Отслеживание взгляда

Отслеживание взгляда (англ. eye tracking) — это процесс определения направления взора человека (точки фиксации взгляда) или движения глаз относительно головы или окружающей среды. Технология используется для анализа зрительного внимания, взаимодействия человека с компьютером, в медицинской диагностике, маркетинговых исследованиях и психологических экспериментах. Основными измеряемыми параметрами являются саккады (быстрые движения глаз), фиксации (удержание взгляда на объекте) и блинк-паттерны (частота и длительность морганий).

История развития

Ранние методы

Первые попытки регистрации движений глаз относятся к XIX веку. В 1879 году французский физиолог Луи Эмиль Жаваль (Louis Émile Javal) обнаружил, что при чтении глаз совершает не плавные движения, а серию быстрых скачков (саккад) и остановок (фиксаций). Однако инструментальная регистрация стала возможна только в начале XX века. В 1901 году американский психолог Эдмунд Хьюитт (Edmund Huey) создал устройство, использующее контактную линзу с отверстием, которое механически передавало движения глаза на записывающий барабан.

Электроокулография

В 1920-х годах была разработана электроокулография (ЭОГ) — метод, основанный на регистрации разности потенциалов между роговицей и сетчаткой. При движении глаз электрическое поле вокруг них меняется, что позволяло фиксировать направление взгляда. ЭОГ широко применялась в авиационной медицине и психофизиологии до 1970-х годов, но имела низкую точность (погрешность до 5°) и требовала наклеивания электродов на кожу вокруг глаз.

Оптические методы

Прорыв произошёл в середине XX века с развитием видеотехники. В 1947 году американский инженер Гарри Т. Хартли (Harry T. Hartley) предложил метод, основанный на отражении инфракрасного света от роговицы. Первые коммерческие айтрекеры (eye trackers) появились в 1970-х годах в США и Японии. Они использовали громоздкие видеокамеры и требовали фиксации головы испытуемого в специальном зажиме.

Современный этап

С 1990-х годов развитие компьютерного зрения и цифровой обработки изображений позволило создать бесконтактные системы, не требующие фиксации головы. В 2000-х годах появились компактные айтрекеры, встраиваемые в мониторы и ноутбуки (например, Tobii Pro, SMI). В 2010-х годах технология стала доступной для потребительского рынка: в гарнитурах виртуальной реальности (HTC Vive, Oculus Rift) и смартфонах (Apple iPhone X с Face ID использует элементы отслеживания взгляда для аутентификации). В России разработкой айтрекеров занимаются компании «Нейроботикс» и «Синтез Нейро».

Принципы работы

Анатомическая основа

Глаз человека имеет несколько характерных оптических ориентиров: зрачок, радужную оболочку, роговицу и хрусталик. Для отслеживания взгляда используются два основных рефлекса: отражение от роговицы (первое изображение Пуркинье) и отражение от задней поверхности хрусталика (четвёртое изображение Пуркинье). Разница в положении этих отражений относительно центра зрачка позволяет вычислить направление взгляда с точностью до 0,5–1°.

Методы регистрации

Существует три основных подхода:

1. Оптический (видеоокулография) — наиболее распространённый. Камера с инфракрасной подсветкой (длина волны 850–940 нм) снимает глаз с частотой от 30 до 2000 Гц. Специализированное ПО в реальном времени определяет центр зрачка и блик от роговицы. Для компенсации движений головы используется система из нескольких камер или алгоритмы трекинга лица.

1. Электроокулография (ЭОГ) — регистрирует электрический потенциал роговично-сетчаточного поля. Используется в медицинских исследованиях сна и вестибулярных расстройствах, но даёт только относительные координаты взгляда.

1. Склеральные контактные линзы — инвазивный метод, при котором на глаз надевается линза с встроенной катушкой или зеркальцем. Применяется исключительно в лабораторных условиях для нейрофизиологических экспериментов (например, в работах по изучению саккад).

Калибровка

Для точной работы любой айтрекер требует калибровки — процедуры, во время которой пользователь фиксирует взгляд на нескольких точках (обычно 5, 9 или 13) на экране. Система запоминает соответствие между положением зрачка и точкой на экране. Современные системы могут выполнять калибровку за 5–10 секунд, а некоторые (например, Tobii Pro Fusion) — автоматически при первом использовании.

Классификация айтрекеров

По типу установки

• Стационарные — монтируются на монитор или стол (Tobii Pro Spectrum, EyeLink 1000). Обеспечивают высокую точность (0,1–0,5°), но ограничивают подвижность головы.
• Мобильные (наголовные) — крепятся на очки или шлем (Pupil Labs, SMI Eye Tracking Glasses). Позволяют изучать поведение в естественных условиях (например, при вождении автомобиля или в магазине).
• Встраиваемые — интегрируются в устройства: ноутбуки (Tobii Eye Tracker 4C), гарнитуры VR (HTC Vive Pro Eye), автомобильные приборные панели (BMW, Mercedes-Benz).

По частоте дискретизации

• Низкочастотные (30–60 Гц) — для маркетинговых исследований и UX-тестирования.
• Среднечастотные (120–250 Гц) — для психологических экспериментов и чтения.
• Высокочастотные (500–2000 Гц) — для нейрофизиологии, изучения саккад и микросаккад.

По количеству камер

• Однокамерные — дешёвые, но менее точные при поворотах головы.
• Двухкамерные (бинокулярные) — отслеживают оба глаза, что позволяет вычислять точку пересечения взглядов (вергенцию) и глубину фокуса.

Применение

Медицина и нейронауки

• Диагностика офтальмологических заболеваний: косоглазие, нистагм, амблиопия. Айтрекер позволяет объективно оценить подвижность глазных мышц.
• Неврология: при болезни Паркинсона, рассеянном склерозе и черепно-мозговых травмах нарушаются саккады и фиксации. Отслеживание взгляда используется как маркер когнитивных нарушений.
• Психиатрия: при аутизме и шизофрении наблюдаются атипичные паттерны движений глаз (например, избегание взгляда на лица). В России исследования проводятся в НИИ психиатрии им. В.П. Сербского.
• Ассистивные технологии: для людей с тяжёлыми двигательными нарушениями (боковой амиотрофический склероз, спинальная мышечная атрофия). Системы типа Tobii Dynavox позволяют управлять компьютером и синтезатором речи только взглядом.

Маркетинг и реклама

• Анализ визуального внимания: определение, на какие элементы упаковки, баннера или веб-страницы пользователь смотрит в первую очередь, как долго и в каком порядке.
• Heatmaps (карты тепла) — визуализация зон наибольшей фиксации взгляда. Используется для оптимизации дизайна сайтов и рекламных материалов.
• Тестирование юзабилити: выявление «слепых зон» интерфейса, где пользователи не замечают важные кнопки или ссылки.

Психология и образование

• Исследование чтения: анализ длины фиксаций, количества регрессий (возвратов к предыдущему слову) и скорости чтения. Используется для диагностики дислексии.
• Когнитивные эксперименты: изучение распределения внимания при решении задач, принятии решений, поиске объектов.
• Оценка стресса: по частоте морганий и диаметру зрачка (пупиллометрия) можно судить о когнитивной нагрузке и эмоциональном состоянии.

Виртуальная и дополненная реальность

• Фовеальный рендеринг — технология, при которой высокая детализация изображения подаётся только в зону центрального зрения (фовеа), а периферия рендерится с низким разрешением. Это снижает нагрузку на GPU на 30–50% и используется в гарнитурах HTC Vive Pro Eye и PlayStation VR2.
• Управление интерфейсом: выбор объектов взглядом, прокрутка страниц, подтверждение действий. В России разработки ведутся компанией «Моторика» для VR-тренажёров.

Транспорт и безопасность

• Мониторинг водителя: системы типа Driver Monitoring System (DMS) отслеживают направление взгляда, частоту морганий и закрытие глаз для выявления сонливости или отвлечения. С 2022 года в России обязательным требованием для грузовых автомобилей категории N3 является наличие DMS (ГОСТ Р 58869-2020).
• Авиация: в кабинах пилотов (например, в самолётах Airbus A350) айтрекеры анализируют распределение внимания между приборами, чтобы предотвратить пропуск критических сигналов.

Критика и ограничения

Технические ограничения

• Зависимость от освещения: яркий солнечный свет или отражения от линз очков могут искажать данные. Инфракрасные системы плохо работают на открытом воздухе.
• Анатомические особенности: узкие глаза, азиатский эпикантус, длинные ресницы или астигматизм снижают точность. Для людей с нистагмом (непроизвольные колебания глаз) айтрекер может быть неэффективен.
• Дрейф калибровки: со временем (через 20–30 минут использования) точность падает из-за усталости мышц глаза или смещения головы.

Этические проблемы

• Приватность: данные о том, куда смотрит пользователь, могут раскрывать его интересы, сексуальные предпочтения, политические взгляды или болезни. В ряде стран (например, в ЕС по GDPR) требуется явное согласие на сбор таких данных.
• Потенциальное злоупотребление: в маркетинге возможно манипулирование вниманием без ведома пользователя. В Китае системы отслеживания взгляда используются в некоторых школах для контроля внимания учеников, что вызвало критику со стороны правозащитников.

Научные споры

• Корреляция взгляда и внимания: не всегда то, на что смотрит человек, отражает его сознательное внимание. Возможен «слепой взгляд» (феномен, когда человек смотрит на объект, но не осознаёт его).
• Интерпретация данных: тепловые карты и метрики (например, «время до первой фиксации») могут быть статистически ненадёжными при малых выборках (менее 30 человек).

Перспективы развития

• Миниатюризация: встраивание айтрекеров в контактные линзы (разработки Google и Mojo Vision) позволит отслеживать взгляд незаметно для окружающих.
• Искусственный интеллект: нейросети (например, GazeML от Google) улучшают точность при плохом освещении и нестандартной анатомии глаз.
• Интеграция с нейроинтерфейсами: комбинация айтрекера с ЭЭГ (электроэнцефалограммой) позволит различать произвольные и непроизвольные движения глаз, что важно для людей с «синдромом запертого человека».
• Российские разработки: в 2023 году компания «Нейронет» (резидент Сколково) представила айтрекер «Окулус» с частотой 120 Гц, предназначенный для образовательных платформ и реабилитации после инсульта.

Источники

• Duchowski, A. T. (2017). Eye Tracking Methodology: Theory and Practice. Springer.
• Holmqvist, K., et al. (2011). Eye Tracking: A Comprehensive Guide to Methods and Measures. Oxford University Press.
• ГОСТ Р 58869-2020 «Системы мониторинга внимания водителя. Технические требования и методы испытаний».
• Отчёты компании Tobii Pro (2022). The State of Eye Tracking in 2022.
• Материалы конференции «Нейротехнологии в образовании» (Москва, 2023).