DE19624135A1

DE19624135A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kontrolle der Augenbewegung einer ein dreidimensionales bewegtes Bild betrachtenden Person

Info

Publication number: DE19624135A1
Application number: DE1996124135
Authority: DE
Inventors: Jean-Cyriague Dr Med Barry; Rainer Dr Ing Tutsch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-06-17
Filing date: 1996-06-17
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2016-06-18
Also published as: DE19624135C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kontrolle der Augenbewegung einer ein dreidimensionales bewegtes Bild betrachtenden Person.

Es ist bekannt (Movement of the Eyes; RHS Carpenter; 2^nd edit.; PION, London, 1989; Appendix 1) die Bewegung eines oder beider Augen von Personen mit Hilfe sogenannter Eye-Tracker zu messen. Unter dem Begriff Eye-Tracker werden dabei alle denkbaren Vorrichtungen verstanden, die derartige Messungen ermöglichen. Eye-Tracker finden insbesondere im medizinisch ophthalmologischen und werbepsychologischen Bereich ihre Anwendung. Die Augenbewegung kann beispielsweise mit Hilfe von Fotozellen festgestellt werden, die vom Auge gestreutes Licht aufnehmen. Die Fotozelle ist dabei auf einen Übergang, z. B. von der weißen Sklera zur Iris, gerichtet, der einen Hell-Dunkelkontrast aufweist, wodurch eine Augenbewegung die Menge des auf die Fotozelle auftreffenden Lichtes verändert. Bei einer anderen Methode wird die Reflexion an den verschiedenen Grenzflächen des Auges ausgenutzt. Bei der Beleuchtung des Auges erzeugen diese Reflexionen vier Purkinjebilder, von denen das erste, entstehend an der Grenzfläche Luft/Hornhaut, und das vierte, entstehend an der Rückwand der Augenlinse, und/oder das dritte, entstehend an der Vorderfläche der Augenlinse, für die Messung herangezogen werden können. Zu einem bestimmten Zeitpunkt ergibt sich die Stellung eines untersuchten Auges aus der Geometrie, die durch die Richtung des einfallenden Lichtstrahls, die Position des Betrachters der Purkinjebilder und die Lage der Purkinjebilder gegeben ist. Wegen weiterer Methoden zur Messung der Augenbewegung wird auf die vorgenannte Literaturstelle verwiesen.

Es ist des weiteren bekannt (Charman; Visual Optics and Instrumentation, 1. ed., MacMillan Press, London; 1991, S. 326-343), dreidimensionale ruhende oder bewegte Bilder zu generieren. Hierfür werden dem rechten und linken Auge einer das Bild betrachtenden Person leicht unterschiedliche Teilbilder zugeführt, die den unterschiedlichen Perspektiven der beiden Augen entsprechen und deren Überlagerung im Gehirn des Betrachters eine dreidimensionale Wahrnehmung erzeugt. Die zahlreichen bekannten Methoden der 3D-Darstellung unterscheiden sich in der Art und Weise der Zuführung der Teilbilder. In vielen Fällen ist der Betrachter der 3D-Darstellung gezwungen, brillenartige optische Hilfsmittel ("Trenner") aufzusetzen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Teil bilder in unterschiedlichen Farben (grün/rot) oder mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen auf einer gemeinsamen Projektionswand wiedergegeben werden. Die optischen Hilfsmittel weisen dann die entsprechenden Filter auf. Es ist auch möglich, die Teilbilder mit hoher Frequenz zeitlich nacheinander zu projizieren. Mit entsprechender Frequenz muß dann abwechselnd der Strahlengang zum rechten bzw. linken Auge unterbrochen werden. Letzteres geschieht in der Regel mit ebenfalls brillenartigen LCD-Shutter-Goggles.

Des weiteren sind Methoden bekannt, die eine autostereoskopische Wahrnehmung, d. h. eine 3D-Wahrnehmung ohne weitere Hilfsmittel, erlauben. So ist aus der DE 43 12 918 A1 eine Wiedergabeeinrichtung bekannt, bei der der dreidimensionale Abbildungscharakter der erzeugten Bilder durch eine strei fenweise Ineinanderrasterung der beiden Teilbilder auf einem flachen Bildschirm erreicht wird, wobei dem Bildschirm eine Lentikularplatte aus ebenfalls vertikal verlaufenden in etwa halbzylinderförmigen Linsen vorgelagert ist, durch die be nachbarte Bildstreifen getrennt dem rechten bzw. linken Auge des Betrachters zugeführt werden. Zur Erreichung des stereoskopischen Effektes muß der Betrachter eine bestimmte Position vor dem Bildschirm einnehmen. Wegen weiterer Methoden zur 3D-Darstellung wird auf die vorgenannte Literatur (Vi sual Optics and Instrumentation) verwiesen.

3D-Darstellungen werden insbesondere zur Unterhaltung und bei medizinisch-ophthalmologischen Untersuchungen eingesetzt. So ist es bekannt (Lang J.; Nine Years Experience with the Lang Stereotest; Nüremberg; Intern. Orthop. Asscoc., 1991, 163-167), das Stereosehvermögen von Personen mit Hilfe eines dreidimensionalen ruhenden Bildes zu testen, wobei zur 3D-Darstellung die vorbeschriebene Technik der Streifenrasterung angewendet wird. Die Teilbilder sind hierfür mit dem random-dots-Verfahren erzeugt, weshalb es der zu untersu chenden Person nur dann möglich ist, ein Bild zu erkennen, wenn sie über ein intaktes Stereosehvermögen verfügt. Der Lang-Stereotest ist insoweit insbesondere für den Einsatz bei Säuglingen und Kleinkindern geeignet, da diese dann nicht durch brillenartige optische Hilfsmittel in ihrer Aufmerksamkeit abgelenkt werden. Nachteilig ist an diesem Verfahren jedoch weiterhin, daß der Untersuchende auf Aussagen oder Reaktionen der zu untersuchenden Person, bei Kindern z. B. Greifen, Zeigen oder intensives Betrachten, angewiesen ist, da er ansonsten nicht beurteilen kann, ob die zu untersuchende Person das gezeigte Bild dreidimensional erkennt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, durch die die vorgenannten Nachteile vermieden werden. Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Person dem Reiz ausgesetzt wird, vi suell ein bestimmtes auf einer in ihren räumlichen Koordinaten bestimmbaren dreidimensionalen Bahn bewegtes Objekt zu verfolgen, gleichzeitig die Sehstellung eines Auges oder beider Augen der Person laufend objektiv gemessen und aus der zeitlichen Abfolge der Sehstellungen die Bewegungen des(r) Auges(n) ermittelt wird und mit der Bewegung des Objektes verglichen wird.

Erfindungsgemäß können auch statische dreidimensionale Objekte erfaßt werden, wobei dann die statische Augenstellung gemessen wird.

Insbesondere im medizinisch-ophthalmologischen Bereich ergibt sich für Tests des Stereosehvermögens der Vorteil, daß aufgrund der objektiven Messung der Stellung der Sehachse eine Kommunikation zwischen der zu untersuchenden Person und dem Untersuchenden nicht mehr nötig ist, weshalb auch bei Säug lingen, Kleinkindern und Behinderten die Stereowahrnehmung zweifelsfrei nachgewiesen werden kann. Gerade bei Säuglingen und Kleinkindern ist die Früherkennung eines fehlenden Stereosehvermögens wegen der Amblyopiegefahr am sinnvollsten.

Die Verwendung bewegter dreidimensionaler Bilder hat gegenüber einem ruhenden Bild zum einen den Vorteil, daß der Stimulus für die zu untersuchende Person attraktiver ist und dadurch die Untersuchung erleichtert wird. Zum anderen kann der Stimulus kontinuierlich verschiedene Tiefen durchwandern.

Im Unterhaltungs- und Spielesektor ergibt sich mit der objektiven Messung der Stellung der Sehachsen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zudem die Möglichkeit, die das bewegte Bild betrachtende Person allein durch die Augenstellung bewußt oder unbewußt bestimmte Prozesse auslösen zu lassen. Z.B. könnte bei bestimmten Stellungen der Sehachse zu bestimmten Zeiten durch Übereinstimmung mit zuvor festgelegten Koordinaten ein Signal erzeugt werden, mit dem dann auf den weiteren Ablauf der Bild- und Tondarstellung Einfluß genommen wird.

Des weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren auch für diverse Tauglichkeitstests, z. B. Reaktionstests in Verbindung mit dem Test des Stereosehvermögens eingesetzt werden. So könnte beispielsweise mit Hilfe der objektiven Messung der Augenbewegung auf zuverlässige Weise untersucht werden, wie schnell und auf welche Weise die zu testende Person auf plötzliche Veränderungen im betrachteten Bild visuell reagiert, z. B. Verkehrstauglichkeitsprüfungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, daß das dreidimensionale bewegte Bild auf einem 3D-Computerdisplay erzeugt wird. Die schon bekannten 3D-Displays bieten eine einfach zu handhabende Möglichkeit der Darstellung bewegter dreidimensionaler Bilder mit autostereoskopischer Wahrnehmung.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, daß die Stellung der Sehachse(n) des(r) Auges(n) mittels Auswertung mindestens eines Purkinjebildes einer das jeweils kontrollierte Auge beleuchtenden Strahlungsquelle gemessen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, daß nach jeder Messung die gemessene Stellung der Sehachse mit den zum Zeitpunkt der Messung gegebenen Koordinaten des von der Person zu betrachtenden bewegten Objekts verglichen wird. Auf diese Weise kann in Echtzeit verfolgt werden, ob die das Bild betrachtende Person ein bestimmtes bewegtes Objekt visuell verfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann schließlich auch so ausgeführt werden, daß zunächst eine Abfolge gemessener Stellungen der Sehachse(n) abgespeichert wird und diese Abfolge mit der räumlichen Bahn verglichen wird, die das von der Person zu betrachtende bewegte Objekt während des Zeitraumes der Messungen durchlaufen hat.

Die vorgenannte Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Einrichtung zur Darstellung eines bewegten dreidimensionalen Bildes dadurch gelöst, daß eine Meßeinrichtung zur objektiven Messung der Stellung der Sehachse eines Auges oder beider Augen einer das Bild betrachtenden Person vorhanden ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, daß eine Speichereinheit zur Speicherung der gemessenen Stellung der Sehachse vorhanden ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch eine Rechnereinheit für den Vergleich der gemessenen Stellung(en) der Sehachse mit den Koordinaten des von der Person zu betrachtenden bewegten Objekts aufweisen.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch so ausgebildet sein, daß die Einrichtung zur Darstellung eines bewegten dreidimensionalen Bildes ein Computer mit einem zur autostereoskopischen Wahrnehmung geeigneten 3D-Display ist.

Vorzugsweise werden 3D-Displays eingesetzt, bei denen die 3D-Darstellung mittels streifenweiser Ineinanderrasterung der Teilbilder und vorgesetzter Lentikularplatte mit in etwa halbzylinderförmigen Linsen erzeugt wird. Vorteilhaft ist desweiteren die Verwendung von LCD-Displays, da diese platz sparend und leicht zu transportieren sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 10 bis 17.

Insgesamt ist durch die Kombination einer 3D-Darstellung eines bewegten Bildes, insbesondere bei der Verwendung eines Computerdisplays, mit einem Eye-Tracker auf der Basis des Purkinjeeffektes eine leicht zu handhabende Vorrichtung gegeben, mit der neben den anderen schon weiter oben beschrie benen Anwendungen insbesondere bei nonverbalen Kindern das Stereosehvermögen zweifelsfrei nachgewiesen werden kann. Aufgrund des Einsatzes des Computers sind die wesentlichen Verfahrensschritte automatisierbar, so daß die Vorrichtung auch von Laien eingesetzt werden kann. Insbesondere bei der Verwendung eines Laptops kann die gesamte Vorrichtung auch in einer platzsparenden und transportablen Variante realisiert werden.

Anhand einer Figur wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Vorrichtung ist aus der Sicht einer hier nicht gezeigten Person dargestellt, die beispielsweise auf Stereosehvermögen hin zu untersuchen ist. Hierzu schaut die zu untersuchende Person auf ein 3D-Computerdisplay 1, das ein sich auf ei ner vorbestimmten dreidimensionalen Bahn bewegendes Objekt 2 zeigt. Mit hier nicht dargestellten Mitteln ist dafür zu sorgen, daß der Kopf der zu untersuchenden Person während der Betrachtung des Objekts 2 in einem vorgegebenen Bereich verbleibt. Während die Person das Objekt 2 visuell verfolgt, werden die Augen von einer Strahlungsquelle 3 mit infrarotem Licht beleuchtet. An den optischen Grenzflächen eines beleuchteten Auges werden durch Reflexion die sogenannten Purkinjebilder der Strahlungsquelle erzeugt. Wird nun das so beleuchtete Auge betrachtet, hängt die Position der Purkin jebilder (zur Messung werden z. B. das erste und vierte Purkinjebild ausgewertet) allein von der durch Auge, Strahlungsquelle 3 und Betrachtungs richtung gegebenen Geometrie sowie von der Stellung der Sehachse des beleuchteten Auges ab. Ist eine geeignete Geometrie festgelegt und sind die dazugehörenden Abstände und Winkel bekannt, kann also zu einem bestimmten Zeitpunkt aus der Position der Purkinjebilder die Stellung der Sehachse des beleuchteten Auges ermittelt werden.

Zur Messung der Stellung der Sehachse der Augen der das Objekt 2 beobachtenden Person werden beide Augen jeweils über eine Optik 4 bzw. 5 auf einen CCD-Sensor 6 bzw. 7 abgebildet. Der Abbildungsmaßstab muß für eine ausreichende Meßauflösung sorgen, damit auch das Schwächere der für die Messung herangezogenen Purkinjebilder auf vorzugsweise zwei Pixel des CCD-Sensors 6 bzw. 7 abgebildet wird. Die CCD-Sensoren zeigen eine hohe Empfindlichkeit im Spektralbereich der Strahlungsquelle 3, so daß die maßgeblichen Purkinjebilder eindeutig durch eine Bildverarbeitung erkannt werden können. Zur Bildverarbeitung werden die von den Pixeln der CCD-Sen soren 6 und 7 aufgenommenen Informationen an die Rechnereinheit 8 weitergegeben. Die Rechnereinheit 8 berechnet aus den übermittelten Daten die Stellung der Sehachsen beider Augen der zu untersuchenden Person relativ zu einem durch die Geometrie vorgegebenen Koordinatensystem. Gleichzeitig steuert die Rechnereinheit 8 die Bewegung des Objektes 2 auf dem 3D-Display 1. Das Objekt 2 bewegt sich dabei auf einer vorgegebenen Bahn, so daß die Rechnereinheit 8 anhand eines Vergleichs der Raumkoordinaten des Objekts 2 zu einem bestimmten Zeitpunkt mit den zu diesem Zeitpunkt ermittelten Stel lungen der Sehachsen berechnen kann, ob die zu untersuchende Person das Objekt 2 mit beiden Augen visuell verfolgt hat, also Stereosehvermögen aufweist.

Über die Bedieneinheit 9 kann das Untersuchungsverfahren gestartet, unterbrochen oder beendet werden. Wegen der Automatisierbarkeit des Verfahrens kann auch die zu untersuchende Person selbständig die Vorrichtung bedienen. Über einen Kontrollbildschirm 10 kann die Aufnahme der Augen betrachtet und anhand der Position der Purkinje-Bilder überprüft werden, ob die Geometrie des Meßaufbaus korrekt ist.

Bezugszeichenliste

1 3D-Display
2 Objekt
3 Strahlungsquelle
4 Optik
5 Optik
6 CCD-Sensor
7 CCD-Sensor
8 Rechnereinheit
9 Bedieneinheit
10 Kontrollbildschirm

Claims

1. Verfahren zur Kontrolle der Augenbewegung einer ein dreidimensionales bewegtes Bild betrachtenden Person, bei dem die Person dem Reiz ausgesetzt wird, visuell ein bestimmtes auf einer in ihren räumlichen Koordinaten bestimm baren dreidimensionalen Bahn bewegtes Objekt (2) zu verfolgen, gleichzeitig die Stellung der Sehachse eines Auges oder beider Augen der Person laufend objektiv gemessen und aus der zeitlichen Abfolge der Stellungen der Sehachse die Bewegung des(r) Auges(n) ermittelt wird und mit der Bewegung des Objektes (2) verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dreidimensionale bewegte Bild mit einem 3D-Computerdisplay (1) erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der Sehachse(n) des(r) Auges(n) mittels Auswertung mindestens eines Purkinjebildes einer das jeweils kontrollierte Auge beleuchtenden Strahlungsquelle (3) gemessen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeder Messung die gemessene Stellung der Sehachse mit den zum Zeitpunkt der Messung gegebenen Koordinaten des von der Person zu betrachtenden bewegten Objekts (2) verglichen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Abfolge gemessener Stellungen der Sehachse(n) abgespeichert wird und diese Abfolge mit der räumlichen Bahn verglichen wird, die das von der Person zu betrachtende bewegte Objekt (2) während des Zeitraumes der Messungen durchlaufen hat.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Einrichtung zur Darstellung eines bewegten dreidimensionalen Bildes, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung zur objektiven Messung der Stellung der Sehachse eines Auges oder beider Augen einer das Bild betrachtenden Person.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Speichereinheit zur Speicherung der gemessenen Stellung der Sehachse.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Rechnereinheit (8) für den Vergleich der gemessenen Stellung(en) der Sehachse mit den Koordinaten des von der Person zu betrachtenden bewegten Objekts (2).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Darstellung eines bewegten dreidimensionalen Bildes ein Computer mit einem zur autostereoskopischen Wahrnehmung geeigneten 3D-Display (1) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinheit zur Speicherung der gemessenen Stellung der Sehachse und die Rechnereinheit (8) zum Vergleich der gemessenen Stellung(en) der Sehachse mit den Koordinaten des von der Person zu betrachtenden bewegten Objekts (2) im Computer integriert sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer portabel ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung mindestens eine Strahlungsquelle (3) zur Beleuchtung des(r) zu kontrollierenden Auges(n) und mindestens eine Aufnahmeoptik (4, 5) zur Abbildung eines das erste und vierte Purkinjebild der Strahlungsquelle(n) (3) enthaltenden Bereichs des(r) zu kontrollierenden Auges(n) auf mindestens eine Bildaufnahmeeinheit (6, 7) aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildaufnahmeeinheit (6, 7) aus einzelnen, das auftreffende Licht in jeweils ein elektrisches Signal umwandelnden Pixeln besteht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildaufnahmeeinheft (6, 7) ein CCD-Sensor ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine datenverarbeitende Auswerteeinheit für die Ermittlung der Stellung der Sehachse des(r) zu kontrollierenden Auges(n) aus der Lage der Purkinjebilder.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die datenverarbeitende Auswerteeinheit im Computer integriert ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet durch einen Kontrollbildschirm (10), auf dem das (die) Auge(n) der das bewegte Bild betrachtenden Person abgebildet ist (sind).