Technische experimentelle Prinzipien - Hu

Transcription

G. Schneider; J. Kurt
Technische Prinzipien zur Messung der Blickrichtung und der Augenbewegungen
Eine vergleichende Analyse der Messmethoden für den Einsatz in der Rehabilitation,
insbesondere zur Analyse von Leseschwierigkeiten von Kindern
Grundlagen
Durch einen hochmobilen Augapfel im Zusammenspiel mit einer hochkomplexen
Bildverarbeitung im virtuellen Cortex können wir ein Blickziel ständig anschauen, obwohl
der Körper und der Kopf bewegt wird.
Zur Messung des Blickzieles reicht es somit nicht nur aus, die Augenstellung zu bestimmen,
sondern es muss über die Stellung der Pupille, des Kopfes und durch Informationen über die
Umgebung das objektive Blickziel mathematisch bestimmt werden. Hierzu ist eine
Kalibrierung notwendig, die die Beziehung zwischen der Augenstellung, dem System
Empfänger (oder Kamera) und der Umgebung herzustellt.
Im Blickgebiet werden dazu Punkte benötigt, die dem System in ihrem räumlichen
geometrischen Verhältnis bekannt sind und die von dem Betrachter im Vorfeld der Messung
in einer Kalibrierung fixiert werden müssen. Bei dem Betrachten eines Bildes auf einem
Computermonitor sind die Punkte durch die Bildgröße des Monitors festgelegt. Dabei wird
entweder:
Kamera
1. der Infrarot-Empfänger (oder Kamera) in der Nähe der Augen (ca.5cm) durch eine Art
Helm am Kopf geometrisch fest angeordnet [EyeLink] oder
Kamera
2. Kameras werden mit dem zu betrachtenden Monitor in einem festen geometrischen
Verhältnis angeordnet und nehmen die Bewegungen der Pupille berührungslos ohne
Körperkontakt jedoch über einen größeren Abstand auf (ca. 60cm). [Tobii]
Abb. 1 prinzipielle Anordnungen der Kameras zur Beobachtung der Stellung der Pupillen
Technische Prinzipien_Eye.doc
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Für den zweiten Fall wird diese relative Freiheit des Kopfes während der Messung durch eine
Einschränkung der technischen Parameter, insbesondere in der Genauigkeit erkauft.
Aus diesem Grund wird für die hohen Anforderungen bei der Leseforschung
(buchstabengenaue Ergebnisse) z.Z. die Lösung bevorzugt, bei der die Empfänger in
unmittelbarer Nähe der Augen sind und für die im Allgemeinen von den technischen
Parametern her einfachere Fragestellung wird sinnvollerweise das für die Testperson
komfortablere zweite Verfahren eingesetzt, z.B. in der Werbung der Usability –Forschung,
bei der untersucht wird, wie lange und wie oft ein mehr oder weniger große Detail eines
Bildes betrachtet wurde.
Bei der Betrachtung eines Computermonitors können künstliche Markierungen an die Ecken
des Monitors angebracht werden (EyeLink: Infrarot-Dioden) und der Abstand dieser
Markierungen zueinander bestimmen die Kopfstellung, die als Korrektur in die
Blickrichtungsbestimmung eingerechnet werden.
Ist der Blick auf die reale Umwelt und nicht auf einen Computermonitor gerichtet, so muss
das Blickfeld zusätzlich aufgenommen werden. Die Kalibrierung erfolgt dann durch
künstlich definierte Punkte, die in der Umgebung als zweidimensionale Kalibriertafel für das
System erkennbar sind (z.B. Leuchtdioden als Kalibrierpunkte).
Den Kopf frei bewegen zu können, ist ein wesentlicher Punkt in der Experimentgestaltung.
Es betrifft nicht nur einen Komfort für die Versuchsperson, sondern die Einschränkung der
Bewegungsfreiheit beeinflusst auch indirekt das Messergebnis, da der Versuchsperson ständig
die Messsituation bewusst ist. Dies gilt insbesondere bei Kindern, die körperliche Fixierungen
oder schwere Messhelme besonders deutlich wahrnehmen.
Bei den nicht kopfgetragenen Kameras werden künstliche Markierungen als Reflexpunkte an
der Stirn (Eye-Maus) oder physiognomische Merkmale der Testperson, wie der Abstand der
Augen (Tobii), eingesetzt. Beachtenswert sind die Entwicklungen, die über künstliche
neuronale Netze das Augenbild im Gesicht analysieren, um so die Blickrichtung bestimmen
zu können.
Abb.2 Merkmalselektion zwischen Gesicht, Augen und Pupillen im Vergleich zum
Kopfmarker
Was sollte ein ideales Messverfahren leisten, damit es den heutigen Anwendungen entspricht?
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Kein direkter Kontakt mit Probanden
Vom Probanden unbemerkt
Uneingeschränkter Blick auf Kopf und Gesicht
Sehr hohe Genauigkeit: 0,01°
Sehr hohe zeitliche Auflösung: ca. 2ms
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Sehr weite Messdynamik: 600° pro sec
Geringe Reaktionsträgheit (Echtheitsfähigkeit)
Kompatibilität zu Messungen von Kopf und Körperbewegungen
Geringe Störeinflüsse bei Grimassierungen
Akzeptanz gegenüber einer großen Farbvarianz der Pupille
Leicht bei verschiedenen Versuchspersonen einsetzbar (Baby, Kinder, Erwachsene)
Grundsätzlich wird keine Messmethode allen Anforderungen gerecht. Die Wahl der
Methoden zur Registrierung der Augenbewegungen richtet sich somit nach dem
Einsatzgebiet.
Generell sind für die Registrierung von Augenbewegungen z.B. in der Arbeitsmedizin andere
Methoden angebracht als für die Registrierung der schnellen und sehr genauen Blickrichtung
beim Lesen. Im Wesentlichen ist es die Analyse von:
• Fixationen als ein Verweilen der Blickrichtung (ca. 100ms-400ms)
• Sakkaden (schnelle Blicksprünge bis 600°/s)
• Pupillengröße (Veränderung in Abhängigkeit der Helligkeit bzw. der Emotion)
• Lidschlüssen. (Anzahl/Zeiteinheit in Abhängigkeit der Emotion)
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Anatomie zur Augenbewegung
Der Augapfel (Bulbus oculi) ist ein annähernd kugeliges Gebilde (Ø ca. 24 mm)
Abb. 3 Muskel für die Augenbewegung und die Bewegungsrichtungen [Roche Lexikon2001 ]
Für die Bewegungen des Augapfels sind die in der Abb. dargestellten Muskel verantwortlich.
Das Auge hat für seine Bewegung drei Freiheitsgrade
(horizontal, vertikal, torsionell).
Empirische Untersuchungen [in Schreiber 1999] haben
ergeben, dass die Bewegung des Auges von einem Modell gut
wiedergegeben wird, das die Drehachse für horizontale
Drehungen senkrecht durch den Augenmittelpunkt legt,
wogegen die Drehachse für vertikale Drehungen durch einen
um einen Abstand d nach vorne verschobenen Punkt
senkrecht zur Drehachse für horizontale Drehungen verläuft
Der dritte Freiheitsgrad, die sogenannte Torsion, wird durch
eine Drehung um die optische Achse modelliert.
Abb.4
Freiheitsgrade und Drehachsen des Auges [aus Schreiber 1999]
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Funktionsprinzipien zur Bestimmung der Blickrichtung
Im 19. Jahrhundert wurden die Augenbewegungen z.B. bei [Helmholtz und Listing 1863 ]
über Nachbilder bestimmt. Der Testpersonen wurde längere Zeit ein räumliches Gitter mit
einem Fixationspunkt angeboten, und anschließend der Fixationspunkt verändert. Das nun
gesehene Gitter wurde mit dem von der Netzhaut erzeugten Nachbild aus der ersten Fixation
skizziert und verglichen.
Abb.5 Gitter zur Bestimmung von Nachbildern
Heute sind je nach Anwendungsbereich prinzipiell unterschiedliche Techniken für die
Analyse der Blickrichtung zu finden:
1. Kontaktlinsen - elektromagn. Spulen-System
2. Elektrookulogramm
3. Lichtreflektionen am Auge
• Kontaktlinsen - optische Reflexion
• Cornea- und Pupillen-Reflektions-Beziehung,
• Purkinje-Image-tracking
4. Video-Okulographie (VOG)
• Limbustracking,
• Pupillentracking,
5. Entwicklungstendenzen
• Projektion von Text direkt auf der Retina
• mobile Bestimmung der Blickrichtung
• Nicht-Kopfgetragene VOG
6. Spezialanwendungen
7. Laborausstattung am Institut für Rehabilitationswissenschaften
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1. Kontaktlinsen
Mit Hilfe von speziellen Kontaktlinsen ist es möglich, sehr genaue Aufzeichnungen der
Augenbewegungen zu machen. Zwei Verfahren existieren:
• optischen Methode, bei der die Reflektion eines Lichtes durch kleine Spiegeln in
der Kontaktlinse aufgenommen wird
• "search coil" Technik, bei der kleine Spulen in die Kontaktlinse eingebetteten sind
und die genaue Positionierung der Linse über die Induktion hochfrequenter
elektromagnetischer Felder eines Käfigs erfolgt.
Abb.6 Kontaktlinse und Käfig mit einem 3-dimensionale Spulensystem
[Robinson 1963]
Die auf Kontaktlinsen basierenden Methoden sind zwar sehr genau, haben jedoch den
Nachteil, dass sie für den Träger unkomfortabel sind und wegen der Gefahr eines Ödems nur
für kurze Perioden (< 20 Minuten) eingesetzt werden können.
Die großen Vorteile der Spulen-Methode liegen in der hohen zeitlichen und räumlichen
Auflösung.
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2. Elektrookulogramm
Augenbewegungen erzeugen zwischen Hornhaut (Cornea) und Netzhaut (Retina) elektrische
Potentialdifferenz von ca. 0,4 bis 1 mV. (elektrischen Dipolmomentes des Auges ) Durch
Aufbringen von Hautelektroden nahe der Augen kann diese Potential aufgezeichnet werden.
Diese Potentialdiffernz wird als cornearetinales Potential bezeichnet.
Die Grösse des Gleichstromes kann zur Messung der Augenposition und die des
Wechselstromes zur Messung der Augenbewegung (auch Elektronystagmografie)
herangezogen werden. Schwer kontrollierbare Störgrößen sind hierbei die von den
Augenmuskeln erzeugten Potentiale. Vorteil ist der hohe Meßbereich (-/+70°) [in Young &
Sheena 1975;]
Abb.7 elektrookulografische Registrierung (EOG) Aufnahme aus dem psychophysiologischen
Labor des Instituts für Rehabilitationswissenschaften
Die in der Abbildung über bzw. unter den Augen erkennbaren Elektroden dienen zur Messung
der vertikalen Augenposition, wobei die oberen bzw. unteren Elektroden miteinander
gekoppelt sind, um die gegenseitige Beeinflussung und dadurch entstehende Messfehler zu
minimieren. Die seitlich der Augen angebrachten Elektroden dienen zur Messung der
horizontalen Augenposition.
Dieses Verfahren wird routinemäßig in der klinischen Praxis zu Diagnosezwecken am
Gleichgewichtsorgan angewandt.
Messbereich: bis zu ±70° mit einer Genauigkeit von 1,5 - 2 Winkelgrad (Allerdings nimmt
die Genauigkeit bei Augenbewegungen, besonders bei vertikalen Bewegungen größer als 30°
stark ab.)
Das Elektrookulogramm besitzt den größten Messbereich aller bekannten Verfahren zur
Messung von Augenbewegungen.
Fehlerquellen: Potentialschwankungen aufgrund von Muskelbewegungen im Augenbereich,
Verfälschungen der Messergebnisse durch Lidschläge und Schwankungen
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3. Lichtreflektionen am Auge
(Infrarotokularographie IROR)
3.1 Corneareflexion
Die Corneareflexionsmethode basiert auf der Registrierung von (Infrarot-) Lichtreflexen auf
der Hornhautoberfläche. Da diese Methode berührungsfrei ist, ist sie besonders für die
Registrierung von Augenbewegungen beim Lesen geeignet.
Abb.8 Corneareflexion
Abb.9 Aufbau des Auges[Roche Lexikon 1998]
Zur Erzeugung eines Cornea-Reflexes erzeugt eine künstliche Lichtquelle auf dem Auge die
Reflexion.
Der Krümmungsradius der Hornhaut ist kleiner als der des Augapfels. Hierdurch wandert
der Cornea-Reflex relativ zum Kopf in Richtung der Augenbewegung.
Dieser Reflexionsort wird entweder durch eine Kombination von Infrarotdioden als analoges
Signal oder über eine Diodenzeile inkremental relativ zur künstlichen Lichtquelle
aufgenommen. Hierzu können je nach Hersteller auch CCD-Zeilenkameras oder
Videokameras eingesetzt werden.
Zwei prinzipielle Anordnungen:
• kopfgestützte Apparatur
• ortsfeste Apparatur
Beide Anordnungen müssen die Relation, Kopfposition und künstliche Lichtquelle sehr stabil
halten, da schon kleine Relativbewegungen nicht vorhandene Augenbewegungen über den
ganzen Blickbereich vortäuschen. Zur Stabilisierung des Kopfes ist es daher oft ein Beißbrett
o.ä. eingesetzt.
Auf der anderen Seite wird zwar durch die am Kopf montierte Apparatur eine freie
Beweglichkeit erreicht, das Gewicht der Apparatur beeinflusst jedoch die „normalen"
Kopfbewegungen der Versuchspersonen.
Zur genauen Bestimmung der Blickrichtung muss die Richtung des Kopfes zusätzlich
bestimmt und mit dem Ergebnis der Cornea-Reflex Messung überlagert werden.
Zur Vorbereitung der Messung ist bei den kopfgestützten Apparaturen eine entsprechende
Kalibrierung mit integrierten Eichobjekten notwendig.
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Microguide
http://www.eyemove.com
ExpressEye Optom
http://www.optom.de/
Iota AB, EyeTrace (ehemals
Permobil Meditech)
Abb.10 kopfgestützten Apparaturen - Cornea-Reflexion
Mit der Cornea-Reflex-Methode lassen sich vertikale und horizontale Augenbewegungen bis
ca. 15° aufzeichnen. Bewegungen oberhalb dieser Grenze bringen den Cornea-Reflex in den
nicht kugelförmigen Bereich des Auges.
Die Größe des Reflexionspunktes ist individuell von der Hornhautgröße der Versuchsperson
und dem unter dem Lid sichtbaren Anteil der Hornhaut abhängig. Außerdem können
verschiedene Einflüsse (z.B. Paßgenauigkeit der Brille, individuelle Verformungen der
Hornhaut, fehlende Tränenflüssigkeit) das Messergebnis beeinflussen.
3.2 Purkinjebilder
Diese Methode nutzt die unterschiedlichen Reflektionen des Lichtes, z.B. InfrarotLeuchtdioden, auf den verschiedenen optischen Grenzflächen des Auges aus. Diese als
Purkinjebilder bezeichneten Reflexionen treten in verschiedenen Tiefen des Auges auf. Das
erste Purkinjebild ist die Hornhautreflexion, das vierte tritt auf der Schnittstelle der Linse mit
dem Glaskörper auf. Die Relation zwischen den beiden Bildern verändert sich während
Bewegungen der Augen.
Für die Arbeit mit Purkinje-Trackern ist
ein recht detailliertes Modell der
verschiedenen Grenzflächen und
optischen Systeme im Auge erforderlich.
Abb.11 Purkinje-Tracker [http://www.fourward.com/ Fourward Optical Tech., Inc]
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Abb.12
1.-4. Perkinje-Reflexion
Es ist die z.Z. genaueste Methode bei relativ schneller Registrierung der Augenbewegung.
Nachteilig ist, dass die 4.Perkinje-Reflexion sehr schwach ist und somit einen hohen
Justageaufwand erfordert und der Kopf i.A. fixiert werden muss.
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4. Video-Okulographie (VOG)
Durch die Stellung von Iris, Sklera und Pupille zur Position des Kopfes kann die
Blickrichtung des Menschen im Wesentlichen charakterisiert werden. Grenzflächen und
Kanten verbunden mit Merkmalsselektion und einem mathematischen Modell zur
Bestimmung des Abbildes im Verhältnis zur Stellung der Pupillen oder Iris, erfordern für
diese Messmethode einen hohen mathematischen Aufwand. Durch den Einzug der Computer
in die Messtechnik und der Bildverarbeitung ist die Video- Okulographie (VOG) möglich
geworden, bei der Bilder des Auges mit Videokameras aufgenommen und die
aufgezeichneten Bilder anschließend mit Computern ausgewertet werden.
Durch diese im Wesentlichen relativ frühzeitige digitale Verarbeitung der Meßgrößen an einer
CCD-Kamera wird eine hohe zeitliche Konstanz bei relativ hoher räumlicher Auflösung
erreicht. Die VOG ist im Verhältnis zur IROG noch recht teuer, doch durch die fallenden
Preise digitaler Ausrüstung bei gleichzeitiger Leistungssteigerung wird sich dieses
Messwerterfassung für die Blickrichtungsregistrierung bis auf einige Spezialanwendungen
durchsetzen.
Nachteilig ist die relativ geringe zeitliche und räumliche Auflösung des Verfahrens. Die
zeitliche Auflösung ist durch die Aufzeichnungsfrequenz bzw. Videonorm (50 Hz/60 Hz)
begrenzt. Prinzipiell sind für schnellere Aufzeichnungen Hochgeschwindigkeitskameras
einsetzbar, die eine Aufzeichnungsfrequenz bis über 10KHz zulassen. [z.B. Eylink II 500Hz
gestattet eine Auflösung bis 4ms]
Modell der optischen Abbildung bei der VOG
Es liegt eine zweidimensionale Ansicht des Auges vor, in der über bestimmte
Bildbearbeitungsverfahren (z.B. Merkmalsselektion, Texturanalyse) die Pupille aufgesucht
wird. Nach dem Auffinden der Pixelkoordinaten des Zentrums der Pupille und einer
Kalibrierung lässt sich über die Rücktransformation die horizontale und vertikale
Augenposition errechnen.
Die Abbildung auf die Kamera bedeutet dabei eine Transformation der dreidimensionalen
Koordinaten auf eine zweidimensionale Bildebene. Es handelt sich um eine
Zentralprojektion, deren Projektionszentrum im Zentrum der Linse liegt.
Die x- und y-Koordinaten
in der Bildebene werden
aus den entsprechenden
Koordinaten im kopffesten
Koordinatensystem durch
eine Skalierung berechnet,
deren Maßstab abhängig
von Gegenstandsweite und
Bildweite ist.
Abb.13 Abbildung auf die Kameraebene durch Zentralprojektion (aus Gründen der
Übersichtlichkeit ohne die Drehachsenverschiebung) [aus Schreiber 1999]
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4.1 Techniken zur Video-Okulographie (VOG)
Limbus-Tracking
Limbus-Tracking ist die optische Registrierung des Überganges zwischen Iris und Bindehaut
(Sklera). Durch den hohen Helligkeitsunterschied zwischen der hellen Sklera und der Iris ist
ein gutes Unterscheidungsmerkmal gegeben. Jedoch ist die äußere Randfläche der Iris nicht
sehr scharf, so dass die Merkmalsselektion dort besonders wichtig ist. Vertikale
Augenbewegungen sind mit dieser Methode jedoch nicht zu erfassen, da die Iris zu einem
großen Teil vom Augenlid bedeckt ist.
PupillenTracking
Der Nachteil beim Limbus-Tracking wird durch Auswertung des Überganges von der Pupille
zur Iris überwunden. Es ist eine scharfe Grenzfläche und die Pupille ist kleiner, so dass auch
vertikale horizontale Augenbewegungen aufgenommen werden können. Nachteilig ist, dass
der Farbkontrast an dieser Grenze nicht so groß ist (die Augen einbeziehende okulokutane
Formen von Albino; braune Iris etc.) und die Helligkeitsanpassung der Pupille unter
Umständen zu Problemen bei der Aufnahme führt.
Wie beim Verfahren über Corneareflexion, wird das Auge durch eine künstliche nicht
sichtbare Infrarot-Lichtquelle beleuchtet. Da die Pupille die IR-Strahlen absorbiert und damit
schwächer reflektiert als das übrige Auge, können die reflektierten IR-Strahlen durch eine IRempfindliche Kamera aufgenommen werden.
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4.2 Entwicklungen der Video-Okularographie
Einige Beispiele:
Abb.14 Die Blickregistrierung nach [Shackel 1960]
war eher eine Bestimmung der Richtung des Kopfes in
Verbindung mit einer Elektro-Okularographie (EOG).
Abb.15 Messanordnung mit halbdurchlässigem Spiegeln
Die Messanordnung wird am Kopf des Probanden mit Bändern oder im Helm fixiert.
Vor den Augen ist ein halbdurchlässiger Spiegel angebracht, der das Infrarot-Bild des Auges
auf eine unter dem Spiegel angebrachten CCD-Kamera abbildet.
Bewegungen der Messanordnung im Verhältnis zu den Augen, wie sie bei
Kopfhautbewegungen auftreten, führen bei der Messung zu Fehlern.
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Abb.16 Analyse des Fahrerverhaltens über eine Blickrichtungsanalyse. [SensoMotoric
Instruments http://www.smi.de/]
z.B. Specifications von diesem Eyetracker
Sampling Rate
50/60 Hz
Tracking Resolution, Pupil/CR
0.1 deg. (typ.)
Gaze Position Accuracy
0.5°-1.0 deg. (typ.)
Tracking Range
+/- 30° horz., +/-25° vert.
Weight of head unit
450 g
Video Overlay Capabilities
Abb.17 Video EyeTrace mit (HMD); Institut für Psychologie; Universität Köln
Bei einer Kombination einer Videobrille (Head Mounted Display) mit einem Kamerasystem
wird die Wirkung der Kopfrichtung auf die Blickrichtung aufgehoben.
Tragekomfort und Qualität der Videobrillen sind z.Z. noch unzureichend. Darüber hinaus sind
die Parameter der Blicksteuerung beim Lesen auf dem Display einer Videobrille mit Lesen
auf einem Computerschirm bzw. dem Lesen auf einem Blatt Papier nicht von vorn herein
vergleichbar.
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5. Entwicklungstendenzen
5. 1 Projektion von Text direkt auf der Retina
Scanning-Laser-Ophthalmoskop
Für die Diagnose von Krankheiten des Augenhintergrundes ist die Laser-ScanningOphtalmologie ein wertvolles bildgebendes Verfahren.
Das Scanning-Laser-Ophthalmoscop wird für die Untersuchung von Lesevorgängen jedoch
dahingegen modifiziert, dass durch das konfakale Scanning-Laser-Ophthalmoskop Texte auf
die Netzhautareale direkt projiziert werden und durch die Apparatur die genaue Lokalisation
des Textes beobachtet wird.
Abb.18 Darstellung der Funktionsweise eines Laser- Scanning Ophtalmoscope
[TrauzettelKlosinski et al. 2001]
Dabei wird der Laserstrahl in einem so hohen Frequenzbereich akustisch moduliert, dass die
direkte Projektion auf der Netzhaut ein stehendes Bild erzeugt. Gleichzeitig kann aber auch
die Projektion auf der Netzhaut simultan erfasst werden. (TrauzettelKlosinski et al. 2001).
Wahrend der Blickbewegungsanalyse besteht somit ohne Kalibrierung die Möglichkeit der
absoluten Zuordnung von Fovea und projiziertem Stimulus, wohingegen bei dem bisher
beschriebenen EyeTracking-Techniken die Registrierung nur relative Augenbewegungen
liefert, die im Vorfeld oder anschließend kalibriert werden müssen. Probleme der Drift- und
Bewegungseinflüsse sowie die Einflüsse der Bewegung der Kopfhaut, die bei kopfgetragenen
EyeTrackern die Genauigkeit beeinflussen, treten somit nicht auf. Aus diesem Grund sind die
technischen Entwicklungen bei den Virtual Retina Displays, die nach einem ähnlichen
Funktionsprinzip aufgebaut sind, für die Blickbewegungsanalyse von großer Bedeutung.
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Abb.19 Projektion von Text direkt auf der Retina
Virtual Retina Displays (VRD)
Das gleiche Prinzip, wie in dem modifizierten Laser-Scanning-Ophtalmologie, wird bei den
Virtual Retina Displays angewandt. Es ist auch eine direkte Projektion von Text oder
virtuellen Bildern auf der Retina. Im Gegensatz zu dem sehr aufwendigen Experiment sollen
diese VRD die kopfgetragenen virtuellen Displays (HMD) ablösen und damit sehr preiswert
werden.
Herkömmliche Displays (HMD) erzeugen ein virtuelles Bild, das entweder direkt oder über
optische Systeme projiziert, aktiv betrachtet wird. Bei der VRD-Technologie entsteht das
Bild unmittelbar auf der Netzhaut des Betrachters.
Die Pixel werden in einem Raster über einen Laser auf die Netzhaut gebracht, indem ein
horizontaler Scanner den Laserstrahl auf der Retina reihen- und zeilenweise positioniert.
Dabei lenken lichtbrechende und lichtreflektierende Spiegel oder modulierbare Prismen den
Laser so auf die Netzhaut, dass beim Betrachter der Eindruck eines großen, virtuellen Bildes
entsteht. Da das System mit äußerst niedrigen Lichtintensitäten arbeitet, besteht keine Gefahr
für das menschliche Auge.
Abb. Conventional Display
Virtual Retinal Display
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Abb. 20 Der "Nomad" [Microvision 2004 ]kann mit einer SVGA Auflösung aufwarten,
gewährt einen Sichtbereich, der einem 19 Zoll-Monitor entspricht, besitzt eine Refresh-Rate
von 60 Hertz.
5.2 Mobile Eye-Tracking Messungen
Abb.21 leichter EyeTracker verbunden mit einem tragbaren Computer
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Abb.22 Mobile batteriebetriebener EyeTracker mit drahtloser Übertragung der Videos von
den Augenkameras und dem Szenenvideo an einen entfernten Computer (bis zu 40 Meter
Entfernung) [….]
5.3 Nicht-Kopfgetragene VOG
Alle bisher beschriebenen Messverfahren haben den großen Nachteil, dass die Kamera einen
genau definierten und festen Abstand zum Auge haben muss. Dies wird im Allgemeinen nur
durch eine helmartige Kopfstütze gewährleistet. Den Kopf frei bewegen zu können, ist ein
wesentlicher Punkt in der Experimentgestaltung. Es betrifft nicht nur einen Komfort für die
Versuchsperson, sondern die Einschränkung der Bewegungsfreiheit beeinflusst auch indirekt
das Messergebnis, da der Versuchsperson ständig die Messsituation bewusst ist. Dies gilt
insbesondere bei Kindern, die körperliche Fixierungen oder schwere Messhelme besonders
deutlich wahrnehmen.
Messverfahren, bei denen die Kamera nicht in fester Position zum Auge,
sondern vor der Person im Raum oder am Computer angeordnet sind und der Kopf frei
beweglich ist, benötigen weiter Informationen über die Stellung der Pupille im Auge und zum
Kopf.
Abb.23 ERICA Incorporated
http://www.ericainc.com/system.html
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Abb.24 EyeTech Digital Systems, Inc..
(EDS)
http://www.eyetechds.com/
Abb.25 LC Technologies Inc. Portable Eyegaze
System http://www.lctinc.com/
Diese zusätzliche Information kann z.B. durch den Zusammenhang zwischen den Orten der
Corneareflexion und der der Pupille gewonnen werden. Nachteilig ist jedoch, dass bei der
notwendigen sehr hohen Auflösung mit einem Objektiv relativ langer Brennweite gearbeitet
werden muss und somit nur einen kleinen Gesichtsausschnitt darstellt werden kann.
Abb.26 Mechanische Nachführung der Kamera von nicht kopfgetragenen EyeTracker
[http://www.smi.de 2004]
Kopfbewegungen müssen durch Nachführen der Kamera erreicht werden. Mechanisches
Nachführen ist aber relativ langsam und begrenzt die Bewegungsfreiheit der Versuchsperson.
Werden zwei Objektive mit unterschiedlicher Brennweite eingesetzt, wird bei hoher
Auflösung nur ein kleiner Augenbereich abgebildet, wohingegen die zweite Kamera das
gesamte Gesicht abbildet und somit die Stellung des Kopfes bestimmen kann.
Eine technische Anordnung mit zwei Kamerasystemen unterschiedlicher Brennweiten wurde
schon durch [Bolt 1984] skizziert.
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Abb.27 Eye tracking Technik über zwei Kameras vom Kopf und der Pupille [Bolt 1984]
Abb.28 Ein System mehrer Kameras zur Aufzeichnung der Blickrichtung, vorgestellt auf der
European Conference on Eye Movements [ECEM 2003]
Das Ziel der gegenwärtigen Entwicklungen ist ein Messverfahren, dass ohne Kalibrierung mit
hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung auskommt.
Beispiel für ein kommerzielles EyeTracker-System, bei dem Kameras und Infrarotsender in
den Monitor integriert wurden, ist in Abb.29 dargestellt. In dieser Ausführung ist dieser
EyeTracker besonders für die Untersuchung der Effektivität der Werbung auf Internetseiten
bzw. der Usability –Forschung geeignet. In diesem Bereich wird untersucht, wie lange und
wie oft ein mehr oder weniger großes Detail einer Werbeinformation betrachtet wurde. Die
technischen Daten, im Besonderen die Auflösung, sind bisher nur eingeschränkt für eine
Analyse des Leseprozesses geeignet.
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Abb.29 EyeTracker-System für die Usability –Forschung [http://www.tobii.com]
Specifications von diesem Eyetracker
Sampling Rate
50 Hz
Tracking Resolution
0.25 deg. (typ.)
0.5° deg. (typ.)
Head-Motion speed
< 10 cm/s
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6. Spezialanwendungen
Messung der Augenbewegung in einem Magnet-Resonanz-Tomographen
Eine für die Messung der Augenbewegung in einem Magnet-Resonanz-Tomographen
geeignete Anordnung ist der dargestellte MR-Eyetracker.
Abb.30
MR-Eyetracker
Cambridge Research Systems
http://www.crsltd.com/
Alle im Magnetfeld angeordneten Bauteile dürfen nicht magnetisch oder paramagnetisch
sein, da sie zu Verzerrungen und damit zur Verringerung der Auflösung führen. In der Nähe
der hochfrequenten Kopfspulen dürfen keine Metallteile oder leitende Materialien angebracht
werden. Somit werden über Spiegelsysteme und Lichtleitkabel die Informationen über die
Augenbewegungen außerhalb des Tomographen geführt. Das Messprinzip ist IROG.
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Eye-Tracking-System zur Steuerung eines Excimer-Lasers bei
Hornhauttransplantationen am Auge
Ein Eye-Tracking-System steuert aktiv und so genau den Laser, dass das übrige Auge auch
bei Augenbewegungen geschützt ist. Bei diesem Verfahren können krankhaft veränderte
Bereiche der Hornhaut isoliert durch ein Spendertransplantat ersetzt werden, ohne dass das
optische Zentrum der Hornhaut in den Transplantat- oder in den Nahtbereich einbezogen
werden muss. [Schmitz 2003]
Neurologische und vestibulare Forschung
Die Augenbewegungen, ohne dass die genaue Blickrichtung von Interesse ist, werden bei
ophthalmologischen Untersuchungen, bei der Diagnostik okulomotorischer Störungen, wie
der Forschung zum Strabismus oder der Simulation schnell wechselnder Umwelt
(Nystagmographie) untersucht.
Abb.31 SensoMotoric Instruments http://www.smi.de/
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Einsatz der Blickanalyse im Tierversuch
Abb.32 Eine Hochfrequenzkamera (ET-49A) registriert die Pupillenreaktion eines Macaque
Affen (Frame-Rate 230Hz) www.ThomasRecording.com
Untersuchung des Blickverhaltens von Piloten im Test
Abb.33 Eye-tracking beim Piloten Training VISION 2000
[www.interlog.com/~elmarinc/fast.htm]
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EyeTracker als Hilfsmittel für die Unterstützte Kommunikation
EyeTracker ermöglichen die Bedienung einer Bildschirmtastatur über die Augenbewegungen.
Auf diese Weise können Schwerstbehinderten, die keine konventionellen Eingabegeräte
bedienen können, nur durch Ansehen einzelner Buchstaben ganze Wörter und Sätze
zusammenzusetzen und sich eigenständig und selbstbestimmt artikulieren.
http://www.eyecan.ca/
Abb.34 EyeTracker als Hilfsmittel für die Unterstützte Kommunikation [eyecan; Tobii]
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7. Laborausstattung am Institut für Rehabilitationswissenschaften der HumboldtUniversität; Abteilung Rehabilitationstechnik und Informatik
[www.reha.hu-berlin.de/rehatech/]
Abb.35 EyeLink Eyetracking Systemen von SR Research Ltd./Canada.
http://www.eyelinkinfo.com
Zwei spezielle Augenkameras (Hochgeschwindigkeits-, Infrarot Kameras) zeichnen 250 bzw.
500 Bilder pro Sekunde von jedem Auge auf. Dadurch ist es möglich, binokulare
Blickbewegungen zu verfolgen. Eine dritte Kamera - die Kopfkamera - kommuniziert mit 4
Infrarot Markern, die an einem Display angebracht sind. Dadurch lässt sich die Position des
Kopfes im Verhältnis zum Display aufzeichnen und Kopfbewegungen können durch die
Aufzeichnung von sowohl dem Abbild der Pupille als auch der Cornea Reflex ausgeglichen
werden.
Specifications von diesem Eyetracker
Sampling Rate
250 Hz/500Hz
Tracking Resolution
< 0.01 deg. (typ.)
0.5° deg. (typ.)
Abb.36 Prinzipdarstellung EyeLink; SR Research Ltd./Canada
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Abb.37 EyeLink –modifiziert; Transportables EyeTracking zur Bestimmung der Blickdaten
beim Lesen in einer Schule [Badel; Schneider 2005]
Computer-Hardware und Software
Die Experimentanordnung besteht aus einem Host PC, der die Vorverarbeitung der
Kameradaten übernimmt und einem Display-PC zur Darstellung des Textes auf einem
Bildschirm. Die beiden Computer sind über Ethernet-Karten verbunden.
Je nach Anwendung werden alternativ zwei Varianten genutzt.
Zum Einsatz in Schulen besteht die transportable Variante aus einem transportablen Host PC
und für den Display PC ein Laptop der Fa. Dell mit Anschluss eines 19“ LCD Monitors.
Im Labor werden stationäre PC verwandt, mit Monitoren mit geringer Bildaufbauzeit bzw.
einer Großbildleinwand per Beamer.
Auf dem Display- Computer sind Entwicklungssysteme für C++; Labview und Mathlab
installiert, so dass die Experimente mit Hilfe der offen gelegten EyeLink- Software Schnittstellen entsprechend gestaltet werden können. Zur späteren Kontrolle des
Versuchsablaufes und zur zeitsynchronen Aufnahme des Tones zeichnet eine Videokamera in
globaler Einstellung die Versuchsperson auf.
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Literatur
Bolt 1984; Bolt, R. A. The Human Interface: Where People and Computers Meet, Lifetime
Learning Publications 1984., Belmont, California 94002.
Donders 1847
Donders F C; Beitrag zur Lehre von den Bewegungen des menschlichen Auges. Holländ Beitr
Anat Physiol Wiss 1; pp 104-145, 1847
Donders 1864
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Shackel 1960
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Schmitz 2003
Klaus Schmitz "Gräfe's Archive of Clinical and Experimental Ophthalmology" 2003; (241: S.
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Technische experimentelle Prinzipien - Hu

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