений при двигательных расстройствах». Границы неврологии. 12: 202. Дои:10.3389 / фнинс.2018.00202. ЧВК  5904266. PMID  29695949.
  10. ^ Смит, Кристофер С .; Доминесси, Мэри Э. (2016-08-06). «Сравнение окулометра и сетки с фиксированной головкой с голосом или переключателем для взаимодействия с тактическим дисплеем». Материалы ежегодного собрания Общества человеческого фактора. 32 (2): 116–120. Дои:10.1177/154193128803200225. S2CID  67095431.