眼动追踪眼镜的三维模型设计与分析

可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报5（2018）449使用眼动跟踪眼镜Ryo TakahashiYu，Hiromasa Suzuki，Jouh Yeong Chew，Yutaka Ohtake，Yukie Nagai，Koichi Ohtomi*东京大学精密工程系，日本东京阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年9月29日收到2017年11月24日收到修订版，2017年2017年12月30日在线发布保留字：注视分析眼动跟踪美学设计几何建模A B S T R A C T眼动追踪是一项技术，已迅速成为评估包装和网页设计的常用工具。在这样的设计过程中，静态的二维图像显示在计算机屏幕上，同时通过眼睛跟踪设备测量受试者注视的地方。然后通过凝视图和热图可视化和分析所收集的凝视注视数据使用二维图像的这种评估因此，在这项研究中，我们提出了一种方法，用于收集给定产品的三维模型的凝视注视数据，并在三维中可视化相应的凝视图和热图。为了实现我们的目标，我们使用了一种可穿戴的眼动跟踪设备，即，眼动追踪眼镜此外，我们实现了一个原型系统，以证明其优势相比，二维凝视固定方法。©2018计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章1. 介绍眼动追踪是一项不断发展的技术，它使我们能够实时监控受试者的视线。近年来，它已成为包装和网页设计的常用工具。在这样的设计过程中，静态的二维图像显示在计算机屏幕上，同时使用眼睛跟踪设备测量受试者的注视。然后分析所收集的注视注视数据，以进行这种分析，从而可视化所收集的注视注视数据、注视图（例如， 如图 12）和热图（例如， 如图（14）经常使用。在此，凝视图指示每个凝视的注意力跨度和对应的时间序列，而热图示出每个凝视的频率。在这项研究中，我们提出了一个系统来收集凝视固定数据的物理产品，并可视化其相应的凝视图和热图的三维模型。 作为示例，图1和图2示出了图1和图2的示例。图1和图2分别示出了由我们的系统生成的凝视图和热图。这里的一个基本问题是在我们的测量和可视化中反映给定产品在三维空间中的因此，我们提出了一个强大的手段，收集和可视化的注视固定数据的移动对象。为了实现这一点，在这项研究中，我们设计并实现了一个可穿戴眼动仪，即，眼动追踪眼镜由计算设计与工程学会负责的同行评审*通讯作者。电子邮件地址：ryo. den.t.u-tokyo.ac.jp（R. Takahashi）。我们可以测量视场内任意位置处的对象的注视注视数据。包括这个介绍部分，我们将我们的论文分为六个部分。在第2节中，我们介绍了相关的工作，并在第3节和第4节中，我们提出了我们提出的方法，收集和可视化的三维凝视固定数据，分别。在第5节中，我们将介绍我们的实验结果。最后，在第6节中，我们提供了我们的结论和未来工作的途径2. 相关作品在Khalighy，Green，Scheepers和Whittet（2015）中，Khalighy等人使用眼动仪从大量的各种各样的椅子图片中研究了椅子的形状如何影响用户偏好。同样，在Snyder，Andrew，Tonkin，Cooksey，andRice（2015）中，Snyder等人研究了产品展示或包装对顾客情感的影响。在一项单独的研究中（Makin、Bertamini、Jones、Holmes、Zanker，2016），Makin等人使用眼动追踪技术评价视觉对称的美观性。这些研究结果表明，视觉行为与审美判断高度相关，审美判断是人类的一种高级认知。这与一些研究的结果是一致的，这些研究表明视觉行为与不同类型的心理模式之间的关系，例如好奇心（Krejtz，Sznovsky，Duchowski，&Krejtz，2014），技能（Tien等人，2015年）和性能（Sarter，Mumaw，&Wickens，2007年）。在这样的设计过程中（Khalighy等人，2015; Krejtz等人，2014;Makin等人，2016; Snyder等人，2015年），静态https://doi.org/10.1016/j.jcde.2017.12.0072288-4300/©2018计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。450R. Takahashi等人/Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）449Fig. 1. 示例三维凝视图包含吹风机的三角形网格;凝视图由我们提出的方法生成图二. 示例性的三维热图的注视固定数据的三角形网格的吹风机;热图是由我们提出的方法生成的。二维图像以收集注视注视数据，然后将注视数据可视化为注视图（Dewhurst等人，2012; Grindinger，Duchowski，&Sawyer，2010 ） 和 热 图 （ Pfeiffer& Memili ， 2016; Tula ， Kurauchi ，Coutinho，&Morimoto，2016）经常使用。Spakov等人（2007）调查了使用二维图像的热图来可视化凝视数据的几种技术。在三维热图 方 面 ， Stellmach ， Nacke ， and Dachselt （ 2010 ） ，Stellmach，Nacke，and Dachselt（2010）提出了与热图类似的地图，称为注意力地图。其中之一是基于表面的注意力地图，它与我们的三维热图非常相似然而，他们只对虚拟对象进行了工作，并且地图只是由高斯分布生成的Kim，Varshney，Jacobs和Guimbretière（2010）使用眼动仪获得的热图来验证“网格显着性”。网格显著性是与三维网格模型的每个顶点相关联的值，其指示它们有多显著它是从物体的网格模型的几何形状计算出来的。金将从眼动仪获得的热图与网格显著性的图进行比较。Dutagaci、Cheung和Godil（2012）要求许多受试者选择三维网格上的兴趣点，以创建这种显著性的地面实况数据库，从而验证各种网格显著性度量。还有一些其他更先进的凝视分析技术，如Chew，Ohtomi和Suzuki（2017），Goldberg和Kotval（1999），Otsuka，Yamato，Takemae和Murase（2006），它们提供了凝视行为的电报表示。与传统的凝视分析方法相比，Chew et al. （2017）使用马尔可夫链，通过将凝视转移矩阵转换为标量变量，促进凝视行为然而，在这些研究中（Chew等人，2017; Sarter等人，2007; Tien等人，2015），其中使用可穿戴眼睛跟踪眼镜测量注视，难以将注视映射到环境中的对象。典型的解决方案是在二维场景上进行手动映射一种这样的实践是手动点击视频帧以定位注视点。这通常在实验之后进行，并且这是一个耗时的过程。虽然存在将凝视实时映射到对象的解决方案（Chew，Ohtomi，Suzuki，2017），但它仅限于虚拟环境。与Kim等人（2010年）从计算机屏幕上的渲染图像中收集注视注视点数据相反，Chen，Saparov，Pang和Funkhouser（2012年）使用鼠标点击而不是注视点来收集和分析虚拟环境中三维网格表面然而，这种方法并没有详细说明鼠标点击和凝视之间的认知差异。Wang，Lindlbauer，Lessig，Maertens和Alexa（2016）收集了三维表面上的注视注视数据，以评估真实环境中的视觉显著特征。然而，这种方法限制了受试者的运动，受试者在实验期间必须将他或她的头放在头枕上。这并不能促进自然互动，评价的主体和客体3. 获取三维注视注视数据图 3，我们展示了我们提出的用于获取三维注视注视数据的系统的实验设置。在图中，受试者握住并处理物体B，并被要求从各个角度观察受试者佩戴具有嵌入式相机的眼睛跟踪眼镜（眼睛跟踪器）以捕获他或她的观看图像IE;眼睛跟踪器还配备有瞳孔传感器以测量图像IE中的凝视位置g。在我们的原型实现中，有采样率为每秒50帧。对于每个图像帧，我们估计受试者注视B的三维位置q这里q可以通过找到物体B和从相机中心到g的视线l之间的交点来获得。因此，我们必须首先知道当前位置（即，位置和方向）的B在受试者的手中。为了实现这一点，我们将增强现实（AR）标记附加到对象上，以获得B的位置。此外，为了计算相交，我们使用三维网格模型M来表示B的形状。由此，我们可以得到q作为视线l和M在B的当前位置处的交点。在准备中，我们为B生成上述网格模型M。我们使用表面扫描仪来实际获得M，但我们注意到，如果可用的话，也可以使用三维计算机辅助设计模型我们为M定义坐标系RM，并相应地在M的对应于RM的位置处定义一个到B。接下来，我们将AR标记附加到B，并测量标记相对于RM的位置，以找到矩阵T1，其trans-m。将模型帧RM转换为标记帧Rl（参见图11）。 7）。当我们扫描B的表面以创建其表面网格（M），我们还获得了B和附着在其表面上的标记的表面纹理。R. Takahashi等人/Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）449451Mee¼ðÞ1/4小时ieMe图三. 收集三维注视注视数据的计算流程。B. 使用这些纹理信息，我们可以测量标记的角的坐标从这些角位置，我们获得标记的位置和方向。我们在下面的第3.1我们使用以下方法来获得三维凝视注视数据。1. 根据附接有AR标记的对象B的观看图像IE，计算变换矩阵Tm作为从相机帧RE到标记帧Rm的映射。2. 将网格模型M放置在场景中对象B的相同位置，通过用T-1·T1调整它，将调整后的ver-lM的解为M。3. 找到视线l和网格模型M的交点，并记录交点q的三角形我们在下面的第3.3节中提供了更多细节。4. 将l的单位注视向量v、时间戳T和三角形IDt布置为：Sv;T;t.5. 将上述操作应用于每个帧i，以获得三维注视注视数据序列，从而以时间戳T的升序形成C s i。在下面的小节中，我们提供了关于上面简要描述的计算方法的更多细节3.1. 跟踪对象在我们的研究中，我们使用AR标记来跟踪真实物体。理想情况下，我们使用的跟踪方法不会影响给定对象的纹理;无论如何，AR标记跟踪的优势在于AR标记是鲁棒的，易于实现。在我们的工作中，我们使用了 AR 标 记 库 ArUco （ Garrido-Jurado ， noz Salinas ， Madrid-Cuevas，&Marín-Jiménez，2014）。在图4中，我们显示了由库生成的AR标记;图5，我们呈现了附着有AR标记的样本对象。注意，如图6所示，将相机帧RE转换为标记帧Rm所需的坐标变换Tm也可以经由标记库函数获得。3.2. 定位网格模型为了定位网格模型，我们首先准备具有与真实对象B相同形状的网格模型M。 M的原点设为B的物理参考点，其方向沿参考平面。因此，通过测量AR标记与参考点之间的长度和角度，可以确定帧T_m见图4。 用于跟踪三维对象的AR标记。图五、一个带有AR标记的吹风机。从坐标系RM测量并转换到坐标系Rl. 最后，应用T-1·T1，我们可以将M放置在场景中对象B的位置处。3.3. 识别视线与网格模型的交点接下来，我们通过识别视线l和网格的交点来获得对象正在观看对象B的点q模型M.我们用交叉的ID来表示这个交叉点M的三角形t。这种三角形可以通过“颜色拾取”技术有效地获得&使用这种技术，我们用与其三角形ID唯一关联的颜色渲染每个三角形。因此，在Me的渲染图像IR中，452R. Takahashi等人/Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）449ee见图6。 从摄影机帧转换到标记帧。见图7。 从模型帧转换到标记帧。在计算机屏幕上，我们可以根据相应的像素颜色来识别在该像素位置绘制的三角形基于该技术，使用与眼睛跟踪器相同的相机参数渲染的M的图像IR等效于由眼睛跟踪器产生的图像IE因此，IE上的注视位置g表示视线l和IR上的交叉位置。meshM.交叉三角形t可以通过拾取IR上q位置处的像素颜色来获得。3.4. 识别三维凝视注视最后，我们计算单位注视向量v，其表示连接场景图像IR上的注视点和相机的中心的视线l的方向。该位置可以通过对图1的三个顶点的位置进行插值来获得。在IR上的渲染三角形中与插值因子g相交的三角形t。将单位注视向量v、时间戳T和三角形IDt添加到三维注视注视C。4. 可视化三维凝视数据两种常用的凝视数据显示它们的分布。注意，我们还使用这些相同的形式来可视化我们的三维注视数据C由于C与三维网格M相关联，因此我们使用M进行可视化。在下面的小节中，我们将进一步讨论使用凝视图和热图的可视化。4.1. 凝视图一般来说，凝视图由表示在一定时间内进行凝视固定的位置的圆组成;这里的时间量由每个给定圆的半径表示此外，注视注视从一个圆移动到另一个圆;这些转变发生的顺序由圆内的数字表示为了定义这样的圆，我们将元素ci2C以识别每个注视注视。我们使用一种常见的技术对于使用时间戳T i的分层聚类， 作为度量，作为下面的四个步骤中详细介绍1. 为每个元素ci构造聚类Ci。这里，Ci与时间戳si相关联，中心位置ci等于ti的中心，并且持续时间di=0。2. 通过合并最近的聚类Cj和Ck以形成Cl来构造新的聚类。这里，距离是基于时间戳差异计算的。在合并完成之后，Cl与平均时间戳以及Ck和Cj的中心的中点相关联。此外，通过添加dj和dk来更新持续时间。3. 重复步骤2以构建整个分层树。4. 最后，当用户定义阈值Tgp时，选择具有大于Tgp一旦完成了上述算法，通过基于用户选择的阈值Tgp示出所选择的聚类Ci，利用网格模型M来显示注视图。每个簇被绘制为以ci为中心的球体，半径从di计算。在图8中，我们示出了四个凝视图，其中仅阈值不同。4.2. 热图为了构建热图，我们计算相应注视点击中给定网格模型的每个三角形的频率。热图的温度分布由对应于每个三角形的计数定义。注意，通过按其三角形IDti对C进行排序来容易地实现计数。根据计算出的计数，我们用伪热颜色来绘制每个三角形。不幸的是，每个注视注视的结果三角形及其对应的计数并不连续地分布在网格上。简单地渲染这些三角形会生成非常粗略的热图，如图9（a）所示。为了平滑热图，我们通过将拉普拉斯平滑滤波器应用于网格上三角形的固定计数来模拟热扩散，如图9中迭代次数n的增加所示（Desbrun，Meyer，Schröder，Barr，1999）。更具体地说，我们用Pi表示三角形ti上的注视计数。为了更新对应于Pi的计数，我们通过以下方式传播计数：P0i ¼PikDPi;其中k表示扩散速率。此外，拉普拉斯算子D被定义为。D Pi¼1。XPj！-P1;是凝视图和热图。 图在图12和图14中，我们示出了与吹风机相对应的凝视图和热图;这些jNijj2Ni都是由Tobii的软件生成凝视图可视化后续凝视注视之间的过渡，而热图其中，Ni表示围绕ti的三角形组，jNij是三角形的个数。 将该方程应用于所有R. Takahashi等人/Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）449453见图8。 网格上具有不同阈值的凝视图。见图9。 通过拉普拉斯平滑获得的热图，具有固定的热源;这里n表示迭代次数。三角形包含一次迭代，我们在几次迭代中重复这一过程。在图9中，我们显示了示例热图，不断增加的迭代次数。请注意，在迭代过程中初始值不为零：即，我们的算法将这些三角形视为具有恒定温度的热源。454R. Takahashi等人/Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）449¼见图10。使用Tobii软件进行二维凝视固定的实验设置，使用吹风机的二维图像。见图11。实验设置使用我们的系统三维凝视固定使用吹风机与附加的AR标记。5. 实验结果5.1. 实验1为了评估我们的方法，我们根据上面第4节描述的方法开发了原型软件。我们使用我们的软件以及专注于二维图像的名为Tobii的商业吹风机对于Tobii系统，如图10所示，在计算机屏幕上显示吹风机的二维图像，其中经由图像处理器获取受试者的凝视注视见图12。由Tobii系统生成的二维图像的二维凝视图。眼动追踪器位于电脑屏幕下方。在构造中，在图11中，我们示出了我们的系统，其中受试者佩戴眼睛跟踪眼镜并观察他手中的实际吹风机;因此，他可以在三维中自由地改变吹风机的取向。在图12中，我们显示了Tobii系统生成的二维凝视图;从该图中，我们观察到Tobii系统只能处理产品的静态图像此外，圆圈示出注视注视，其中它们的中心和半径分别表示注视注视的位置和持续时间。最后，每个圆圈内的数字显示注视注视的遍历顺序。我们的系统生成类似的凝视图，但是我们的凝视图是三维的，如图1A和1B所示。1和13岁注视图显示在产品的三维网格模型的表面上，使得可以从任意方向查看在该图中，球中心、半径和数字具有与二维凝视图中的球中心、半径和数字相同的含义。两个结果都表明，受试者看了握把，特别是开关，而没有看通风口。请注意，我们使用阈值Tgp1/40：03，以使大小为0： 03 m 30 mm的邻域中的注视固定被消除，如第4.1节所述。接下来，在图14中，我们示出了由Tobii系统生成的二维热图。由我们的系统计算的三维热图如图2和3所示。 2和15。在这些热图中，图十三. 我们提出的系统生成的三维凝视图。R. Takahashi等人/Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）449455¼¼ ¼¼见图14。对应于二维图像的二维热图，由Tobii系统生成。所示的伪温度颜色指示对象观察该位置的频率与凝视图一样，凝视注视集中在握把前后的开关上。 我们使用参数r1/40;n1/4 2，和因此，热图是在没有视角的情况下通过使用第4.2节中描述的拉普拉斯平滑操作的两次迭代来创建的。请注意，没有关于Tobii系统如何计算凝视图和热图的详细信息5.2. 实验2汽车驾驶员的视线注视是汽车内饰设计的一个重要方面我们的系统可以应用于像内部这样的大对象而不需要任何改变。图16示出了用于收集内部上的注视固定的实验设置，其中受试者坐在驾驶员座位上几个AR标记附着在内部的表面为了获得汽车内部的网格模型，我们使用如图所示的手持式三维表面扫描仪。 十七岁图图18示出了由我们的系统计算的三维热图。我们使用参数，r 0;n 1，Thm2：00;因此，使用拉普拉斯平滑的一次迭代创建热图，并且地图中的红色区域被查看了两次以上。由于内部的表面扫描不完整，图16. 实验设置：一个坐在驾驶座上的受试者戴着眼动仪。AR制造商被放置在内部，如红色圆圈所示图十七岁 使用手持式三维扫描仪扫描汽车内部。小白点是表面扫描的标记。红色圆圈是AR标记。网格有许多缺失部分。这种错过部分的注视注视没有被很好地反映。6. 结论注视注视数据在评估产品的特征（包括美学、可见性等）中是有用的;然而，常规系统仅应用于产品的二维图像。图15. 由我们提出的系统生成的三维热图。456R. Takahashi等人/Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）449图18. 扫描补片上显示的三维热图。在本文中，我们提出了一个系统，用于收集和分析三维凝视固定数据，我们的系统允许用户直接在他或她的手中操纵和看一个对象，而系统收集的凝视固定数据的对象从各个角度。它也可以应用于用户周围环境，如汽车的驾驶室。我们的系统相对于二维系统具有很大的优势，因为可以在实际使用产品时收集产品的注视注视数据。为了实现我们提出的系统，我们使用眼睛跟踪眼镜来记录用户视线中的运动，并使用AR标记器来跟踪给定对象的平移和旋转然后，可以获得产品的三维模型上的注视点。我们提出了新的方法来可视化这些凝视点的三维凝视地图和三维热图的形式。这两种映射是通常用于凝视分析的二维映射的三维版本凝视分析的主要应用领域之一是美学设计，因为通过使用热图，我们可以告诉哪些部分对应于用户然而，目前的美学分析依赖于产品的二维图像。它太有限了，因为潜在客户通常不是从一个角度而是从各个角度来看待产品。使用我们的系统，用户可以拿起和操纵的对象与他或她的手，然后收集他或她的注视固定数据的产品。我们认为我们的三维热图对于评估产品的美学特性更有用。因此，我们计划在未来的工作中将该系统应用于消费品的美学设计。在美学设计的这种应用中，最重要的问题是AR标记，因为它们极大地影响了产品的外观以吸引用户的注意力。我们计划使用一些计算机视觉技术来估计产品的姿态，而不使用AR标记。我们当前实现的另一个问题在于三维注视注视数据的可视化，其固有地具有三个元素：注视方向、位置和时间。这里，注视方向应该是信息性的，但是在我们当前的实现中它不是可视化的确认我们要感谢Hiroyuki Katayama先生为实验进行的技术讨论和合作。本文是根据新能源和工业技术开发组织（NEDO）委托的一个项目所获得的结果。引用陈旭，Saparov，A.，Pang，B.，&Funkhouser，T.（2012年）。三维曲面网格上的谢 林 点 。 ACMTrans.Graph. ， 31 （ 4 ） ， 29 ： 1-29 ： 12 。https://doi.org/10.1145/2185520.2185525.周，J.Y.，Ohtomi，K.，&铃木，H.（2017年）。基于注视模式的移动式起重机操作员技能度量。陈：施普林格国际出版社. doi.org/10.1007/978-3-319-41682-3_93，pp. 1139-1149。周，J.Y.，Ohtomi，K.，&铃木，H.（2017年）。不同视觉支援系统下起重机操作人员注视行为与情绪之研究。陈：施普林格国际出版社. https://doi.org/10.1007/978-3-319-58750-9_40，pp. 287-292.Desbrun，M.，迈耶，M.，Schröder，P.，Barr，A.H. （1999年）。基于扩散和曲率流的不规则网格隐式光顺在第26届年会的会议记录中， 对 计算机图形和互动技术，SIGGRAPH1999年（第1999年）317-324）。美国纽约：ACM Press/Addison-Wesley Publishing Co.https://doi.org/10.1145/311535.311576网站。杜 赫 斯 特 河 ， Nyström ， M. ， Jarodzka ， H. ， Foulsham ， T. ， Johansson ， R. ，Holmqvist，K.（2012年）。这取决于您如何看待它：多个维度的扫描路径比较与多匹配，一种基于矢量的方法。Behavior Research Methods，44（4），1079-1100.https://doi.org/10.3758/s13428-012-0212-2网站。Dutagaci，H.，张角，澳-地P.，&Godil，A.（2012年）。通过人工生成的地面实况评估 3d 兴 趣 点 检 测 技 术 。 The Visual Computer ， 28 （ 9 ） ， 901-917.https://doi.org/10.1007/s00371-012-0746-4网站。Garrido-Jurado，S.，诺兹萨利纳斯河M.，Madrid-Cuevas，F.，&Marín-Jiménez，M.（ 2014 年 ） 。 在 遮 挡 情 况 下 自 动 生 成 和 检 测 高 度 可 靠 的 基 准 标 记 。 PatternRecognition，47（6），2280-2292.https://doi.org/10.1016/j.patcog.2014.01.005.Goldberg，J.H.，&Kotval，X. 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