白柯萌，王建中，王洪楓，張晟

(北京理工大學 機電學院，北京 100081)

眼動跟蹤技術在各個領域中的應用越來越廣泛，尤其在無人武器的操控中，可實現看哪打哪[1-6]. 標定是眼動跟蹤技術的重要環(huán)節(jié)，一般通過人眼注視標定界面上的標定點建立對應的視線估計映射函數來完成[7-8]. 標定界面作為一種人機交互的界面，界面中的不同特征因素對人眼有著不同的刺激，因此研究人眼對標定界面的注視效果也是眼動跟蹤技術的一大關鍵.

Wooding[9]于 2002 年建立的眼動儀數據庫網站，根據網站統(tǒng)計結果，目前世界上共有約 44 家眼動儀研發(fā)與生產單位，對于眼動跟蹤的標定都采用了不同的標定界面. 包括對屏幕的4個頂點進行標定[10]，注視屏幕上顯示的3×3分布的9點標定點完成標定[11-13]，注視屏幕中間固定的一點進行標定[14]，利用共面4彩色標定點分布在屏幕中作為標定界面進行眼動跟蹤的標定[15]，注視屏幕上3×5分布的15個標定點進行標定[16]，注視5×5分布的25個標定點進行標定[17-19]. 其中，文獻[14-15,18-19]使用“+”型標定點，標定界面的背景顏色有黑色、白色、灰色等，標定點顏色有白色、黑色、藍色等，文獻[16-17]使用標定界面背景顏色為白色，“?”型黑色標定點.

上述研究的眼動跟蹤標定界面的背景顏色有黑色、白色、灰色等，標定點顏色有四彩色、白色、黑色等，標定點形狀有“+”、“?”等，未對標定界面的特征統(tǒng)一規(guī)定. 人機交互界面中的顏色、形狀、大小等特征對人的視覺生理有著不同的刺激和影響[20-22]，標定界面的顏色、形狀、大小等特征對人眼都有著不同影響. 因此，本文研究人眼對不同標定界面的注視效果，設計不同的標定界面，包括背景及標定點顏色、標定點形狀、標定點大小. 利用混合加權特征對人眼檢測[23]和最小二乘回歸的方法建立視線估計映射模型進行標定[24]和注視測試，以注視準確度和精密度表示注視結果，計算不同標定界面的注視準確度和精密度[25]，并進行對比分析選出最佳標定界面.

1 標定界面與實驗系統(tǒng)

1.1 標定界面的設計

不同的顏色對人的視覺生理器官的刺激不同，產生色彩心理反應. 顏色是標定界面中最基本的要素之一[26]. 顏色的作用，一方面凸顯界面中的重點信息，引導被試者迅速鎖定目標，另一方面不同顏色對被試者有著不同的心理感受，也會影響標定結果. 在顏色的選擇上，以雙色搭配進行凸顯[27]，使得標定界面的視場簡潔明了，有助于被試者快速定位注視標定點. 形狀和大小也是視覺識別的表征信息，標定點形狀及大小特征影響被試者的認知，進而影注視效果.

① 界面顏色的確定.

應用心理學認為，黑色嚴肅、沉靜，白色潔凈、光明，有利于眼動跟蹤標定時被試者保持沉靜，快速定位注視標定點. 以雙色搭配進行凸顯，設定標定界面的背景分別為黑色、白色、灰色，參考表1所示不同顏色組合的易見度順序[26]，選擇各背景色對應的標定點顏色分別為白色、黑色、黃色，如圖1所示.

表1 不同顏色組合的易見度順序Tab.1 Visibility order of different color combination

② 標定點形狀的確定.

形狀構成元素包括線段、圓弧、圓、樣條曲線等，即形狀輪廓表征形狀. 輪廓中的角點、傾角等作為形狀中的局部特征具有凸顯性[21,28]，在視野中容易引起注視. 高分辨性和簡單的標定點形狀在標定界面中易凸顯，標定過程中易搜索定位. 按照條狀、面狀、環(huán)狀等整體差異性[21]設計標定點的形狀和大小，設定的3類簡單標定點形狀如圖2所示.

③ 標定點大小的確定.

標定點的大小同樣會影響被試者的注視效果，針對23.8寸顯示屏按照30×30,60×60,90×90 pixels設定小、中、大3種尺寸的標定點，如圖3所示.

綜合以上分析，3種背景和標定點雙色搭配，3種標定點形狀，3種標定點大小相互組合成27組標定界面，如表2所示(例：1號黑環(huán)中界面表示黑色背景、白色環(huán)狀中等大小標定點)，3×3均勻分布9點標定界面的樣式如圖4所示.

表2 標定界面Tab.2 Calibration interface

1.2 實驗裝置

標定及測試系統(tǒng)，如圖5所示，包括NVIDIA Jetson TX2開發(fā)板，用于對眼睛攝像機和武器瞄準攝像機兩路視頻進行處理，同時對眼動跟蹤注視數據處理；顯示器(23.8寸，寬×高約為526.89 mm×296.37 mm，分辨率1 920×1 080 pixels)，用于顯示實驗過程中的圖形圖像信息，實驗中屏幕亮度調整為300 cd/m2；頭部固定架，用于保持被試者頭部的正確位姿. 被試者眼睛與顯示器屏幕的垂直距離為60 cm，屏幕中央與被試者眼高基本水平.

1.3 實驗過程

① 標定.

不考慮實驗過程中不同標定界面的標定結果會因人而異. 被試者按照圖4所示標定點編號順序，逐一注視顯示屏中的標定點. 每注視一個標定點，眼睛攝像機采集對應的眼圖，并通過眼動檢測獲得對應的瞳孔中心坐標. 完成9個標定點的注視，即可建立瞳孔中心坐標與標定點坐標之間的映射關系，即視線估計映射函數[24].

② 測試.

打開武器瞄準攝像機，其采集的場景圖像在顯示屏中顯示，在此圖像上按照從左至右，從上至下順序依次出現5×5均勻分布的25個位置已知的紅色“+”目標點，每個目標點保持5 s后消失，如圖6所示. 被試者按照屏幕中目標點出現的順序和位置，完成對5×5目標點的注視.

針對27組標定界面標定后注視測試，每組測試3次，標定和測試過程如圖7所示.

2 注視準確度與精密度

圖8所示為5×5均勻分布25點測試的注視點與目標點分布效果.

考慮測試系統(tǒng)的響應和被試者對相鄰兩個目標點的注視反應，每一個目標點取5 s中后3 s的注視點數據作為有效注視點數據，每秒輸出5個注視點數據. 計算每組測試的注視準確度和精密度，并對每組測試3次的結果取平均，分析不同標定界面對注視結果的影響. 以準確度為主，兼顧精密度選取最佳標定界面.

2.1 注視準確度

注視準確度是指注視點與目標點之間的偏差角度θi，每一組實驗的注視準確度θ，計算如式(3). 如圖9所示，d為眼屏垂直距離，A(x0,y0)為像素坐標系中屏幕中心坐標，B(xt,yt)為像素坐標系中目標點坐標，C(xs,ys)為像素坐標系中注視點坐標. 將像素坐標轉換為物理坐標，屏幕中心點A轉換為(x′0,y′0)，目標點B轉換為(x′t,y′t)，注視點Cj轉換

為(x′s,y′s)，坐標轉換關系如式(1).

(1)

由圖9可知眼睛與目標點及注視點之間關系，如式(2).

(2)

因此，注視準確度θ計算如式(3)

其中，j為每個目標點對應的注視點個數，m=15(每個目標點采集后3 s 15個注視點數據).i為目標點序列，n=25.

注視準確度θ的誤差用均方根誤差(RMSE)計算表示為σ,如式(4).

(4)

2.2 注視精密度

注視精密度以各目標點對應的各個注視點每相鄰兩個注視點之間角度偏差θj的均方根(RMS)表示為θiRMS，則每組實驗的注視精密度為θRMS，計算如式(5). 如圖10所示，d為眼屏垂直距離，A(x0,y0)

為像素坐標系中屏幕中心坐標，Cj(xj,yj)為像素坐標系中第j個注視點坐標，Cj+1(xj+1,yj+1)為像素坐標系中第j+1個注視點坐標. 將像素坐標轉換為物理坐標，屏幕中心A轉換為(x′0,y′0)，注視點Cj轉換為(x′j,y′j)，注視點Cj+1轉換為(x′j+1,y′j+1)，坐標轉換關系同注視準確度.

由圖10可知眼睛與目標點之間關系，如式(5)

(5)

因此，注視精密度θRMS計算如式(6)

(6)

式中:j為每個目標點對應的注視點個數，m=15(每個目標點采集后3 s 15個注視點數據);i為目標點序列，n=25.

注視精密度θRMS誤差用均方根誤差(RMSE)計算表示為

(7)

3 人眼對標定界面的注視效果實驗結果及分析

3.1 不同標定界面注視準確度分析

圖11為27組標定界面 25點測試的注視準確度及其誤差，表3為27組標定界面25點測試得注視準確度誤差σ. 圖中準確度越小，注視點與目標點的偏差越小. 誤差值越小，注視的準確度值波動越小. 其中，1號黑環(huán)中標定界面的注視準確度最好(0.69°±0.43°).

27組標定界面25點測試，不同顏色的標定界面注視準確度對比如圖12所示，黑/白、白/黑、灰/黃3種標定界面顏色的注視準確度之間有明顯地差異. 黑/白色標定界面的注視準確度整體比較好，并且其中一個界面的注視準確度是27組標定界面中最好的；白/黑色標定界面的注視準確整體變化幅度相對小；灰/黃色標定界面相對整體準確度值偏高，且變化幅度較大.

不同形狀標定點注視準確度對比如圖13所示，環(huán)狀、條狀、面狀3種形狀標定點的注視準確度之間有差異，但整體間的變化幅度不大. 其中條狀標定點的一組標定界面的注視準確度為27組標定界面中的最大值，環(huán)狀標定點的一組標定界面的注視準確度為27組標定界面的最小值.

不同大小標定點注視準確度對比如圖14所示，中、小、大3種大小標定點的注視準確度之間有差異，但整體間的變化幅度不大. 其中大標定點的一組標定界面的注視準確度為27組標定界面中的最大值，中標定點的一組標定界面的注視準確度為27組標定界面中的最小值.

表3 27組標定界面25點測試得注視準確度誤差σTab.3 27 groups of calibration interface 25 points test fixation accuracy error

以上對比表明，標定界面背景及標定點顏色、標定點形狀、標定點大小對注視準確度有不同的影響. 黑色背景與白色標定點的搭配，使得被試者在實驗中保持沉著冷靜，能夠集中注意力；環(huán)狀中等大小的標定點，形狀簡單，標定范圍突出明確，使得被試者的注視點更好地落于標定點處.

3.2 不同標定界面注視精密度分析

圖15為27組標定界面 25點測試的注視精密度及其誤差，表4為27組標定界面25點測試得注視精密度誤差σ′. 圖中精密度越小，注視點數據分布越集中. 誤差值越小，精密度值波動越小. 其中，24號灰條大標定界面的注視精密度最好(0.27°±0.083°). 整體之間的注視精密度變化不大，每組實驗中的注視精密度的分散程度差異也不大.

綜上所述，人眼對不同標定界面的注視結果有不同的影響，背景及標定點顏色，標定點大小對注視結果也有不同的影響. 對比不同標定界面注視準確度和精密度結果，以注視準確度為主，兼顧精密度 1號標定界面為最佳標定界面.

表4 27組標定界面25點測試得注視精密度誤差σ′Tab.4 27 groups of calibration interface 25 points test fixation precision error

4 結 論

本文設計了不同的標定界面，包括背景及標定點顏色、標定點形狀、標定點大?。淮_定了實驗的流程和數據處理方法；對標定后的不同界面進行5×5的25點注視測試. 實驗結果表明，不同的標定界面對人眼的注視結果有影響，且標定界面中不同的特征對注視的結果也有不同的影響. 對比注視實驗結果，以注視準確度為主，兼顧精密度，選取準確度最好的1號標定界面為最佳標定界面.

人眼注視效果是眼動跟蹤技術中的一個關鍵問題. 未來將進一步研究標定界面中標定點的分布方式和呈現方式對注視結果的影響. 同時結合人眼的注視效果，選取有效的注視數據，使得最終輸出的注視點數據最佳.