文章编号：1005-5630(2019)03-0087-08
DOI : 10.3969/j.issn.1005-5630.2019.03.014
石建军1
，许 键
1,2
（1．上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2．宾夕法尼亚州立大学 工程科学系，宾夕法尼亚州 168002）
摘要：眼动跟踪是指通过测量眼睛注视点的位置或者眼球相对头部的运动而实现对眼球运动的追踪。介绍了眼动跟踪技术及近年来相关研究进展，分析了各种眼动跟踪技术原理，详细比较了各种测量方法的利弊。通过对几种最新眼动跟踪设备特性的比较，进一步了解国内外眼动跟踪发展趋势。最后介绍了眼动跟踪技术的研究方向，并对眼动跟踪技术应用前景进行了展望。 关键词：眼动跟踪；眼动测量；眼动仪；微机电(MEMS)中图分类号：TP 39 文献标志码：A
Research progress on eye tracking technology
SHI Jianjun 1
，XU Jian
1,2
（1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for
Science and Technology, Shanghai 200093, China;
2. Department of Engineering Science, Pennsylvania State University, PA 168002, USA ）
Abstract: Eye tracking refers to tracking eye movement by measuring the position of the eye's gaze point or the movement of the eyeball relative to the head. This paper introduces the eye tracking technology, focuses on the recent research progress, analyzes the various eye tracking technology principles, and compares the advantages and disadvantages of various measurement methods in detail. With the continuous development of eye tracking devices and their wide application in various fields, we further introduce the development trend of e
ye tracking at home and abroad by comparing the characteristics of several new eye tracking devices. Finally, the research direction of eye tracking technology is introduced, and the application of eye tracking technology is prospected.
Keywords: eye tracking ；eye movement measurement ；eye tracker ；micro electro mechanical system
收稿日期 ：2018-08-22
基金项目 ：国家自然科学基金(610728007)
作者简介 ：石建军(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为光学眼动跟踪及应用。E-mail: jianjun_usst@163 通信作者 ：许 键(1970—)，男，教授，研究方向为半导体发光。E-mail: jianxu@engr.psu.edu
第 41 卷 第 3 期光 学 仪 器
Vol. 41，No. 3
2019 年 6 月
OPTICAL INSTRUMENTS
June ，2019
引 言
人的思想和意图可以通过眼球的运动得到充分反映，基于人们所看到的事物采取眼动研究的方法可以确定他们的思想内容。对眼球运动进行跟踪也就是测量眼球的运动，该领域的研究通常交替使用眼睛跟踪、凝视跟踪或眼睛注视跟踪等术语。大约80%的外界信息是通过眼睛获取的，对眼动的最初研究可追溯到古希腊时期，然而真正使用实验仪器对眼动进行测量却始于中世纪[1]。到20世纪30年代才真正意义上出现眼动跟踪的概念，人们最初的研究目的是出于商业考虑[2]，由于受到传感器技术及信息处理速度的限制导致其发展缓慢。伴随着光信息技术、传感技术、计算机技术、人机交互技术等各项技术的快速发展，眼动跟踪技术也取得巨大突破，应用领域也在不断拓展，已经广泛应用到军事、教育、医学、市场调研、心理学等诸多领域[3]。近年来，该技术广泛应用到可穿戴设备、VR/AR、人工智能及游戏等，显示出该技术越来越大的应用前景和价值。
1 眼动跟踪的人眼结构和基本概念
1.1 人眼的生理结构
眼睛是人类感官中最重要的器官之一，大部分知识和记忆都是通过眼睛获取的，眼睛能够分辨不同颜和亮度的光线并将这些信息转变成神经信号传送给大脑。人眼的主要组成部分如图1所示，主要由视网膜、角膜、虹膜、巩膜等构成。眼睛大致呈椭球形，直径约24 mm[4]。通常眼窝中可见的眼睛外侧部分为巩膜、虹膜和瞳孔。
结构上，眼球壁分为三层，内层是视网膜，中层是血管膜，最外层是纤维膜。视网膜由三层神经细胞构成，分别是光感受细胞、双极细胞和节状细胞。外层主要由透明无血管的组织构成，这层透明组织叫角膜，光线通过角膜进入眼内，角膜是一种透明没有血管的保护膜，覆盖住虹膜。虹膜在血管膜的前部，是圆盘状的薄膜，中央有一圆孔，称为瞳孔，为光线进入眼球的唯一通道。外部光线强，则瞳孔缩小；光线暗，则瞳孔变大，从而调节眼睛接收的光线总是刚刚好。对内部眼球结构起保护作用的巩膜，其特点为白不透明，厚度小，是我们经常看到的白眼球部分。此外，最外层的纤维膜对眼球也起着重要的保护作用。
巩膜
虹膜
角膜
瞳孔
晶状体
中央凹
光轴
视网膜
302医院陈菊梅视轴
视神经
图 1 人眼结构
Fig. 1 Human eye structure
1.2 眼动的基本概念
欧洲bt
所谓的眼动跟踪方法是通过记录眼动的注视时间、位置、轨迹等指标来了解人们对实时信息的获取和加工过程。眼动的方式比较复杂，其主要方式为注视、眼跳、平滑追随运动、眨眼及眼球震颤[5-8]。
人们获取的信息大部分是通过注视完成的，也就是人眼的中央窝对准要观察的物体时间超过100 ms，该过程中被注视的物体要成像在中央窝上才能获得充分的加工以形成清晰的像。当眼睛切换观察对象时，注视点突然发生改变，两个注视点之间眼睛的快速运动，通常称之为“眼跳”，该过程中可获得时间空间信息，但不能形成比较清晰的像。当个体与被观察物体存在相对运动时，为了确保眼睛总是注视该物体，眼球会追随物体移动，称之为“追随运动”。眨眼是一种快速的闭眼动作，也称为“瞬目反射”。眼睛不自主、节律性的往返运动被称作眼球震颤。通常为了更好的选择信息以便形成清晰的像，上述几种眼动方式可同时交替进行。
• 88 •光学仪器第 41 卷
2 眼动跟踪的测量方法
眼动跟踪的测量方法经历了早期的直接观察法、机械记录法，随着技术的发展，出现了接触镜法、眼电图法、角膜反射法、双普金野象法、虹膜−巩膜边缘法、瞳孔−角膜反射向量法等方法，最终发展到现如今的视频电视法，基于微电子机械系统(MEMS)技术相结合的方法[9]
。2.1 直接观察法
最原始的眼动跟踪测量方法是直接用肉眼观察被试者的眼球运动。1897年Javal 通过放置在
被试者面前的镜子，站在其背后进行直接观察[10]
，1925年Miles 使用窥视孔法，即躲在阅读材料的后面，通过阅读材料中间的小孔观察被试者阅读
材料时的眼动[11]
。在最初对眼动的研究中，观察法发挥着重要的作用，眼动的一些基本规律，如
注视、眼跳等都是通过观察法发现的。但同时它只能对眼动进行比较粗略的了解，而且观察的结果具有不确定性，现如今该方法很少被用于眼动研究。2.2 机械记录法
眼动的机械记录是指把眼睛与记录测验装置用机械传动方式连接起来实现眼动记录。该方法充分利用角膜凸起的特点，借助一个杠杆来传递
角膜的运动情况。1898年Richardson 等[12]
利用橡皮膏将一个杠杆连接在眼球上，第一次记录了
被测试者阅读过程中的眼动轨迹，如图2所示[13]
。机械记录法一般有3种：支点杠杆法，角膜吸附环状物法，气动记录法。眼动的机械记录法所使用
的装置较复杂且不易调整，更重要的是实验结果的准确性也很低，现在普遍被准确性相对较高的方法所取代。
(a)
机械结构原理(b) 记录的轨迹(c) 记录的场景
图 2 机械记录法
Fig. 2 Mechanical recording method
2.3 瞳孔−角膜反射法
角膜反射法是眼动跟踪领域广泛认可的方法，其原理是基于眼角膜从眼球表面凸出的生理特性，当需要保持眼睛相对头部位置不会改变的情况下对眼动进行测量时，可使用瞳孔−角膜反射法。用相机拍摄红外光照射眼睛后的反射图像，利用亮瞳孔和暗瞳孔原理，然后通过计算机处理，提取所拍图像中的瞳孔和角膜，把角膜反射点作为相机和眼球相对位置的基点，瞳孔中心位置坐标就表示凝视点位置。该方法具有准确性高、误差小、无干扰等优点，但对计算机图像处理能力要求比较高。2.4 眼电图法(EOG)
正常情况下眼球的视网膜具有很高的代谢水
平，这就导致视网膜与角膜代谢作用的速度有所差异，眼角膜代谢速率小，而视网膜则相对较大，正是这种差异形成了角膜网膜电位差。当眼球转动时，眼球周围的电势也随之发生变化，分别将两个贴在皮肤表面的电极放在眼部上下两端，眼球向上移动时，网膜的阴极便接近下面的电极，而阳极接近上面的电极，这样便产生一定的电位差，若眼球向下移动便产生相反的电极差。同理，1955年Woodworth 等
[14]
记录了左右
方向上的运动。眼球方向上的变化所产生的电位差，经放大后得到眼球运动的位置信息。记录的结果并非实际运动情况，需要间接的转换计算，被测试者的个体电位也存在差异，从而不能保证测量结果的准确性，且该测量方法技术上较为复杂。电极分布如图3所示。
第 3 期石建军，等：眼动跟踪技术研究进展• 89 •
图 3 眼电图的电极分布
Fig. 3 Electrode distribution of electrooculogram
2.5 接触镜法
接触镜法是一种最精确的眼动跟踪测量方法，同时也是最具侵入性的方法[15]。首先将机械或光学的参照物安装在眼镜的接触镜上，然后直接佩戴并使用附着在角膜上的石膏，通过机械连接记录笔进行眼动记录[16]，后来逐渐演变成使用装有安装杆的现代隐形眼镜。虽然隐形眼镜方便易携带，但同时需要更大的尺寸以保证能覆盖角膜和巩膜。构成接触镜的附着装置最常用的工具有反射磷光体、线图和线圈。其原理是根据眼动确定光学装置的方向，进而推算眼动的方向，安装在角膜上的反射镜可以将眼动产生的光束反射到各个方向以便提取眼动信号。
嵌入巩膜隐形眼镜的搜索线圈和电磁场框架如图4所示，隐形眼镜嵌入眼睛的方法如图5所示。虽然接触镜法是最精确的眼动测量方法之一，但镜片的插入操作要十分小心，佩戴后可能
引起不适。
(a) 搜索线圈(b) 电磁场框架
图
金融英语证书4 搜索线圈和电磁场框架
Fig. 4 Searching coil and electromagnetic field frame
(a) 吸附于镊子(b) 靠近眼睛(c) 贴附于瞳孔(d) 插入完成
图 5 隐形眼镜的插入方法
Fig. 5 Contact lens insertion method
2.6 基于MEMS技术的跟踪方法
MEMS是采用微电子技术、集成电路技术
及其加工工艺制作而成的微米级机械器件，具有
体积小、功耗低、易集成等优点，逐渐取代传统
机械器件[17]。MEMS驱动器也可以实现眼动跟
踪功能，其独特的优点使眼动跟踪技术具有更大
的发展潜力。
一种基于MEMS的微型眼动跟踪系统如
图6所示[18]，系统主要由微型摄像机、MEMS
驱动器、分析处理器及相关配套设备构成。首先吉祥满族
相机拍摄眼睛的图像，MEMS装置控制相机的
视角方向，水平方向上的MEMS驱动器连接在
摄像机后端来产生水平方向的移动，垂直方向上
的MEMS驱动器连接在上端或下端产生竖直方
向的移动，处理器接收摄像机拍摄到的眼睛图
像，根据所拍摄的图像确定相机图像内眼睛的位
置，并控制MEMS驱动器以保持相机指向眼睛
并确定图像中眼睛的特定位置及大小，以保持对周宝宽
眼睛的实时追踪。该系统可应用于移动端的微型
眼动追踪系统。
• 90 •光学仪器第 41 卷
MEMS 驱动器支点
眼动跟踪底座
摄像机主体
镜头
底座
驱动器垂直方向
产生的移动/转动方向
眼睛
图 6 基于MEMS 的眼动跟踪原理
Fig. 6 MEMS-based eye tracking principle
另一种完全基于MEMS 的方法则不采用上述体积较大的摄像机，该方法适用于小型眼动追踪系统，系统设计的原理是基于眼睛与眼角膜的直径不同。利用一束低辐射的光束，从激光光源发出后射向扫描仪，该扫描仪内嵌MEMS 驱动器，且具有平面镜的功能，能够将入射的光线反射，接着由扫描仪操控该光束射向眼角膜，然后从角膜表面反射到一个能接收光信号并产生电信号光电二极管，其输出的电信号随输入光强的增大而增大。随着眼睛的转动，扫描仪控制光束追踪眼角膜上能够使光电二极管接收到最大信号的点，进而实现系统的眼动跟踪。
VCSEL
MEMS
Interposers
光电二极管
L r
5 mm 眼睛长度
R L i
微镜
激光
14 mm “Vertex distance”(a, b)
眼睛
(d =24 mm)眼睛(d =10 mm)
(a) 系统原理图(b) 扫描仪组件
图 7 基于MEMS 的跟踪原理及扫描仪模块原型
Fig. 7 MEMS-based tracking principle and prototype of scanner module
3 眼动跟踪技术存在的主要问题及解决方法的探索
3.1 米达斯接触问题
米达斯接触是指计算机很难识别由于随意性视线运动而产生的意图，这种不确定性导致计算机不能准
确分析出由于用户眼动而产生的真正想法，如何避免产生米达斯接触问题是眼动跟踪技术研究领域一直探索的问题，眼动跟踪技术的挑战之一就是避免米达斯接触
[19]
。
3.2 数据获取的准确性问题
由于对眼动跟踪定义的角度太多，例如从注
视点和眼跳这两个角度来定义眼动就有所差别，概念的多样性导致定义偏差，不能完全统一标准，这就造成对数据获取的方式、角度、渠道产生很大差异，最终对数据的获取及分析产生巨大
影响[20]
。此外，通过实验对数据获取时，并不能保证被测者在设备上固定不动，这种人为的随意运动，同样对数据提取产生困难，也降低了数据获取的准确性。
3.3 测量精度及舒适度问题
硬件的测量精度相对较高，但是舒适性较差，需要一些外部硬件设备对头部或眼部进行固定，复杂的设备佩戴给佩戴者带来心理压力和不舒适感，同时降低了自由性，测量不方便。而软
了不起的女汉子
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