Отслеживание движения глаз

Отслеживание движения глаз (айтрекинг, от англ. eye tracking) — это процесс измерения точки взора (направления взгляда) или движения глаз относительно головы. Данная технология позволяет определить, куда смотрит человек, на каком объекте задерживается его внимание и как движутся его глаза. Отслеживание движения глаз применяется в научных исследованиях, психологии, маркетинге, интерфейсах управления (человеко-машинное взаимодействие), медицине и индустрии развлечений.

История

Первые попытки изучить движения глаз относятся к XIX веку. В 1879 году французский офтальмолог Луи Эмиль Жаваль заметил, что при чтении глаза совершают не плавные, а скачкообразные движения (саккады). В 1901 году американский психолог Рэймонд Додж и немецкий физиолог Томас Клайн разработали первый метод фотоэлектрической регистрации движений глаз с помощью зеркала, отражавшего свет на фотоплёнку. В 1930-х годах появились первые системы, использующие рентгеновские лучи.

Настоящий прорыв произошёл в 1960-х годах с развитием компьютерных технологий. В 1975 году была создана первая коммерческая система айтрекинга — NAC Eye Mark Recorder, использовавшаяся в рекламных исследованиях. С 1990-х годов технология стала доступнее благодаря удешевлению видеокамер и росту вычислительных мощностей. В 2010-х годах айтрекинг начал интегрироваться в потребительские устройства (например, гарнитуры виртуальной реальности, смартфоны с функциями слежения за взглядом).

Принцип работы

Современные системы отслеживания движения глаз делятся на несколько типов в зависимости от метода измерения:

Оптические (видеоокулография)

Наиболее распространённый метод. Используется инфракрасная камера, направленная на глаз пользователя. Специальные алгоритмы (обычно на основе машинного обучения) анализируют изображение, выделяя зрачок и роговичный рефлекс (блик от инфракрасного источника света). По их взаимному расположению вычисляется направление взгляда. Точность таких систем составляет от 0,5 до 1 градуса угла зрения.

Электроокулография (ЭОГ)

Измеряет разность электрических потенциалов между роговицей и сетчаткой глаза. Электроды размещаются вокруг глаз. Метод позволяет регистрировать движения глаз даже при закрытых веках, но менее точен, чем оптический, и требует калибровки под каждого пользователя.

Склеральные контактные линзы

Используются в специализированных исследованиях. На линзу крепится миниатюрное зеркало или магнитный датчик. Обеспечивают высочайшую точность (до 0,1 градуса), но инвазивны и неудобны для массового применения.

Классификация движений глаз

При отслеживании глаз регистрируются несколько типов движений:

Саккады

Быстрые, скачкообразные движения глаз (до 900 градусов в секунду), переводящие взгляд с одной точки на другую. Во время саккады зрение временно подавляется. Саккады используются при чтении, осмотре сцены, поиске объектов.

Фиксации

Периоды (обычно 200–300 мс), когда взгляд удерживается на одной точке. Во время фиксации происходит обработка визуальной информации. Длительность и количество фиксаций — ключевые метрики в анализе внимания.

Плавное слежение

Медленные движения глаз, следующие за движущимся объектом. Позволяют удерживать изображение объекта на сетчатке.

Микросаккады

Мелкие, непроизвольные движения глаз (амплитуда до 1 градуса), происходящие во время фиксации. Предотвращают адаптацию сетчатки к статическому изображению.

Применение

Научные исследования

• Психология и нейробиология: изучение механизмов внимания, восприятия, памяти, принятия решений. Например, айтрекинг используется для анализа того, как люди читают текст или рассматривают лица.
• Лингвистика: исследование процессов чтения (модель E-Z Reader, модель SWIFT), понимания языка, обработки синтаксических конструкций.
• Медицина: диагностика и мониторинг неврологических заболеваний (болезнь Паркинсона, рассеянный склероз, аутизм, синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ)). Айтрекинг помогает выявить нарушения саккад и фиксаций.

Маркетинг и реклама

Технология применяется для тестирования упаковки, веб-сайтов, интерфейсов, печатной рекламы. Анализ тепловых карт (heatmaps) и карт взгляда (gaze plots) показывает, какие элементы привлекают внимание пользователя, а какие остаются незамеченными. Например, в супермаркетах айтрекинг помогает оптимизировать расположение товаров на полках.

Человеко-машинное взаимодействие (Human-Computer Interaction, HCI)

• Управление взглядом: ввод текста, навигация по меню, выбор объектов на экране (например, в гарнитурах виртуальной реальности HTC Vive Pro Eye, PlayStation VR2).
• Интерфейсы для людей с ограниченными возможностями: айтрекинг позволяет управлять компьютером или коляской людям с тяжёлыми двигательными нарушениями (например, при боковом амиотрофическом склерозе (БАС)).
• Гейминг: в играх взгляд используется для прицеливания, взаимодействия с NPC, создания более реалистичных сцен (например, технология Tobii Eye Tracking).

Безопасность и транспорт

• Автомобильная промышленность: системы мониторинга состояния водителя (Driver Monitoring Systems, DMS) отслеживают усталость, отвлечение внимания, признаки опьянения. В некоторых моделях автомобилей (например, Subaru, Mercedes-Benz) айтрекинг интегрирован в системы помощи водителю.
• Авиация: анализ движений глаз пилотов для оценки распределения внимания и предотвращения ошибок.

Образование

Анализ поведения учащихся при чтении учебных материалов, решении задач, просмотре видеолекций. Позволяет выявить трудности в обучении (например, при дислексии).

Оборудование и производители

Основные производители систем айтрекинга:

• Tobii (Швеция) — лидер рынка, выпускает как стационарные (Tobii Pro Spectrum), так и мобильные (Tobii Pro Glasses) системы.
• EyeLink (Канада) — высокоточные системы для лабораторных исследований (EyeLink 1000 Plus).
• SR Research — производитель систем EyeLink.
• Pupil Labs (Германия) — открытые и модульные системы (Pupil Core, Pupil Invisible).
• SMI (SensoMotoric Instruments, Германия) — ранее крупный производитель, поглощён Apple в 2017 году.

Ограничения и критика

• Калибровка: большинство систем требуют индивидуальной калибровки под каждого пользователя (обычно с помощью набора точек на экране). Неправильная калибровка снижает точность.
• Артефакты: блики от очков, контактных линз, ресниц, а также моргания могут искажать данные.
• Этические вопросы: сбор данных о взгляде (особенно в потребительских устройствах) поднимает вопросы конфиденциальности. В ЕС и ряде других юрисдикций айтрекинг рассматривается как биометрическая технология, регулируемая законодательством о защите данных (GDPR).
• Точность в реальных условиях: в мобильных системах (очки, шлемы) точность ниже, чем в лабораторных, из-за движений головы и изменений освещения.

Перспективы развития

• Интеграция в потребительскую электронику: айтрекинг ожидается в смартфонах (например, для управления без рук), ноутбуках, телевизорах.
• Улучшение алгоритмов: использование нейросетей для снижения влияния артефактов и повышения точности без калибровки.
• Комбинирование с другими биометрическими данными: например, с электроэнцефалографией (ЭЭГ) для более полного анализа когнитивных процессов.
• Применение в виртуальной и дополненной реальности: для создания реалистичных аватаров, социального взаимодействия, фовеального рендеринга (снижения нагрузки на графический процессор за счёт чёткой прорисовки только области, куда смотрит пользователь).

См. также

• Визуальное внимание
• Саккада
• Фиксация (зрение)
• Тепловая карта (айтрекинг)
• Фовеальный рендеринг

Источники

• Duchowski, A. T. (2017). Eye Tracking Methodology: Theory and Practice. Springer.
• Holmqvist, K., Nyström, M., Andersson, R., Dewhurst, R., Jarodzka, H., & Van de Weijer, J. (2011). Eye Tracking: A Comprehensive Guide to Methods and Measures. Oxford University Press.
• Rayner, K. (1998). Eye movements in reading and information processing: 20 years of research. Psychological Bulletin, 124(3), 372–422.
• Tobii Pro. (2020). An Introduction to Eye Tracking. Tobii AB.
• ГОСТ Р 58287-2018 «Эргономика. Взаимодействие человека с компьютером. Методы отслеживания движений глаз».