안구계

Oculometer

안구계는 눈의 [1][2]움직임을 추적하는 장치이다.안구계는 [3]동공의 중심을 기준으로 각막 반사를 추적하여 눈의 움직임을 계산합니다.연속적인 측정을 실시간으로 제공할 수 있는 안구계는 시선과 인지 기능을 이해하는 연구 도구가 될 수 있다.또한 핸즈프리 [3]제어에도 적용할 수 있다.그것은 비행 훈련,[4] [4]인지 평가, 질병 진단,[5] [6]치료에 응용된다.안구계는 시준된 빛이 눈에 입사할 때, 눈이 움직이는 방향은 [3]동공의 중심에 대한 각막으로부터의 빛 반사의 위치에 비례한다는 원리에 의존합니다.눈동자의 움직임은 해상도 0.1µ(\^{\[7]로 20µ^{\ 이상의 선형 범위에서 정확하게 측정할 수 있습니다.

역사

눈의 움직임과 추적은 수 세기 동안 연구되어 왔으며, 최초의 눈 추적은 그 자신이나 [4]다른 사람에 의한 단순한 눈의 관찰이었다.이것에 대한 첫 번째 개선은 관찰자가 눈의 [4]움직임을 추적하기 위해 감은 눈꺼풀의 바깥을 느낄 수 있었던 1738년에 일어났다.그 다음 1879년에는 카이모그래프를 사용하여 근육의 움직임을 듣는 혁신이 시행되었다.[4]비록 기초적이지만, 이러한 초기 기술은 역사를 통해 눈동자의 [4]움직임을 추적해야 하는 반복적인 필요성을 보여준다.

최초의 진정한 시선 추적 장치는 1898년 [4]Huey에 의해 발명되었다.작동하기 위해 이 장치는 각막에 접촉해야 했고, 이로 인해 편안함, 사용성 [4]및 일반화가 제한되었습니다.

20세기가 되어서야 튼튼한 비접촉 현대식 아이 트래커가 결실을 맺게 되었다.포토노그래프라고 불리는 이 장치는 [4]각막의 반사에 기초한 눈의 움직임을 촬영함으로써 작동했다.이 장치는 1905년 저드와 동료들의 작업이 시간적 [4]기록과 수직적 기록을 모두 추가할 때까지 수평적 움직임만을 기록했습니다.

항공사와 조종사에 대한 시선 추적 장치의 많은 적용으로 인해, NASA와 미국 공군은 이 기술에 대한 광범위한 연구를 수행하였고, 이 분야를 [4]발전시켰다.이것의 대부분은 1970년대와 1980년대에 [4]일어났다.그러나 이러한 광범위한 연구에도 불구하고, 안구계는 부피가 크고 기술적으로 어려운 [3]상태로 남아있었다.

연구용 안구계는 마침내 사용자 친화적인 재설계를 받았고, 최근 상용 기기를 사용할 수 있게 되었습니다.눈에 띄지 않는 이 장치들은 안경 [6]위에 비침투적으로 착용할 수 있다.

이점

안구계의 작동을 제어하는 원리는 비교적 단순한 개념(안구의 전기 광학 감지)에 의존하기 때문에 사용자가 [3]볼 때마다 안구계가 작동하도록 보장합니다.또한 각막으로부터의 시준빔의 반사위치를 동공면상에 근사할 수 있다.이는 각막 반사와 동공 중심 사이의 시차 오차가 최소화됨을 의미하며, 따라서 측정 중 안구계가 머리 위치의 변화에 둔감하게 만든다.이러한 안구계의 특성은 측정 중 사용자의 일상적인 활동에 대한 간섭을 최소화합니다.또한 측정을 위한 물림판이나 단단한 두개골 클램핑과 같은 광범위한 장비가 필요하지 않습니다.

광학[3] 컴포넌트

  • 광원:브라운관 또는 글로우 변조관 등의 조명원
  • 필터: 눈에 입사하는 빛이 적외선에 근접하도록 빛을 필터링합니다.
  • 편광자: 광원으로부터의 빛은 편광되어 진정한 각막 반사만을 포착합니다.
  • 접안렌즈: 사용자는 접안렌즈를 통해 대물렌즈를 통해 조명 빔이 눈을 조사합니다.
  • 렌즈: 콜리메이션 렌즈 2개
  • 빔 스플리터: 한 빔 스플리터는 눈에 가시광선을 보내고 다른 빔 스플리터는 검출기에 빛을 보냅니다.
  • 검출기: 실리콘 다이오드 카메라가 측정치를 기록합니다.
광원, 대물렌즈, 빔 스플리터, 편광렌즈, 검출기 및 접안렌즈의 배치를 나타내는 안경의 개략도.

일반 원칙

눈의 움직임은 각막의 반사로 측정할 수 있다.그러나 이 경우 헤드의 움직임도 [4]기록될 수 있습니다.이는 움직이지 않도록 머리를 단단히 고정함으로써 극복할 수 있지만, 이는 사용자에게는 거슬리고 불편하며 인체 연구 연구에는 광범위하게 적용되지 않는다.또는 전체 장치를 헤드에 장착할 수 있으며, 마찬가지로 부피가 크고 불편합니다.더 나은 해결책은 각막 반사 및 동공 움직임과 같은 두 가지 매개변수를 측정하는 것입니다(동공 [8]중심 기준).

광학 설계

안경계의 광학 디자인은 정상적인 시야를 허용하고, 고정된 내부 광원의 빛을 사용자의 눈으로 향하게 하며,[3] 검출기에 동공의 이미지를 형성합니다.기본 렌즈 설계에는 고정 아이피스와 조절 가능한 대물 렌즈가 포함되며, 그 다음에 빔 스플리터 2개가 이어집니다.또한 이 장치는 소스(일반적으로 글로우 변조 튜브)의 빛을 H 방향으로 편광하는 편광 시스템으로 구성됩니다.접안렌즈 내의 반사를 통해 소스로부터의 빛을 감쇠시키기 위해 광로 내에 V방향의 직선편광자를 배치한다.4분의 1파판이 눈과 안구 사이에 배치되어 편광면을 90도 회전시킴으로써 V편광자가 진정한 각막 반사를 감쇠시키지 않도록 한다.

광원과 검출기는 동축으로 정렬됩니다.눈이 움직일 때, 각막의 반사가 동공 중심에서 [8]변위합니다.이 변위는 다음과 같이 측정됩니다.

[8]

D는 변위, {}는 각막 중심으로부터의 거리,{displaystyle \}는 안구계에 [8]대한 눈의 광학축 기울기 각도이다.

근적외선(NIR)(약 750nm ~ 2,500nm 파장)이 사용되는 이유는 [8]몇 가지입니다.첫째, NIR광은 다른 파장의 가시광선보다 인간의 눈에 잘 띄지 않기 때문에 [8]NIR광선은 사용자의 간섭이나 눈에 잘 띄지 않는다.둘째, 이 구성에서는 동공이 백라이트 되어 밝은 디스크가 생성되어 동공이 눈과 [8]얼굴의 나머지 부분과 효과적으로 구별됩니다.

일반적으로 안경은 사용자가 볼 수 있는 접안렌즈로 구성됩니다.안구계가 머리에 장착될 경우 대체 설계가 존재합니다.이 배치에는 기존의 아이피스는 포함되지 않으며 사용자는 자신의 눈 앞에 놓인 투명하고 구부러진 바이저를 통해 볼 수 있습니다.

전자 설계

기존의 안구계는 수집 모드와 추적 [3]모드라는 두 가지 모드로 작동합니다.사용자가 처음 안구를 볼 때, 거친 래스터 스캔은 검은 동공과 [3]각막의 밝은 반사를 포착합니다.그런 다음 장치는 시분할 멀티플렉스-스캔이 시선 [3]방향의 연속 측정을 획득하는 추적 모드로 자동 전환됩니다.시분할다중스캔으로부터의 시선방향은 각막반사의 스캔위치와 동공위치의 [3]중첩에 의해 계산된다.사용자가 눈을 깜박거려 기기가 오작동하거나 연속성이 손실되는 경우 추적 기능이 [3]복구될 때까지 기기가 다시 수집 모드로 전환됩니다.최근 디자인에서는 획득 모드가 자동화되어 사용자가 아이피스를 [3]투시하면 눈동자/홍채 경계를 즉시 포착할 수 있습니다.또한 자동화를 통해 최초 획득 후 또는 사용자가 [3]깜박인 후 추적 모드로 자동 전환됩니다.

적용들

조종 항공기

항공 [4]분야에서는 안구계의 용도가 많다.하나는 인지능력이 비행허가에 충분한지 이해하는 것이다.또한, 비행 프로그램은 조종사들이 [4]비행하는 동안 시선을 연구함으로써 계기판의 관점에서 조종석 설계를 알려주기 위해 안구계를 사용할 수 있다.마지막으로, 비행사 훈련도 [4]안경의 혜택을 받았다.특정 조종사가 비행 중에 시야를 스캔하는 방법을 이해하면 비행 [4]코치의 개인화된 피드백을 받을 수 있습니다.그것은 강사에게 학습 파일럿을 평가하고 지도하기 위한 더 많은 정보를 제공할 수 있다.이 때문에 NASA와 미군은 1900년대 [4]후반 안구계 훈련용 테이프 기술을 개발하면서 안구계를 훈련 프로그램에 활용했다.

NASA

NASA의 안구계에 관한 연구 프로젝트는 사람이 눈을 이용하여 기계를 조종할 수 있는 능력을 실현하는 것이었는데, 이것은 우선 눈의 움직임 측정을 필요로 한다.NASA는 사용자가 접안렌즈를 통해 볼 수 있는 망원경 안구계를 개발했으며, 사용자가 접안렌즈를 통해 볼 수 있게 되면 눈의 움직임을 [3]측정할 것이다.

NASA의 안구계 노력의 한 가지 특별한 적용 분야는 우주 비행사 기동 유닛(AMU)[3]의 아이 컨트롤이다.우주 비행사가 우주에 있고 움직이고 싶을 때, AMU는 이것을 용이하게 한다.그러나 이러한 유닛을 제어하는 것은 간단한 [3]작업이 아닙니다.수동/핸드 컨트롤은 축이 많고 따라서 3D [3]움직임을 조정하는 데 많은 근육 출력이 필요하기 때문에 어렵습니다.하지만, [3]눈 조절은 안구계로 시행하기가 더 쉬울 것이다.

인지평가

항공은 강하고 날카로운 인지 기능을 필요로 하며, 눈은 뇌의 확장인 중추신경계의 일부로서 인지 기능과 건강한 눈 기능을 연결시킨다.[4]그러므로 안구계는 인지 평가 [4]도구로서 기능할 수 있다.

파킨슨병 진단

비정상적인 눈의 움직임은 파킨슨병을 [9]포함한 수많은 운동 질환의 확립된 생체 지표이다.각각의 운동 질환은 각기 다른 특징적인 안구 운동 [9]이상 패턴을 만들어 낼 것으로 예상된다.따라서 이러한 안구 운동 패턴을 진단 도구와 질병 진행 상황을 모니터링하는 데 모두 사용하는 것은 과학적으로 관심이 [9]있어 왔다.따라서 이 영역에서는 안구 운동을 [9]추적하는 데 안구계가 사용됩니다.운동 질환 진단에 안구계를 사용하는 것은 유망하지만,[9] 클리닉에서는 아직 검증되지 않았습니다.

특히 파킨슨병의 경우, 안구 운동 이상 징후는 수평 주머니(시야 [5]중앙을 이동하는 급속, 켤레, 안구 운동)로 나타난다.파킨슨병 환자는 반신상 과업(발작 [5]트리거와 반대 방향으로 안구 움직임) 수행에 높은 불안정성을 보였다.따라서 항우울제 측정은 과학자들이 파킨슨병의 [5]초기 단계를 발견할 수 있게 해준다.이 연구들은 아직 연구 [5]단계에 있다.

스마트 안경

이 응용 프로그램에서는 기존의 안경의 전자 설계가 수정되어 복잡한 실시간 비디오 처리를 대체하여 안경이 경량이고 배터리 [6]수명이 비교적 길 수 있습니다.스마트 안경은 정상 [6]시력을 회복하면서 노화 관련 조건에 따른 시력 오류를 교정하는 데 사용됩니다.스마트 안경은 기존 [6]안경에 사용되는 고정 렌즈에 비해 조절 가능한 접안경을 활용한다.

이 안경은 적외선 LED를 사용하여 사용자의 안구에 여러 방향의 빛을 투사하여 작동하며 여러 [6]위치에 배치된 개별 적외선 근접 센서로부터 굴절된 빛을 받습니다.여러 개의 검출기를 사용하면 안구계를 경량 웨어러블로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 센서에 의해 감지된 신호가 외부 [6]조명에 의존하지 않도록 할 수 있습니다.이 속성을 통해 어두운 [6]조건에서도 장치를 작동할 수 있습니다.연속 비디오 처리에 비해 센서 사용의 주요 단점은 측정 주파수와 [6]측정 횟수가 모두 감소하기 때문에 정확도가 크게 떨어진다는 것입니다.

기타 응용 프로그램

, 아직 개발 현재 받고 있oculometers의 다른 잠재적인 작용 공기 교통 통제를 위해 사업자 눈 움직임을 통해 항공기 지정하는 데에 뜻하TV장치에는 눈 방향을 감시하기 운영자들은 신호를 보고신호를 전송할 수도 역동적인 상황에서 레이저 통신에[10]을 포함한다. 그더 낮은 대역폭으로 눈의 감각 요건을 충족할 수 있는 텔레비전 디스플레이; 그리고 환자들이 피하는 경향이 있는 이미지의 패턴을 분석하기 위한 심리 테스트에서.

레퍼런스

  1. ^ Crawford, Daniel; Burdette, Daniel; Capron, William (1994-01-01). "Techniques used for the analysis of oculometer eye-scanning data obtained from an air traffic control display".
  2. ^ "LoCO: A Low-Cost Oculometer for Head-mounted Wearable Computer Displays". www.sbir.gov. U.S.: Small Business Innovation Research, United States Government.
  3. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s Merchant, J (July 1, 1967). "The Oculometer". NASA.{{cite journal}}: CS1 maint :url-status (링크)
  4. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t Vidulich, Michael A.; Tsang, Pamela S. (2019-02-11). Improving Aviation Performance through Applying Engineering Psychology: Advances in Aviation Psychology. CRC Press. ISBN 9780429960147.
  5. ^ a b c d e Antoniades, C. A.; Hu, M.; Kennard, C. (2012-11-01). "Impaired Antisaccades in Parkinson's Disease". Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry. 83 (Suppl 2): A10. doi:10.1136/jnnp-2012-304200a.39. ISSN 0022-3050. S2CID 75265389.
  6. ^ a b c d e f g h i Mastrangelo, A. S.; Karkhanis, M.; Likhite, R.; Bulbul, A.; Kim, H.; Mastrangelo, C. H.; Hasan, N.; Ghosh, T. (July 2018). "A Low-Profile Digital Eye-Tracking Oculometer for Smart Eyeglasses". 2018 11th International Conference on Human System Interaction (HSI). 2018: 506–512. doi:10.1109/HSI.2018.8431368. ISBN 978-1-5386-5024-0. PMC 8528137. PMID 34676133. S2CID 52004561.
  7. ^ Bach, M.; Bouis, D.; Fischer, B. (1983-09-01). "An accurate and linear infrared oculometer". Journal of Neuroscience Methods. 9 (1): 9–14. doi:10.1016/0165-0270(83)90103-6. ISSN 0165-0270. PMID 6415349. S2CID 6569293.
  8. ^ a b c d e f g Gale, A. G. (1981-05-01). "An inexpensive oculometer for human factors research". Behavior Research Methods & Instrumentation. 13 (3): 385–388. doi:10.3758/BF03202041. ISSN 1554-3528.
  9. ^ a b c d e Fitzgerald, James J.; Lu, Zhongjiao; Jareonsettasin, Prem; Antoniades, Chrystalina A. (2018). "Quantifying Motor Impairment in Movement Disorders". Frontiers in Neuroscience. 12: 202. doi:10.3389/fnins.2018.00202. PMC 5904266. PMID 29695949.
  10. ^ Smyth, Christopher C.; Dominessy, Mary E. (2016-08-06). "Comparing Oculometer and Head-Fixed Reticle with Voice or Switch for Tactical Display Interaction". Proceedings of the Human Factors Society Annual Meeting. 32 (2): 116–120. doi:10.1177/154193128803200225. S2CID 67095431.