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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eichung von Eye-tracking-Systemen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 15.
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Zur Messung von Augenbewegungen von Menschen oder Tieren werden verschiedene Verfahren eingesetzt, wie etwa
- – Kontaktlinsen-Magnetspule (scleral search coil)
- – Dual Purkinje eye tracker
- – Limbus tracker
- – Cornea reflex
- – Pupillenposition.
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Ziel der Messverfahren ist die exakte Bestimmung der Lage der optischen Abbildung relativ zu einem festen Bezugssystem auf der Netzhaut im Auge. Die Angabe erfolgt üblicherweise in horizontalen und vertikalen Winkelangaben, da das Auge im wesentlichen in zwei Freiheitsgraden relativ zum Kopf bewegt werden kann. Der dritte mögliche Rotationsfreiheitsgrad wird empirisch durch Listings Gesetz bestimmt.
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Allen Verfahren außer der Kontaktlinsenspule ist gemeinsam, dass ein Abgleich der tatsächlichen Blickrichtung konkreter Probanden mit den Messwerten erfolgen muss durch eine entsprechende Eichung. Zur Eichung werden den Probanden mehrere Fixationsziele im Messbereich vorgegeben, die möglichst genau zu fixieren sind. Aus diesen Messungen werden dann die notwendigen Eichparameter mittels statistischer Verfahren berechnet. Um die notwendige Genauigkeit bei der Fixation sicherzustellen, werden verschiedene Methoden der Präsentation der Fixationsziele verwendet; außerdem kann die Mitwirkung des Probanden unterschiedlich sein, entweder rein reflexartig oder durch Mitwirkung des Probanden nach Instruktion durch Versuchsleiter oder durch aktive Bestätigung der Zeitpunkte optimaler Fixation.
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Diese Verfahren können jedoch nicht tatsächlich wirksam validiert werden, weil die Anweisung an den Probanden, das Fixationsziel genau zu fixieren, zu unbestimmt ist. Der Bereich scharfen Sehens geht zwischen einem Durchmesser von 5 Winkelgrad (dieser Wert gilt für die ganze Sehgrube (fovea)) bis zum innersten Bereich des optimalen Kontrasts kontinuierlich über, ohne dass dies dem Probanden bewusst wird. Von daher kann der Proband auch bei gutwilliger Kooperation keine wirklich zuverlässigen Angaben über ein genaue Fixation machen, da dieser Winkelbereich für eine zuverlässige Eichung eigentlich viel zu groß ist. Angaben über die Reproduzierbarkeit derartiger Messungen gehen daher von einer Unschärfe von einem halben Winkelgrad aus, welche durch Messwiederholungen bestimmt werden kann (sog. Reliabilität). Warum der einzelne Messwert von seinem Mittelwert abweicht, ist weitgehend unbekannt, es kann sich sowohl um eine zufällige Streuung um einen festen (richtigen) Wert oder um eine zeitliche Variabilität der Lage des Optimalsehens innerhalb der Fovea handeln, die von Prozessen in der Verarbeitung der Seheindrücke im Gehirn bestimmt ist.
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Ein weiterer Nachteil, den Grad der Sehschärfe innerhalb der ganzen Sehgrube der Eichung zugrunde zu legen, besteht darin, dass eine optimale Eichung nur bei Personen mit ausgezeichneter Sehschärfe, Brille oder Kontaktlinse möglich ist.
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Eine valide Eichprozedur muss sich an festen Landmarken auf der Netzhaut orientieren. Derartige Landmarken können neben der örtlich unterschiedlichen Sehschärfe z. B. aufgrund der Lage von Blutgefäßen auf der Netzhaut mit Hilfe der Laserscanning-Ophthalmologie auch durch die Lage der Lutea macula (des sog. Maxwell-Flecks oder Haidinger-Büschel) sein. Weiterhin wäre es denkbar, die Papille (sog. blinder Fleck), an dem keine Lichtrezeptoren vorhanden sind, oder die Zonen, an denen bestimmte Rezeptoren nicht vorhanden sind, die sog. Skotome, zu nutzen. In der Foveola centralis (Durchmesser 1,7 Winkelgrad) fehlen die für das Dämmerungssehen verantwortlichen Stäbchen, während in einem noch engeren Bereich von etwa 25 Winkelminuten Durchmesser keine Rezeptoren für die Farbe blau vorhanden sind (sog. Blauskotom).
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Da die Papille etwa 15° seitlich von der Fovea liegt, ist die Nutzung für die Validierung der Augenbewegungsmessung auf Situationen beschränkt, in denen Bilder getrennt für beide Augen an der bei valider Eichung erwarteten Stelle projiziert werden können. Eine Sichtbarkeit eines so erzeugten Objekts wäre ein sicheres Indiz für Nichtvalidität.
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Nach Untersuchungen von Magnussen [1, 2] et al. kann das Blauskotom sichtbar gemacht werden, indem Flimmern geeigneter Frequenz und Wellenlänge die Adaptation und Auffüllung des Seheindrucks, die unter gewöhnlichen Sehbedingungen stattfindet, ausschaltet. Die Erkennbarkeit des Blauskotoms bleibt dabei auch nach einem Ausschalten des Flimmerns noch über einige Sekunden (bis zu ca. 40 Sekunden) erhalten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit der Verbesserung der Fixationsbedingungen für den Probanden zu schaffen, die eine sicherere Eichung und damit zuverlässigere Funktion von Eye-Tracking-Systemen erlaubt.
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Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich der Vorrichtung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 15 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Eichung von Eye-tracking-Systemen, bei dem einem Probanden mindestens ein Fixationsziel in seinem Sichtfeld vorgegeben wird, das er zur Eichung genau fixieren muss, wobei bei der Fixation optische und/oder physiologische Parameter des Auges bestimmt und zur Eichung des Eye-tracking-Systems genutzt werden. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch erfindungsgemäß weiter entwickelt, dass der Proband in einer ersten Phase während einer vorgebbaren Zeitdauer ein in seinem jeweiligen Sichtfeld eingespieltes Leuchtbild definierter Geometrie fixiert, und der Proband anschließend das mindestens eine Fixationsziel mit einem in seinem Auge nachleuchtenden Abbild des Leuchtbildes oder Teilen davon zur Deckung bringt, wobei währenddessen optische und/oder physiologische Parameter des Auges bestimmt werden, die zur Eichung von Eye-tracking-Systemen nutzbar sind. Gelingt es, das nachleuchtende Abbild des Leuchtbildes auf der Netzhaut des Probanden hinreichend klein hervorzurufen, so kann der Proband viel besser und reproduzierbarer als bei herkömmlichen Eichverfahren die Fixierung des Fixationszieles mit Hilfe eines zur Deckungbringens dieses nachleuchtenden Abbildes mit dem Fixationsziel vornehmen und damit die zu der Eichung notwendige Vermessung des Auges in diesem Fixationszustand in ihrer Genauigkeit erhöhen. Hierzu können grundsätzlich eine oder mehrere Arten physiologisch bedingter partieller Blindheit (Skotom) im Auge genutzt werden, nämlich entweder die Papille (sog. blinder Fleck), an der keine Lichtrezeptoren vorhanden sind, oder die Zonen (Skotome), an denen bestimmte Rezeptoren nicht vorhanden sind. In der Foveola centralis (mit einem Durchmesser von ca. 1,7 Winkelgrad) fehlen die für das Dämmerungssehen verantwortlichen Stäbchen, während in einem noch engeren Bereich von etwa 25 Winkelminuten Durchmesser, dem sog. Blauskotom, keine Rezeptoren für die Farbe blau vorhanden sind. Auch ist es denkbar, Kombinationen derartiger Arten physiologisch bedingter partieller Blindheit gleichzeitig zu benutzen.
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Hierbei bietet sich insbesondere die Nutzung des Blauskotoms an, da dieses einen sehr begrenzten Flächenbereich des Auges betrifft, der genau definierte Seheigenschaften aufweist. Wenn es gelingt, die Lage des Blauskotoms für den Probanden subjektiv erfahrbar zu machen, ist eine ideale Landmarke im Auge gefunden, die erstens ausreichend eng und scharf begrenzt ist, und zweitens in optimaler Lage zur Sehaufgabe liegt und damit Messungen der optischen und/oder physiologischen Parameter des Auges in höchster Genauigkeit ermöglicht. Durch das erfindungsgemäße Hervorrufens des nachleuchtenden Abbildes des flackernden, hier vorzugsweise blauen Leuchtbildes auf der Netzhaut des Probanden lässt sich gerade der Bereich des Blauskotoms für den Probanden gut erkennbar machen, so dass bei wahrgenommenem nachleuchtendem Abbild dieses Abbild sehr genau mit dem oder nacheinander mehreren Fixationszielen zur Deckung gebracht werden kann und in dieser wesentlich besser fixierten Stellung des Auges die notwendigen Messungen der optischen und/oder physiologischen Parameter des Auges vorgenommen werden können. Dabei ist es für den Probanden zum einen einfacher, das Fixationsziel und das nachleuchtende Abbild durch seine Augenbewegungen genau übereinander zu bekommen und zum anderen diese Stellung des Auges auch kontrolliert beizubehalten. Auch kann die Erzeugung des nachleuchtenden Abbildes ohne Schädigung oder sonstige Beeinträchtigung des Auges oder ein subjektiv unangenehmes Gefühl des Probanden hervorgerufen werden, länger dauernde Nachwirkungen sind nach Verschwinden des nachleuchtenden Abbildes nicht zu erwarten. Die Erzeugung des nachleuchtenden Abbildes kann dabei passend für den Probanden auch an verschiedenen Stellen seine Gesamtsichtfeldes erfolgen, vorzugsweise an den Bereichen, in denen er ohne Augenbewegungen die Fixationsziele gut erfassen kann. Denkbar ist aber auch eine Trennung des Sichtfeldes für die Erzeugung des nachleuchtenden Abbildes und für die Fixation der Fixationsziele, so dass der Proband nach Betrachten eines etwa auf einem seitlich angeordneten Bildschirm nachleuchtenden Abbildes durch eine Kopfbewegung oder eine reine Augenbewegung das Sichtfeld wechselt und in einem anderen Sichtfeld das oder die Fixationsziele fixiert.
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Von Vorteil ist es, wenn das eingespielte Leuchtbild als flackernde Abbildung auf einem dazu kontrastierenden Hintergrund in das Sichtfeld des Probanden eingespielt wird, z. B. als eine blau-schwarze Abbildung auf einem weißen Hintergrund. Basierend auf den Erkenntnissen von Magnusson [1, 2] liegen hier entsprechende Erfahrungen vor.
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Für die Fixation nachleuchtendem Abbild und Fixationsziel ist es von Vorteil, wenn das eingespielte flackernde Leuchtbild als kreisförmige Fläche ausgebildet in das Sichtfeld des Probanden eingespielt wird. Als Fixationsziel kann beispielsweise ein kleines Kreuz oder dgl. Markierung für den Probanden eingespielt werden, so dass der Proband angehalten wird, das Fixationsziel durch Augenbewegungen so zu fixieren, bis das Fixationsziel innerhalb der kreisförmigen Fläche liegt.
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Weiterhin sollte der Proband solange dem eingespielten flackernden Leuchtbild ausgesetzt werden, dass sich eine Nachleuchtdauer des nachleuchtenden Abbildes von bis zu 30 Sekunden, insbesondere von bis zu 15 Sekunden einstellt, wozu der Proband in weiterer Ausgestaltung dem eingespielten flackernden Leuchtbild mindestens 30 Sekunden, vorzugsweise mindestens 40 Sekunden ausgesetzt wird und der Proband das eingespielte flackernde Leuchtbild während der Einspielung fixiert. Hierdurch bildet sich ein ausreichend lange nachleuchtendes Abbild des eingespielten Leuchtbildes, so dass auch die Fixation mehrerer Fixationsziele nacheinander in unterschiedlichen Bereichen des Sehfeldes mit dem gleichen nachleuchtenden Abbild möglich wird und daher die Eichung mit den Daten von mehreren voneinander unabhängigen Fixationszielen durchgeführt werden kann. Hierdurch wird die Genauigkeit der Eichung weiter gesteigert.
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Bei der Verwendung des Blauskotoms als Zone physiologisch bedingter partieller Blindheit des Auges ist es weiterhin von Vorteil, dass in dem Nachleuchtbild des eingespielten flackernden Leuchtbildes für den Probanden ein hellerer, eng begrenzter Innenbereich innerhalb eines dunkleren größeren äußeren Ringbereichs sichtbar wird. Die äussere Begrenzung eines derart erzeugten nachleuchtenden Abbildes ist möglicherweise unscharf, je nachdem wie konstant die Fixation während der Einwirkungsphase des Leuchtbildes auf das Auge des Probanden gehalten werden konnte. Der Übergang zwischen dem äußeren dunklen Teil des nachleuchtenden Abbildes und dem inneren hellen Teil ist allmählich und durch die über der Fovea liegende Macula lutea verursacht. Somit zeichnet sich der tatsächliche Leuchteindruck aufgrund des Blauskotoms besonders kontrastiert innerhalb des nachleuchtenden Abbildes als innerer heller und flächenanteilig kleiner Zentralbereich ab, den der Proband für die Fixation gut unterscheiden kann. Hierbei können die inneren Bestandteile sogar nichtzentral im Nachbild liegen. Entscheidend ist, dass die Lage des Blauskotoms fest mit der tatsächlichen Lage der Foveamitte, nicht mit der subjektiv festgestellten Mittigkeit, verknüpft ist. Die Beurteilung, ob ein Fixationsziel, beispielsweise ein Kreuz, von dem Probanden mittig innerhalb des hellen Innenbereichs gesehen wird, kann mit hoher Gewissheit getroffen werden (besser als 5 Winkelminuten).
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Weiterhin ist es von Vorteil, dass das eingespielte flackernde blaue Leuchtbild den Bereich des Blauskotoms im Auge des Probanden physiologisch nicht anregt, wodurch der umgebende Bereich des Sichtfeldes während der Nachleuchtdauer vom Probanden optisch anders wahrgenommen wird als der Bereich des Blauskotoms und der Bereich des Blauskotoms sich dadurch während der Nachleuchtdauer vom umgebenden Sichtfeld abhebt.
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In weiterer Ausgestaltung ist es von besonderem Vorteil, wenn das eingespielte flackernde Leuchtbild eine derartige Größe aufweist, dass die gesamte Größe des nachleuchtenden Abbildes im Auge des Probanden etwa 5 Winkelgrad beträgt. Innerhalb dieses nachleuchtenden Abbildes beträgt der Durchmesser des wahrnehmbaren helleren Bereichs und damit des eigentlichen Blauskotoms dann typischerweise 25 Winkelminuten oder weniger.
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Die Erfindung beschreibt weiterhin eine Vorrichtung zur, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, aufweisend eine Projektionseinrichtung für mindestens ein Fixationsziel und ein einspielbares flackerndes Leuchtbild sowie eine Messeinrichtung für optische und physiologische Parameter des Auges eines Probanden. Die Projektionseinrichtung dient dazu, nacheinander das flackernde, vorzugsweise blaue Leuchtbild und/oder dann mindestens ein Fixationsziel in dem Sehbereich des Probanden sichtbar zu machen und damit das nachleuchtende Abbild auf der Netzhaut des Probanden zu erzeugen. Auch ist es hierbei denkbar, dass die Projektionseinrichtung gleichzeitig mehr als ein Fixationsziel in dem Sehbereich des Probanden sichtbar macht.
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Als Projektionseinrichtung ist dabei entweder ein Bildschirm, der innerhalb des Sehfeldes des Probanden angeordnet ist, oder auch eine Projektionsfläche denkbar, die innerhalb des Sehfeldes des Probanden angeordnet ist und mit einer Projektionseinrichtung wie z. B. einem Beamer oder dgl. Projektionsgerät das flackernde Leuchtbild und danach mindestens ein Fixationsziel sichtbar macht. In einer anderen Ausgestaltung kann die Projektionseinrichtung auch als eine unmittelbar vor dem Auge angeordnete Projektionseinrichtung, insbesondere als ein Head-Mounted-Display oder dgl. ausgestaltet werden.
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Denkbar ist es insbesondere bei Verwendung einer Projektionsfläche auch, dass das einspielbare flackernde Leuchtbild mit Hilfe separater blauer Leuchtmittel, vorzugsweise blauer Leuchtdioden, erzeugt wird.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt die Zeichnung.
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Es zeigen:
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1 – eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 – eine schematische Darstellung des nachleuchtenden Abbildes, das der Proband im Anschluss an eine Betrachtung des eingespielten Leuchtbildes bei der Fixation des Fixationszieles sieht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Projektionsfläche 4 auf, auf die von einer Projektionseinrichtung 8 wie etwa einem Beamer oder dgl. ein hier kreisförmig ausgestaltetes Leuchtbild 3 auf einem kontrastierenden Hintergrund 11 projiziert wird. Die Projektionsfläche 4 kann wie dargestellt etwa eine Art Leinwand sein, auf die mittels Lichtstrahlen 6 das Leuchtbild 3 projiziert wird, es kann sich jedoch bei der Projektionsfläche auch um eine Bildschirm oder dgl. handeln, bei dem die Projektionseinrichtung 8 direkt integriert ist.
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Die Projektionseinrichtung 8 kann zeitlich abwechselnd mit dem Leuchtbild 3 auch eine oder eine Mehrzahl von z. B. kreuzartig gestalteten Fixationszielen 5 auf die Projektionsfläche 4 projizieren, die bei der Fixation von dem Probanden 2 mit seinen Augen 1 wie noch näher beschrieben fixiert werden sollen. Der in einem passenden Abstand von der Projektionsfläche 4 angeordnete Proband 2 trägt hierbei beispielsweise an einer Kopfhalterung ein Eye-Tracker-System 12, das beispielsweise über eine nicht weiter dargestellte Optik und eine halbdurchlässigen Spiegel 7 die Bewegungen der Augen des Probanden verfolgt. Derartige Eye-Tracker-Systeme 12 sind grundsätzlich bekannt und können unterschiedlichen Aufbau und Funktionsweise besitzen. Allen Eye-Tracker-Systemen 12 ist aber gemeinsam, dass sie auf die spezifischen Eigenarten der Augen des Probanden abgestimmt und hierfür geeicht werden müssen.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren projiziert hierfür die Projektionseinrichtung 8 das Leuchtbild in Form einer flimmernden, insbesondere blau-schwarzen Abbildung 3 auf einem weißen Hintergrund 11, wie dies in den Veröffentlichungen von Magnussen [1, 2] beschrieben ist. Der Proband fixiert während dieser eine Anzahl von Sekunden, etwa 30 Sekunden dauernden Phase möglichst immer den gleichen Punkt des Leuchtbildes, wozu eine hier nicht weiter dargestellte Fixationsziel eingeblendet werden kann, auf das der Proband seinen Blick gerichtet hält.
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Aufgrund der flackernden blau-schwarzen Abbildung 3 bildet sich auch nach dem Erlöschen des Leuchtbildes für eine Zeit lang aufgrund der vorstehend näher beschriebenen Effekte und insbesondere des Blauskotoms ein nachleuchtendes Abbild des eigentlich nicht mehr vorhandenen Leuchtbildes auf der Retina des Probanden. Ein ähnlicher Effekt ist bekannt, wenn man eine Zeitlang in ein punktförmiges helles Licht blickt und danach eine Zeitlang immer noch einen Lichtfleck wahrnimmt, auch wenn man das helle Licht nicht mehr anschaut.
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Der Proband sieht hierbei einen Lichtfleck, wie er schematisch in der 2 dargestellt ist. Das hier kreisförmige Nachleuchtbild 13 des eingespielten flackernden Leuchtbildes 3 besteht für den Probanden 2 aus einem helleren, Ringbereich 15 und einem dunkleren größerer äußerer Ringbereich 14. Die äußere Begrenzung eines derart erzeugten nachleuchtenden Abbildes 13 ist möglicherweise unscharf, je nachdem wie konstant die Fixation während der Einwirkungsphase des Leuchtbildes 3 auf das Auge 1 des Probanden 2 gehalten werden konnte. Der Übergang 10 zwischen dem äußeren dunklen Teil 14 des nachleuchtenden Abbildes 13 und dem inneren hellen Teil 15 ist allmählich und durch die über der Fovea liegende Macula lutea (Maxwell-Fleck) verursacht. Der tatsächliche Leuchteindruck aufgrund des Blauskotoms kontrastiert innerhalb des nachleuchtenden Abbildes 13 als innerer heller und flächenanteilig kleiner Zentralbereich 9 in dem inneren hellen Ringbereich 15, den der Proband 2 für die Fixation gut unterscheiden kann.
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Der Proband 2 hat nun bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Aufgabe, für die Bestimmung der zur Eichung des Eye-Tracker-Systems 12 während der Nachleuchtphase des nachleuchtenden Abbildes 13 allein durch Augenbewegungen den inneren hellen Zentralbereich 9 aufgrund des Blauskotoms in Deckung mit einem oder einer Abfolge von auf der Projektionsfläche 4 verteilt angeordneten Fixationszielen 5 zu bringen, die gleichzeitig oder nacheinander auf der Projektionsfläche 4 erscheinen. Hat der Proband 2 ein Fixationsziel 5 fixiert, ermittelt das Eye-Tracker-System 12 anhand an sich bekannter und hier nicht weiter relevanter Strategien markante Eigenschaften des Auges 1 und kann daraus Eichwerte für die Verbesserung für die Verfolgung der Augenbewegung des Probanden 2 ableiten.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für den Probanden 2 wesentlich einfacher und damit im Endeffekt wesentlich genauer, das Fixationsziel 5 genau und reproduzierbar zu erfassen und damit die Eichung zu verbessern.
[1] – Magnussen, Svein; Spillmann, Lothar; Stürzel, Frank; Werner, John S.: Filling-in of the foveal blue scotoma; Vision Research 41 (2001) S. 2961–2967
[2] – Magnussen, Svein; Spillmann, Lothar; Stürzel, Frank; Werner, John S.: Unveiling the foveal blue scotoma through an afterimage; Vision Research 44 (2004) S. 377–383
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Auge
- 2
- Proband
- 3
- Leuchtbild
- 4
- Projektionsfläche
- 5
- Fixationsziel
- 6
- Lichtstrahl
- 7
- halbdurchlässiger Spiegel
- 8
- Projektionseinrichtung
- 9
- Zone des Blauskotoms
- 10
- Grenze des Maxwell-Flecks
- 11
- Hintergrund
- 12
- Eye-Tracker-System
- 13
- nachleuchtendes Abbild
- 14
- äusserer dunklerer Teil des nachleuchtenden Abbildes
- 15
- innerer heller Teil des nachleuchtenden Abbildes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Magnussen [1, 2] et al. [0009]
- Magnusson [1, 2] [0014]
- Magnussen [1, 2] [0029]
- Magnussen, Svein; Spillmann, Lothar; Stürzel, Frank; Werner, John S.: Filling-in of the foveal blue scotoma; Vision Research 41 (2001) S. 2961–2967 [0033]
- Magnussen, Svein; Spillmann, Lothar; Stürzel, Frank; Werner, John S.: Unveiling the foveal blue scotoma through an afterimage; Vision Research 44 (2004) S. 377–383 [0033]
