RU2589623C2 - Method of monitoring eye movements and device for its implementation - Google Patents

Method of monitoring eye movements and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2589623C2
RU2589623C2 RU2014140530/14A RU2014140530A RU2589623C2 RU 2589623 C2 RU2589623 C2 RU 2589623C2 RU 2014140530/14 A RU2014140530/14 A RU 2014140530/14A RU 2014140530 A RU2014140530 A RU 2014140530A RU 2589623 C2 RU2589623 C2 RU 2589623C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
limb
projections
eye
formula
monitoring
Prior art date
Application number
RU2014140530/14A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014140530A (en
Inventor
Александр Иванович Миланич
Original Assignee
Александр Иванович Миланич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Иванович Миланич filed Critical Александр Иванович Миланич
Priority to RU2014140530/14A priority Critical patent/RU2589623C2/en
Publication of RU2014140530A publication Critical patent/RU2014140530A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2589623C2 publication Critical patent/RU2589623C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Eye Examination Apparatus (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: invention relates to monitoring of parameters of vision. Method of monitoring eye movement and determining the direction of sight on a projection of a limb to linear photodetectors in which are used the optical system, a processing and information transmission unit external devices, consists in the fact that uses one or several series-connected linear Photodetectors, on which an optical system is projected at least two projections of the boundary of the limb Ymin and Ymax, and treatment of movement and determining the direction of sight occur in real time at the corresponding values of projections of the limb of one or both eyes right through calculation using the formula given below or using pre-calculated at this formula data stored in memory unit for processing:
Figure 00000003
, where Ymin and Ymax are minimum and maximum value of projections of the limb on the linear part of the photodetector, corresponding to the plus and minus signs in brackets formula R is radius of eyeball and r is radius of the limb, and the direction of sight vertically determines angle φ and horizontal angle ψ.
EFFECT: using the invention increases operating speed when monitoring eye movement and determining the direction of sight.
5 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Ссылки на патенты и литературу:References to patents and literature:

1. Ruxin Chen, Ozlem Kalinli patent US 2012/0281181, от 08.11.2012.1. Ruxin Chen, Ozlem Kalinli patent US 2012/0281181, dated 08/08/2012.

2. John Howison Schroeder, Alexander D. Kiderman patent US 2010/0092049, от 15.04.2010.2. John Howison Schroeder, Alexander D. Kiderman patent US 2010/0092049, dated April 15, 2010.

3. Roel Vertegaal, Changuk Sohn, et al. patent US 7963652, от 21.06.2011.3. Roel Vertegaal, Changuk Sohn, et al. patent US 7963652, dated June 21, 2011.

4. Thomas E. Hutchinson, Ivy Va. patent US 4950069, от 21.08.1990.4. Thomas E. Hutchinson, Ivy Va. patent US 4950069, from 08.21.1990.

5. Kingman Yee. patent US 6283954, от 04.09.2001. 5. Kingman Yee. patent US 6283954, dated 04.09.2001.

Область техники.The field of technology.

Изобретение относится к мониторингу параметров зрения и может найти применение в различных областях от медицины до управления компьютером, а также сможет решать многие другие задачи, например анализ объектов внимания покупателя при покупках в магазине или при просмотре сайта, управление приборами бытовой техники и др. Главным назначением изобретения является отслеживание направления и характера движения взгляда человека в реальном времени, а также выполнение определенных действий, которое соответствует заданной последовательности направлений взгляда либо фиксация взгляда на заданное время.The invention relates to the monitoring of vision parameters and can find application in various fields from medicine to computer control, and can also solve many other problems, for example, analysis of customer’s attention when shopping at a store or viewing a site, control of household appliances, etc. of the invention is tracking the direction and nature of the movement of a person’s gaze in real time, as well as performing certain actions that correspond to a given sequence The direction of gaze fixation or gaze at a specific time.

Для медицины характер саккад (быстрые движения глаз) и/или направление и время просмотра определенных тестовых изображений несет диагностическую функцию и может объективно свидетельствовать об определенных расстройствах работы мозга, либо об эмоциональном состоянии человека.For medicine, the nature of saccades (fast eye movements) and / or the direction and time of viewing certain test images carries a diagnostic function and can objectively indicate certain disorders of the brain, or the emotional state of a person.

Кроме того, уже сегодня реализованы различные «ай трекеры», управляющие, например, компьютером и помогающие в общении обездвиженным людям (пример профессора Стивена Хокинга). Функция управление взглядом тоже может быть реализована в рамках предлагаемого изобретения.In addition, various “ah trackers” have already been implemented today that control, for example, a computer and help communicate with immobilized people (an example of Professor Stephen Hawking). The gaze control function can also be implemented within the framework of the invention.

Предшествующий уровень техники.The prior art.

Объективные методы точного определения направления взгляда имеют давнюю историю и основаны на разных физических принципах. Все способы делятся на контактные методы (электроды вблизи глаз и анализ возникающих потенциалов, датчики на глазном яблоке и т.д.) и бесконтактные (кино или видеосъемка глаза).Objective methods for accurately determining the direction of view have a long history and are based on different physical principles. All methods are divided into contact methods (electrodes near the eyes and analysis of emerging potentials, sensors on the eyeball, etc.) and non-contact (film or video recording of the eye).

Так в патенте [1] предлагается использовать магнитные контактные линзы, а в очковой оправе смонтировать датчики изменения магнитного поля (это контактный способ). Наверное, так можно определять поворот глазного яблока, но скорее всего точность такого устройства будет невелика. Кроме того, метод мало пригоден для лиц с нормальным зрением (без контактных линз).So in the patent [1] it is proposed to use magnetic contact lenses, and in the spectacle frame mount sensors for changing the magnetic field (this is the contact method). Perhaps this is how you can determine the rotation of the eyeball, but most likely the accuracy of such a device will be small. In addition, the method is not very suitable for people with normal vision (without contact lenses).

Подавляющее большинство устройств и способов контроля или отслеживания направления взгляда используют оптические, бесконтактные методы. Например, анализируют изображение глаза, регистрируемое видеокамерой [2], или фиксируют направление отраженного луча [3].The vast majority of devices and methods for monitoring or tracking the direction of gaze use optical, non-contact methods. For example, they analyze the image of the eye recorded by a video camera [2], or fix the direction of the reflected beam [3].

Так в патенте [2] утверждается, что достаточно иметь часть изображения лимба (лимб - это граница радужки и склеры), чтобы рассчитать направление взгляда. Данный способ основан на обработке оцифрованного изображения глаза и требует достаточно серьезных вычислений. Поэтому можно утверждать, что способ имеет существенные ограничения как по точности (поскольку граница лимба имеет некоторую «размытость»), так и по скорости обработки из-за громоздкости вычислений, хотя авторы не приводят конкретных результатов ни по точности, ни по скорости перемещения взгляда.So in the patent [2] it is stated that it is enough to have a part of the image of the limb (the limb is the border of the iris and sclera) to calculate the direction of the gaze. This method is based on processing a digitized image of the eye and requires quite serious calculations. Therefore, it can be argued that the method has significant limitations both in accuracy (since the limb boundary has some “blurring”) and in processing speed due to the cumbersomeness of calculations, although the authors do not give concrete results either in accuracy or in the speed of moving the gaze.

Кроме того, авторы не обсуждают вопрос, какая минимальная часть лимба необходима для работоспособности метода, но начиная с некоторых длин дуги лимба ошибка может оказаться настолько большой, что мониторинг направления взгляда окажется невозможен, поэтому данный патент очень далек от его практической реализации.In addition, the authors do not discuss the question of what minimum portion of the limb is necessary for the method to work, but starting with some lengths of the limb arc the error may turn out to be so large that monitoring the direction of the gaze will be impossible, therefore this patent is very far from its practical implementation.

В патенте [3] фиксируется отражение набора маркеров, расположенных на экране (либо «сцене») от роговицы глаза. Это один из немногих патентов, пригодный для мониторинга направления взгляда животных (так утверждается). Данный метод и устройство легко реализовать, что подтверждают расчеты и графики, но при увеличении числа маркеров (в патенте сказано: «один или более») возникает проблема распознавания самих маркеров. Кроме того, математическая модель, которая не обсуждается в патенте, достаточно сложна и требует значительного времени для обработки изображения, поэтому возможная скорость отслеживаемых движений глаза ограничена и не позволит регистрировать саккады, скорость которых может достигать 200-450 градусов в секунду.The patent [3] records the reflection of a set of markers located on the screen (or “scene”) from the cornea of the eye. This is one of the few patents suitable for monitoring the direction of the gaze of animals (as claimed). This method and device is easy to implement, which is confirmed by calculations and graphs, but with an increase in the number of markers (the patent says: “one or more”), the problem of recognizing the markers themselves arises. In addition, the mathematical model, which is not discussed in the patent, is quite complicated and requires considerable time for image processing, so the possible speed of the tracking eye movements is limited and will not allow to register saccades, the speed of which can reach 200-450 degrees per second.

Как и в предыдущем патенте, необходимо изображение хотя бы одного глаза и фиксация головы пациента. Кроме того, оба патента предполагают использовать небольшие видеокамеры, но большинство доступных камер работают на частоте всего 30-50 кадров в секунду при скромном разрешении изображения, что ограничивает и точность, и доступные для регистрации скорости движений глаз.As in the previous patent, an image of at least one eye and fixation of the patient's head are necessary. In addition, both patents intend to use small video cameras, but most of the available cameras operate at a frequency of only 30-50 frames per second with a modest image resolution, which limits both the accuracy and the speed of eye movements available for recording speed.

Следующий патент [4] предполагает решить изложенные выше проблемы, а также увеличить скорость и точность метода, хотя и был заявлен много ранее в 1990 г. Для этого глаз освещают мощным инфракрасным диодом. Известно, что сетчатка хорошо отражает излучение в ИК области, поэтому зрачок глаза выглядит ярким пятном. Затем по специальному алгоритму вычисляется центр и др. параметры эллипса, однозначно соответствующего направлению взгляда. Конечно, данный способ частично преодолевает недостатки ранее обсуждаемых патентов, но небольшая частота кадров доступных видеокамер остается непреодолимым барьером на пути повышения скорости.The next patent [4] proposes to solve the above problems, as well as to increase the speed and accuracy of the method, although it was announced much earlier in 1990. For this, the eyes are illuminated with a powerful infrared diode. It is known that the retina reflects radiation well in the IR region, so the pupil of the eye looks like a bright spot. Then, using a special algorithm, the center and other parameters of the ellipse are calculated, which uniquely corresponds to the direction of the gaze. Of course, this method partially overcomes the disadvantages of the previously discussed patents, but the small frame rate of the available cameras remains an insurmountable barrier to increasing speed.

В качестве прототипа рассмотрим Американский патент [5] «Линейный мониторинг глаза». Главная идея прибора и метода состоит в том, что на основе пар стандартных линейных фотодетекторов (фотолинеек) определяется положение лимба (границы перехода радужки в склеру), поэтому алгоритм расчетов существенно упрощается. Кроме того, скорость работы линейного сенсора (мегагерцы) существенно превышает скорость любой видеокамеры, что существенно повышает быстродействие устройства.As a prototype, consider the American patent [5] "Linear eye monitoring." The main idea of the device and the method is that based on pairs of standard linear photodetectors (photo lines), the position of the limb (the border of the transition of the iris to the sclera) is determined, so the calculation algorithm is greatly simplified. In addition, the speed of the linear sensor (megahertz) is significantly higher than the speed of any video camera, which significantly increases the speed of the device.

К недостаткам метода следует отнести то, что для определения направления взгляда требуются 4 значения координат лимба (левая, правая, верхняя и нижняя), поскольку в изобретении используются 2 взаимно перпендикулярных линейных сенсора (см. иллюстрации к патенту), хотя в формуле изобретения говорится о линейных сенсорах, расположенных под углом (не ортогональный базис), и лишь во втором пункте речь идет о взаимно ортогональном расположении линейных сенсоров. Суть способа от этого не меняется и требуются 4 точки для вычисления положения и ориентации глаза.The disadvantages of the method include the fact that to determine the direction of view requires 4 values of the coordinates of the limb (left, right, upper and lower), since the invention uses 2 mutually perpendicular linear sensors (see illustrations to the patent), although the claims refer to linear sensors located at an angle (not an orthogonal basis), and only in the second paragraph we are talking about a mutually orthogonal arrangement of linear sensors. The essence of the method does not change from this and 4 points are required to calculate the position and orientation of the eye.

Поскольку данное изобретение и датчик разработаны для лазерных операций на роговице глаза, всегда можно на время операции раздвинуть веки и способ будет успешно реализован. Но для мониторинга направления взгляда данный способ мало пригоден, поскольку у большинства - людей верхняя (а во многих случаях и нижняя, например, азиаты) точка лимба прикрыты веком. Таким образом, предложенный способ имеет узкую область применения, когда виден весь лимб (лазерные операции на глазах), хотя применение линейных датчиков существенно повысило скорость обработки, что и позволяет применить данный способ в устройствах для лазерных операций на глазах.Since this invention and the sensor are designed for laser operations on the cornea of the eye, it is always possible to open the eyelids for the duration of the operation and the method will be successfully implemented. But this method is of little use for monitoring the direction of gaze, since for most people, the upper (and in many cases the lower, for example, Asians) point of the limb is covered by the eyelid. Thus, the proposed method has a narrow scope when the entire limb is visible (laser eye surgery), although the use of linear sensors has significantly increased the processing speed, which allows us to use this method in devices for laser eye surgery.

Таким образом, предложенный в [5] метод и устройство имеют узкую область применения, хотя использование линейных датчиков и более простого алгоритма вычислений значительно повышают скорость обработки изображения лимба глаза, по сравнению с использованием видеокамер.Thus, the method and device proposed in [5] have a narrow scope, although the use of linear sensors and a simpler calculation algorithm significantly increase the processing speed of the image of the limb of the eye, compared with the use of video cameras.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Целью данного изобретения является разработка простого, надежного способа и устройства для мониторинга движения глаз в реальном времени и отслеживания направления взгляда с характерными временами несколько миллисекунд и менее.The aim of this invention is to develop a simple, reliable method and device for monitoring eye movement in real time and tracking the direction of view with characteristic times of several milliseconds or less.

Каждый из рассмотренных выше методов мониторинга взгляда [1-4] обладает своими достоинствами и специфическими недостатками, но общим и основным из которых является небольшая скорость исходной информации - 30-50 кадров в секунду. Однако для изучения саккад и некоторых других медицинских применений (например, исследование патологий работы мозга, оценка эмоционального состояния пациента и др.) требуется фиксировать движения с характерным временем 10-30 мс и менее. Хотя подобные устройства, регистрирующие движения с частотами более 1000 Гц (основанные на принципах видео регистрации), существуют, они очень дорогие и область нескольких сотен герц - это предел современных систем данного класса.Each of the above methods for monitoring gaze [1-4] has its own advantages and specific disadvantages, but the general and main one of which is the low speed of the initial information - 30-50 frames per second. However, to study saccades and some other medical applications (for example, studying brain pathologies, assessing the patient’s emotional state, etc.), it is necessary to record movements with a characteristic time of 10-30 ms or less. Although such devices that record movements with frequencies above 1000 Hz (based on the principles of video recording) exist, they are very expensive and the area of several hundred hertz is the limit of modern systems of this class.

Линейные датчики изображения (фотолинейки) имеют гораздо лучшие временные характеристики и невысокую цену. Характерные частоты считывания информации фотолинеек - несколько мегагерц, они дешевы, просты и надежны, а элементная база достаточно разнообразна (число пикселей в линейке колеблется от 256 до более 5 тысяч, у них разные области спектральной чувствительности) и т.д.Linear image sensors (photo rulers) have much better temporal characteristics and a low price. The characteristic frequencies for reading photo line information are a few megahertz, they are cheap, simple and reliable, and the element base is quite diverse (the number of pixels in the line varies from 256 to more than 5 thousand, they have different areas of spectral sensitivity), etc.

Кроме того, оказалось, что если известен диаметр глазного яблока (радиус R) и радиус лимба (r), то направление взгляда можно совсем легко рассчитать аналитически по двум координатам проекции изображения лимба на одном линейном фотодатчике. Например, в цилиндрической системе координат для фотолинейки, линзы и центра глазного яблока, расположенных на одной оси (см. Фиг. 1), по формуле (1) можно рассчитать проекции на фотолинейку пересечения лимба с плоскостью YX. А по данным проекциям можно почти однозначно восстановить направление взгляда:In addition, it turned out that if the diameter of the eyeball (radius R) and the radius of the limb (r) are known, then the direction of view can be easily calculated analytically from the two coordinates of the projection of the image of the limb on a single linear photosensor. For example, in a cylindrical coordinate system for the photo line, lens and center of the eyeball located on the same axis (see Fig. 1), using the formula (1), you can calculate the projection on the photo line of the intersection of the limb with the YX plane. And according to these projections, you can almost unambiguously restore the direction of view:

Figure 00000001
Figure 00000001

Здесь Y min/max - минимальное и максимальное значение проекций лимба на фотолинейку, соответствующее разным знакам в скобках, угол φ - определяет направление взгляда по вертикали, а ψ - соответствует углу по горизонтали.Here, Y min / max is the minimum and maximum value of the limb projections on the photo line corresponding to different signs in brackets, the angle φ determines the vertical direction of the view, and ψ corresponds to the horizontal angle.

Также на Фиг. 1 показана простейшая оптическая система (lens - линза) и фотолинейка (Sensor). Формула (1) соответствует случаю, когда центр глазного яблока лежит в плоскости, но поскольку через точку (центр глазного яблока) и линию (фотолинейка) можно провести единственную плоскость (XY), то формула (1) имеет общий характер, хотя в конкретных случаях ее можно уточнить, например, при особой форме лимба или специальной формы линейки.Also in FIG. Figure 1 shows the simplest optical system (lens) and the photo line (Sensor). Formula (1) corresponds to the case when the center of the eyeball lies in the plane, but since a single plane (XY) can be drawn through the point (center of the eyeball) and the line (photo line), then formula (1) is general, although in specific cases it can be clarified, for example, with a special limb shape or a special ruler shape.

Формула (1) не дает строго однозначного решения (двузначное решение), поскольку при замене φ на -φ получаются одни и те же проекции. Но в реальных случаях положение глазного яблока асимметрично относительно век и в основном взгляд направлен вниз. Кроме того, расчет скорости изменения угла φ, а также свойство непрерывности функции значений угла позволяют внести уточнения и однозначно определить направление взгляда. В блоке обработки можно программно рассчитывать скорость изменения угла φ, поэтому переход «экватора» с ненулевой скоростью позволит дополнительно уточнить знак угла φFormula (1) does not give a strictly unambiguous solution (a two-valued solution), since when φ is replaced by -φ, the same projections are obtained. But in real cases, the position of the eyeball is asymmetric with respect to the eyelids and the gaze is mainly directed downward. In addition, the calculation of the rate of change of the angle φ, as well as the continuity property of the function of the values of the angle, allow us to refine and unambiguously determine the direction of view. In the processing unit, it is possible to programmatically calculate the rate of change of the angle φ, so the transition of the "equator" with a non-zero speed will further clarify the sign of the angle φ

Радикальным решением проблемы неоднозначности является разработка специальных ПЗС линеек (фотоприемников) с геометрией, отличной от линии («изогнутых»), или использование двух и более таких фотолинеек, включенных последовательно. Их форму можно выбрать такой (по сути почти любой см. Фиг. 2 - линии соответствуют формам фотолинеек), чтобы на фотолинейку проецировалось 3 и более проекций лимба. Тогда решение имеет однозначное соответствие направлению взгляда по совокупности проекций лимба. Выборку значений нескольких фотолинеек можно осуществлять последовательно, тем более, если массив линеек изготовлен на едином кристалле.A radical solution to the ambiguity problem is the development of special CCD arrays (photodetectors) with a geometry different from the line (“curved”), or the use of two or more such arrays connected in series. Their shape can be chosen such (in fact, almost any see. Fig. 2 - the lines correspond to the shapes of the photo lines) so that 3 or more projections of the limb are projected onto the photo line. Then the solution has an unambiguous correspondence with the direction of view along the set of projections of the limb. The selection of the values of several photo lines can be carried out sequentially, especially if the array of lines is made on a single crystal.

Взаимное расположение нескольких фотолинеек не имеет принципиального значения, но при условии, что все фотолинейки расположены в фокусе единой оптической системы, что значительно упрощает конструкцию устройства.The mutual arrangement of several photo lines does not matter, but on condition that all photo lines are located in the focus of a single optical system, which greatly simplifies the design of the device.

Использование в устройстве двух и более взаимосвязанных фотолинеек (не обязательно последовательных) либо линеек сложной формы существенно повышает точность определения направления взгляда.The use in the device of two or more interconnected photo lines (not necessarily sequential) or lines of complex shape significantly increases the accuracy of determining the direction of view.

Кроме того, для выбора знака решения в формуле (1) и для повышения точности определения углов можно использовать корреляцию значения проекций лимба левого и правого глаза. В силу явления дивергенции (сведение обоих глаз на одном объекте) значения проекций обоих глаз становятся взаимосвязаны, что можно легко учесть в расчетах. Предпочтительным является непараллельное расположение друг относительно друга фотолинейки правого и левого глаза.In addition, to select the sign of the solution in formula (1) and to increase the accuracy of determining the angles, you can use the correlation of the values of the projections of the limb of the left and right eye. Due to the phenomenon of divergence (the reduction of both eyes on one object), the projection values of both eyes become interconnected, which can be easily taken into account in the calculations. Preferred is the non-parallel arrangement with respect to each other of the photo line of the right and left eye.

С учетом того, что в среднем радиус глазного яблока равен примерно 12 мм, а радиус лимба около 6 мм, получим ограничение для углов по вертикали ±30 градусов. То есть предложенный способ позволяет определять направление взгляда по вертикали в диапазоне примерно 60 градусов, что меньше 125 градусов, доступных глазу. Но поскольку основной диапазон осмысленной информации воспринимается вблизи оптической оси, а диапазон саккад в 85% случаев не превышает 15 градусов, то данные характеристики устройства соответствуют практическим потребностям.Given that the average radius of the eyeball is approximately 12 mm, and the radius of the limb is about 6 mm, we obtain a limit for vertical angles of ± 30 degrees. That is, the proposed method allows you to determine the direction of gaze vertically in the range of about 60 degrees, which is less than 125 degrees available to the eye. But since the main range of meaningful information is perceived near the optical axis, and the saccade range in 85% of cases does not exceed 15 degrees, these characteristics of the device correspond to practical needs.

Для углов по горизонтали ситуация еще лучше, поскольку 120 градусов (от 30 до 150 градусов) хорошо соответствует полю зрения каждого глаза 60 градусов к носу и 90 градусов к виску (поле зрения двух глаз около 180 градусов по горизонтали).For horizontal angles, the situation is even better, since 120 degrees (30 to 150 degrees) corresponds well with the field of view of each eye 60 degrees to the nose and 90 degrees to the temple (the field of view of two eyes is about 180 degrees horizontally).

Конечно, необходимо чтобы при поворотах глаза обе проекции границ лимба отображались на фотолинейку, что требует большой глубины резкости оптической системы устройства. На практике, увеличение глубины резкости соответствует небольшой апертуре и соответственно требует применения более чувствительных фотоприемников.Of course, it is necessary that when turning the eyes, both projections of the limb boundaries are displayed in the photo line, which requires a large depth of field of the optical system of the device. In practice, increasing the depth of field corresponds to a small aperture and accordingly requires the use of more sensitive photodetectors.

Возможно применение и более сложных оптических систем, чем одна линза, представленная на Фиг. 1, например с большим числом оптических элементов, а также призм или зеркал для поворота оптической оси, что важно при конкретной реализации устройства, но не влияет на суть предложенного способа.More sophisticated optical systems are possible than the single lens shown in FIG. 1, for example, with a large number of optical elements, as well as prisms or mirrors for turning the optical axis, which is important for a specific implementation of the device, but does not affect the essence of the proposed method.

При реализации данного способа расчеты по формуле (1) или по аналогичным формулам могут быть выполнены предварительно и загружены в память блока обработки, например, как таблица и определение направление взгляда происходит путем сравнения аппаратных значений проекции лимба в реальном времени и значений из таблицы. В этом случае время определения направления взгляда дополнительно уменьшится, что позволит отслеживать наиболее быстрые движения глаз.When implementing this method, calculations by formula (1) or by similar formulas can be preliminarily performed and loaded into the memory of the processing unit, for example, as a table and determining the direction of view is done by comparing the hardware values of the limb projection in real time and the values from the table. In this case, the time to determine the direction of view will be further reduced, which will allow you to track the fastest eye movements.

Оценки по точности метода сильно зависят от параметров оптической системы. Для системы с фокусным расстоянием 10 мм и ПЗС линейки, содержащей 2048 пикселей, получена оценка разрешения по углу лучше 0,7 градуса, что вполне приемлемо, хотя плохо то, что самое низкое разрешение соответствует положению взгляда вблизи оптической оси.Estimates of the accuracy of the method strongly depend on the parameters of the optical system. For a system with a focal length of 10 mm and a CCD of a ruler containing 2048 pixels, an angle resolution estimate of better than 0.7 degrees is obtained, which is quite acceptable, although it is bad that the lowest resolution corresponds to the gaze position near the optical axis.

Следовательно, хотя предложенный способ и устройства для его реализации не могут определять любые углы во всем поле зрения человека, диапазон доступных способу и устройству углов находится в области наибольшего практического интереса.Therefore, although the proposed method and device for its implementation cannot determine any angles in the entire field of view of a person, the range of angles available to the method and device is in the area of greatest practical interest.

Определить радиус лимба можно в режиме самонастройки при помощи самого устройства: достаточно вначале работы выполнить тест, глядя перед собой и перемещая взгляд, например, по вертикали вверх и вниз, а устройство рассчитает и определит максимальную разность проекций, что соответствует диаметру лимба. Дополнительные более сложные тесты «прицеливания» на специально выбранные точки монитора позволят «привязать» координаты устройства к внешней системе координат, что повышает точность способа.You can determine the radius of the limb in the self-tuning mode using the device itself: it is enough to start the test at first, looking in front of you and moving your eyes, for example, vertically up and down, and the device will calculate and determine the maximum projection difference, which corresponds to the diameter of the limb. Additional more complex tests of "aiming" at specially selected points on the monitor will allow you to "bind" the coordinates of the device to an external coordinate system, which increases the accuracy of the method.

Если используется система мониторинга по двум глазам, то возможно внести поправки на дивергенцию глаз, либо контролировать саму дивергенцию. По характеру движения глаз, например по характеру и скорости саккад, возможно в реальном времени объективно оценивать эмоциональное состояние человека.If a two-eye monitoring system is used, it is possible to correct for divergence of the eyes, or to control the divergence itself. By the nature of eye movement, for example, by the nature and speed of saccades, it is possible in real time to objectively assess the emotional state of a person.

Предпочтительно использовать фотолинейки с областью чувствительности, простирающейся в ближнюю ИК область (вблизи 900 нм), что позволяет использовать подсветку лимба мощными арсенид-галиевыми светодиодами с длиной волны излучения вблизи 850-940 нм. Эти длины волны не видимы глазу, поэтому никак не влияют на человека и на измерения, но это не принципиальное условие и возможно использовать светодиоды в другом спектральном диапазоне, соответствующие области спектральной чувствительности линейки.It is preferable to use photo lines with a sensitivity region extending to the near IR region (near 900 nm), which makes it possible to use limb illumination with powerful arsenide-galium LEDs with a radiation wavelength near 850-940 nm. These wavelengths are not visible to the eye, therefore, they do not affect the person and the measurements, but this is not a fundamental condition and it is possible to use LEDs in a different spectral range corresponding to the spectral sensitivity range of the line.

Если устройство предназначено для связи или управления внешними устройствами, то предпочтительно использовать беспроводное соединение (блютуз или вайфай).If the device is designed to communicate or control external devices, it is preferable to use a wireless connection (bluetooth or Wi-Fi).

Таким образом, предложены новый способ мониторинга направления взгляда и класс устройств для реализации данного способаThus, a new method for monitoring the direction of view and a class of devices for implementing this method are proposed.

Описание предпочтительной реализации изобретенияDescription of the preferred implementation of the invention

Предпочтительно использовать способ мониторинга направления взгляда, разместив устройство в оправе очков (либо в шлеме и т.п.), даже если испытуемый обладает нормальным зрением. Система мониторинга направления взгляда может быть дополнена светодиодом подсветки и внешним интерфейсом для связи с другими устройствами и др.It is preferable to use the method of monitoring the direction of gaze by placing the device in the frame of glasses (or in a helmet, etc.), even if the subject has normal vision. The gaze direction monitoring system can be supplemented by a backlight LED and an external interface for communication with other devices, etc.

В Таблице 1 представлен расчет левой и правой проекции границ лимба (одна над другой), выполненный по формуле 1 для набора произвольно выбранных углов φ (строки) и ψ (столбцы) для R=12 и r=6 мм.Table 1 presents the calculation of the left and right projections of the limb boundaries (one above the other), performed according to formula 1 for a set of randomly selected angles φ (rows) and ψ (columns) for R = 12 and r = 6 mm.

Figure 00000002
Figure 00000002

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг. 1 - Схема, поясняющая принцип работы устройства и размещения основных элементов. Sensor - фотоприемник. Lens - линза, Eye - глазFIG. 1 - A diagram explaining the principle of operation of the device and the placement of the main elements. Sensor - photodetector. Lens - lens, Eye - eye

Фиг. 2 - Пример различной геометрии фотодатчиков (линии на рисунке) в виде их проекции на лимб глаза (на внешний эллипс).FIG. 2 - An example of different geometry of photosensors (lines in the figure) in the form of their projection onto the limb of the eye (onto the external ellipse).

Примеры практической реализации.Examples of practical implementation.

В качестве примера реализации можно рассмотреть систему, состоящую из кварцевого объектива с фокусным расстоянием 10 мм, расположенным в оправе очков на равном расстоянии 30 мм от глаза и фотолинейки с 2048 пикселями любой марки, например Sony ILX511. При данных параметрах (с учетом толщины линзы) фокус оптической системы будет находиться на расстоянии 15 мм от линзы и общая длина проекции глаза в фокальной плоскости составит около 12 мм (менее рабочей зоны ПЗС линейки). Согласно паспортным данным частота выборки ПЗС линейки 2 МГц и мониторинг направления взгляда на частотах 10-100 кГц макетировался и оказался вполне осуществим при обращении к предварительно рассчитанным значениям (аналогично Таблице 1). Таким образом, представленный пример доказывает, что реализация заявленных параметров устройства не вызывает технических трудностей.As an example of implementation, we can consider a system consisting of a quartz lens with a focal length of 10 mm located in the frame of the glasses at an equal distance of 30 mm from the eye and a photo line with 2048 pixels of any brand, for example Sony ILX511. With these parameters (taking into account the thickness of the lens), the focus of the optical system will be at a distance of 15 mm from the lens and the total projection length of the eye in the focal plane will be about 12 mm (less than the working area of the CCD line). According to the passport data, the sampling frequency of the CCD of the 2 MHz line and the monitoring of the viewing direction at frequencies of 10-100 kHz were modeled and turned out to be quite feasible when referring to the previously calculated values (similar to Table 1). Thus, the presented example proves that the implementation of the claimed device parameters does not cause technical difficulties.

Таким образом, предложенный способ состоит в том, что используется один или несколько последовательно соединенных линейных фотоприемников, на которые оптической системой проецируется не менее двух проекций границы лимба, а обработка движения и определения направления взгляда происходит по алгоритму в реальном времени по значениям проекций одного или обоих глаз методом прямого расчета и/или с использованием предварительно рассчитанных данных, хранящихся в памяти блока обработки информации.Thus, the proposed method consists in the use of one or several series-connected linear photodetectors onto which at least two projections of the limb boundary are projected by the optical system, and the movement and the determination of the direction of view are processed according to the algorithm in real time from the values of the projections of one or both eye by direct calculation and / or using pre-calculated data stored in the memory of the information processing unit.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Способ мониторинга направления взгляда может использоваться: для тестирования пользовательских интерфейсов, анализа эффективности рекламы, для управления бытовыми приборами, для сбора и анализа данных о действиях человека и оценки его эмоционального состояния в реальном времени при управлении различными транспортными средствами, такими как автомобиль, самолет и др., для социальной адаптации больных с боковым амиотрофическим склерозом и др.The method of monitoring the direction of gaze can be used: for testing user interfaces, analyzing the effectiveness of advertising, for controlling household appliances, for collecting and analyzing data on a person’s actions and assessing his emotional state in real time when driving various vehicles, such as a car, airplane, etc. ., for the social adaptation of patients with amyotrophic lateral sclerosis, etc.

Claims (5)

1. Способ мониторинга движения глаз и определения направления взгляда по проекции лимба на линейные фотоприемники, содержащий оптическую систему, блок обработки и блок передачи информации внешним приборам, отличающийся тем, что с целью повышения быстродействия способа до скоростей, позволяющих регистрировать изменения направление взгляда за миллисекунды и/или регистрировать саккады, используется один или несколько последовательно соединенных линейных фотоприемников, на которые оптической системой проецируется не менее двух проекций границы лимба Ymin и Ymax, а обработка движения и определение направления взгляда происходит в реальном времени по соответствующим значениям проекций лимба одного или обоих глаз прямым расчетом по приведенной ниже формуле или с использованием предварительно рассчитанных по этой формуле данных, хранящихся в памяти блока обработки:
Figure 00000003

здесь Ymin и Ymax - минимальное и максимальное значения проекций лимба на линейную часть фотоприемника, соответствующие знакам плюс и минус в скобках формулы, где R - радиус глазного яблока и r - радиус лимба, а направление взгляда по вертикали определяет угол φ и по горизонтали угол ψ.
1. A method for monitoring eye movement and determining the direction of view from the projection of the limb onto linear photodetectors containing an optical system, a processing unit and an information transmission unit for external devices, characterized in that in order to increase the speed of the method to speeds that allow you to register changes in the direction of view in milliseconds and / or register saccades, one or several series-connected linear photodetectors are used, on which at least two projections are projected by the optical system th border of the limb Ymin and Ymax, and movement processing and determination of the gaze direction occurs in real time according to the corresponding values of the limb projections of one or both eyes by direct calculation according to the formula below or using data previously stored in the processing unit that are previously calculated using this formula:
Figure 00000003

here Ymin and Ymax are the minimum and maximum values of the limb projections on the linear part of the photodetector, corresponding to the plus and minus signs in the brackets of the formula, where R is the radius of the eyeball and r is the radius of the limb, and the vertical direction determines the angle φ and the horizontal angle ψ .
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для повышения чувствительности метода используется подсветка глаза светодиодами.2. The method according to p. 1, characterized in that to increase the sensitivity of the method, the eye is illuminated with LEDs. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для повышения точности метода предварительно выполняется самонастройка, заключающаяся в перемещении взгляда по вертикали вверх и вниз.3. The method according to p. 1, characterized in that to improve the accuracy of the method, self-tuning is preliminarily performed, which consists in moving the gaze vertically up and down. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что данные о скорости движения глаза и типе саккад используют для оценки в реальном времени психологического состояния человека.4. The method according to p. 1, characterized in that the data on the speed of the eye and the type of saccades are used to evaluate in real time the psychological state of a person. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что связь с внешними устройствами осуществляется по беспроводному каналу. 5. The method according to p. 1, characterized in that the communication with external devices is carried out wirelessly.
RU2014140530/14A 2014-10-08 2014-10-08 Method of monitoring eye movements and device for its implementation RU2589623C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014140530/14A RU2589623C2 (en) 2014-10-08 2014-10-08 Method of monitoring eye movements and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014140530/14A RU2589623C2 (en) 2014-10-08 2014-10-08 Method of monitoring eye movements and device for its implementation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014140530A RU2014140530A (en) 2016-04-27
RU2589623C2 true RU2589623C2 (en) 2016-07-10

Family

ID=55759322

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014140530/14A RU2589623C2 (en) 2014-10-08 2014-10-08 Method of monitoring eye movements and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2589623C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU219079U1 (en) * 2019-12-16 2023-06-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" Device for determining the direction of gaze

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6283954B1 (en) * 1998-04-21 2001-09-04 Visx, Incorporated Linear array eye tracker
RU2352244C2 (en) * 2007-05-14 2009-04-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Курский государственный технический университет Method of measurement of fast movements of eyes and deviations of solid vision and device for its realisation
RU2444275C1 (en) * 2010-09-30 2012-03-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method and apparatus for determining spatial position of eyes for calculating line of sight
WO2013167864A1 (en) * 2012-05-11 2013-11-14 Milan Momcilo Popovich Apparatus for eye tracking

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6283954B1 (en) * 1998-04-21 2001-09-04 Visx, Incorporated Linear array eye tracker
RU2352244C2 (en) * 2007-05-14 2009-04-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Курский государственный технический университет Method of measurement of fast movements of eyes and deviations of solid vision and device for its realisation
RU2444275C1 (en) * 2010-09-30 2012-03-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method and apparatus for determining spatial position of eyes for calculating line of sight
WO2013167864A1 (en) * 2012-05-11 2013-11-14 Milan Momcilo Popovich Apparatus for eye tracking

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU219079U1 (en) * 2019-12-16 2023-06-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" Device for determining the direction of gaze
RU2815470C1 (en) * 2019-12-16 2024-03-18 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" Method for determining direction of view

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014140530A (en) 2016-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6669173B2 (en) Eyeball observation device, eyewear terminal, gaze detection method and program
US9844317B2 (en) Method and system for automatic eyesight diagnosis
US9213406B2 (en) Head-mount eye tracking system with improved determination of gazing position
Morimoto et al. Eye gaze tracking techniques for interactive applications
KR102561991B1 (en) Eyewear-mountable eye tracking device
US8014571B2 (en) Multimodal ocular biometric system
US6659611B2 (en) System and method for eye gaze tracking using corneal image mapping
CN107184178A (en) A kind of hand-held vision drop instrument of intelligent portable and optometry method
WO2015027598A1 (en) Reminding method and reminding device
CN109964230B (en) Method and apparatus for eye metric acquisition
JP6631951B2 (en) Eye gaze detection device and eye gaze detection method
WO2017077279A1 (en) Systems and methods for generating and using three-dimensional images
JP7053469B2 (en) Systems and equipment for eye tracking
ES2936644T3 (en) Method and device for determining a contrast sensitivity threshold
JP2016087291A (en) Pupil and visual line measurement device and illumination system
KR20130014275A (en) Method for controlling display screen and display apparatus thereof
US10188291B2 (en) Device for screening convergence insufficiency and related methods
RU2589623C2 (en) Method of monitoring eye movements and device for its implementation
US20230218163A1 (en) Method to monitor accommodation state during visual testing
Zhao Micro-Scanning Mirror based Eye-tracking Technology
El Moucary et al. Commodious Control Apparatus for Impaired People
Noureddin A non-contact video-oculograph for tracking gaze in a human computer interface
CN113080844A (en) Visual detection and visual training device for optimizing retina area

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161009