SU935072A1

SU935072A1 - Method of registering operator eye motions

Info

Publication number: SU935072A1
Application number: SU802957686A
Authority: SU
Inventors: Марк Исаакович Шиф
Priority date: 1980-07-16
Filing date: 1980-07-16
Publication date: 1982-06-15

Description

(Б ) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ДВИЖЕНИЙ ГЛАЗ ОПЕРАТОРА(B) METHOD OF REGISTRATION OF OPERATOR EYE MOVEMENTS

tt

Изобретение относитс к медицинской технике, а именно к диагностической технике, используемой в психофизиологических исследовани х.The invention relates to medical technology, in particular to a diagnostic technique used in psychophysiological studies.

Известен способ регистрации движёний глаз оператора, основанный на облучении инфракрасным (ИК) потоком лучистой энергии дл получени на глазу изображений источника. Оба эти изображени неодинаковым образом перемещаютс на глазу при его враща тельном и поступательном движении, что дает - возможность по их взаимному расположению определить угол поворота глаза при незакрепленной голове наблюдател ГП.A known method for detecting the movement of an operator’s eye is based on the irradiation of infrared (IR) flux of radiant energy to obtain source images on the eye. Both of these images move in an unequal way on the eye during its rotational and translational motion, which makes it possible, by their mutual arrangement, to determine the angle of rotation of the eye when the observer has an unsecured head.

Однако этот способ характеризуетс недостаточной помехозащищенностью, а также невозможностью измер ть координаты точек фиксации взгл да.However, this method is characterized by inadequate noise immunity, as well as the inability to measure the coordinates of the point of view fixation.

Наиболее близким к предлагаемоиу вл етс способ регистрации движении глаз оператора, который осущестап етс путем облучени глаза ИК notoком , формировани изображений свет щегос зрачка и роговичного рефлекса на входе оптико-электронного преобразовател и автоматического измерени проекций отрезка между центрами изображени зрачка и рефлекса t2.Closest to the present invention, there is a method for detecting the movement of an operator’s eye, which is accomplished by irradiating the eye with an infrared light, imaging the light of the pupil and corneal reflex at the input of the optoelectronic converter and automatically measuring the projections of the segment between the centers of the image of the pupil and reflex t2.

Однако известный способ непосредственного измерени координат точек фиксации взгл да на объекте наблюде10 ни не обеспечивает, так как при поступательных смещени х глаза в пределах пучка параллельных лучей величина измер емого отрезка между центрами зрачка и рефлекса не измеts н етс , в то врем как зрительна ось глаза пересекаетс с объектом в разных точках (координаты точек взгл да мен ютс ).However, the known method of directly measuring the coordinates of the fixation points at the object of observation does not provide, since with translational displacements of the eye within a beam of parallel rays, the size of the measured segment between the centers of the pupil and the reflex does not change, while the visual axis of the eye intersects with the object at different points (the coordinates of the points of view change).

Облучение глаза параллельным пуч20 ком не обеспечивает высокого соотношени сигнал-шум и сигнал-фон при сканировании изображени глаза. Это вл етс результатом того, что глаз 39 набл10дател аккомодирован на объект наблкщени , например на экран, а не на бесконечность, поэтому параллельный пучок лучей собираетс хрус таликом на сетчатке не в виде резко очерченной точки, а размытым п тном увеличенных размеров и пониженНОЙ светимости. В св зи с тем, что светимость п тна на сетчатке понижена из-за расфокусировки, поток лучей из глаза ослабл етс , что ведет к уменьшению отношени сигналшум при сканировании изображени зрачка, А в св зи с тем, что размеры п тна на сетчатке увеличены из-за расфокусировки, изображение этого п тна, создаваемое хрусталиком в плоскости аккомодации (т.е. на входе приемной оптики).велико. Это требуе увеличени входного зрачка приемной оптики, чтобы восприн ть весь поток , выход щий из глаза, а следовательно , снижает отношение -сигнапфон (фоном в данном случае вл етс кожа, склера, ресницы). Оба эти фактора снижают точность измерении и помехоустойчивость системы на осн ве известного способа. Целью изобретени вл етс получение информации непосредственно о координатах точек фиксации взгл д на неподвижном объекте наблюдени и повышени точности измерени путем увеличени отношений сигнал-шум и сигнал-фон при сканировании изображени глаза. Поставленна цель достигаетс те что согласно способу регистрации движений глаз оператора, состо щему в облучении глаза инфракрасным (ИК) потоком, формировании изображений свет щегос зрачка и роговичного рефлекса на входе оптико-электронного преобразовател и автоматическом измерении проекций отрезка межд центрами изображений зрачка и рефле са, облучение глаза ИК потоком осуществл ют пучком, расход щимс из квазиточечной области, оптически со мещенной с плоскостью аккомодации глаза и фиксированной относительно объекта наблюдени . На фиГо 1 изображена схема взаим ного расположени глаза наблюдател экрана и источника облучени ; на фиг. 2 и 3 - оптическа схема совмещени квазиточечного источника излучени с заданной точкой- объекта наблюдени . Способ осуществл ют следук цим образом; При мнимом совмещении источника излучени с объектом наблюдени (фиг. 2) объектом наблюдени служит экран 1, с центром которого совмещено мнимое изображение квазиточечного источника 2. На глазе 3 наблюдател формируетс (фиг. 1) пучком лучей от источника 2 роговичный рефлекс и свет щийс зрачок 5, которые воспринимаютс датчиком 6 оптико-электронного преобразовател . Полупрозрачное зеркало 7 и спектроделитель 8 обеспечивают необходимую соосность пучков, падающего на глаз и отраженного от него. При действительном совмещении источника излучени с центром объекта наблюдени (фиг. 3) перед центром экрана 1 установлено микрозеркало 9, расход щийс пучок лучей от которого направлен на глаз 3. Сформированные в результате этого на глазе 3 роговичный рефлекс и свет щийс зрачок воспринимаютс датчиком 6 посредством полупрозрачного зеркала 7. На микрозеркале 9 формируетс квазиточечный источник света благодар оптической системе 10, фокусирующей на нем изображение малой свет щейс апертуры 1 1 . На фиг. 1 показан объект наблюдени в виде экрана 1 с размещенным в заранее выбранной его точке (например , в центре) квазиточечным источником 2 лучистой энергии, облучающим глаз 3 наблюдател дл формировани роговичного рефлекса k и обеспечени свет щегос зрачка 5. Один и тот же глаз показан смотр щи . в точку экрана, совпадаюсцую с источником 2, при двух положени х головы наблюдател . При этом глаз остаетс в пределах пучка источника. Если считать глаз оптически симметричным , то независимо от положени глаза при взгл де на источник 2 рефлекс оказываетс совпадающим с центром зрачка 5. Это совпадение ( одинаковое взаимное расположение зрачка и рефлекса при взгл де на одну точку из разных позиций) обеспечивает при осуществлении способа измерение не углов поворота глаза, а координат точек взгл да на объекте. Схема на фиг, 1 дана дл частного Наиболее нагл дного случа , когда взгл д направлен на источник света. При взгл де с разных позиций в произвольную точку экрана также имеет место одинаковое взаимное расположение рефлекса и зрачка глаза благодар использованию квазиточечного источника с расход щимс пучком лучей . Поскольку квазиточечный источник совпадает с объектом наблюдени , т.е. с плоскостью аккомодации глаза наблюдател , он оказываетс сфокусированным точно на сетчатке в виде маленькой точки, в которой сосредоточена вс энерги пучка, попавшего внутрь глаза о Будучи вторичным источником энергии излучени , эта точка, обладающа высокой светимост и малыми размерами, создает более интенсивный обратный поток из глаза чем при известном способе, а следовательно , более ркое свечение зрачка. С другой стороны, хрусталик глаза строит в плоскости аккомодации изображение этой точки, имеющее размеры источника на экране, т.е. малые поскольку источник квазиточечный. Это позвол ет настолько уменьшить входной зрачок приемной оптики, расп ложенной в плоскости аккомодации, чт фон:кожа, склера и прочее не будет изображен на входе фотоприемника. Таким образом, применение квазиточеч ного источника ПК излучени с расход щимс пучком, расположенного в определенной точке экрана, обеспечивает возможность непосредственного измерени координат точек фиксации взгл да на объекте; повышение отношени сигнал-шум при сканировании изображени зрачка, а следовательно точности измерени ; повышение отношени сигнал-фон, а следовательно, помехоустойчивости измерени . Л1редложенный способ обеспечивает измерение коо 5динат точек взгл да с точностью 2-2,5 мм на экране размерами 300x200 мм, удаленном от глаза на рассто ние 500 мм, при поступательных сдвигах головы наблюдател в пределах +7 мм. Способ поз вол ет с низ ит ь по грешност ь (в угловой мере) в 1,5-2 раза за счет увеличени отношени сигнал-шум и сигнал-фон фотоприемника благодар использованию квазиточечного источника и расположению его в плоскости аккомодации глаза. Формула- изобретени Способ регистрации движений глаз оператора, состо щий в облучении глаза инфракрасным (ИК)потоком, фор .мировании изображений свет щегос зрачка и роговичного рефлекса на входе оптикоэлектронного преобразовател и в автоматическом измерении проекций отрезка между центрами изображений зрачка и рефлекса, о тлкчающий с тем, что, с целью получени информации непосредственно о координатах точек фиксации взгл да на неподвижном объекте наблюдени и повышени точности измерени путем увеличени отношений сигнал-шум и сигнал-фон при сканировании изображени глаза, облучение глаза инфракрасным потоком осуществл ют пучком, расход щимс из квазиточечной области, оптически совмещенной с плоскостью аккомодации глаза и фиксированной относительно объекта наблюдени . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Патент США If 3804if96, кл. А 61 В 3/10, 197. 2.Патент США fP , кл. А 61 В 3/10, 1973.Irradiation of the eye with a parallel beam does not provide a high signal-to-noise and signal-to-background ratio when scanning an image of the eye. This is due to the fact that the eye of the oblique 39 is adapted to the object of observation, for example, the screen and not to infinity. Therefore, a parallel beam of rays is collected by a crunching talc on the retina not in the form of a sharply delineated point, but a blurred spot of increased size and reduced luminosity. Due to the fact that the luminosity of the spot on the retina is reduced due to defocusing, the flow of rays from the eye is weakened, which leads to a decrease in the signal-to-noise ratio when scanning the pupil image, And due to the fact that the spot sizes on the retina are increased due to defocusing, the image of this spot created by the lens in the accommodation plane (i.e. at the input of the receiving optics) is large. This requires an increase in the entrance pupil of the receiving optics in order to perceive the entire flow coming out of the eye and, therefore, reduces the ratio of the signal to the signal (the background in this case is skin, sclera, eyelashes). Both of these factors reduce the measurement accuracy and noise immunity of the system based on this method. The aim of the invention is to obtain information directly about the coordinates of the fixation points at a fixed object of observation and to improve the measurement accuracy by increasing the signal-to-noise and signal-to-background ratios when scanning the image of the eye. The goal is achieved by the fact that according to the method of recording the movements of the operator’s eyes, consisting in irradiating the eye with an infrared (IR) stream, imaging light of the pupil and corneal reflex at the input of the optical-electronic converter, and automatically measuring the projections of the segment between the centers of the pupil and reflex images, irradiation of the eye with an infrared flux is carried out by a beam diverging from the quasi-point region optically aligned with the plane of accommodation of the eye and fixed relative to the object observed . Figure 1 shows a diagram of the relative position of the eye of the observer of the screen and the source of radiation; in fig. 2 and 3 are an optical scheme for combining a quasi-spot radiation source with a given point of observation. The method is carried out in the following manner; With an imaginary alignment of the radiation source with the object of observation (Fig. 2), the object of observation is screen 1, with the center of which is combined the imaginary image of the quasi-point source 2. On the observer's eye 3, a corneal reflex and a luminous pupil are formed by a beam of rays from the source 2 5, which are sensed by the sensor 6 of the opto-electronic converter. The translucent mirror 7 and the spectro-divider 8 provide the necessary alignment of the beams, falling on the eye and reflected from it. With the actual combination of the radiation source with the center of the object of observation (Fig. 3), a micromirror 9 is installed in front of the center of the screen 1, the divergent beam of rays is directed at the eye 3. The corneal reflex and luminous pupil formed as a result of this in eye 3 are perceived by sensor 6 through of a translucent mirror 7. On a micromirror 9, a quasi-point light source is formed due to the optical system 10, which focuses on it an image of a small light of the aperture 1 1. FIG. 1 shows the object of observation in the form of a screen 1 with a quasi-point source 2 of radiant energy placed at a predetermined point (for example, in the center), irradiating the observer’s eye 3 to form the corneal reflex k and providing the pupil's light 5. The same eye is shown shchi to the point of the screen, coinciding with source 2, with two positions of the observer’s head. In this case, the eye remains within the source beam. If the eye is considered optically symmetric, then regardless of the position of the eye when looking at the source 2, the reflex coincides with the center of the pupil 5. This coincidence (the same mutual arrangement of the pupil and the reflex when looking at one point from different positions) ensures that angles of rotation of the eye, and the coordinates of the points look at the object. The diagram in FIG. 1 is given for the particular, most obvious case when the view is directed at the light source. When looking from different positions to an arbitrary point of the screen, the same mutual arrangement of the reflex and the pupil of the eye also takes place thanks to the use of a quasi-point source with a diverging beam of rays. Since the quasi-point source coincides with the object of observation, i.e. with the observer's plane of accommodation, it turns out to be focused exactly on the retina in the form of a small point at which all the energy of a beam that enters the eye is concentrated. Being a secondary source of radiation energy, this point, having a high luminosity and small size, creates a more intense reverse flow from eyes than with a known method, and consequently, a more bright glow of the pupil. On the other hand, the lens of the eye builds in the plane of accommodation an image of this point, measuring the source on the screen, i.e. small since the source is quasi-point. This allows the entrance pupil of the receiving optics located in the accommodation plane to be so reduced that the background: skin, sclera, etc. will not be shown at the input of the photoreceiver. Thus, the use of a quasi-point source of PC radiation with a divergent beam, located at a certain point on the screen, makes it possible to directly measure the coordinates of the fixation points at the object; an increase in the signal-to-noise ratio when scanning an image of a pupil, and therefore measuring accuracy; an increase in the signal-to-background ratio, and therefore, measurement immunity. The proposed method provides a measurement of a range of 5 points of sight with an accuracy of 2-2.5 mm on a 300x200 mm screen, removed from the eye at a distance of 500 mm, with translational shifts of the observer's head within +7 mm. The method makes it possible to lower the error (in the angular measure) by 1.5-2 times due to an increase in the signal-to-noise ratio and the signal-background of the photoreceiver due to the use of a quasi-point source and its location in the plane of accommodation of the eye. Formula of the invention. A method for recording movements of an operator's eye, consisting in irradiating an eye with an infrared (IR) stream, imaging light of the pupil and corneal reflex at the input of an optoelectronic converter, and in automatic measurement of the projections of the segment between the centers of the pupil and reflex images, which only so that, in order to obtain information directly about the coordinates of the point of fixation of the glance on the fixed object of observation and to increase the measurement accuracy by increasing the signal-to-noise ratio and the signal background when scanning the image of the eye, the irradiation of the eye with an infrared stream is carried out by a beam diverging from a quasi-point region optically aligned with the plane of accommodation of the eye and fixed relative to the object of observation. Sources of information taken into account in the examination 1. US Patent If 3804if96, cl. A 61 B 3/10, 197. 2. US patent fP, cl. A 61 B 3/10, 1973.

нАon

WbWb

3S3S

Мг IMg I

ЛL

5five

wz. 2wz. 2

чh

Claims

15 The claims according to the invention as a source of radiation energy, this point, which has high luminosity and small size, creates a more intense reverse flow from the eye than with the known method, and, consequently, a brighter glow of the pupil. On the other hand, the lens of the eye builds an image of this point in the plane of accommodation, having the dimensions of the source on the screen, i.e. small, 25 because the source is quasi-point. This allows us to reduce the entrance pupil of the receiving optics located in the accommodation plane so that the background: skin, sclera, etc. will not be shown at the input of the photodetector. Thus, the use of a quasi-point source of infrared radiation with a diverging beam located at a certain point on the screen, ₃₅ allows direct measurement of the coordinates of the points of fixation of the gaze on the object; increasing the signal-to-noise ratio when scanning the image of the pupil, and therefore, ₄ d of measurement accuracy; increasing the signal-to-background ratio, and, therefore, the noise immunity of the measurement.

The proposed method provides a measurement of the coordinates of the points of view ₄₅

A method for recording eye movements of an operator, which consists in irradiating an eye with an infrared (IR) stream, forming images of a luminous pupil and corneal reflex at the input of an optoelectronic transducer, and automatically measuring the projections of the segment between the centers of the images of the pupil and reflex, which is ensured by obtaining information directly about the coordinates of the points of fixation of the gaze on a fixed object of observation and improving the accuracy of measurements by increasing the signal-to-noise and signal-background ratios during scans To obtain an image of the eye, irradiation of the eye with an infrared stream is carried out by a beam diverging from a quasi-dot region optically combined with the plane of accommodation of the eye and fixed relative to the object of observation.