眼動追蹤技術與虛擬現實實現

（上海交通大學，上海 200000）

一、引言

虛擬現實VR(Visual Reality)系統是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，使得用戶沉浸到其模擬環境中。用戶視野的獲取是VR系統中最基礎也是最重要的環節，VR技術的三大核心要素為交互性、沉浸感、想象力。現階段主要通過追蹤用戶頭部運動的方式來定位用戶視野，用戶通過扭動頭部獲取不同的視野。此方式與人類生活習慣相類似，易于使用者快速融入VR系統。

但是，單純的頭部跟蹤定位視野的方式會使得使用者易于疲勞，降低用戶體驗。基于此問題，更輕松和快速的視野定位系統—眼動跟蹤系統就應運而生。該系統首先通過放置在用戶頭部的攝像頭采集眼部圖像，然后將圖像傳送給處理芯片，處理芯片可以對圖像進行裁剪、去噪等初步處理后發送到圖像識別工作站，工作站將得到的圖像輸入到Deep Learning圖像識別模型中，最終跟蹤得到用戶的眼球位置，從而實現眼球跟蹤定位視野。

一方面，將頭部運動跟蹤與眼動跟蹤系統相結合，得到更為完善的VR視野定位系統，使用戶能夠完全以實際生活的本能適應虛擬現實，提升用戶體驗。

另一方面，通過眼動追蹤，得到的特殊眼球運動軌跡，可以作為VR系統中的特殊指令，加強眼部與系統的交互性。這樣，即可通過更便捷的眼球運動發布指令，提供更強大的交互性。通過眼球與頭部運動協調進行VR視野定位，在沉浸感上實現質的飛躍。

二、市場應用前景分析

眼動追蹤技術主要解決的主要問題如下：一是VR系統中根據頭部運動定位視野方向的方式使得使用者容易疲勞。通過跟蹤眼球修正視野，使用者能更輕松地融入虛擬現實。二是根據跟蹤眼球運動軌跡實現特定的操作指令。

（一）解決當前的VR暈屏問題

在目前現有的頭戴式虛擬現實頭盔或虛擬現實盒子技術中，暈屏（看屏幕時有惡心、暈眩的感覺）是最迫切需要解決的問題。在當前技術下，使用者在觀看或使用VR產品時，只能用頭部運動來變換視野。由于這種單純的頭部定位方式并不符合人類本能習慣，因此當使用時間過長或者需要在短時間內快速進行多個視覺焦點的變化時，會產生強烈的暈屏效應。該技術的成功實現，將可以很大程度地讓VR視野定位更加貼近人類視覺本能，減小暈屏感。

（二）為殘疾人提供使用VR技術的可能

在人體的身體構造上，眼球的運動是不受脊椎控制的。而對于相當一部分殘疾人來說，他們雖然失去了四肢的運動能力，但是眼球的活動仍然是自如的。科技進步的意義在于造福人類，眼動追蹤技術可以給予殘疾人“無形的雙手”，自由的發布指令。因此，眼動追蹤技術在殘疾人配套設施領域，亦有相當廣闊的應用空間。

三、配套技術制約

周邊硬件是虛擬現實的重要組成部分。每一項新的智能硬件的成熟，或者其中的某個，某些關鍵技術點的突破，都能給智能媒體的形態帶來巨大變化。虛擬現實的硬件設備，應當有足夠能力支持以下兩種需要：

（一）自由的高速接入能力

隨著移動通信技術的提升，從3G到4G到現在的5G試點，Wi-Fi成為室內甚至是公共區域的標配，無線網絡已經十分普及。智能終端可通過移動通信網絡方便地接入到互聯網中。虛擬環境的展現需要和網絡技術結合才能發揮價值。這涉及三維動態模型的流式傳輸，而傳統的數據傳輸方式無法滿足這一要求。UC Berkeley和UIUC對于壓縮技術的研究證明，在實時三維重建技術或網絡帶寬取得突破之前，動態模型的實時壓縮與傳輸難以提高。

（二）數據處理能力和軟硬件的匹配

當前的智能終端硬件已具有類似PC的快速處理速度，可實現復雜處理能力，極大地減少了軟件運行限制，隨芯片技術持續提升還將進一步發展。但是隨著媒體智能化進程的進一步深入，需要處理的數據量會比現在更多更復雜，因此可能會需要超越PC級的信息處理能力。

正如前文所言，虛擬現實技術實現的過程，不僅僅是娛樂和顯示行業自身的一種進化和升級，而是將多種行業生態、多種技術融為一體的過程。如果某一項技術的發展較為緩慢，則無法充分服務于智能媒體中的其他功能。因此，上述的兩個重要的關鍵技術節點的協同發展，將直接影響虛擬現實技術的進步。

四、小結

虛擬現實技術通過獲取和記錄用戶在虛擬現實中的不同動作，可將數據進行一定的處理后進行深度數據挖掘，得到更貼近用戶的VR系統，從而使虛擬現實技術具有更廣闊的商業前景。