一種新型眼動(dòng)儀準(zhǔn)確性的初步研究

郭銳

南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院 眼科，江蘇 南京 210029

引言

眼動(dòng)儀是眼球運(yùn)動(dòng)跟蹤設(shè)備的統(tǒng)稱，通常根據(jù)眼球跟蹤測量的方法大致可分為：瞳孔-角膜反射向量法、眼電圖法、虹膜-鞏膜邊緣法、角膜反射法、雙普金野像法、接觸鏡法六種[1-5]。目前，眼動(dòng)儀主要應(yīng)用于廣告心理學(xué)[6-7]、市場研究[8]、人機(jī)交互[9-10]、動(dòng)態(tài)分析[11-12]、網(wǎng)站可用性研究[13]等領(lǐng)域。在眼科學(xué)領(lǐng)域，激光手術(shù)術(shù)中眼球跟蹤早有應(yīng)用[14]，還可見關(guān)于眼球微掃視運(yùn)動(dòng)的研究報(bào)道[15-16]。實(shí)際上，各種基于不同跟蹤測量方法的眼動(dòng)儀存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，總體而言價(jià)格昂貴，設(shè)計(jì)較復(fù)雜。而本文介紹的是一種新型的、簡易設(shè)計(jì)的眼動(dòng)儀，試圖通過定位角膜反光點(diǎn)的不同位置，計(jì)算出被試者與視標(biāo)之間的不同距離。通過實(shí)驗(yàn)，我們得到了較好的結(jié)果，初步驗(yàn)證了該設(shè)備的準(zhǔn)確性和可靠性。這對(duì)于自動(dòng)對(duì)焦、虛擬圖像投射等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 材料和方法

1.1 臨床資料

本文共有23位被試者參與了實(shí)驗(yàn)（男性12位，女性11位），年齡18～73歲，平均年齡為（37.61±19.64）歲，均簽署了知情同意書。所有被試者的最佳矯正視力至少為5.0，均不配戴框架眼鏡，且無青光眼、白內(nèi)障、眼底病等病史，通過遮蓋-去遮蓋法檢查排除斜視/隱斜。所有被試者均進(jìn)行瞳距測量，其瞳距為61～69 mm，平均值（63.74±2.32）mm。

1.2 儀器與方法

眼動(dòng)儀裝置將兩組近紅外LED和微型攝像頭分別整合在眼鏡試鏡架左右兩側(cè)（圖1）。LED投射方向?yàn)橛裳劬Ρ巧戏酵渡湎蚪悄ぶ醒耄瑘D像是由攝像頭拍攝采集，經(jīng)過檢測和處理，設(shè)備利用每個(gè)不同注視視標(biāo)的角膜反光中心和每個(gè)眼睛的瞳孔中心之間的距離作為校準(zhǔn)參數(shù)，然后通過算法計(jì)算視標(biāo)的距離。

被試者的固定裝置采用裂隙燈升降臺(tái)進(jìn)行改造而成，可以移動(dòng)升降臺(tái)以改變距離，分別在不同距離采集圖像。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了不同間距5×5排列的25個(gè)視標(biāo)矩陣，視標(biāo)為實(shí)心正方形，其作用主要是為了供被試者注視。近距離（35 cm）和中遠(yuǎn)距離（70 cm）矩陣視標(biāo)橫向縱向間距均為5 cm，遠(yuǎn)距離（400 cm）矩陣視標(biāo)橫向間距為40 cm，縱向間距為20 cm。LED和照相機(jī)的電源分開。輸入電壓LED應(yīng)該是1.4～1.5 V，根據(jù)亮度和電壓環(huán)境，相機(jī)應(yīng)該是2.80～2.97 V，確保降低圖像噪聲。攝像機(jī)的信號(hào)線用黃色和字母“L”和“R”標(biāo)記，以區(qū)分左右相機(jī)。拍照時(shí)，由左到右看個(gè)人習(xí)慣手動(dòng)改變。PC機(jī)的圖像采集是通過Skype軟件的網(wǎng)絡(luò)攝像頭來完成。圖片可以在PC機(jī)上手工拍攝，只要它執(zhí)行快速響應(yīng)，圖像上無任何附帶水印，也可以采用其他類似的方案替代。眼動(dòng)儀的整體連接，見圖2。

圖1 眼動(dòng)儀裝置示意圖

估算距離的獲得需要兩步：① 校準(zhǔn)；② 計(jì)算。被試者配戴眼動(dòng)儀和保持頭部穩(wěn)定在裂隙燈升降臺(tái)的下頜托休息（圖3）。告知被試者前方有5×5排列的25個(gè)視標(biāo)矩陣，每個(gè)視標(biāo)依次采用兩位數(shù)字編號(hào)，分別為11、12、13……53、54、55，其中第一位數(shù)字代表行，第二位數(shù)字代表列。囑被試者按順序注視各視標(biāo)，每個(gè)視標(biāo)采集左右眼各一幅圖像，分別在近距離、中距離、遠(yuǎn)距離不同距離進(jìn)行檢測（圖 4）。

圖3 檢查時(shí)受試者佩戴裝置將下巴放置于下頜托

圖4 5×5視標(biāo)所組成的矩陣

檢測過程中囑被試者下巴放置在升降臺(tái)的下頜托上，額頭靠在額托上，盡量保持不動(dòng)，圖像采集完畢后進(jìn)行編號(hào)，以便圖像識(shí)別及處理。校準(zhǔn)是處理過程中的關(guān)鍵步驟，在這個(gè)過程中需要準(zhǔn)確找到代表瞳孔和角膜反光點(diǎn)輪廓的橢圓，然后使用Matlab R2015b軟件按照設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行分析處理，這一步直接決定程序是否能正確地找到這兩個(gè)橢圓繼而找到角膜反光點(diǎn)和瞳孔中心位置，如圖5所示。

運(yùn)算完成后可獲得在水平方向（左眼和右眼）角膜反光點(diǎn)中心和瞳孔中心之間的距離，由此可算出雙眼對(duì)視標(biāo)的成角，最終結(jié)合瞳距數(shù)值來獲得估算距離（圖6）。

圖5 Matlab分析完成的圖像

圖6 估算距離的計(jì)算獲取

為了不產(chǎn)生混淆，在下文描述中做如下定義：校準(zhǔn)距離為進(jìn)行距離估算前使用的數(shù)據(jù)所在的采集距離；估算距離為在校準(zhǔn)距離采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過算法計(jì)算出的被試者至視標(biāo)的距離；標(biāo)準(zhǔn)距離為實(shí)驗(yàn)中作為參照的測量好的被試者至視標(biāo)的距離。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所采集數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。我們定義準(zhǔn)確率為估算距離在不同標(biāo)準(zhǔn)距離范圍內(nèi)的百分比（<50 cm為近距離，50～150 cm為中距離，>150 cm為遠(yuǎn)距離）。準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)采用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)，估算距離采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 設(shè)備整體估算距離vs標(biāo)準(zhǔn)距離

如果不分不同的校準(zhǔn)距離，取不同校準(zhǔn)距離所得估算距離的平均值與標(biāo)準(zhǔn)距離做比較的話，數(shù)據(jù)結(jié)果，見圖7。

圖7 所有受試者平均估算距離數(shù)值

2.2 采用不同校準(zhǔn)距離所得估算距離vs標(biāo)準(zhǔn)距離

估算距離和標(biāo)準(zhǔn)距離采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。校準(zhǔn)距離為35 cm時(shí)，不同標(biāo)準(zhǔn)距離與估算距離相比無顯著性差異（t=-0.785，P=0.441；t=-1.988，P=0.059；t=-1.047，P=0.306）；校準(zhǔn)距離為70 cm時(shí)，估算35 cm及70 cm的標(biāo)準(zhǔn)距離差 別 顯 著（t=2.129，P=0.045；t=6.313，P<0.001）， 但估算400 cm的標(biāo)準(zhǔn)距離時(shí)，差異無顯著性（t=-1.472，P=0.155）；校準(zhǔn)距離為400 cm時(shí)，估算35 cm的標(biāo)準(zhǔn)距離時(shí)，有顯著性差異（t=-2.831，P=0.010），但在標(biāo)準(zhǔn)距離70 cm和400 cm處均無顯著性差異（t=0.615，P=0.545；t=-1.000，P=0.328）。具體結(jié)果，見表1和圖8。

表1 不同校準(zhǔn)距離所得的估算距離

圖8 不同校準(zhǔn)距離所得的估算距離

把相同標(biāo)準(zhǔn)距離的數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行ANOVA Dunnett T3方差分析，可以發(fā)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)距離70 cm和標(biāo)準(zhǔn)距離400 cm處，方差分析無顯著性差異；僅35 cm標(biāo)準(zhǔn)距離處不同校準(zhǔn)距離所得結(jié)果有顯著性差異（F=8.838，P<0.001）；兩兩比較中發(fā)現(xiàn)為70 cm和400 cm校準(zhǔn)距離處的結(jié)果有顯著性差異（P=0.003）。具體數(shù)據(jù)，見表2。

表2 不同校準(zhǔn)距離所得估算距離的比較

2.3 不同校準(zhǔn)距離所得估算距離的準(zhǔn)確性及其比較

不同校準(zhǔn)距離總的準(zhǔn)確性的中位數(shù)為92%。在標(biāo)準(zhǔn)距離70 cm處，由校準(zhǔn)距離70 cm估算的準(zhǔn)確性顯著高于用其他兩個(gè)校準(zhǔn)距離（χ2=24.592，P<0.001），但在35 cm和400 cm標(biāo)準(zhǔn)距離，不同校準(zhǔn)距離所估算的準(zhǔn)確性無顯著性差異。對(duì)于估算距離的準(zhǔn)確性指標(biāo)準(zhǔn)確性，見表3。

經(jīng)ANOVA Dunnett T3統(tǒng)計(jì)分析同一標(biāo)準(zhǔn)距離下不同校準(zhǔn)距離所得估算距離的準(zhǔn)確性結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)距離35 cm和400 cm，不同校準(zhǔn)距離所得結(jié)果無顯著性差異。在標(biāo)準(zhǔn)距離70 cm時(shí)，校準(zhǔn)距離為70 cm時(shí)的準(zhǔn)確性結(jié)果要顯著高于35 cm和400 cm（P<0.001，P<0.001）（表4）。

表3 不同校準(zhǔn)距離所得估算距離的準(zhǔn)確性中位數(shù)

表4 不同校準(zhǔn)距離估算結(jié)果準(zhǔn)確性的比較

3 討論

視頻眼動(dòng)儀是一種無創(chuàng)性追蹤并記錄眼球運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)備。目前，世界上有多家知名的生產(chǎn)眼動(dòng)儀的廠家，如利用電流記錄法的法國Metrovision公司，采用電磁感應(yīng)法的荷蘭SKALAR公司，利用光學(xué)記錄法中角膜和瞳孔的反射原理的德國的SMI公司、加拿大的SR公司、美國應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)室及日本的ISCAN公司。既往的設(shè)備主要用于眼球追蹤，可用于視覺認(rèn)知、心理學(xué)、市場研究、人機(jī)交互、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。本研究之眼動(dòng)儀設(shè)計(jì)簡便，基于注視角度計(jì)算，主要為了測量判定被讀物與被試者之間的距離，而非追蹤眼球位置，在既往的報(bào)道中尚未提及，如若結(jié)合變焦透鏡等技術(shù)，其應(yīng)用前景廣闊。

眼動(dòng)儀總體上可分為非頭戴式和頭戴式。非頭戴式無須佩戴任何設(shè)備，符合用戶習(xí)慣，但由于人和攝像頭的距離不固定，使得圖像處理難度加大而且影響設(shè)備的準(zhǔn)確性；頭戴式則需佩戴裝置，頭部可在一定范圍內(nèi)活動(dòng)。本眼動(dòng)儀為頭戴式，既往國內(nèi)曾有類似研究。王強(qiáng)[17]曾基于Windows平臺(tái)進(jìn)行了眼動(dòng)儀的設(shè)計(jì)，許帥[18]則進(jìn)行了托架式眼動(dòng)儀的研究，兩者與本研究之眼動(dòng)儀有一定的相似之處，但在整體設(shè)計(jì)及算法上又有本質(zhì)區(qū)別。

本眼動(dòng)儀所得數(shù)據(jù)如果不分不同的校準(zhǔn)距離，將不同校準(zhǔn)距離所獲得估算距離取平均值所得出的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)距離十分接近，且除了遠(yuǎn)距離400 cm的數(shù)據(jù)之外波動(dòng)不大，但是在實(shí)際運(yùn)用中我們無法分不同距離進(jìn)行校準(zhǔn)，需要簡化檢查程序，分析不同校準(zhǔn)距離所得數(shù)據(jù)有無區(qū)別，若有差別，哪一個(gè)校準(zhǔn)距離更加適用于實(shí)際工作。

在不同校準(zhǔn)距離所得數(shù)據(jù)的具體分析中，我們發(fā)現(xiàn)35 cm的校準(zhǔn)距離所得估算距離與標(biāo)準(zhǔn)距離相比無顯著性差異，但在70 cm和400 cm校準(zhǔn)距離所得數(shù)據(jù)在某些標(biāo)準(zhǔn)距離，其差異性變得有顯著性。在具體估算距離的統(tǒng)計(jì)中，與標(biāo)準(zhǔn)距離的比較在不同檢查距離均出現(xiàn)有一定顯著性差異，觀察具體的均值發(fā)現(xiàn)，這種差異在真正使用中并無實(shí)際價(jià)值，但可以在一定程度上體現(xiàn)了本眼動(dòng)儀的準(zhǔn)確性。

在相同標(biāo)準(zhǔn)距離的比較中，可以發(fā)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)距離70 cm和標(biāo)準(zhǔn)距離400 cm處，不同校準(zhǔn)距離的結(jié)果均無顯著性差異；在35 cm標(biāo)準(zhǔn)距離處，方差分析有顯著性差異，兩兩比較中為70 cm和400 cm的結(jié)果有顯著性差異，校準(zhǔn)距離400 cm所得估算距離誤差較大。

相對(duì)于距離的具體數(shù)值而言，估算距離在范圍內(nèi)的準(zhǔn)確率指標(biāo)準(zhǔn)確性可能更加有實(shí)用價(jià)值。根據(jù)準(zhǔn)確性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)于35 cm和400 cm標(biāo)準(zhǔn)距離，不同校準(zhǔn)距離所得結(jié)果無顯著性差異，僅在標(biāo)準(zhǔn)距離70 cm處，校準(zhǔn)距離70 cm所得估算距離要高于校準(zhǔn)距離35 cm和400 cm。故根據(jù)現(xiàn)有結(jié)果，我們可以得到初步結(jié)論，校準(zhǔn)距離選用70 cm相對(duì)準(zhǔn)確性更高些。

本眼動(dòng)儀具有設(shè)計(jì)簡單、便于攜帶、操作簡易、適用人群廣等優(yōu)點(diǎn)。但本研究也有一些局限性：① 樣本量不足，需擴(kuò)大樣本量進(jìn)行進(jìn)一步研究；② 算法需進(jìn)一步優(yōu)化，縮短運(yùn)算時(shí)間，爭取一鍵計(jì)算；③ 眼動(dòng)儀設(shè)計(jì)方面攝像頭位置如何放置以避開眼瞼睫毛的影響同時(shí)需符合實(shí)際應(yīng)用要求是值得進(jìn)一步考慮優(yōu)化的問題；④ 圖像校準(zhǔn)時(shí)受到眼瞼位置、睫毛和虹膜顏色的影響；⑤ 算法中使用瞳孔中心而非視軸在角膜上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，盡管我們排除了斜視，但因kappa角的存在仍然有可能產(chǎn)生少量誤差。

4 結(jié)論

基于估算距離準(zhǔn)確性百分比和數(shù)值的分析，新型設(shè)計(jì)的眼動(dòng)儀具有一定的準(zhǔn)確性。在使用該眼動(dòng)儀時(shí)，我們建議使用70 cm作為校準(zhǔn)距離。