眼动仪是怎样工作的？

Tobii在过去20年中一直是眼动追踪行业的领导者。Tobii的眼动追踪技术被广泛应用于科学研究、消费者研究、扩展现实（XR）和汽车等领域，通过提供对人类注意力、意图和行为的独特洞察，推动了世界的进步。本文将深入介绍眼动追踪的工作原理，详细介绍基于屏幕和穿戴式眼动仪的原理。

什么是眼动追踪？

眼动追踪是一种传感器的技术，用于测量和记录眼睛的位置和运动。眼动仪是一种设备，用于评估人眼注视的位置或对象，也称为注视点。

视线位置可以在各种类型的刺激物中被计算衡量得到。通常，一个被追踪的个体会将注意力集中在可能出现在计算机屏幕上、现实环境中或虚拟现实中的刺激物上。眼动仪可以作为独立设备使用，也可以集成到其他技术中，比如扩展现实头戴设备、个人电脑和车辆（作为汽车解决方案的一部分）。

眼动追踪技术具有广泛的应用，包括科学和医学研究、残障人士的辅助功能、提升道路安全，以及增强虚拟现实和游戏体验。

眼动仪的关键组成部件

一台基于视频的眼动仪，例如Tobii的眼动仪，通常由这些关键硬件部件组成：

• 近红外光源模组

• 眼动追踪传感器

• 数据处理器（图像监测，3D眼球模型，视线映射算法）

眼动仪是怎样工作的？

1.光源照射眼睛

Tobii眼动仪使用近红外光照射眼睛，从而在每只眼睛上产生光反射图案。具体来说，光反射落在瞳孔（眼睛中心的圆形黑色区域）和角膜（眼睛前部的透明外层）上。

光线在角膜上的反射（也称为闪烁点）相对于瞳孔中心的位移进行追踪，这使得我们可以估计注视点的位置。这种检测方法被称为瞳孔中心角膜反射（PCCR）。

2.眼动传感器检测光反射

眼动仪包含对近红外光敏感的传感器，可以捕捉眼睛及其反射的图像。摄像头传感器位于用户前方，能清晰看到用户的眼睛。根据眼动仪的采样速度，可以获取关于特定类型眼球运动的信息。Tobii最快的眼动仪（Tobii Pro Spectrum）每0.833毫秒（1200Hz）拍摄一次眼睛图像，可以追踪微小眼动行为——视觉角度小于0.1度的微小眼球运动。

3.图像处理与分析

在采集过程中，从传感器捕获眼睛的图像，并发送给算法进行分析。眼动仪使用先进的图像处理算法来估算个体眼睛的三维模型以及眼球在空间中的位置。通过Tobii眼动仪，可以精确计算注视点，无需头部固定或下巴托架。在图像分析过程中通过检测瞳孔中心和角膜反射计算注视点位置。

近距离了解瞳孔中心角膜反射（PCCR）方法

用于估计视线位置的Tobii眼动仪使用一种称为瞳孔中心角膜反射（PCCR）的方法。该方法基于识别和定位瞳孔中心以及角膜上的光反射（称为闪烁点）。近红外光源的照射在角膜和瞳孔上产生光反射（请参见图2中的示例）。

图像处理算法识别瞳孔中心和角膜上的光反射。随着眼睛的移动，虹膜和瞳孔相对于角膜反射的位置会发生变化。眼动追踪算法利用瞳孔中心和角膜反射之间的向量，进一步计算推断凝视点的位置（即我们所看的目标），精度非常高。

进一步探索：什么是近红外光，为何眼动追踪要采用近红外光？

眼动追踪的准确度依赖于对瞳孔中心和角膜反射的精确标注。需要稳定的光源，能够抵御环境变化，并随时进行准确标注。近红外光是一种优秀的光源，满足了准确和高精度眼动追踪的所有要求：

• 对人眼来说不可见

近红外光对人眼是不可见的，它不会引起不适或干扰眼动追踪设备前的使用者。

• 能够在不同条件下保持稳定化照射

近红外光与可见光谱相比，受环境光的干扰较小。这确保了角膜的可靠准确照明，使眼动追踪结果在不同环境下保持稳定。

眼动追踪设备的类型及工作方式

基于视频的眼动仪是现代使用最广泛的眼动追踪设备类型，可以进一步分为以下几种类型：

• 屏幕式眼动仪，也被称为遥测式眼动仪

• 移动式眼动仪，或简称为眼镜式眼动仪

• 集成或嵌入系统、增强现实设备中的眼动追踪设备（例如XR设备）

Tobii的屏幕式眼动仪

如字面意思，屏幕眼动仪安装在台式机或笔记本电脑屏幕上（见图4）。屏幕式眼动仪可以计算眼睛在计算机显示器上的位置和凝视点。屏幕式眼动仪广泛用于科学研究，或被用于提升游戏体验、开展消费者研究。

Tobii穿戴式眼动仪

穿戴式眼动仪，或者简称为眼镜式眼动仪，可以像普通眼镜一样佩戴（图5）。穿戴式眼动仪有一个前置场景相机，用于记录用户正在看的内容，从而在现实世界环境中提供第一人称视角的洞察。穿戴式眼动仪通常用于科学研究、用户和消费者研究，以及培训和评估。

嵌入到XR头显中的眼动追踪

扩展现实（XR）是一个概括性的术语，用于描述沉浸式技术，其主要类型包括虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）。

在 XR 头戴设备中，眼动追踪组件通常包括放置在用户和显示器之间的环形结构中的摄像头和光源。核心的机器学习算法解析摄像头的反馈，生成实时数据点，如瞳孔大小、凝视向量和眼睛的开合程度。这些信息可以用来理解用户的注意力和认知状态，并预测他们的意图。

眼动追踪可以通过完全将所有眼动追踪组件嵌入镜片中，将所有组件无缝集成到眼镜框架中，或者镜片和框架嵌入的组合方式来实现。所有这些都采用了Tobii的技术和眼动追踪参考设计。

XR 应用中的眼动追踪涵盖了诸如健康、培训、模拟、用户体验洞察、医疗技术、教育技术和科学研究等领域。