CN104866785B - 结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全系统及方法，方法步骤为：步骤一，跟踪阅读者的眼睛，获取阅读者在显示设备的视点位置；步骤二，在视点位置创建窗口；步骤三，在非拥塞窗口内显示私密文本，而窗口外显示伪文本；步骤四，用户阅读文本时，只能识别窗口内的私密文本，而窗口外的伪文本不会影响到用户阅读。

Description

结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全系统及方法
技术领域
本发明涉及图像处理技术和视觉信号处理领域，具体地，涉及一种结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全系统及方法。
背景技术
随着信息技术的发展，尤其是移动设备的广泛普及，越来越多的人关心信息安全。虽然关于信息安全，现今有很多研究，比如密码学，隐写术，但是这些都主要关心信息的传输安全，对于如何保护信息从显示设备到人眼的安全的研究则非常少。目前，针对这个问题的一个流行的解决方法是用3M隐私过滤器，它通关过微型孔减少可视角度来阻止旁观者。然而，这种隐私过滤器不能阻止偷窥者从后面偷看。另一种方法是通过时域心理视觉调制技术。这种方法克服了3M隐私过滤器的缺点，但是由于需要佩戴眼镜去看私密内容给用户带来了不便。
发明内容
本发明的目的是针对信息安全显示提出一种更好的解决方案，即结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全系统及方法。
人眼大部分的视野在大多数情况下是拥塞的，只有在中间一个很小的非拥塞窗口内才是例外的。这个窗口和它的识别限制对于阅读的时候最明显。对于在这个窗口内部，文字处于非拥塞，人样可以看清；而在这窗口之外，文字拥塞了，不能看清。为了能够看清窗口之外的文字，必须移动人眼的视点使得这些文字处于非拥塞窗口之内。而这非拥塞窗口的大小取决于观察者的临界空隙和被观察物体之间的空隙。这是物体空隙超过临界空隙的区域。在视网膜中，临界空隙是独立于物体的位置的，它与物体到视点的距离成比例关系。当目标和周围的物体相似时，这种情况拥塞最大。
基于上述原理，为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
根据本发明一方面，提供一种结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全方法，包括如下步骤：
步骤一，跟踪阅读者的眼睛，获取阅读者在显示设备的视点位置；
步骤二，在视点位置创建窗口；
步骤三，在非拥塞窗口内显示私密文本，而窗口外显示伪文本；
步骤四，用户阅读文本时，只能识别窗口内的私密文本，而窗口外的伪文本不会影响到用户阅读。
优选地，步骤一中，所述跟踪阅读者的眼睛通过眼动仪实现，可以选择不同产品的眼动仪，要求眼动仪能够实时确定用户在显示设备的视点位置。比如采用眼动仪厂商Tobii的产品。
更优选地，所述的眼动仪跟踪用户视点位置，得到的数据会包含噪声，需要进一步利用滤波器进行过滤，滤波器选择均值滤波器或Kalman滤波器。
优选地，显示设备可以是显示器、电视机、LED屏幕、平板、或者手机等。
优选地，步骤二中，所述的在视点位置创建窗口，窗口大小可由实验测得，同时可以由用户自由调节，理想情况是窗口大小等于用户的非拥塞窗口大小。当窗口大小小于非拥塞窗口时，将会干扰用户阅读，因为伪文本将进入非拥塞窗口而被用户识别；当窗口大小大于非拥塞窗口时，会使得窗口易于被旁观者察觉而信息安全失效。
所述的步骤三中，私密文本和伪文本具有相同的文本格式，使得旁观者不易于察觉到私密文本的位置。窗口内显示私密文本，窗口外显示伪文本是通过编程实现的，使得私密文本和伪文本可以同时显示在显示设备上。
所述的步骤三中，在创建非拥塞窗口的同时，可以创建多个与非拥塞窗口同样大小的虚假窗口，虚假窗口内显示无关的文字，这样，即便旁观者能够觉察到窗口，也不能确定具体哪一个窗口才是真正的非拥塞窗口。
所述的步骤四中，用户阅读时只能识别窗口内的私密文本，而窗口外的伪文本不会影响到用户阅读，这是由于眼动仪可以实时跟踪用户的眼睛视点，而窗口的中心就是眼镜视点的位置，窗口的大小就是用户的非拥塞窗口的大小。对于用户来讲，用户只能识别非拥塞窗口内部的物体，而窗口外的物体将是拥塞的，无法识别。所以，对于窗口外的伪文本不会影响到用户的阅读。
所述的滤波器，可以很好地平滑数据，去除噪声的影响，同时，由于此系统是实时的系统，在滤出噪声的同时不能有很大的延时。
所述的噪声，包含了由于测量误差所引起的高频噪声和由瞳孔大小的改变与头部移动造成的漂移的低频噪声。
所述的窗口大小由实验测得，具体为：显示设备显示一个文本，确定一个中心点，测试者坐在与显示设备保持一定距离的位置，眼动仪跟踪测试者的眼动情况使得测试者的视点始终是这个中心点，然后然测试者画出可以识别出单词的区域，经过多个测试者的测试，对结果做平均，得出窗口的区域。
根据本发明另一方面，提供一种结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全系统，包括：
显示设备，用于显示信息；
眼动仪，用于跟踪阅读者的眼睛，获取阅读者在显示设备的视点位置；
窗口创建模块，用于在显示设备上的视点位置创建窗口，该窗口为非拥塞窗口；
所述显示设备在非拥塞窗口内显示私密文本，而窗口外显示伪文本，用户阅读文本时，只能识别窗口内的私密文本，而窗口外的伪文本不会影响到用户阅读。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
针对最后10米以内的信息安全问题的一个流行的解决方法是用3M隐私过滤器，它通关过微型孔减少可视角度来阻止旁观者。然而，这种隐私过滤器不能阻止偷窥者从后面偷看。另一种方法是通过时域心理视觉调制技术。这种方法克服了3M隐私过滤器的缺点，但是由于需要佩戴眼镜去看私密内容给用户带来了不便。
本发明提供的结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全系统，很好的解决了现有技术中存在的上述问题。对于用户来说，本发明实现了在不影响原来阅读的情况下实现了信息安全；对于旁观者来讲，本发明显示的画面与普通画面无异，很难察觉用户正在查看私密文本，这种伪装技术大大提高了显示的安全。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的流程图；
图2为本发明一实施例具体实现原理图；
图3为本发明一实施例测试窗口大小的实验图；
图4为本发明一实施例中均值滤波器和Kalman滤波器效果对比图；
图5为本发明一实施例中实现纹理映射和表面拷贝的具体流程图；
图6为本发明系统一实施例的展示图；
图7为本发明系统一实施例的初始界面；
图8为本发明系统一实施例中旁观者的所看到的画面；
图9为本发明一实施例的结果图，(a)为只有一个私密窗口的结果图，(b)为一个私密窗口和多个干扰的虚假窗口的结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明一实施例中的结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全方法，包括如下步骤：
步骤一，跟踪阅读者的眼睛，获取阅读者在显示设备的视点位置；
所述跟踪阅读者的眼睛通过眼动仪实现，可以选择不同产品的眼动仪，要求眼动仪能够实时确定用户在显示设备的视点位置。比如采用眼动仪厂商Tobii的产品。
步骤二，在视点位置创建窗口；
步骤三，在非拥塞窗口内显示私密文本，而窗口外显示伪文本；
步骤四，用户阅读文本时，只能识别窗口内的私密文本，而窗口外的伪文本不会影响到用户阅读。
作为一个优选方式，本发明建立一个基于眼动仪(Tobii REX DeveloperEidtion)电子书阅读器的信息安全显示系统，Tobii REX Developer Eidtion眼动仪是一个便携式并简洁的USB眼动跟踪设备，可以安装在桌面电脑显示器或笔记本电脑上。当通过这个阅读器阅读时，因为眼动仪用户的视点将出现一个窗口。在窗口内，显示的是私密文字，而窗口外显示的是与私密文字无关的文字，称之为伪文字。当视点移动的时候，窗口将跟随之而动。所以，用户会始终看到私密文字。窗口外的伪文字是拥挤的，也就是说他们不会影响用户阅读。而对于旁观者，他们主要看到的都是伪文字，因为他们没法知道用户具体看哪里。
本发明上述方法，其核心是确定非拥塞窗口的大小。实际的窗口大小必须和非拥塞窗口大小一致。这样才能让用户感觉舒服自然。如果大小大于非拥塞窗口，旁观者将很容易觉察到私密文字，如果大小小于非拥塞窗口，一些外围的伪文字将进入非拥塞窗口，这样将会分散用户的注意力使得阅读很困难。
比如，窗口的大小的可以按照这样的方式确定：首先，设计一个如图3文本。文字的格式都是统一的，并且每个单词的长度为4个左右。让测试者注视在文本中间的‘sleep’这个单词。并且画出能够识别出单词的区域。为了避免测试者移动视点到其他的单词，设计了一个程序来确定用户的视点，使得文本可以随着用户的视点而移动。所以测试者将始终注视在红色的‘sleep’这个单词，这样画出的非拥塞窗口的区域就更加地准确。在实验中设定测试者到眼动仪和显示器的距离为60cm，一共有五位测试者参加了测试。图3中是测试者画出的结果，由此发现，在垂直方向，不会超过三行，而在水平方向，不会超过5个单词，所以非拥塞窗口可以用图1中的黑色矩形框来表示。当用户眼睛到显示器的距离从50cm到80cm变化时，窗口的大小会有细微的变化。所以这个非拥塞窗口的大小对于一定的距离是统一适用的。
本发明提供一种结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全系统，包括：
显示设备，用于显示信息；
眼动仪，用于跟踪阅读者的眼睛，获取阅读者在显示设备的视点位置；
窗口创建模块，用于在显示设备上的视点位置创建窗口，该窗口为非拥塞窗口；
所述显示设备在非拥塞窗口内显示私密文本，而窗口外显示伪文本，用户阅读文本时，只能识别窗口内的私密文本，而窗口外的伪文本不会影响到用户阅读。
图2显示了本发明所述系统的一实施例的功能层次图，功能从低到高图中对应从下到上。文件选择器是一个方便从磁盘中选择PDF文件的类。MuPDF是一个可以把PDF文件中的页面转化成图片的库。Direct3D在这个系统中承担了重要的角色主要包含两个功能：表面拷贝和纹理映射。它用于结合伪文字和私密文字并同时显示在显示器上。Boost是支持多线程，异步线程，独立执行线程的C++库。本实施例为眼动仪创建了一个Boost.Thread线程，这样可以实时得到注视点。Tobii Gaze SDK可以从眼动仪得到注视点，因为得到的眼动注视点位置会包含高斯噪声，所以使用了OpenCV中Kalman滤波器来过滤视点噪声。CEGUI是一个图形用户接口的库，方便用户与系统进行交互。
眼动仪跟踪用户视点位置，得到的数据会包含噪声，需要进一步利用滤波器进行过滤，滤波器选择均值滤波器或Kalman滤波器。
当用户注视在屏幕中的一个点时，测量到的位置将包含有微小均值波动的高斯噪声。高频噪声是测量噪声而低频噪声是由于瞳孔大小的改变和头部移动造成的漂移。这个系统中，必须让视点位置来控制非拥塞窗口的位置，保证窗口实时跟随者眼睛的视点非常重要。由于高斯噪声，所以需要一个过滤器，不仅能够保证窗口的足够稳定使得用户始终关注感兴趣的区域，而且当用户的视点从一个地方移动到另一个地方时能够快速地迅速地回应，比如跳到下一行阅读。所以需要仔细地设计这样一个过滤器。一个简单的低通滤波器可以过滤高频的测量噪声，但是会有很大的拖尾延时。这对于用户来讲会很受挫，因为用户不得不等待窗口移动到自己感兴趣的区域。这里，选择Kalman滤波器来减少噪声。
首先通过让一个测试者阅读一个文本从Tobii Studio获取视点数据。然后分别用Kaiman滤波器和均值滤波器对数据进行过滤。如图4所示，为本发明均值滤波器和Kalman滤波器效果对比图。对比可得，Kalman滤波器和均值滤波器都可以很好地平滑数据。图中可以看到，原始数据成阶梯状并有一定的噪声，通过Kalman滤波器，数据变得更加平滑，而且延时较少，而通过均值滤波器后，虽然数据得到了平滑，但是有很大的延时。
当得到PDF页面的时候，需要通过编程实现PDF页面中的私密文本和伪文本在显示器中同时显示出来，对应于方法的步骤三：在非拥塞窗口内显示私密文本，而窗口外显示伪文本。本实例中具体的编程流程可分成：纹理映射和表面拷贝。
首先，在Direct3D的3维空间创建四个顶点来得到一个横纵比和图片相等的矩形。然后调整Direct3D的相机使得这个矩形刚好填充整个屏幕。接着把从PDF文档中提取出来的图片作为Direct3D的纹理映射到这个矩形。所以，可以把这些PDF页面图片渲染到Direct3D的后备缓存并显示到显示设备上，相机可以放大缩小来调整使得更加便于阅读。这就是纹理映射。
为了实现信息安全，需要把私密文本和伪文本结合起来同时显示。这可以通过表面拷贝来实现。如图5所示，首先创建四个Direct3D表面(表面1，表面2，表面3，表面4)，表面1和表面2创建于系统内存中使得在拷贝数据时有更快的速度。表面3作为一个临时表面用于把表面数据从GPU和CPU或CPU和GPU之间的拷贝。表面4是从后备缓存中拷贝的表面。渲染私密文字和伪文字到后备缓存，然后借助表面3和表面4拷贝表面1和表面2。然后结合表面1和表面2，把结果通过表面3保存回表面1后备缓存。最后，把最终的后备缓存中的图片显示在显示设备上。
作为一个具体实施例，所述系统中采用Microsoft Visual Studio 2010的集成开发环境用C++编程。使用DirectX,CEGUI,MuPDF,OpenCV,Boost和Tobii Gaze SDK等SDK.DirectX是一系列用于处理多媒体相关任务的应用编程接口。在这个系统中，DirectX用于同时显示私密文字和伪文字。CEGUI由于它的灵活性和与Direct3D的高度兼容性用于GUI的设计。OpenCV是一个包含了500多个图片视频分析的最优算法的开源库。其中的Kalman滤波器模块用于减少视点位置的噪声。MuPDF是一个支持PDF和XPS解析和渲染的开源软件库。Boost是一个免费的端点接受可移植的C++软件库，他的线程库用于实时获取用户眼睛的视点位置。Tobii Gaze SDK用于跟踪眼睛并获得视点位置。
非拥塞窗口说明人类的视觉只能有效地识别一个非常小的窗口中的物体。窗口外物体的一些特征可以被感知但是这些特征不能有效地被组合起来，所以这些物体时不可识别的。本发明利用眼动仪实时地来定位阅读者的视点位置，只有在非拥塞窗口的内部显示私密文本，而在窗口的外部显示一些无关的伪文字，为了避免由于窗口移动而被旁观者追踪到窗口的位置，可以创建一些虚假的非拥塞窗口，窗口内显示无关的文字，这样，即便旁观者能够觉察到窗口，也不能确定具体哪一个窗口才是真正的非拥塞窗口，以提高信息的安全系数。本发明提出的原型系统用C++编写，用了Direct3D,Tobii Gaze SDK,CEGUI,MuPDF,OpenCV等SDK。展示系统说明了这是一个“最后十米信息安全”的一个有效的方法。
实验的结果展示见图6到图9，其中：
图6为本发明系统的展示图，眼动仪Tobii Rex固定于显示器下方，用于跟踪用户的眼动情况；
图7是本系统的初始界面，给出使用该系统的具体说明；
图8为本发明系统旁观者的所看到的画面，旁观者很难发现用户所看窗口位置；
图9为本发明的结果图，(a)为只有一个私密窗口的结果图，(b)为一个私密窗口和多个干扰的虚假窗口的结果图。图9右侧的图是左侧图中矩形区域的放大，右侧图中用矩形标出了非拥塞窗口的位置。而这对于旁观者很难察觉。为了提高信息安全，具体实施中可以创建多个虚假窗口，如图9(b)中所示。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，跟踪阅读者的眼睛，获取阅读者在显示设备的视点位置；
步骤二，在视点位置创建窗口；
步骤三，在非拥塞窗口内显示私密文本，而窗口外显示伪文本；
步骤四，用户阅读文本时，只能识别窗口内的私密文本，而窗口外的伪文本不会影响到用户阅读；
所述的步骤三中，私密文本和伪文本具有相同的文本格式，使得旁观者不易于察觉到私密文本的位置；窗口内显示私密文本，窗口外显示伪文本是通过编程实现的，使得私密文本和伪文本同时显示在显示设备上；
所述的步骤三中，在创建非拥塞窗口的同时，创建多个与非拥塞窗口同样大小的虚假窗口，虚假窗口内显示无关的文字，这样，即便旁观者能够觉察到窗口，也不能确定具体哪一个窗口才是真正的非拥塞窗口。
2.根据权利要求1所述的结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全方法，其特征在于：步骤一中，所述跟踪阅读者的眼睛通过眼动仪实现，眼动仪能够实时确定用户在显示设备的视点位置。
3.根据权利要求2所述的结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全方法，其特征在于：所述的眼动仪跟踪用户视点位置，得到的数据会包含噪声，需要进一步利用滤波器进行过滤，滤波器选择均值滤波器或Kalman滤波器。
4.根据权利要求3所述的结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全方法，其特征在于：所述的噪声，包含了由于测量误差所引起的高频噪声和由瞳孔大小的改变与头部移动造成的漂移的低频噪声。
5.根据权利要求1所述的结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全方法，其特征在于：步骤二中，所述的在视点位置创建窗口，窗口大小由实验测得，同时用户能自由调节，窗口大小等于用户的非拥塞窗口大小。
6.据权利要求1-5任一项所述的结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全方法，其特征在于：所述的步骤四中，用户阅读时只能识别窗口内的私密文本，而窗口外的伪文本不会影响到用户阅读，这是由于眼动仪能实时跟踪用户的眼睛视点，而窗口的中心就是眼镜视点的位置，窗口的大小就是用户的非拥塞窗口的大小，对于用户来讲，用户只能识别非拥塞窗口内部的物体，而窗口外的物体将是拥塞的，无法识别，所以，对于窗口外的伪文本不会影响到用户的阅读。
7.据权利要求1-5任一项所述的结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全方法，其特征在于：所述的窗口大小由实验测得，具体为：显示设备显示一个文本，确定一个中心点，测试者坐在与显示设备保持一定距离的位置，眼动仪跟踪测试者的眼动情况使得测试者的视点始终是这个中心点，然后让测试者画出能识别出单词的区域，经过多个测试者的测试，对结果做平均，得出窗口的区域。
8.一种采用权利要求1-7任一项所述方法的结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全系统，其特征在于包括：
显示设备，用于显示信息；
眼动仪，用于跟踪阅读者的眼睛，获取阅读者在显示设备的视点位置；
窗口创建模块，用于在显示设备上的视点位置创建窗口，该窗口为非拥塞窗口；
所述显示设备在非拥塞窗口内显示私密文本，而窗口外显示伪文本，用户阅读文本时，只能识别窗口内的私密文本，而窗口外的伪文本不会影响到用户阅读。
9.据权利要求8的结合眼动跟踪的基于非拥塞窗口信息安全系统，其特征在于：所述系统进一步包括滤波器，所述滤波器对眼动仪跟踪用户视点位置得到的噪声数据进行过滤，滤波器选择均值滤波器或Kalman滤波器。
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