一種新型眼動儀準確性的初步研究

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

眼動儀是眼球運動跟蹤設(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，眼動儀主要應(yīng)用于廣告心理學(xué)[6-7]、市場研究[8]、人機交互[9-10]、動態(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)于眼球微掃視運動的研究報道[15-16]。實際上，各種基于不同跟蹤測量方法的眼動儀存在各自的優(yōu)缺點，總體而言價格昂貴，設(shè)計較復(fù)雜。而本文介紹的是一種新型的、簡易設(shè)計的眼動儀，試圖通過定位角膜反光點的不同位置，計算出被試者與視標之間的不同距離。通過實驗，我們得到了較好的結(jié)果，初步驗證了該設(shè)備的準確性和可靠性。這對于自動對焦、虛擬圖像投射等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，現(xiàn)報道如下。

1 材料和方法

1.1 臨床資料

本文共有23位被試者參與了實驗（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投射方向為由眼睛鼻上方投射向角膜中央，圖像是由攝像頭拍攝采集，經(jīng)過檢測和處理，設(shè)備利用每個不同注視視標的角膜反光中心和每個眼睛的瞳孔中心之間的距離作為校準參數(shù)，然后通過算法計算視標的距離。

被試者的固定裝置采用裂隙燈升降臺進行改造而成，可以移動升降臺以改變距離，分別在不同距離采集圖像。實驗設(shè)計了不同間距5×5排列的25個視標矩陣，視標為實心正方形，其作用主要是為了供被試者注視。近距離（35 cm）和中遠距離（70 cm）矩陣視標橫向縱向間距均為5 cm，遠距離（400 cm）矩陣視標橫向間距為40 cm，縱向間距為20 cm。LED和照相機的電源分開。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，相機應(yīng)該是2.80～2.97 V，確保降低圖像噪聲。攝像機的信號線用黃色和字母“L”和“R”標記，以區(qū)分左右相機。拍照時，由左到右看個人習(xí)慣手動改變。PC機的圖像采集是通過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。眼動儀的整體連接，見圖2。

圖1 眼動儀裝置示意圖

估算距離的獲得需要兩步：① 校準；② 計算。被試者配戴眼動儀和保持頭部穩(wěn)定在裂隙燈升降臺的下頜托休息（圖3）。告知被試者前方有5×5排列的25個視標矩陣，每個視標依次采用兩位數(shù)字編號，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，每個視標采集左右眼各一幅圖像，分別在近距離、中距離、遠距離不同距離進行檢測（圖 4）。

圖3 檢查時受試者佩戴裝置將下巴放置于下頜托

圖4 5×5視標所組成的矩陣

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

運算完成后可獲得在水平方向（左眼和右眼）角膜反光點中心和瞳孔中心之間的距離，由此可算出雙眼對視標的成角，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 估算距離的計算獲取

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

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

所采集數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0進行統(tǒng)計分析。我們定義準確率為估算距離在不同標準距離范圍內(nèi)的百分比（<50 cm為近距離，50～150 cm為中距離，>150 cm為遠距離）。準確率數(shù)據(jù)采用Kruskal-Wallis檢驗，估算距離采用獨立樣本t檢驗，P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 設(shè)備整體估算距離vs標準距離

如果不分不同的校準距離，取不同校準距離所得估算距離的平均值與標準距離做比較的話，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 采用不同校準距離所得估算距離vs標準距離

估算距離和標準距離采用獨立樣本t檢驗。校準距離為35 cm時，不同標準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）；校準距離為70 cm時，估算35 cm及70 cm的標準距離差 別 顯 著（t=2.129，P=0.045；t=6.313，P<0.001）， 但估算400 cm的標準距離時，差異無顯著性（t=-1.472，P=0.155）；校準距離為400 cm時，估算35 cm的標準距離時，有顯著性差異（t=-2.831，P=0.010），但在標準距離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 不同校準距離所得的估算距離

圖8 不同校準距離所得的估算距離

把相同標準距離的數(shù)據(jù)進一步進行ANOVA Dunnett T3方差分析，可以發(fā)現(xiàn)在標準距離70 cm和標準距離400 cm處，方差分析無顯著性差異；僅35 cm標準距離處不同校準距離所得結(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 不同校準距離所得估算距離的比較

2.3 不同校準距離所得估算距離的準確性及其比較

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

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

表3 不同校準距離所得估算距離的準確性中位數(shù)

表4 不同校準距離估算結(jié)果準確性的比較

3 討論

視頻眼動儀是一種無創(chuàng)性追蹤并記錄眼球運動軌跡的設(shè)備。目前，世界上有多家知名的生產(chǎn)眼動儀的廠家，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)實驗室及日本的ISCAN公司。既往的設(shè)備主要用于眼球追蹤，可用于視覺認知、心理學(xué)、市場研究、人機交互、產(chǎn)品設(shè)計等領(lǐng)域。本研究之眼動儀設(shè)計簡便，基于注視角度計算，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)備的準確性；頭戴式則需佩戴裝置，頭部可在一定范圍內(nèi)活動。本眼動儀為頭戴式，既往國內(nèi)曾有類似研究。王強[17]曾基于Windows平臺進行了眼動儀的設(shè)計，許帥[18]則進行了托架式眼動儀的研究，兩者與本研究之眼動儀有一定的相似之處，但在整體設(shè)計及算法上又有本質(zhì)區(qū)別。

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

在不同校準距離所得數(shù)據(jù)的具體分析中，我們發(fā)現(xiàn)35 cm的校準距離所得估算距離與標準距離相比無顯著性差異，但在70 cm和400 cm校準距離所得數(shù)據(jù)在某些標準距離，其差異性變得有顯著性。在具體估算距離的統(tǒng)計中，與標準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際價值，但可以在一定程度上體現(xiàn)了本眼動儀的準確性。

在相同標準距離的比較中，可以發(fā)現(xiàn)在標準距離70 cm和標準距離400 cm處，不同校準距離的結(jié)果均無顯著性差異；在35 cm標準距離處，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，校準距離400 cm所得估算距離誤差較大。

相對于距離的具體數(shù)值而言，估算距離在范圍內(nèi)的準確率指標準確性可能更加有實用價值。根據(jù)準確性的統(tǒng)計結(jié)果，對于35 cm和400 cm標準距離，不同校準距離所得結(jié)果無顯著性差異，僅在標準距離70 cm處，校準距離70 cm所得估算距離要高于校準距離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，校準距離選用70 cm相對準確性更高些。

本眼動儀具有設(shè)計簡單、便于攜帶、操作簡易、適用人群廣等優(yōu)點。但本研究也有一些局限性：① 樣本量不足，需擴大樣本量進行進一步研究；② 算法需進一步優(yōu)化，縮短運算時間，爭取一鍵計算；③ 眼動儀設(shè)計方面攝像頭位置如何放置以避開眼瞼睫毛的影響同時需符合實際應(yīng)用要求是值得進一步考慮優(yōu)化的問題；④ 圖像校準時受到眼瞼位置、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應(yīng)點，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

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