一种新型眼动仪准确性的初步研究

郭锐

南京中医药大学附属医院 眼科，江苏 南京 210029

引言

眼动仪是眼球运动跟踪设备的统称，通常根据眼球跟踪测量的方法大致可分为：瞳孔-角膜反射向量法、眼电图法、虹膜-巩膜边缘法、角膜反射法、双普金野像法、接触镜法六种[1-5]。目前，眼动仪主要应用于广告心理学[6-7]、市场研究[8]、人机交互[9-10]、动态分析[11-12]、网站可用性研究[13]等领域。在眼科学领域，激光手术术中眼球跟踪早有应用[14]，还可见关于眼球微扫视运动的研究报道[15-16]。实际上，各种基于不同跟踪测量方法的眼动仪存在各自的优缺点，总体而言价格昂贵，设计较复杂。而本文介绍的是一种新型的、简易设计的眼动仪，试图通过定位角膜反光点的不同位置，计算出被试者与视标之间的不同距离。通过实验，我们得到了较好的结果，初步验证了该设备的准确性和可靠性。这对于自动对焦、虚拟图像投射等领域具有潜在的应用价值，现报道如下。

1 材料和方法

1.1 临床资料

本文共有23位被试者参与了实验（男性12位，女性11位），年龄18～73岁，平均年龄为（37.61±19.64）岁，均签署了知情同意书。所有被试者的最佳矫正视力至少为5.0，均不配戴框架眼镜，且无青光眼、白内障、眼底病等病史，通过遮盖-去遮盖法检查排除斜视/隐斜。所有被试者均进行瞳距测量，其瞳距为61～69 mm，平均值（63.74±2.32）mm。

1.2 仪器与方法

眼动仪装置将两组近红外LED和微型摄像头分别整合在眼镜试镜架左右两侧（图1）。LED投射方向为由眼睛鼻上方投射向角膜中央，图像是由摄像头拍摄采集，经过检测和处理，设备利用每个不同注视视标的角膜反光中心和每个眼睛的瞳孔中心之间的距离作为校准参数，然后通过算法计算视标的距离。

被试者的固定装置采用裂隙灯升降台进行改造而成，可以移动升降台以改变距离，分别在不同距离采集图像。实验设计了不同间距5×5排列的25个视标矩阵，视标为实心正方形，其作用主要是为了供被试者注视。近距离（35 cm）和中远距离（70 cm）矩阵视标横向纵向间距均为5 cm，远距离（400 cm）矩阵视标横向间距为40 cm，纵向间距为20 cm。LED和照相机的电源分开。输入电压LED应该是1.4～1.5 V，根据亮度和电压环境，相机应该是2.80～2.97 V，确保降低图像噪声。摄像机的信号线用黄色和字母“L”和“R”标记，以区分左右相机。拍照时，由左到右看个人习惯手动改变。PC机的图像采集是通过Skype软件的网络摄像头来完成。图片可以在PC机上手工拍摄，只要它执行快速响应，图像上无任何附带水印，也可以采用其他类似的方案替代。眼动仪的整体连接，见图2。

图1 眼动仪装置示意图

估算距离的获得需要两步：① 校准；② 计算。被试者配戴眼动仪和保持头部稳定在裂隙灯升降台的下颌托休息（图3）。告知被试者前方有5×5排列的25个视标矩阵，每个视标依次采用两位数字编号，分别为11、12、13……53、54、55，其中第一位数字代表行，第二位数字代表列。嘱被试者按顺序注视各视标，每个视标采集左右眼各一幅图像，分别在近距离、中距离、远距离不同距离进行检测（图 4）。

图3 检查时受试者佩戴装置将下巴放置于下颌托

图4 5×5视标所组成的矩阵

检测过程中嘱被试者下巴放置在升降台的下颌托上，额头靠在额托上，尽量保持不动，图像采集完毕后进行编号，以便图像识别及处理。校准是处理过程中的关键步骤，在这个过程中需要准确找到代表瞳孔和角膜反光点轮廓的椭圆，然后使用Matlab R2015b软件按照设计的算法进行分析处理，这一步直接决定程序是否能正确地找到这两个椭圆继而找到角膜反光点和瞳孔中心位置，如图5所示。

运算完成后可获得在水平方向（左眼和右眼）角膜反光点中心和瞳孔中心之间的距离，由此可算出双眼对视标的成角，最终结合瞳距数值来获得估算距离（图6）。

图5 Matlab分析完成的图像

图6 估算距离的计算获取

为了不产生混淆，在下文描述中做如下定义：校准距离为进行距离估算前使用的数据所在的采集距离；估算距离为在校准距离采集数据的基础上通过算法计算出的被试者至视标的距离；标准距离为实验中作为参照的测量好的被试者至视标的距离。

1.3 统计学分析

所采集数据采用SPSS 22.0进行统计分析。我们定义准确率为估算距离在不同标准距离范围内的百分比（<50 cm为近距离，50～150 cm为中距离，>150 cm为远距离）。准确率数据采用Kruskal-Wallis检验，估算距离采用独立样本t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 设备整体估算距离vs标准距离

如果不分不同的校准距离，取不同校准距离所得估算距离的平均值与标准距离做比较的话，数据结果，见图7。

图7 所有受试者平均估算距离数值

2.2 采用不同校准距离所得估算距离vs标准距离

估算距离和标准距离采用独立样本t检验。校准距离为35 cm时，不同标准距离与估算距离相比无显著性差异（t=-0.785，P=0.441；t=-1.988，P=0.059；t=-1.047，P=0.306）；校准距离为70 cm时，估算35 cm及70 cm的标准距离差 别 显 著（t=2.129，P=0.045；t=6.313，P<0.001）， 但估算400 cm的标准距离时，差异无显著性（t=-1.472，P=0.155）；校准距离为400 cm时，估算35 cm的标准距离时，有显著性差异（t=-2.831，P=0.010），但在标准距离70 cm和400 cm处均无显著性差异（t=0.615，P=0.545；t=-1.000，P=0.328）。具体结果，见表1和图8。

表1 不同校准距离所得的估算距离

图8 不同校准距离所得的估算距离

把相同标准距离的数据进一步进行ANOVA Dunnett T3方差分析，可以发现在标准距离70 cm和标准距离400 cm处，方差分析无显著性差异；仅35 cm标准距离处不同校准距离所得结果有显著性差异（F=8.838，P<0.001）；两两比较中发现为70 cm和400 cm校准距离处的结果有显著性差异（P=0.003）。具体数据，见表2。

表2 不同校准距离所得估算距离的比较

2.3 不同校准距离所得估算距离的准确性及其比较

不同校准距离总的准确性的中位数为92%。在标准距离70 cm处，由校准距离70 cm估算的准确性显著高于用其他两个校准距离（χ2=24.592，P<0.001），但在35 cm和400 cm标准距离，不同校准距离所估算的准确性无显著性差异。对于估算距离的准确性指标准确性，见表3。

经ANOVA Dunnett T3统计分析同一标准距离下不同校准距离所得估算距离的准确性结果发现，在标准距离35 cm和400 cm，不同校准距离所得结果无显著性差异。在标准距离70 cm时，校准距离为70 cm时的准确性结果要显著高于35 cm和400 cm（P<0.001，P<0.001）（表4）。

表3 不同校准距离所得估算距离的准确性中位数

表4 不同校准距离估算结果准确性的比较

3 讨论

视频眼动仪是一种无创性追踪并记录眼球运动轨迹的设备。目前，世界上有多家知名的生产眼动仪的厂家，如利用电流记录法的法国Metrovision公司，采用电磁感应法的荷兰SKALAR公司，利用光学记录法中角膜和瞳孔的反射原理的德国的SMI公司、加拿大的SR公司、美国应用科学实验室及日本的ISCAN公司。既往的设备主要用于眼球追踪，可用于视觉认知、心理学、市场研究、人机交互、产品设计等领域。本研究之眼动仪设计简便，基于注视角度计算，主要为了测量判定被读物与被试者之间的距离，而非追踪眼球位置，在既往的报道中尚未提及，如若结合变焦透镜等技术，其应用前景广阔。

眼动仪总体上可分为非头戴式和头戴式。非头戴式无须佩戴任何设备，符合用户习惯，但由于人和摄像头的距离不固定，使得图像处理难度加大而且影响设备的准确性；头戴式则需佩戴装置，头部可在一定范围内活动。本眼动仪为头戴式，既往国内曾有类似研究。王强[17]曾基于Windows平台进行了眼动仪的设计，许帅[18]则进行了托架式眼动仪的研究，两者与本研究之眼动仪有一定的相似之处，但在整体设计及算法上又有本质区别。

本眼动仪所得数据如果不分不同的校准距离，将不同校准距离所获得估算距离取平均值所得出的结果与标准距离十分接近，且除了远距离400 cm的数据之外波动不大，但是在实际运用中我们无法分不同距离进行校准，需要简化检查程序，分析不同校准距离所得数据有无区别，若有差别，哪一个校准距离更加适用于实际工作。

在不同校准距离所得数据的具体分析中，我们发现35 cm的校准距离所得估算距离与标准距离相比无显著性差异，但在70 cm和400 cm校准距离所得数据在某些标准距离，其差异性变得有显著性。在具体估算距离的统计中，与标准距离的比较在不同检查距离均出现有一定显著性差异，观察具体的均值发现，这种差异在真正使用中并无实际价值，但可以在一定程度上体现了本眼动仪的准确性。

在相同标准距离的比较中，可以发现在标准距离70 cm和标准距离400 cm处，不同校准距离的结果均无显著性差异；在35 cm标准距离处，方差分析有显著性差异，两两比较中为70 cm和400 cm的结果有显著性差异，校准距离400 cm所得估算距离误差较大。

相对于距离的具体数值而言，估算距离在范围内的准确率指标准确性可能更加有实用价值。根据准确性的统计结果，对于35 cm和400 cm标准距离，不同校准距离所得结果无显著性差异，仅在标准距离70 cm处，校准距离70 cm所得估算距离要高于校准距离35 cm和400 cm。故根据现有结果，我们可以得到初步结论，校准距离选用70 cm相对准确性更高些。

本眼动仪具有设计简单、便于携带、操作简易、适用人群广等优点。但本研究也有一些局限性：① 样本量不足，需扩大样本量进行进一步研究；② 算法需进一步优化，缩短运算时间，争取一键计算；③ 眼动仪设计方面摄像头位置如何放置以避开眼睑睫毛的影响同时需符合实际应用要求是值得进一步考虑优化的问题；④ 图像校准时受到眼睑位置、睫毛和虹膜颜色的影响；⑤ 算法中使用瞳孔中心而非视轴在角膜上的对应点，尽管我们排除了斜视，但因kappa角的存在仍然有可能产生少量误差。

4 结论

基于估算距离准确性百分比和数值的分析，新型设计的眼动仪具有一定的准确性。在使用该眼动仪时，我们建议使用70 cm作为校准距离。