RU2696042C2 - Method and system for recording eye movement - Google Patents

Method and system for recording eye movement Download PDF

Info

Publication number
RU2696042C2
RU2696042C2 RU2017143204A RU2017143204A RU2696042C2 RU 2696042 C2 RU2696042 C2 RU 2696042C2 RU 2017143204 A RU2017143204 A RU 2017143204A RU 2017143204 A RU2017143204 A RU 2017143204A RU 2696042 C2 RU2696042 C2 RU 2696042C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
eye
pupil
image
fixation
respondent
Prior art date
Application number
RU2017143204A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2017143204A (en
RU2017143204A3 (en
Inventor
Александр Васильевич Латанов
Виктор Николаевич Анисимов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2017143204A priority Critical patent/RU2696042C2/en
Publication of RU2017143204A publication Critical patent/RU2017143204A/en
Publication of RU2017143204A3 publication Critical patent/RU2017143204A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2696042C2 publication Critical patent/RU2696042C2/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B3/00Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
    • A61B3/10Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
    • A61B3/113Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for determining or recording eye movement

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Eye Examination Apparatus (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Ophthalmology & Optometry (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Studio Devices (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and computer technologies, namely to technologies used to determine areas of gaze fixation or gaze when moving eyes, and can be used for objective assessment of processes of visual attention, in operator's activity, for control of computer interfaces by means of direction of sight. Disclosed is a method of determining gaze fixation areas during eye movement, characterized by that respondent with fixed position of head is presented with, at least, one stimulant image, during presentation of the stimulating image, covering the respondent's eye region with infrared radiation, recording a reflected signal for at least 50 ms to obtain at least 5 frames of the pupil of the pupil of the eye, processing the resulting video sequence with determining the coordinates of the pupil centre in each frame of the video, after which these coordinates are converted into a coordinate system of the stimulus image, forming a two-dimensional array of values of coordinates of the pupil centre in a chronological sequence corresponding to the frames of the video sequence, from which segmentation analysis is used to select at least three points considered to be a gaze fixation region. Also disclosed is a system for determining areas of gaze fixation during eye movement, including an infrared emitter, arranged to cover the respondent's eye region, a reflector filter configured to transmit visible light and reflect IR radiation, set at the level of the respondent's eyes, stimulus image presentation unit located behind the reflecting filter, a unit for recording the IR-radiation reflected from the pupil in the form of an image of the pupil of the eye, comprising at least five frames, including a video camera, and an image processing unit from a video camera, configured to process data by segmentation analysis and obtain areas of gaze fixation when moving eyes.
EFFECT: group of inventions enables processing large arrays of images with high reliability of highlight areas.
12 cl, 2 tbl, 7 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к измерительной технике и компьютерным технологиям, а именно, к технологиям, используемым для определения областей фиксаций взора (или взгляда) при движении глаз, и может быть использовано для объективной оценки процессов зрительного внимания, в операторской деятельности, для управления интерфейсами компьютера посредством направления взгляда, в маркетинге и пр. Следует отметить, что фиксацию взора (или взгляда) при движении глаз осуществляют при фиксированном положении головы респондента относительно предъявляемого изображения. Изобретение применимо, преимущественно, для случаев рассматривания статических изображений.The present invention relates to measuring equipment and computer technology, in particular, to the technology used to determine the areas of fixation of the gaze (or gaze) during eye movement, and can be used to objectively evaluate the processes of visual attention, in operator activity, to control computer interfaces by directions of the gaze, in marketing, etc. It should be noted that fixing the gaze (or gaze) during eye movement is carried out with a fixed position of the respondent’s head relative to image being presented. The invention is applicable mainly for viewing static images.

Уровень техникиState of the art

Динамика изменения направления взгляда, а также длительность фиксаций на отдельных точках рассматриваемого объекта является крайне информативным параметром, характеризующим внимание человека в процессе осуществления им когнитивной деятельности [Velichkovsky В.М., Pannasch et al Neurocognitive investigations of human eye movements: Interaction between levels. XX Conference of the Physiological Society "I.P. Pavlov". Moscow (2007), Franke, I.S., Pannasch, Velichkovsky B.M. et al (2008). Towards attention-centered interfaces: An aesthetic evaluation of perspective with eye tracking. ACM Transactions on Multimedia Computing Communications and Applications, 4(3), Art. №18]. Обширные исследования в этой области привели к развитию ряда технологий, позволяющих оптимизировать взаимодействие человека с техническими средствами, оптимизировать информационные потоки с точки зрения наилучшего восприятия человеком предоставляемой информации, контролировать внимание человека, задействованного в сложных производственных процессах с целью уменьшения вероятности возникновения ситуаций, обусловленных человеческим фактором.The dynamics of the change in gaze direction, as well as the duration of fixations at individual points of the object in question is an extremely informative parameter that characterizes the person’s attention in the process of cognitive activity [Velichkovsky VM, Pannasch et al Neurocognitive investigations of human eye movements: Interaction between levels. XX Conference of the Physiological Society "I.P. Pavlov". Moscow (2007), Franke, I.S., Pannasch, Velichkovsky B.M. et al (2008). Towards attention-centered interfaces: An aesthetic evaluation of perspective with eye tracking. ACM Transactions on Multimedia Computing Communications and Applications, 4 (3), Art. No. 18]. Extensive research in this area has led to the development of a number of technologies that allow optimizing human interaction with technical means, optimizing information flows in terms of the best perception of the information provided by a person, and controlling the attention of a person involved in complex production processes in order to reduce the likelihood of situations caused by the human factor .

Развитие данных технологий, а также осуществление исследовательской деятельности в области когнитивной эргономики напрямую связанно с созданием систем определения направления взгляда и точки фиксации внимания непосредственно на рассматриваемом объекте (алгоритмов выделения фиксаций и саккад). В настоящее время существует ряд коммерческих систем:The development of these technologies, as well as the implementation of research activities in the field of cognitive ergonomics, is directly related to the creation of systems for determining the direction of the gaze and the point of fixation of attention directly on the object in question (algorithms for identifying fixations and saccades). Currently, there are a number of commercial systems:

1) SMI (https://www.smivision.com);1) SMI (https://www.smivision.com);

2) Tobii (https://www.tobii.com);2) Tobii (https://www.tobii.com);

3) Eye Tribe (https://www.theeyetribe.com),3) Eye Tribe (https://www.theeyetribe.com),

позволяющих обеспечить определение этих параметров, однако они имеют несколько недостатков, к которым можно отнести ограничения по скорости обработки и другие ограничения алгоритмов обработки информации.allowing to determine these parameters, however, they have several drawbacks, which include restrictions on processing speed and other limitations of information processing algorithms.

В частности, из уровня техники известен способ и система детектирования саккад, основанный на определении угловой скорости, опубликованный на портале психологических изданий PsyJournals.ru http://psyiournals.ru/exp/2008/n1/Demidov_Jegallo_full.shtml [Оборудование SMI для регистрации движений глаз: тест-драйв - Экспериментальная психология - 2008. Том. 1, №1]. Система интерпретирует движение как саккаду в том случае, если скорость движения в середине пути от одной точки к другой превышает определенное пороговое значение, например, 75%ек. В противном случае система детектирует фиксацию. Подобный алгоритм предложен, например, Смите и Хуг (Smeets & Hooge, 2003). Данный алгоритм рекомендуется использовать для установок с высокой частотой дискретизации (более 200 Гц), чтобы иметь возможность распознать короткие саккады, которые очень часто встречаются, например, при чтении. Альтернативой данному алгоритму является случай использования значений угловой скорости для анализа фиксаций (Rotting, 2001). Если угловая скорость движения находится ниже определенного значения (как правило, менее 10°/сек), то система детектирует фиксацию. Алгоритм применяется для отсечения «шума» в данных.In particular, the method and system for detecting saccades based on the determination of angular velocity, published on the psychological portal PsyJournals.ru http://psyiournals.ru/exp/2008/n1/Demidov_Jegallo_full.shtml [SMI equipment for detecting movements, is known from the prior art Eye: Test Drive - Experimental Psychology - 2008. Vol. 1, No. 1]. The system interprets the movement as a saccade in the event that the speed of movement in the middle of the path from one point to another exceeds a certain threshold value, for example, 75% ec. Otherwise, the system detects fixation. A similar algorithm is proposed, for example, by Smith and Hoog (Smeets & Hooge, 2003). This algorithm is recommended to be used for installations with a high sampling frequency (more than 200 Hz) in order to be able to recognize short saccades, which are very common, for example, when reading. An alternative to this algorithm is the case of using angular velocity values for the analysis of fixations (Rotting, 2001). If the angular velocity is below a certain value (usually less than 10 ° / sec), the system detects the fixation. The algorithm is used to cut off “noise” in the data.

Однако алгоритмы выделения фиксаций по критерию скорости и на основе дисперсии точек положения взора имеют ряд ограничений, основным из которых является критерий скорости обработки информации и возможность адекватного и точного подбора уровня величины скорости или значения координаты, относительно которого происходит сравнение алгоритмом текущего и предшествующего значений анализируемого показателя. Использование заявляемого способа, включающего алгоритм сегментационного анализа, посредством которого обрабатывается массив данных требует меньшего времени. Из этого следует увеличение скорости обработки массива. Это влечет за собой, соответственно, уменьшение затрат машинных ресурсов. В целом, надо отметить, что использование заявляемого способа ведет к существенному снижению погрешностей при выделении фрагментов массива.However, the algorithms for extracting fixations by the criterion of speed and based on the variance of the points of view of the gaze have a number of limitations, the main of which is the criterion of the speed of information processing and the ability to adequately and accurately select the level of speed or coordinate value, against which the algorithm compares the current and previous values of the analyzed indicator . Using the proposed method, including the segmentation analysis algorithm, through which the data array is processed, requires less time. From this follows an increase in the processing speed of the array. This entails, accordingly, a reduction in the cost of machine resources. In general, it should be noted that the use of the proposed method leads to a significant reduction in errors in the selection of fragments of the array.

Из данного источника информации известен также способ и система детекции фиксаций, базирующийся на определении дисперсии и продолжительности фиксации. Фиксацией считается набор соседних отсчетов, находящихся внутри пространства заданного диаметра (как правило, это круг), общей продолжительностью не меньше заданной. Примером данного алгоритма может служить I-DT алгоритм, предложенный Сальвучи и Голдбергом (Salvucci, Goldberg, 2000).From this source of information there is also known a method and system for detecting fixations, based on the determination of variance and duration of fixation. A fixation is a set of neighboring samples located inside a space of a given diameter (usually a circle), with a total duration of at least a given. An example of this algorithm is the I-DT algorithm proposed by Salvuchi and Goldberg (Salvucci, Goldberg, 2000).

Однако недостатками данных алгоритмов являются низкая скорость обработки массивов координат и неточности при выделении релевантных глазодвигательных событий. Наиболее критичным аспектом работы алгоритмов являются ошибки первого и второго рода при детекции в массиве данных участков, соответствующих глазодвигательным событиям (саккадам и фиксациям). Кроме того, известно, что важно бывает определить «краевые условия», т.е. те пространственные и временные критерии, по которым должна начинаться детекция события. Сегментационный алгоритм, используемый в заявляемом изобретении, позволяет провести детекцию оптимальным образом. Его работа основана на выделении отличающихся от всего массива «сегментов». Таким образом, подход фиксирует сами события, а не их начало и конец, как это делают вышеописанные алгоритмы.However, the disadvantages of these algorithms are the low processing speed of the coordinate arrays and inaccuracies in the allocation of relevant oculomotor events. The most critical aspect of the operation of the algorithms are errors of the first and second kind during detection in the data array of areas corresponding to oculomotor events (saccades and fixations). In addition, it is known that it is important to define “boundary conditions”, i.e. those spatial and temporal criteria by which event detection should begin. The segmentation algorithm used in the claimed invention allows for optimal detection. His work is based on the selection of "segments" that differ from the entire array. Thus, the approach captures the events themselves, and not their beginning and end, as the above algorithms do.

Кроме того, из данного источника информации известен также способ и система детекции, основанный на определении угловой скорости, использующий дополнительный критерий продолжительности фиксаций. Данный способ использует принципы детекции движений глаз из двух вышеуказанных алгоритмов.In addition, a detection method and system based on the determination of angular velocity using an additional criterion of the duration of fixations is also known from this information source. This method uses the principles of detecting eye movements from the two above algorithms.

Однако именно совмещение двух подходов для детекции фиксаций взора создает ограничения для показателя скорости обработки данных. Сегментационный алгоритм, используемый в заявляемом изобретении, снижает количество ошибок и, таким образом повышает эффективность выделения фрагментов данных из массива, соответствующих фиксациям и саккадам.However, it is the combination of the two approaches for detecting gaze fixations that creates restrictions on the indicator of data processing speed. The segmentation algorithm used in the claimed invention reduces the number of errors and, thus, increases the efficiency of extracting data fragments from the array corresponding to the commits and saccades.

Проблема детекции движений глаз приобретает особую актуальность именно в случаях обращения к автоматизированным программным средствам обработки данных. В ранних окулографических исследованиях при ручной обработке данных использование алгоритмов детекции саккад и фиксаций было во многом излишним, поскольку аккуратность самого исследователя вкупе с разрешающей способностью регистрирующей установки сами по себе выступали некими алгоритмами детекции.The problem of detecting eye movements is particularly relevant in cases of access to automated software for data processing. In the early oculographic studies with manual data processing, the use of saccade detection and fixation algorithms was largely unnecessary, since the accuracy of the researcher himself, together with the resolution of the recording setup, themselves were some kind of detection algorithms.

Наиболее близким к заявляемому является способ и система для отслеживания движения глаз (Патент US 7522344). Решение представляет собой оптическую систему, содержащую проекционный, закрепленный на голове (head-mounted) дисплей с оптической системой внутри, применяемой для айтрекинга. В частности, система содержит следующие конструктивные элементы:Closest to the claimed is a method and system for tracking eye movement (Patent US 7522344). The solution is an optical system containing a projection mounted on the head (head-mounted) display with an optical system inside, used for IT tracking. In particular, the system contains the following structural elements:

- двойной источник света для обеспечения первого и второго ИК-излучателей соответственно для инфракрасной подсветки глаза респондента, позволяющих создать несколько так называемых «глинтов» - отражений на поверхности глаза, по которым происходит детекция направления взгляда. Система содержит возможность dual light - подсветки глаз двумя типами света для получения изображения зрачка с чередующимися кадрами положительного и отрицательного контраста. Это требуется для вычитания одного изображения из другого для получения максимальной точности определения зрачка для айтрекинга;- a double light source to provide the first and second IR emitters, respectively, for infrared illumination of the respondent’s eyes, allowing you to create several so-called “glints” - reflections on the surface of the eye, according to which the direction of view is detected. The system contains the ability to dual light - illumination of the eyes with two types of light to obtain an image of the pupil with alternating frames of positive and negative contrast. This is required to subtract one image from another to obtain maximum accuracy in determining the pupil for aitracking;

- оптическую систему для создания head-mounted дисплея оптической части и айтрекинговой части; при этом эти части объединены для уменьшения веса проекционной части. Оптическая система включает также первое и второе теплые зеркала, которые отражают ИК-лучи и пропускают видимый свет, и которые необходимы для проецирования изображения глаза на матрицу видеокамеры;- an optical system for creating a head-mounted display of the optical part and the tracking part; however, these parts are combined to reduce the weight of the projection part. The optical system also includes first and second warm mirrors that reflect infrared rays and transmit visible light, and which are necessary for projecting an eye image onto the camcorder's matrix;

- видеокамеру для записи движений глаз посредством записи нескольких отражений ИК-излучений; при этом один источник излучения находится на оси камеры, а второй за пределами оси; при работе камера снимает кадры (с положительным и отрицательным контрастом), чередуя их, а затем вычитая один из другого;- a video camera for recording eye movements by recording several reflections of infrared radiation; wherein one radiation source is located on the axis of the camera, and the second outside the axis; during operation, the camera takes frames (with positive and negative contrast), alternating them, and then subtracting one from the other;

- устройство для обеспечения процессинга, которое на основе набора алгоритмов осуществляет определение положения зрачка глаза респондента, основываясь на информации о движении, полученной из светлого и темного изображений зрачка, записанных камерой.- a device for processing, which, based on a set of algorithms, determines the position of the pupil of the eye of the respondent based on information about the movement obtained from the light and dark images of the pupil recorded by the camera.

- дисплей для предъявления изображений респонденту.- a display for presenting images to the respondent.

Способ обеспечения айтрекинга внутри проекционного head-mounted дисплея, представленный в материалах патента US 7522344, включает:The method of providing eye tracking inside a projection head-mounted display, presented in the materials of patent US 7522344, includes:

- формирование множественных инфракрасных пучков лучей от первого и второго источника ИК-излучения для освещения зрачка глаза респондента;- the formation of multiple infrared beams of rays from the first and second source of infrared radiation to illuminate the pupil of the eye of the respondent;

- использование первого и второго теплых зеркал вместе с первым и вторым источником ИК-излучения, соответственно, для получения изображения глаза на матрице видеокамеры;- the use of the first and second warm mirrors together with the first and second source of infrared radiation, respectively, to obtain an image of the eye on the matrix of the camera;

- чередующаяся запись множественных отражений (глинтов) на кадрах со зрачком в положительном и отрицательном контрастах;- alternating recording of multiple reflections (glints) on frames with a pupil in positive and negative contrasts;

- получение данных о движениях глаз из светлого изображения зрачка и темного изображения зрачка.- obtaining data on eye movements from a light image of the pupil and a dark image of the pupil.

Однако предлагаемое решение характеризуется рядом недостатков. Например, двойная подсветка и два теплых зеркала увеличивают размеры системы и создают дополнительные факторы отвлечения внимания участника в процессе регистрации. Одновременно с этим точность, получаемая при регистрации зрачка с использованием апроксимации на основе нескольких отражений подсветки ниже из-за умножения погрешности, связанной с каждым отдельных отражением (глинтом). С экономической точки зрения предлагаемая система отличается рядом недостатков, связанных с удорожанием стоимости за счет использования 2 теплых зеркал и двух ИК-излучателей, применяемых в системе.However, the proposed solution is characterized by a number of disadvantages. For example, double lighting and two warm mirrors increase the size of the system and create additional factors that distract the participant’s attention during the registration process. At the same time, the accuracy obtained by registering a pupil using an approximation based on several reflections of the backlight is lower due to the multiplication of the error associated with each individual reflection (glint). From an economic point of view, the proposed system has a number of disadvantages associated with cost appreciation due to the use of 2 warm mirrors and two IR emitters used in the system.

Из-за того, что аналоги используют алгоритмы выделения событий, которые оперируют краевыми условиями (при поиске фиксаций), всегда существует высокая вероятность потери значений из массива данных (координат точек положения взгляда). Потери также могут быть связаны с пропусками в массивах данных. В подобных случаях дисперсионный алгоритм и алгоритм поиска по задаваемому порогу могут нерелевантно оценивать имеющиеся артефактные участки в таблице данных, что в свою очередь приводит к погрешности при получении итогового вывода.Due to the fact that analogues use event extraction algorithms that operate with boundary conditions (when searching for fixations), there is always a high probability of losing values from an array of data (coordinates of viewpoints). Losses can also be associated with omissions in data arrays. In such cases, the dispersion algorithm and the search algorithm according to a given threshold can irrelevantly evaluate the available artifact sections in the data table, which in turn leads to errors in obtaining the final output.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в преодолении недостатков, присущих аналогам, раскрытым при описании уровня техники, за счет создания способа и устройства для определения областей фиксаций взора при движении глаз, обеспечивающих получение достоверных данных при уменьшении длительности записываемого видеоряда изображений зрачка глаза и увеличении скорости обработки измеренных данных.The technical problem solved by the claimed invention is to overcome the disadvantages inherent in the analogues disclosed in the description of the prior art by creating a method and device for determining the areas of gaze fixation during eye movement, providing reliable data while reducing the duration of the recorded video sequence of images of the pupil of the eye and increasing the processing speed of the measured data.

Таким образом, заявляемое решение помимо повышения достоверности получаемых результатов, позволяет обрабатывать массивы данных за более короткое время, и следовательно, с использованием меньших программно-аппаратных ресурсов, по сравнению с известными способами.Thus, the claimed solution, in addition to increasing the reliability of the results obtained, allows you to process data arrays in a shorter time, and therefore, using less hardware and software resources, in comparison with known methods.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности обработки больших массивов изображений с повышением достоверности выделения областей фиксации взора. Заявляемое изобретение позволяет детектировать именно участки данных, соответствующие областям фиксаций взора, отличающиеся от остального массива, а не «края» этих участков, что дает возможность с большей вероятностью определить необходимые фрагменты. В случае айтрекинга это особенно критично, поскольку данные события как раз являются фиксациями и саккадами. При этом заявляемое решение отвечает критерию большей скорости обработки массива данных и поиска в нем релевантных фрагментов, соответствующих фиксациям взора.The technical result of the invention is the ability to process large arrays of images with increasing reliability of the allocation of areas of fixation of the gaze. The claimed invention allows to detect precisely the data sections corresponding to the areas of gaze fixation, different from the rest of the array, and not the "edges" of these sections, which makes it possible to more likely determine the necessary fragments. In the case of aitracking, this is especially critical, since these events are just fixations and saccades. At the same time, the claimed solution meets the criterion of a greater speed of processing the data array and searching for relevant fragments corresponding to the fixations of the gaze.

Технический результат достигается тем, что согласно способу определения областей фиксаций взора при движении глаз респонденту при фиксированном положении головы предъявляют, по меньшей мере, одно стимульное изображение, в процессе предъявления стимульного изображения освещают область глаза респондента инфракрасным светом, регистрируют отраженный сигнал с получением видеоряда изображений зрачка глаза, обрабатывают полученный видеоряд с определением координат центра зрачка в каждом кадре видеоряда и последующим формированием в хронологической последовательности двумерного массива значений координат центра зрачка, соответствующих кадрам видеоряда, из которого посредством сегментационного анализа выделяют не менее трех точек, которые считают областью фиксации взора.The technical result is achieved by the fact that according to the method for determining the areas of gaze fixation during eye movement, at least one stimulus image is presented to the respondent with a fixed head position, the respondent's eye region is illuminated with infrared light during presentation of the stimulus image, the reflected signal is recorded to obtain a video sequence of pupil images eyes, process the resulting video sequence with determining the coordinates of the center of the pupil in each frame of the video sequence and subsequent formation in the biological sequence of a two-dimensional array of values of the coordinates of the center of the pupil corresponding to frames of a video sequence from which at least three points are distinguished by means of segmentation analysis, which are considered to be the area of fixation of the gaze.

Для всех выявленных областей фиксации дополнительно определяют их центры с последующим вычислением для соседних областей углового расстояния между их центрами и при выявлении значения углового расстояния меньше 1,5° соседние области объединяют в одну с определением ее центра и последующим повторением описанных действий в отношении оставшихся областей фиксации. Для всех выявленных областей фиксации дополнительно определяют граничные значения областей фиксации, которые считают границами саккад. Регистрацию отраженного сигнала осуществляют в течение не менее 5 Оме с получением не менее 5 кадров видеоряда. Стимульные изображения размещают на уровне глаз респондента на расстоянии с обеспечением углового расстояния между центрами соседних областей фиксации не более 20-25 градусов. Координаты центра зрачка определяют в системе координат, составляющих видеоряд изображений глаза, регистрируемых видеокамерой (в системе координат матрицы видеокамеры), а координаты взора - в системе стимульных изображений или в системе координат изображений.For all identified fixation regions, their centers are additionally determined with subsequent calculation of the angular distance between their centers for neighboring regions and, if the angular distance is less than 1.5 °, the neighboring regions are combined into one with the determination of its center and the subsequent repetition of the described actions with respect to the remaining fixation regions . For all identified fixation regions, the boundary values of the fixation regions, which are considered the boundaries of saccades, are additionally determined. Registration of the reflected signal is carried out for at least 5 Ohm with obtaining at least 5 frames of video. Stimulus images are placed at the eye level of the respondent at a distance providing an angular distance between the centers of neighboring fixation areas of not more than 20-25 degrees. The coordinates of the pupil center are determined in the coordinate system constituting the video sequence of eye images recorded by the video camera (in the coordinate system of the video camera matrix), and the gaze coordinates in the stimulus image system or in the image coordinate system.

Стимульные изображения размещают на уровне глаз респондента на расстоянии, не менее 30 см, обеспечивающем возможность получения отраженного изображения глаза участника исследования и вычисления координат положения взора по показателям предварительно проведенной калибровки с использованием координат центра зрачка на матрице видеокамеры.Stimulus images are placed at the eye level of the respondent at a distance of not less than 30 cm, which makes it possible to obtain a reflected image of the participant’s eye and calculate the coordinates of the gaze position according to the preliminary calibration using the coordinates of the pupil’s center on the camera’s matrix.

Технический результат достигается тем, что система для определения областей фиксаций взора при движении глаз включает ИК-излучатель, размещенный с возможностью освещения области глаза респондента, фильтр - отражатель, выполненный с возможностью пропускания видимого света и отражения ИК-излучения, установленный на уровне глаз респондента, блок предъявления стимульного изображения, расположенный за фильтром-отражателем, блок регистрации отраженного от зрачка ИК-излучения в виде видеоряда изображений зрачка глаза, содержащего, по меньшей мере, пять кадров, включающий видеокамеру, и блок обработки изображения с видеокамеры, выполненный с возможностью обработки данных посредством сегментационного анализа и получением областей фиксаций взора при движении глаз.The technical result is achieved by the fact that the system for determining the areas of gaze fixation during eye movement includes an IR emitter placed with the ability to illuminate the respondent’s eye area, a reflector filter configured to transmit visible light and reflect IR radiation, installed at the respondent’s eye level, a stimulus image presentation unit located behind the reflector filter; a registration unit for infrared radiation reflected from the pupil in the form of a video sequence of images of the pupil of the eye containing at least at least five frames, including a video camera, and an image processing unit from a video camera, configured to process data through segmentation analysis and obtain areas of gaze fixation with eye movement.

ИК-излучатель выполнен с возможностью излучения на длине волны 860 нм, захватывая область ±40 нм. Подобный диапазон излучения попадает в максимум спектральной чувствительности матрицы видеокамеры, но остается невидимым для зрительного анализатора человека. ИК-излучатель размещен с возможностью освещения области глаза прямым или отраженным от фильтра-отражателя излучением. Фильтр -отражатель выполнен в виде теплого зеркала, которое состоит из 55-65 чередующихся слоев материалов: TiO2 и SiO2, и расположен от зрачка респондента на расстоянии не более 10 см. Теплое зеркало пропускает свет видимого диапазона и отражает свет в ИК-диапазоне. Видеокамера снабжена матрицей, имеющую спектральную чувствительность, максимум которой лежит в области 650-850 нм, в частности, характеризующейся кривой спектральной чувствительности, представленной на фиг. 1.The IR emitter is configured to emit at a wavelength of 860 nm, capturing a region of ± 40 nm. Such a range of radiation falls into the maximum spectral sensitivity of the video camera matrix, but remains invisible to the human visual analyzer. The IR emitter is placed with the possibility of illuminating the eye area with direct or reflected radiation from the filter-reflector. The reflector filter is made in the form of a warm mirror, which consists of 55-65 alternating layers of materials: TiO 2 and SiO 2 , and is located at a distance of no more than 10 cm from the respondent’s pupil. A warm mirror transmits visible light and reflects light in the infrared range . The video camera is equipped with a matrix having spectral sensitivity, the maximum of which lies in the region of 650-850 nm, in particular, characterized by the spectral sensitivity curve shown in FIG. one.

Согласно работам (Lemire, 2007; Bellman, Roth, 1969) для хранения динамически изменяющихся данных нужна большая точность (в битах), чем для обработки постоянных значений. Поэтому для реализации сегментационного анализа используется 64-битный алгоритм, а не 32-битный. Линейный алгоритм по сравнению, например, с алгоритмом Дугласа-Пекера дает выигрыш во времени, т.к. время, требуемое для вычислений растет в данном случае линейно (в алгоритме Дугласа-Пекера квадратично).According to (Lemire, 2007; Bellman, Roth, 1969), storing dynamically changing data requires more accuracy (in bits) than for processing constant values. Therefore, to implement segmentation analysis, a 64-bit algorithm is used, not a 32-bit one. A linear algorithm compared with, for example, the Douglas-Pecker algorithm gives a gain in time, because the time required for the calculations grows linearly in this case (quadratically in the Douglas-Pecker algorithm).

Отличительной особенностью предлагаемых решений является использование сегментационного анализа для выделения глазодвигательных событий из данных координат позиционирования взора на изображении. Эти данные получаются при обработке видеоряда изображений зрачка глаза, полученного с видеокамеры при предъявлении стимульного материала, а также пересчете координат на основании данных калибровки из системы координат матрицы видеокамеры в систему координат стимульного изображения, предъявляемого на мониторе.A distinctive feature of the proposed solutions is the use of segmentation analysis to extract oculomotor events from the coordinate data of positioning the gaze in the image. These data are obtained by processing the video sequence of images of the pupil of the eye obtained from the video camera upon presentation of the stimulus material, as well as recalculating coordinates based on calibration data from the coordinate system of the matrix of the video camera into the coordinate system of the stimulus image presented on the monitor.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлена кривая спектральной чувствительности видеокамеры.In FIG. 1 shows a spectral sensitivity curve of a video camera.

На фиг. 2 схематично представлены заявляемые система и способ с использованием айтрекера, включая условное изображение респондента, системный блок компьютера, осуществляющий управление работой программно-аппаратной части, предъявление необходимых зрительных стимулов на экране монитора, а также реализующий выделение событий из массива данных координат (с использованием сегментационного алгоритма); на схеме также отмечены эмиссионные фильтры (теплые зеркала), с помощью которых регистрируется изображение глаза, видеокамера и ИК-подсветка, размещенные за пределами зрительной области респондента, и экран монитора, на котором респонденту предъявляют стимульные изображения.In FIG. 2 schematically presents the inventive system and method using an ittracker, including a conditional image of the respondent, a computer system unit that controls the operation of the software and hardware, presentation of the necessary visual stimuli on the monitor screen, and also implements the selection of events from the coordinate data array (using the segmentation algorithm ); emission filters (warm mirrors) are also marked on the diagram, with the help of which an image of the eye, a video camera and IR illumination, located outside the respondent’s visual area, and a monitor screen are displayed, on which stimulus images are presented to the respondent.

На фиг. 3 представлена блок-схема алгоритма сегментационного анализа. На вход направляют массив данных (координат положения взора), который последовательно аппроксимируется полиномами разной степени. При этом на каждом шаге производят оценку точности аппроксимации. На определенной итерации по критерию минимальной ошибки определяют оптимальный вид полинома (ошибка минимальна). Для данного полинома реализую сегментацию входного массива по фрагментам, соответствующим фиксациям взора. Алгоритм реализуется на основе динамического программирования, дающего выигрыш в скорости обработки данных.In FIG. 3 shows a block diagram of a segmentation analysis algorithm. An array of data (gaze position coordinates) is sent to the input, which is successively approximated by polynomials of varying degrees. Moreover, at each step, the accuracy of the approximation is estimated. At a certain iteration, the optimal form of the polynomial is determined by the criterion of minimal error (the error is minimal). For this polynomial, I realize the segmentation of the input array into fragments corresponding to gaze fixations. The algorithm is implemented on the basis of dynamic programming, which gives a gain in data processing speed.

На фиг. 4 представлена оптическая схема (движения пучка ИК-излучения) используемая для регистрации областей фиксаций взора при движении глаз. На схеме показана проекция изображения глаза (и, соответственно, зрачка на фоне радужки) на матрицу видеокамеры в ИК-спектре за счет освещения глаза ИК-подсветкой и отражением изображения от теплого зеркала на матрицу видеокамеры. На схеме отмечены теплые зеркала, через которые респондент может беспрепятственно видеть изображение, предъявляемое ему на экране монитора, видеокамера.In FIG. Figure 4 shows the optical scheme (movement of the infrared beam) used to record the areas of gaze fixation during eye movement. The diagram shows the projection of the image of the eye (and, accordingly, the pupil against the background of the iris) on the video camera matrix in the IR spectrum due to the illumination of the eye with IR illumination and reflection of the image from a warm mirror on the video camera matrix. Warm mirrors are indicated on the diagram, through which the respondent can freely see the image presented to him on the monitor screen, a video camera.

На фиг. 5 представлены пример визуализации выделенных из исходных данных глазодвигательных событий (фиксаций и саккад), нанесенных на рассматриваемое респондентом изображение. Радиусы окружностей тем больше, чем длительнее были фиксации взора. На изображении также отмечены положения взора для каждого кадра видеоряда (каждая точка соответствует одному кадру). Из положений взора в каждом кадре методом сегментационного анализа получают положения фиксаций, для которых определяют длительность и координата их центра.In FIG. Figure 5 shows an example of visualization of oculomotor events extracted from the initial data (fixations and saccades) plotted on the image considered by the respondent. The radii of the circles are greater, the longer the fixations of the gaze were. The image also shows the gaze position for each frame of the video sequence (each point corresponds to one frame). From the positions of the gaze in each frame, the positions of fixations are obtained by the method of segmentation analysis, for which the duration and coordinate of their center are determined.

На фиг. 6. представлено изображение глаза со зрачком, аппроксимированным (фитированным) эллипсом. На пересечении осей эллипса находится ключевая точка, для которой определяются текущие координаты.In FIG. 6. The image of an eye with a pupil approximated (fitted) by an ellipse is presented. At the intersection of the axes of the ellipse, there is a key point for which the current coordinates are determined.

На фиг. 7 показано представление рядов координат положения центра зрачка, используемых для алгоритма сегментационного анализа.In FIG. 7 shows a representation of the series of coordinates of the position of the center of the pupil used for the segmentation analysis algorithm.

Позициями на чертежах обозначены: 1 - респондент, 2 - эмиссионные фильтры (теплые зеркала), 3 - ИК-излучатель (подсветка), 4 - видеокамера, 5 - экран монитора, 6 - компьютер с установленным на нем модулем 7, реализующим заявляемый способ, представляющий собой блок памяти с программным обеспечением, 8 - компьютерная мышь, 9 - вывод изображений на экран, 10 - ИК-лучи, 11 - захват видеоизображения зрачка.The positions in the drawings indicate: 1 - respondent, 2 - emission filters (warm mirrors), 3 - IR emitter (backlight), 4 - video camera, 5 - monitor screen, 6 - computer with module 7 installed on it that implements the claimed method, representing a memory block with software, 8 - a computer mouse, 9 - displaying images on a screen, 10 - IR rays, 11 - capturing a pupil’s video image.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

При описании осуществления изобретения использованы следующие термины и определения.When describing the implementation of the invention, the following terms and definitions are used.

Фиксация - остановка взора во время глазодвигательной активности при рассматривании изображения (физиологич.). С точки зрения математики, фиксация - это фрагмент массива координат, соответствующий периоду времени остановки взора при рассматривании изображения.Fixation - stopping the gaze during oculomotor activity when viewing the image (physiological). From the point of view of mathematics, fixation is a fragment of an array of coordinates corresponding to the period of time when the gaze pauses when viewing an image.

Точка фиксации взора - место (координаты) позиционирования взора респондента в момент фиксации, т.е. остановки взора.The gaze fixation point is the place (coordinates) of the respondent's gaze positioning at the moment of fixation, i.e. gaze stop.

Область фиксации - набор точек положения взора и, соответственно, их координат, характеризующих место фиксации взора, т.е. его остановки, а также соответствующая им область пространства на плоскости координат рассматриваемого на экране монитора изображения.The fixation area is a set of points of gaze position and, accordingly, their coordinates characterizing the place of gaze fixation, i.e. its stops, as well as the corresponding region of space on the coordinate plane of the image considered on the monitor screen.

Саккада - быстрое скачкообразное движение глазных яблок, переводящее взгляд с одного предмета на другой (физиол.). С точки зрения математического анализа, саккада - это участок траектории (и соответствующий ему фрагмент массива данных координат положения взора), соединяющий соседние фиксации.Saccade - a quick spasmodic movement of the eyeballs, moving the look from one subject to another (fiziol.). From the point of view of mathematical analysis, a saccade is a section of the trajectory (and the corresponding fragment of the array of data of coordinates of the gaze position) connecting adjacent fixations.

Стимульное изображение - предъявляемое на экране или в реальных условиях изображение, на которое смотрит респондент.Stimulus image - the image presented on the screen or in real conditions, which the respondent is looking at.

Теплое зеркало (англ. hot mirror) - термин, которым обозначается прозрачный для видимого света фильтр, который при этом отражает излучение ИК-диапазона.A warm mirror is a term that denotes a filter that is transparent to visible light and reflects infrared radiation.

Сегментационный анализ - математический алгоритм, описанный в статье Lemire D. A better alternative to piecewise linear time series segmentation // Proceedings of the 2007 SIAM International Conference on Data Mining. - Society for Industrial and Applied Mathematics, 2007. - C. 545-550.Segmentation analysis is the mathematical algorithm described in Lemire D. A better alternative to piecewise linear time series segmentation // Proceedings of the 2007 SIAM International Conference on Data Mining. - Society for Industrial and Applied Mathematics, 2007. - C. 545-550.

позволяющий разделять непрерывный ряд данных на фрагменты с учетом опционально определяемых условий.allowing to divide a continuous series of data into fragments taking into account optionally defined conditions.

1) Последовательностями (или сериями) названы массивы данных следующего вида:1) Sequences (or series) are called data arrays of the following form:

(x0,y0), …, (xn-1, yn-1), где значения x - это соответствующие временным отсчетам значения координат.(x 0 , y 0 ), ..., (x n-1 , y n-1 ), where the values of x are the coordinate values corresponding to the time samples.

2) Сегментационные индексы z0, …, zk - отметки, делящие последовательность на интервалы.2) Segmentation indices z 0 , ..., z k - marks dividing the sequence into intervals.

3) S1, …, Sk - интервалы, определяемые сегментационными индексами Si={(xi,yi)|zi-1≤i<zj}3) S 1 , ..., S k are the intervals determined by the segmentation indices S i = {(x i , y i ) | z i-1 ≤i <z j }

Сегментационный анализ включает:Segmentation analysis includes:

Figure 00000001
Определения сегментационной ошибки по формуле:
Figure 00000001
Definitions of segmentation error by the formula:

Figure 00000002
, где Q - это квадрат регрессионной ошибки
Figure 00000003
.
Figure 00000002
where Q is the squared regression error
Figure 00000003
.

Figure 00000001
Поиск значений Q, которые вычисляются по формуле
Figure 00000004
(p(xr)-yr)2, где минимум определяется по полиномиальному p заданной степени.
Figure 00000001
Search for Q values that are calculated by the formula
Figure 00000004
(p (x r ) -y r ) 2 , where the minimum is determined by the polynomial p of a given degree.

Основной задачей в оценке выделения сегментов и определения ошибки сегментационного анализа является наиболее подходящая аппроксимация (поиск наилучшего полинома).The main task in assessing the allocation of segments and determining the error of segmentation analysis is the most suitable approximation (search for the best polynomial).

Алгоритм вычислений представляет собой набор действий динамического программирования для оптимального поиска сегментов, составляющих общий массив данных, в процессе которого реализуются следующие действия:The calculation algorithm is a set of dynamic programming actions for the optimal search for segments that make up the general data array, during which the following actions are implemented:

Первая часть алгоритма динамического программирования для поиска оптимальной сегментации временных серий в интервалы, имеющие степени 0, …, N-1.The first part of the dynamic programming algorithm for finding optimal segmentation of time series into intervals having degrees 0, ..., N-1.

1. INPUT: временные серии (xi, yi) длиной n.1. INPUT: temporary series (x i , y i ) of length n.

2. INPUT: модельная сложность k и максимальная степень N (N=2 => постоянная и линейная).2. INPUT: model complexity k and maximum degree N (N = 2 => constant and linear).

3. INPUT: Функция E(p,q,d), вычисляющая ошибку фитирования полинома степени d в ряду (xp, xq) (постоянное время).3. INPUT: Function E (p, q, d) that calculates the fitting error of a polynomial of degree d in the series (x p , x q ) (constant time).

4. R,D,P←k*n+1 матрицы (инициализированы на 0).4. R, D, P ← k * n + 1 matrices (initialized to 0).

5. for r∈{0, …, k-1} do5. for r∈ {0, ..., k-1} do

6. {r сканирует ряды матриц}6. {r scans rows of matrices}

7. for q∈{0,…, n} do7. for q∈ {0, ..., n} do

8. {q сканирует колонки матриц}8. {q scans matrix columns}

9. Нахождение минимума Rr-1-d,P+E(p,q,d) и сохранение его значений в Rr,q и соответствующих d,p в два шага в Dr,q, Pr,q для 0<d<min(r+1,N) и 0<p<q+1 при условии, что R→∞ для отрицательных рядов кроме R-1,0=09. Finding the minimum R r-1-d, P + E (p, q, d) and storing its values in R r, q and the corresponding d, p in two steps in D r, q , P r, q for 0 <d <min (r + 1, N) and 0 <p <q + 1, provided that R → ∞ for negative series except R -1,0 = 0

10. RETURN Значение матрицы R, степени матрицы D, сегментационных точек матрицы Р.10. RETURN The value of the matrix R, the degree of the matrix D, the segmentation points of the matrix P.

Вторая часть алгоритма динамического программирования для поиска оптимальной сегментации.The second part of the dynamic programming algorithm for finding optimal segmentation.

1. INPUT: k*n+1 матрицы R,D,P.1. INPUT: k * n + 1 matrices R, D, P.

2. x←n2.x ← n

3. s←empty list3.s ← empty list

4. while r>0 do4. while r> 0 do

5. p←Pr,x5. p ← Pr, x

6. d←Dr,x6.d ← Dr, x

7. r←r-d+17. r ← r-d + 1

8. добавочный интервал из p в x степени d в s8. incremental interval from p to x of degree d to s

9. x←p9.x ← p

10. RETURN Оптимальную сегментацию s.10. RETURN Optimal segmentation s.

Таким образом, алгоритм выделяет оптимальные фрагменты (сегменты) числовых рядов координат из всей последовательности, характеризуемой определенным временным периодом.Thus, the algorithm extracts the optimal fragments (segments) of the numerical series of coordinates from the entire sequence characterized by a certain time period.

Ниже представлено подробное описание способа и системы определения областей фиксаций взора при движении глаз. Для подтверждения соответствия заявляемого решения требованию «промышленная применимость», а также для лучшего понимания сущности изобретения ниже представлены примеры его конкретной реализации, которые не ограничивают заявляемое изобретение.The following is a detailed description of the method and system for determining the areas of gaze fixation during eye movement. To confirm the conformity of the proposed solution to the requirement of "industrial applicability", as well as to better understand the essence of the invention, examples of its specific implementation are presented below, which do not limit the claimed invention.

Респонденту предлагают сесть в кресло и зафиксировать голову на лобно-подбородной подставке напротив экрана монитора. Экран монитора располагают на расстоянии комфортного видения от глаз респондента (40-70 см), хотя технические возможности системы не ограничивают этот показатель в заявленных пределах. Затем респонденту предлагают пройти калибровку, представляющую собой предъявление набора точек на экране с заранее известными координатами. Это процедура необходимо, чтобы получить реперные значения для пересчета координат положений взора во время рассматривания любых других изображений в течение эксперимента. Предъявление, регистрация и обработка данных (как предъявление калибровки и стимульных изображений, так и регистрация координат положения зрачка) могут быть реализованы с помощью доступных программных средств, обладающих функционалом по предъявлению и записи результатов измерения в файлы. Также в программном обеспечении должен быть реализован алгоритм сегментационного анализа с целью выделения фиксаций и соответствующих им саккад для последующей визуализации этих результатов (событий) методом наложения на предъявляемое изображение.The respondent is asked to sit in a chair and fix his head on the frontal-chin stand opposite the monitor screen. The monitor screen is placed at a comfortable vision distance from the respondent's eyes (40-70 cm), although the technical capabilities of the system do not limit this indicator to the stated limits. Then the respondent is asked to undergo a calibration, which is a presentation of a set of points on the screen with previously known coordinates. This procedure is necessary to obtain reference values for recalculating the coordinates of the positions of the gaze while viewing any other images during the experiment. Presentation, registration and processing of data (both presentation of calibration and stimulus images, as well as registration of the coordinates of the pupil's position) can be implemented using available software tools with functionality for presenting and recording measurement results in files. Also, the algorithm of segmentation analysis should be implemented in the software in order to isolate the fixations and the corresponding saccades for subsequent visualization of these results (events) by applying them to the presented image.

В процессе предъявления стимульного изображения освещают область глаза респондента инфракрасным светом. Излучатель ИК находится рядом с цифровой камерой, регистрирующей отраженное изображение глаза. ИК-лучи, отразившись от теплого зеркала, освещают глаз респондента, обратный ход луча проецирует полученное изображение на матрицу видеокамеры. В качестве теплого зеркала может быть использовано изделие, например, см. http://www.photooptic-filters.com/hot_mirrors/. ИК-излучение позволяет добиваться максимального контраста изображения зрачка относительно радужки, что повышает вероятность правильного выделения зрачка используемыми в программе алгоритмами выделения изображения.In the process of presenting a stimulus image, the respondent's eye area is illuminated with infrared light. The IR emitter is located next to a digital camera that records the reflected image of the eye. IR rays, reflected from a warm mirror, illuminate the respondent's eye, the reverse beam projectes the resulting image onto the video camera matrix. A product may be used as a warm mirror, for example, see http://www.photooptic-filters.com/hot_mirrors/. IR radiation allows you to achieve maximum contrast of the pupil image relative to the iris, which increases the likelihood of correct pupil allocation used in the program image extraction algorithms.

В процессе просмотра стимульного изображения регистрируют изображение глаза респондента в виде отраженного сигнала ИК-излучения с получением видеоряда изображений зрачка глаза, и обрабатывают полученный видеоряд с определением координат центра зрачка в каждом кадре видеоряда. ИК-излучение после двойного отражения от теплого зеркала (первый путь ИК-излучение проходит от излучателя и попадает на глаз, второй, отразившись от глаза, возвращается в объектив видеокамеры, которая расположена рядом с ИК-излучателем. Отраженное ИК-излучение переносит изображение глаза на матрицу видеокамеры, которая регистрирует данное изображение. Из каждого кадра этого видеоряда выделяют зрачок и определяют координаты его центра. Далее эти координаты пересчитывают в систему координат изображения, на которое смотрел респондент, и из этих координат выделяют фиксации методом сегментационного анализа.In the process of viewing the stimulus image, the image of the respondent’s eye is recorded in the form of a reflected infrared signal to obtain a video sequence of images of the pupil of the eye, and the resulting video sequence is processed with the coordinates of the center of the pupil in each frame of the video sequence. IR radiation after double reflection from a warm mirror (the first path IR radiation passes from the emitter and gets into the eye, the second, reflected from the eye, returns to the camera lens, which is located next to the IR emitter. Reflected IR radiation transfers the image of the eye to the matrix of the video camera that registers the given image. A pupil is selected from each frame of this video sequence and the coordinates of its center are determined. Next, these coordinates are converted into the coordinate system of the image that the respondent was looking at, and Fixation by the method of segmentation analysis is distinguished from these coordinates.

Алгоритм выделения зрачка (Kim S.I. et al. A fast center of pupil detection algorithm for VOG-based eye movement tracking // Engineering in Medicine and Biology Society, 2005. IEEE-EMBS 2005. 27th Annual International Conference of the. - IEEE, 2006. - C. 3188-3191.; Zhu D., Moore S.Т., Raphan T. Robust pupil center detection using a curvature algorithm // Computer methods and programs in biomedicine. - 1999. - T. 59. - №. 3. - C. 145-157.) из изображения анализирует каждый кадр и ищет релевантную область, определяемую по ряду критериев (наиболее темное изображение, эллиптическая форма) и аппроксимирует зрачок эллипсом, определяя в тоже время его центр. Координаты, рассчитанные для центра эллипса, пересчитываются из системы координат матрицы видеокамеры в систему координат изображения (см. фиг. 6). Координаты могут быть выгружены в таблицу, например, виде:The pupil extraction algorithm (Kim SI et al. A fast center of pupil detection algorithm for VOG-based eye movement tracking // Engineering in Medicine and Biology Society, 2005. IEEE-EMBS 2005. 27th Annual International Conference of the. - IEEE, 2006 . - C. 3188-3191 .; Zhu D., Moore S.T., Raphan T. Robust pupil center detection using a curvature algorithm // Computer methods and programs in biomedicine. - 1999. - T. 59. - No. 3. - C. 145-157.) From the image, it analyzes each frame and searches for a relevant area determined by a number of criteria (the darkest image, elliptical shape) and approximates the pupil with an ellipse, while determining its center. The coordinates calculated for the center of the ellipse are recalculated from the coordinate system of the matrix of the camera into the coordinate system of the image (see Fig. 6). Coordinates can be uploaded to a table, for example, in the form:

Figure 00000005
Figure 00000005

Из этого массива координат методом сегментационного анализа выделяют участки, соответствующие остановкам взора - фиксациям. Визуализация этих участков может быть представлена в виде, показанном на фиг. 7.From this array of coordinates, the segments corresponding to gaze stops - fixations are extracted by the method of segmentation analysis. The visualization of these sections can be presented in the form shown in FIG. 7.

Результаты работы сегментационного алгоритма позволяют выделить участки (сегменты) фиксированной координаты оптимальным образом. После реализации всех блоков, отмеченных на рисунке, находят массив значений сегментов, соответствующих фиксациям взора, для них (вычитанием) определяют длительности, соответствующие этим фиксациям и координаты центра этих фиксаций, формируя итоговый выходной массив значений.The results of the segmentation algorithm allow us to select sections (segments) of a fixed coordinate in an optimal way. After the implementation of all the blocks marked in the figure, an array of segment values corresponding to gaze fixations is found, for them (subtraction), the durations corresponding to these fixations and the center coordinates of these fixations are determined, forming the final output array of values.

Figure 00000006
Figure 00000006

Итоговая таблица содержит характеристики фиксаций и саккад (в том числе координаты центров фиксаций). Для реализации заявляемого способа может быть использовано программное обеспечение, которое позволяет визуализировать полученный результат, наложив на изображение, которое рассматривал респондент, визуализацию фиксаций одновременно с координатами положений взора в системе координат изображения (см. фиг. 5).The final table contains the characteristics of fixations and saccades (including the coordinates of the centers of fixations). To implement the proposed method, software can be used that allows you to visualize the result obtained by applying to the image that the respondent examined, visualization of fixations simultaneously with the coordinates of the gaze positions in the image coordinate system (see Fig. 5).

Для подтверждения достижения заявленного технического результата был проведен модельный эксперимент. Респондент сам отмечал, на какие элементы изображения он смотрит, а также, в какой последовательности. Одновременно с этим был проведен анализ на основе экспертного метода оценки по видеозаписи изображения глаза, а также по сравнению с записью на системе SMI 250Hz. Было установлено, что количество не детектированных фиксаций у системы SMI 250Hz выше, по сравнению с заявляемым решением, использующим сегментационный анализ (2 потерянные фиксации на записи длительностью 5 минут у SMI 250Hz по сравнению со всеми выделенными на заявляемом айтрекере).To confirm the achievement of the claimed technical result, a model experiment was conducted. The respondent himself noted which elements of the image he was looking at, as well as in what sequence. Simultaneously, an analysis was carried out on the basis of an expert method for evaluating video images of the eye image, as well as in comparison with recording on the SMI 250Hz system. It was found that the number of undetected fixations in the SMI 250Hz system is higher compared to the claimed solution using segmentation analysis (2 lost fixations on the recording with a duration of 5 minutes for SMI 250Hz compared to all highlighted on the claimed IT tracker).

Был также проведен модельный эксперимент, в котором использовался макет искусственного глаза, закрепленного неподвижно. Запись велась в течение одной минуты (60 сек.) с последующим анализом разброса точек фиксации взора. Было установлено, что стабильность фиксации взора в подобных условиях очень высока: погрешность позиции фиксации взора в таком модельном эксперименте составила ±1 пксл, что соответствует относительной погрешности 0.01%. Это является свидетельством точности работы как аппаратной части, так и точности работы алгоритма выделения фиксаций из исходных данных.A model experiment was also carried out in which a model of an artificial eye fixed motionless was used. Recording was carried out for one minute (60 sec.) Followed by analysis of the scatter of the fixation points of the gaze. It was found that the stability of gaze fixation under such conditions is very high: the error in the position of gaze fixation in such a model experiment was ± 1 pcl, which corresponds to a relative error of 0.01%. This is evidence of the accuracy of both the hardware and the accuracy of the algorithm for extracting fixations from the source data.

Таким образом, преимуществом настоящего изобретения является возможность получения данных о фиксациях по минимальному количеству точек в «облаке» (т.е. кучности точек, соответствующей фиксации) - начиная от трех, детектируемых благодаря использованию сегментационного анализа. При этом с точки зрения физиологии параметры фиксации должны быть от 50 мс и выше. В случае, если исследуется восприятие сколько-нибудь сложной когнитивной информации, параметры фиксации должны быть не менее 60-80 мс. Алгоритм детекции фиксаций по пороговому уровню (скорости, координаты) также характеризуется высокой скоростью, но при его использовании существует проблема с выбором порога (что считать «отсечкой», относительно которой можно судить, что скорость превысила критический уровень и далее событие является уже саккадой. Отсюда следует, что алгоритм, работающий по такому принципу, является в значительной степени быстрым, но страдает наличием ошибок первого и второго рода в высокой зависимости от выбранного уровня порога, который, если выбирается экспертно, страдает субъективностью, а автоматический алгоритм не может точно подобрать отмеченный параметр. То есть, при работе такого алгоритма, часто детектируются фиксации в тех местах, где их нет и, наоборот, не выделяются фиксации, которые объективно существуют.Thus, an advantage of the present invention is the ability to obtain data on fixations by the minimum number of points in the "cloud" (ie, the grouping of points corresponding to fixation) - starting from three detected through the use of segmentation analysis. At the same time, from the point of view of physiology, the fixation parameters should be from 50 ms and higher. In case the perception of any complex cognitive information is studied, the parameters of fixation should be at least 60-80 ms. The algorithm for detecting fixations by a threshold level (speed, coordinate) is also characterized by high speed, but when using it there is a problem with choosing a threshold (what can be considered a “cut-off”, according to which it can be judged that the speed has exceeded a critical level and then the event is already a saccade. it follows that an algorithm working on this principle is largely fast, but suffers from the presence of errors of the first and second kind in high dependence on the chosen threshold level, which, if you choose Xia expert, suffers subjectivity, and the automatic algorithm can not just pick up the marked parameter. That is, when using such an algorithm is often detected in the fixing of those places where they do not exist and, on the contrary, are not allocated fixation, which objectively exist.

По сравнению со способом, основанном на использовании дисперсии, заявляемый способ с использованием сегментационного анализа реализуется быстрее по скорости, о чем указано выше, и следовательно, экономит ресурсы компьютера при получении таких же результатов по скорости при наличии меньшей аппаратной мощности. Основой такого подхода является динамическое программирование, позволяющее разделить большую задачу на подзадачи, более низкого уровня, и реализовать вычисления с высокой скоростью. Для других алгоритмов (например, для дисперсионного) ресурсозатратность (т.е. задействование аппаратных мощностей, таких как оперативная память, ресурсы процессора и пр.) растет по квадратичному закону в зависимости от количества координат (точек), составляющих входной массив данных.Compared with the method based on the use of dispersion, the inventive method using segmentation analysis is implemented faster in speed, as described above, and therefore saves computer resources when obtaining the same speed results with less hardware power. The basis of this approach is dynamic programming, which allows you to divide a large task into sub-tasks of a lower level and implement calculations with high speed. For other algorithms (for example, for dispersion), resource consumption (i.e., the use of hardware capacities, such as RAM, processor resources, etc.) grows according to a quadratic law depending on the number of coordinates (points) that make up the input data array.

Claims (12)

1. Способ определения областей фиксаций взора при движении глаз, характеризующийся тем, что респонденту при фиксированном положении головы предъявляют, по меньшей мере, одно стимульное изображение, в процессе предъявления стимульного изображения освещают область глаза респондента инфракрасным излучением, регистрируют отраженный сигнал в течение не менее 50 мс с получением не менее 5 кадров видеоряда изображений зрачка глаза, обрабатывают полученный видеоряд с определением координат центра зрачка в каждом кадре видеоряда, после чего эти координаты пересчитывают в систему координат стимульного изображения, формируют двумерный массив значений координат центра зрачка в хронологической последовательности, соответствующей кадрам видеоряда, из которого посредством сегментационного анализа выделяют не менее трех точек, которые считают областью фиксации взора.1. A method for determining the areas of gaze fixation during eye movement, characterized in that at least one stimulus image is presented to the respondent with a fixed head position, the respondent's eye region is illuminated with infrared radiation, and the reflected signal is recorded for at least 50 ms with obtaining at least 5 frames of the video sequence of images of the pupil of the eye, process the resulting video sequence with the coordinates of the center of the pupil in each frame of the video sequence, after which coordinates converted into the stimulus image coordinate system, form a two-dimensional array of the pupil center coordinate value in chronological sequence corresponding to the video sequence frames from which segmentation analysis is isolated by at least three points, that said area of fixation. 2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что для всех выявленных областей фиксации взора дополнительно определяют их центры - точки фиксации взора, с последующим вычислением для соседних областей углового расстояния между их центрами и при выявлении значения углового расстояния меньше 1,5° соседние области объединяют в одну с определением ее центра и последующим повторением описанных действий в отношении оставшихся областей фиксации.2. The method according to p. 1, characterized in that for all identified areas of gaze fixation, their centers are additionally determined - gaze fixation points, with subsequent calculation for adjacent regions of the angular distance between their centers and if the angular distance is less than 1.5 °, the neighboring areas are combined into one with the definition of its center and the subsequent repetition of the described actions in relation to the remaining areas of fixation. 3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что для всех выявленных областей фиксации взора дополнительно определяют граничные значения областей фиксации, по которым определяют границы саккад.3. The method according to claim 1, characterized in that for all identified areas of fixation of the gaze, additionally determine the boundary values of the areas of fixation, which determine the boundaries of saccades. 4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что стимульные изображения размещают на уровне глаз респондента на расстоянии с обеспечением углового расстояния между центрами соседних областей фиксации не более 20-25 градусов.4. The method according to p. 1, characterized in that the stimulus images are placed at eye level of the respondent at a distance with an angular distance between the centers of neighboring fixation areas of not more than 20-25 degrees. 5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что координаты центра зрачка определяют в системе координат стимульных изображений.5. The method according to p. 1, characterized in that the coordinates of the center of the pupil are determined in the coordinate system of the stimulus images. 6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что координаты центра зрачка определяют в системе координат изображений, составляющих видеоряд изображений глаза.6. The method according to p. 1, characterized in that the coordinates of the center of the pupil are determined in the coordinate system of the images that make up the video image of the eye. 7. Система для определения областей фиксаций взора при движении глаз, включающая ИК-излучатель, размещенный с возможностью освещения области глаза респондента, фильтр-отражатель, выполненный с возможностью пропускания видимого света и отражения ИК-излучения, установленный на уровне глаз респондента, блок предъявления стимульного изображения, расположенный за фильтром-отражателем, блок регистрации отраженного от зрачка ИК-излучения в виде видеоряда изображений зрачка глаза, содержащего, по меньшей мере, пять кадров, включающий видеокамеру, и блок обработки изображения с видеокамеры, выполненный с возможностью обработки данных посредством сегментационного анализа и получением областей фиксаций взора при движении глаз.7. A system for determining the areas of gaze fixation during eye movement, including an IR emitter placed to illuminate the respondent’s eye area, a reflector filter configured to transmit visible light and reflect IR radiation, mounted at the respondent’s eye level, a stimulus presentation unit image located behind the reflective filter, the registration unit of the infrared radiation reflected from the pupil in the form of a video sequence of images of the pupil of the eye containing at least five frames, including a video camera Yeru, and an image processing unit with a video camera configured to data processing by the segmentation analysis and yield regions when eye gaze fixation movement. 8. Система по п. 7, характеризующаяся тем, что ИК-излучатель размещен с возможностью освещения области глаза прямым или отраженным от фильтра-отражателя ИК-излучением.8. The system according to p. 7, characterized in that the infrared emitter is placed with the possibility of illuminating the eye area directly or reflected from the reflector filter by infrared radiation. 9. Система по п. 7, характеризующаяся тем, что фильтр-отражатель выполнен в виде теплого зеркала, пропускающего свет видимого диапазона и отражающего свет в ИК-диапазоне, которое включает слои из чередующихся материалов: ТiO2 и SiO2.9. The system according to claim 7, characterized in that the filter reflector is made in the form of a warm mirror that transmits visible light and reflects light in the infrared range, which includes layers of alternating materials: TiO 2 and SiO 2 . 10. Система по п. 7, характеризующаяся тем, что видеокамера снабжена матрицей, имеющей спектральную чувствительность, максимум которой лежит в области 650-850 нм.10. The system according to claim 7, characterized in that the video camera is equipped with a matrix having spectral sensitivity, the maximum of which lies in the region of 650-850 nm. 11. Система по п. 7, характеризующаяся тем, что фильтр-отражатель расположен от зрачка на расстоянии не более 10 см.11. The system according to claim 7, characterized in that the filter reflector is located from the pupil at a distance of not more than 10 cm 12. Система по п. 7, характеризующаяся тем, что ИК-излучатель выполнен с возможностью излучения на длине волны 860 нм, захватывая область ±40 нм.12. The system according to claim 7, characterized in that the infrared emitter is configured to emit at a wavelength of 860 nm, capturing a region of ± 40 nm.
RU2017143204A 2017-12-11 2017-12-11 Method and system for recording eye movement RU2696042C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017143204A RU2696042C2 (en) 2017-12-11 2017-12-11 Method and system for recording eye movement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017143204A RU2696042C2 (en) 2017-12-11 2017-12-11 Method and system for recording eye movement

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2017143204A RU2017143204A (en) 2019-06-11
RU2017143204A3 RU2017143204A3 (en) 2019-06-11
RU2696042C2 true RU2696042C2 (en) 2019-07-30

Family

ID=66947157

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017143204A RU2696042C2 (en) 2017-12-11 2017-12-11 Method and system for recording eye movement

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2696042C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2774988C1 (en) * 2021-05-04 2022-06-24 Вячеслав Николаевич БЕТИН Method for ophthalmological and neurological examinations using an apparatus for ophthalmological and neurological examinations

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115661913A (en) * 2022-08-19 2023-01-31 北京津发科技股份有限公司 Eye movement analysis method and system
CN116467739A (en) * 2023-03-30 2023-07-21 江苏途途网络技术有限公司 Big data storage system and method for computer

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6926429B2 (en) * 2002-01-30 2005-08-09 Delphi Technologies, Inc. Eye tracking/HUD system
RU2531132C1 (en) * 2013-05-31 2014-10-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" Method for determining complex hand-eye reaction rate of person being tested and device for implementing it
RU2565482C2 (en) * 2010-03-22 2015-10-20 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. System and method for tracing point of observer's look

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6926429B2 (en) * 2002-01-30 2005-08-09 Delphi Technologies, Inc. Eye tracking/HUD system
RU2565482C2 (en) * 2010-03-22 2015-10-20 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. System and method for tracing point of observer's look
RU2531132C1 (en) * 2013-05-31 2014-10-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" Method for determining complex hand-eye reaction rate of person being tested and device for implementing it

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Айтрекинг в психологической науке и практике, Отв. ред. В. А. Барабанщиков, Москва: Когито-Центр, 2015. *

Cited By (3)

* 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
RU2774988C1 (en) * 2021-05-04 2022-06-24 Вячеслав Николаевич БЕТИН Method for ophthalmological and neurological examinations using an apparatus for ophthalmological and neurological examinations

Also Published As

Publication number Publication date
RU2017143204A (en) 2019-06-11
RU2017143204A3 (en) 2019-06-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10219693B2 (en) Systems and methods for combined structure and function evaluation of retina
US10064546B2 (en) Ophthalmic analysis apparatus and ophthalmic analysis program
US9872615B2 (en) Systems and methods for improved ease and accuracy of gaze tracking
EP1587414B1 (en) A pupilometer
US10413186B2 (en) Coherent optical imaging for detecting neural signatures and medical imaging applications using holographic imaging techniques
RU2696042C2 (en) Method and system for recording eye movement
US20190298166A1 (en) System and method for testing visual field
CN102670177A (en) Skin optical diagnosis device and operation method thereof
AU2014234955B2 (en) Automatic detection of task transition
US20220164949A1 (en) Ophthalmic image processing device and ophthalmic image processing method
CN112987910A (en) Testing method, device, equipment and storage medium of eyeball tracking equipment
KR101984993B1 (en) Visual field examination device using personalized marker control
US9610010B2 (en) Systems and methods for analysis of ocular inflammation
CN116807452A (en) Scoliosis 3D detection method, system, equipment and medium
US20210290133A1 (en) Evaluation device, evaluation method, and non-transitory storage medium
CN115471903A (en) Cognitive assessment system
CA3153866A1 (en) Devices, systems, and methods for performing electroretinography
EP4133992A1 (en) Determining color vision ability using a vision screening device
KR20200048288A (en) Method and Apparatus for measuring aging parameter based on gait speed
JP5955349B2 (en) Analysis method
US11653831B2 (en) Visual performance examination device, visual performance examination method, and computer program
CN115770013B (en) Eye movement test method, device, equipment and medium for auxiliary weak population
US20220343497A1 (en) Burn severity identification and analysis through three-dimensional surface reconstruction from visible and infrared imagery
US20210386287A1 (en) Determining refraction using eccentricity in a vision screening system
Faheem et al. Automated Diagnosing of Eye Disease in Real Time