作者：Christoph Goeltner歐司朗光電半導(dǎo)體產(chǎn)品經(jīng)理

強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)芯片、高效的紅外 LED 和現(xiàn)代相機(jī)傳感器現(xiàn)在使以前復(fù)雜的眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)能夠適應(yīng)消費(fèi)者應(yīng)用。這些系統(tǒng)使設(shè)備能夠檢測(cè)用戶的眼球運(yùn)動(dòng)并識(shí)別用戶下一步想要做什么。結(jié)合已建立的輸入法，眼動(dòng)追蹤開辟了人機(jī)之間大量新的直觀交互。

幾十年來，鍵盤和鼠標(biāo)一直是我們操作計(jì)算機(jī)的傳統(tǒng)工具。隨著智能手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)設(shè)備的到來，需要新技術(shù)來與這些既沒有鍵盤也沒有鼠標(biāo)的微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行有效的通信。觸摸屏成為使這些電子伴侶易于使用的關(guān)鍵技術(shù)。語(yǔ)音識(shí)別的加入讓一切變得更加直觀。

預(yù)期的設(shè)備

隨著物聯(lián)網(wǎng)變得司空見慣，我們想要與之通信的電子設(shè)備的數(shù)量將進(jìn)一步增加。一個(gè)很好的例子是智能家居，已經(jīng)可以使用語(yǔ)音控制恒溫器。未來我們還將與機(jī)器人互動(dòng)。除了交互式工業(yè)機(jī)器人外，還有用于家庭和醫(yī)療保健領(lǐng)域的機(jī)器人助手已經(jīng)在開發(fā)中。今天，設(shè)備可以通過觸摸屏接收命令，并通過內(nèi)置麥克風(fēng)聽到用戶想要的東西。在眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)的幫助下，他們還能夠檢測(cè)到用戶正在看什么，并預(yù)測(cè)他們接下來想要做什么。這將為人機(jī)之間的直觀交互開辟一系列新的可能性。

在許多情況下，用于眼動(dòng)追蹤的硬件已經(jīng)可用

眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)檢測(cè)一個(gè)人的眼球運(yùn)動(dòng)和他們注視的方向。最初，它們是為市場(chǎng)研究、行為分析和可用性研究而開發(fā)的。而且它們也已經(jīng)使用了一段時(shí)間，以幫助不再使用雙手操作計(jì)算機(jī)的人。其中許多系統(tǒng)使用紅外光照亮用戶的眼睛，用相機(jī)拍照并根據(jù)圖像數(shù)據(jù)計(jì)算眼球運(yùn)動(dòng)。這樣的系統(tǒng)需要特殊的高質(zhì)量相機(jī)、光源和軟件。有時(shí)會(huì)添加硬件加速器來處理大量圖形數(shù)據(jù)。如今，極其強(qiáng)大的芯片、緊湊型相機(jī)傳感器和現(xiàn)代大功率 LED 使眼動(dòng)追蹤功能能夠集成到智能手機(jī)等消費(fèi)設(shè)備中。更重要的是，在許多設(shè)備中，攝像頭傳感器和紅外光源已經(jīng)被用于其他功能，例如面部識(shí)別或虹膜識(shí)別。所需要的只是一個(gè)合適的軟件來集成眼動(dòng)追蹤作為附加功能。

目前的發(fā)展

目前正在各個(gè)領(lǐng)域開發(fā)能夠?qū)⒀蹌?dòng)追蹤用作新的附加人機(jī)界面的概念。已經(jīng)展示了具有眼動(dòng)追蹤功能的智能手機(jī)和平板電腦，其中目光接觸用于激活圖標(biāo)或移動(dòng)屏幕上的角色。具有眼動(dòng)追蹤功能的游戲電腦讓游戲玩家有一種更多地參與到行動(dòng)中的感覺。已經(jīng)提出了一些系統(tǒng)，其中游戲玩家可以使用眼球運(yùn)動(dòng)來控制屏幕上角色的視點(diǎn)，而不是使用鼠標(biāo)或觸控板。眼動(dòng)追蹤可以以與計(jì)算機(jī)大致相同的方式使用——例如，使用眼睛滾動(dòng)瀏覽文檔。在智能家居領(lǐng)域，也有使用眼神接觸與各種設(shè)備進(jìn)行交流的方法。例如，已經(jīng)展示了具有眼動(dòng)追蹤功能的智能電視。在汽車領(lǐng)域也提出了這些系統(tǒng)的可能應(yīng)用。一個(gè)很好的例子是駕駛員活動(dòng)助手，它監(jiān)控駕駛員的眼睛以檢測(cè)疲勞跡象。眼球追蹤功能還可用于檢測(cè)駕駛員注視的方向，并確定他是在關(guān)注前方道路還是分心。這些信息將有助于避免道路上的危急情況。

消費(fèi)領(lǐng)域的眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)

用于上述應(yīng)用的現(xiàn)代眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)基于用于照亮眼睛的紅外 LED (IRED) 和記錄眼睛反射光的高分辨率相機(jī)傳感器。圖像處理算法獲取這些原始數(shù)據(jù)并計(jì)算瞳孔的位置（圖 2）。使用有關(guān)參考對(duì)象（例如屏幕）位置的信息，特殊軟件能夠確定用戶正在查看的確切位置。紅外照明保證虹膜和瞳孔之間必要的對(duì)比度，無(wú)論眼睛是什么顏色，尤其是在黑暗中或屏幕背景非常明亮的情況下。

這種系統(tǒng)目前的射程可達(dá)一米。智能手機(jī)和平板電腦的典型工作距離約為 30 厘米，臺(tái)式電腦約為 60 厘米。屏幕上的分辨率對(duì)應(yīng)于眼睛的光柵大小，平板電腦約為 1 厘米，電腦約為 2 厘米。使用的 IRED 數(shù)量以及發(fā)射器和攝像頭的具體布置取決于應(yīng)用類型，即工作距離和要覆蓋的區(qū)域大小。設(shè)置也可能因所使用的眼動(dòng)追蹤軟件而異，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的幾何形狀還取決于算法可靠檢測(cè)瞳孔方向的能力。通常來說，一般來說，發(fā)射器和相機(jī)傳感器必須以一定的角度和相對(duì)于彼此的一定距離布置，以避免來自眼鏡的眩光或從眼睛直接反射到傳感器。該距離越大，信號(hào)質(zhì)量越好，用戶與設(shè)備之間最佳距離的選擇也就越靈活。

用于眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)的紅外 LED

例如，與虹膜掃描儀不同，虹膜掃描儀大多需要特定波長(zhǎng)，眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)在寬光譜范圍內(nèi)運(yùn)行。這些系統(tǒng)通常利用現(xiàn)有的虹膜掃描或面部識(shí)別系統(tǒng)以及波長(zhǎng)為 850 或 810 nm 的現(xiàn)有 IRED。人眼將波長(zhǎng)為 850 nm 的 IRED 感知為微弱的紅光。許多眼動(dòng)追蹤解決方案制造商更喜歡 940 nm，因?yàn)檫@種光幾乎是肉眼看不見的。然而，目前，940 nm 設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是目前普遍使用的相機(jī)傳感器針對(duì)可見光進(jìn)行了優(yōu)化，并且在紅外光譜中的靈敏度較低。在 940 nm 處，這種減少非常顯著（圖 3) 必須增強(qiáng)紅外照明才能達(dá)到與 850 nm 光源相同的信號(hào)強(qiáng)度。然而，鑒于基于紅外照明的大量不同應(yīng)用，相機(jī)制造商正在開發(fā)具有良好紅外靈敏度的新版本。

圖 3：針對(duì)可見光優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)傳感器的靈敏度在 850 nm 和 940 nm 之間顯著下降。具有 940 nm IRED 的眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)具有人眼幾乎無(wú)法察覺的優(yōu)勢(shì)。在大多數(shù)情況下，它們必須用更高的工作電流來補(bǔ)償降低的信號(hào)電平。資料來源：歐司朗

理想情況下，兩只眼睛都應(yīng)該在相機(jī)傳感器的捕捉區(qū)域內(nèi)。均勻照亮整個(gè)眼睛很重要。所需的紅外光量取決于工作距離，可能是幾瓦，即使對(duì)于移動(dòng)設(shè)備也是如此。為了盡可能降低由于高工作電流導(dǎo)致的熱輸出，發(fā)射器以脈沖模式工作。盡管如此，熱管理是設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，尤其是在更輕、更薄的智能手機(jī)和平板電腦中。在這方面，除了光輸出之外，IRED 的效率是一個(gè)主要因素。效率越高，產(chǎn)生的熱量就越少。

針對(duì)此類應(yīng)用，歐司朗開發(fā)了 Oslon Black 系列，并通過 SFH 4715A 實(shí)現(xiàn)了 48% 的創(chuàng)紀(jì)錄效率。850 nm 發(fā)射器通常在 1 A 時(shí)提供 770 mW 的光輸出，目前它是該工作電流下最高效的 IRED。借助納米堆棧技術(shù)，每個(gè)芯片提供兩個(gè)發(fā)射中心的堆棧版本可以實(shí)現(xiàn)更高的輸出。SFH 4715AS 通常在 1 A 的電流下產(chǎn)生 1340 mW 的光。發(fā)射角為 90 度和 150 度的兩個(gè)版本涵蓋了廣泛的不同設(shè)計(jì)。Oslon Black 版本在 1 A 時(shí)具有 990 mW 的光輸出，是 940 nm 光源的理想選擇。

圖 4：Oslon Black SFH 4715AS 是目前可用的最強(qiáng)大的 IRED 之一，波長(zhǎng)為 850 nm。它以 1 A 的電流提供 1340 mW 的光。由于其低高度，它不僅適用于當(dāng)今的智能手機(jī)，而且適用于下一代設(shè)備。資料來源：歐司朗

Oslon Black 的一個(gè)特點(diǎn)是組件高度低，僅為 2.3 毫米。因此，該 IRED 不僅適用于當(dāng)今的智能手機(jī)，而且適用于下一代設(shè)備，盡管設(shè)備趨于更薄。

與任何具有紅外光源的應(yīng)用程序一樣，眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)必須符合眼部安全標(biāo)準(zhǔn)。到達(dá)普通用戶的紅外輻射量相對(duì)較低。但是，對(duì)于技術(shù)人員可能有近距離觀察紅外光源的風(fēng)險(xiǎn)的情況，必須采取預(yù)防措施。連接到眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)的接近傳感器確保在這種情況下 IRED 被關(guān)閉。有關(guān)光學(xué)系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的更多信息，請(qǐng)參見歐司朗眼睛安全應(yīng)用說明等。?

我們被如此多復(fù)雜的電子設(shè)備所包圍，因此需要新的附加技術(shù)來實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的直觀交互。紅外照明和攝像頭傳感器的結(jié)合為各種交互技術(shù)提供了基礎(chǔ)，在這些技術(shù)中，設(shè)備可以看到用戶并解釋他們的意圖。眼動(dòng)追蹤的例子展示了如何在這種硬件的基礎(chǔ)上，以軟件解決方案的形式實(shí)現(xiàn)新型交互。硬件組件的創(chuàng)新也在推動(dòng)這一發(fā)展。例如，有一種趨勢(shì)是使用波長(zhǎng)為 940 nm 的光源。因此，歐司朗正在擴(kuò)展其用于面部識(shí)別、眼動(dòng)追蹤和類似應(yīng)用的紅外發(fā)射器產(chǎn)品組合。

審核編輯 黃昊宇