Technische Prinzipien zur Messung der Augenbewegungen Prinzipien_Eye.pdf · Mit der Cornea-Reflex-Methode lassen sich vertikale und horizontale Augenbewegungen bis ca. 15° aufzeichnen

G. Schneider; J. Kurt

Technische Prinzipien zur Messung der Blickrichtung und der Augenbewegungen

Eine vergleichende Analyse der Messmethoden für den Einsatz in der Rehabilitation, insbesondere zur Analyse von Leseschwierigkeiten von Kindern

Grundlagen Durch einen hochmobilen Augapfel im Zusammenspiel mit einer hochkomplexen Bildverarbeitung im virtuellen Cortex können wir ein Blickziel ständig anschauen, obwohl der Körper und der Kopf bewegt wird. Zur Messung des Blickzieles reicht es somit nicht nur aus, die Augenstellung zu bestimmen, sondern es muss über die Stellung der Pupille, des Kopfes und durch Informationen über die Umgebung das objektive Blickziel mathematisch bestimmt werden. Hierzu ist eine Kalibrierung notwendig, die die Beziehung zwischen der Augenstellung, dem System Empfänger (oder Kamera) und der Umgebung herzustellt. Im Blickgebiet werden dazu Punkte benötigt, die dem System in ihrem räumlichen geometrischen Verhältnis bekannt sind und die von dem Betrachter im Vorfeld der Messung in einer Kalibrierung fixiert werden müssen. Bei dem Betrachten eines Bildes auf einem Computermonitor sind die Punkte durch die Bildgröße des Monitors festgelegt. Dabei wird entweder:

Kamera

1. der Infrarot-Empfänger (oder Kamera) in der Nähe der Augen (ca.5cm) durch eine Art Helm am Kopf geometrisch fest angeordnet [EyeLink] oder

Kamera

2. Kameras werden mit dem zu betrachtenden Monitor in einem festen geometrischen Verhältnis angeordnet und nehmen die Bewegungen der Pupille berührungslos ohne Körperkontakt jedoch über einen größeren Abstand auf (ca. 60cm). [Tobii]

Abb. 1 prinzipielle Anordnungen der Kameras zur Beobachtung der Stellung der Pupillen

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Für den zweiten Fall wird diese relative Freiheit des Kopfes während der Messung durch eine Einschränkung der technischen Parameter, insbesondere in der Genauigkeit erkauft. Aus diesem Grund wird für die hohen Anforderungen bei der Leseforschung (buchstabengenaue Ergebnisse) z.Z. die Lösung bevorzugt, bei der die Empfänger in unmittelbarer Nähe der Augen sind und für die im Allgemeinen von den technischen Parametern her einfachere Fragestellung wird sinnvollerweise das für die Testperson komfortablere zweite Verfahren eingesetzt, z.B. in der Werbung der Usability –Forschung, bei der untersucht wird, wie lange und wie oft ein mehr oder weniger große Detail eines Bildes betrachtet wurde. Bei der Betrachtung eines Computermonitors können künstliche Markierungen an die Ecken des Monitors angebracht werden (EyeLink: Infrarot-Dioden) und der Abstand dieser Markierungen zueinander bestimmen die Kopfstellung, die als Korrektur in die Blickrichtungsbestimmung eingerechnet werden. Ist der Blick auf die reale Umwelt und nicht auf einen Computermonitor gerichtet, so muss das Blickfeld zusätzlich aufgenommen werden. Die Kalibrierung erfolgt dann durch künstlich definierte Punkte, die in der Umgebung als zweidimensionale Kalibriertafel für das System erkennbar sind (z.B. Leuchtdioden als Kalibrierpunkte). Den Kopf frei bewegen zu können, ist ein wesentlicher Punkt in der Experimentgestaltung. Es betrifft nicht nur einen Komfort für die Versuchsperson, sondern die Einschränkung der Bewegungsfreiheit beeinflusst auch indirekt das Messergebnis, da der Versuchsperson ständig die Messsituation bewusst ist. Dies gilt insbesondere bei Kindern, die körperliche Fixierungen oder schwere Messhelme besonders deutlich wahrnehmen. Bei den nicht kopfgetragenen Kameras werden künstliche Markierungen als Reflexpunkte an der Stirn (Eye-Maus) oder physiognomische Merkmale der Testperson, wie der Abstand der Augen (Tobii), eingesetzt. Beachtenswert sind die Entwicklungen, die über künstliche neuronale Netze das Augenbild im Gesicht analysieren, um so die Blickrichtung bestimmen zu können.

Abb.2 Merkmalselektion zwischen Gesicht, Augen und Pupillen im Vergleich zum Kopfmarker Was sollte ein ideales Messverfahren leisten, damit es den heutigen Anwendungen entspricht?

• Kein direkter Kontakt mit Probanden • Vom Probanden unbemerkt • Uneingeschränkter Blick auf Kopf und Gesicht • Sehr hohe Genauigkeit: 0,01° • Sehr hohe zeitliche Auflösung: ca. 2ms


• Sehr weite Messdynamik: 600° pro sec • Geringe Reaktionsträgheit (Echtheitsfähigkeit) • Kompatibilität zu Messungen von Kopf und Körperbewegungen • Geringe Störeinflüsse bei Grimassierungen • Akzeptanz gegenüber einer großen Farbvarianz der Pupille • Leicht bei verschiedenen Versuchspersonen einsetzbar (Baby, Kinder, Erwachsene)

Grundsätzlich wird keine Messmethode allen Anforderungen gerecht. Die Wahl der Methoden zur Registrierung der Augenbewegungen richtet sich somit nach dem Einsatzgebiet. Generell sind für die Registrierung von Augenbewegungen z.B. in der Arbeitsmedizin andere Methoden angebracht als für die Registrierung der schnellen und sehr genauen Blickrichtung beim Lesen. Im Wesentlichen ist es die Analyse von:

• Fixationen als ein Verweilen der Blickrichtung (ca. 100ms-400ms) • Sakkaden (schnelle Blicksprünge bis 600°/s) • Pupillengröße (Veränderung in Abhängigkeit der Helligkeit bzw. der Emotion) • Lidschlüssen. (Anzahl/Zeiteinheit in Abhängigkeit der Emotion)


Anatomie zur Augenbewegung Der Augapfel (Bulbus oculi) ist ein annähernd kugeliges Gebilde (Ø ca. 24 mm)

Abb. 3 Muskel für die Augenbewegung und die Bewegungsrichtungen [Roche Lexikon2001 ] Für die Bewegungen des Augapfels sind die in der Abb. dargestellten Muskel verantwortlich.

Das Auge hat für seine Bewegung drei Freiheitsgrade (horizontal, vertikal, torsionell). Empirische Untersuchungen [in Schreiber 1999] haben ergeben, dass die Bewegung des Auges von einem Modell gut wiedergegeben wird, das die Drehachse für horizontale Drehungen senkrecht durch den Augenmittelpunkt legt, wogegen die Drehachse für vertikale Drehungen durch einen um einen Abstand d nach vorne verschobenen Punkt senkrecht zur Drehachse für horizontale Drehungen verläuft Der dritte Freiheitsgrad, die sogenannte Torsion, wird durch eine Drehung um die optische Achse modelliert.

Abb.4 Freiheitsgrade und Drehachsen des Auges [aus Schreiber 1999]


Funktionsprinzipien zur Bestimmung der Blickrichtung Im 19. Jahrhundert wurden die Augenbewegungen z.B. bei [Helmholtz und Listing 1863 ] über Nachbilder bestimmt. Der Testpersonen wurde längere Zeit ein räumliches Gitter mit einem Fixationspunkt angeboten, und anschließend der Fixationspunkt verändert. Das nun gesehene Gitter wurde mit dem von der Netzhaut erzeugten Nachbild aus der ersten Fixation skizziert und verglichen.

Abb.5 Gitter zur Bestimmung von Nachbildern Heute sind je nach Anwendungsbereich prinzipiell unterschiedliche Techniken für die Analyse der Blickrichtung zu finden:

1. Kontaktlinsen - elektromagn. Spulen-System

2. Elektrookulogramm

3. Lichtreflektionen am Auge • Kontaktlinsen - optische Reflexion • Cornea- und Pupillen-Reflektions-Beziehung, • Purkinje-Image-tracking

4. Video-Okulographie (VOG)

• Limbustracking, • Pupillentracking,

5. Entwicklungstendenzen • Projektion von Text direkt auf der Retina • mobile Bestimmung der Blickrichtung • Nicht-Kopfgetragene VOG

6. Spezialanwendungen 7. Laborausstattung am Institut für Rehabilitationswissenschaften


1. Kontaktlinsen Mit Hilfe von speziellen Kontaktlinsen ist es möglich, sehr genaue Aufzeichnungen der Augenbewegungen zu machen. Zwei Verfahren existieren:

• optischen Methode, bei der die Reflektion eines Lichtes durch kleine Spiegeln in der Kontaktlinse aufgenommen wird

• "search coil" Technik, bei der kleine Spulen in die Kontaktlinse eingebetteten sind und die genaue Positionierung der Linse über die Induktion hochfrequenter elektromagnetischer Felder eines Käfigs erfolgt.

Abb.6 Kontaktlinse und Käfig mit einem 3-dimensionale Spulensystem [Robinson 1963] Die auf Kontaktlinsen basierenden Methoden sind zwar sehr genau, haben jedoch den Nachteil, dass sie für den Träger unkomfortabel sind und wegen der Gefahr eines Ödems nur für kurze Perioden (< 20 Minuten) eingesetzt werden können. Die großen Vorteile der Spulen-Methode liegen in der hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung.


2. Elektrookulogramm Augenbewegungen erzeugen zwischen Hornhaut (Cornea) und Netzhaut (Retina) elektrische Potentialdifferenz von ca. 0,4 bis 1 mV. (elektrischen Dipolmomentes des Auges ) Durch Aufbringen von Hautelektroden nahe der Augen kann diese Potential aufgezeichnet werden. Diese Potentialdiffernz wird als cornearetinales Potential bezeichnet. Die Grösse des Gleichstromes kann zur Messung der Augenposition und die des Wechselstromes zur Messung der Augenbewegung (auch Elektronystagmografie) herangezogen werden. Schwer kontrollierbare Störgrößen sind hierbei die von den Augenmuskeln erzeugten Potentiale. Vorteil ist der hohe Meßbereich (-/+70°) [in Young & Sheena 1975;]

Abb.7 elektrookulografische Registrierung (EOG) Aufnahme aus dem psychophysiologischen Labor des Instituts für Rehabilitationswissenschaften Die in der Abbildung über bzw. unter den Augen erkennbaren Elektroden dienen zur Messung der vertikalen Augenposition, wobei die oberen bzw. unteren Elektroden miteinander gekoppelt sind, um die gegenseitige Beeinflussung und dadurch entstehende Messfehler zu minimieren. Die seitlich der Augen angebrachten Elektroden dienen zur Messung der horizontalen Augenposition. Dieses Verfahren wird routinemäßig in der klinischen Praxis zu Diagnosezwecken am Gleichgewichtsorgan angewandt. Messbereich: bis zu ±70° mit einer Genauigkeit von 1,5 - 2 Winkelgrad (Allerdings nimmt die Genauigkeit bei Augenbewegungen, besonders bei vertikalen Bewegungen größer als 30° stark ab.) Das Elektrookulogramm besitzt den größten Messbereich aller bekannten Verfahren zur Messung von Augenbewegungen. Fehlerquellen: Potentialschwankungen aufgrund von Muskelbewegungen im Augenbereich, Verfälschungen der Messergebnisse durch Lidschläge und Schwankungen


3. Lichtreflektionen am Auge (Infrarotokularographie IROR) 3.1 Corneareflexion Die Corneareflexionsmethode basiert auf der Registrierung von (Infrarot-) Lichtreflexen auf der Hornhautoberfläche. Da diese Methode berührungsfrei ist, ist sie besonders für die Registrierung von Augenbewegungen beim Lesen geeignet.

Abb.8 Corneareflexion Abb.9 Aufbau des Auges[Roche Lexikon 1998] Zur Erzeugung eines Cornea-Reflexes erzeugt eine künstliche Lichtquelle auf dem Auge die Reflexion. Der Krümmungsradius der Hornhaut ist kleiner als der des Augapfels. Hierdurch wandert der Cornea-Reflex relativ zum Kopf in Richtung der Augenbewegung. Dieser Reflexionsort wird entweder durch eine Kombination von Infrarotdioden als analoges Signal oder über eine Diodenzeile inkremental relativ zur künstlichen Lichtquelle aufgenommen. Hierzu können je nach Hersteller auch CCD-Zeilenkameras oder Videokameras eingesetzt werden. Zwei prinzipielle Anordnungen:

• kopfgestützte Apparatur • ortsfeste Apparatur

Beide Anordnungen müssen die Relation, Kopfposition und künstliche Lichtquelle sehr stabil halten, da schon kleine Relativbewegungen nicht vorhandene Augenbewegungen über den ganzen Blickbereich vortäuschen. Zur Stabilisierung des Kopfes ist es daher oft ein Beißbrett o.ä. eingesetzt. Auf der anderen Seite wird zwar durch die am Kopf montierte Apparatur eine freie Beweglichkeit erreicht, das Gewicht der Apparatur beeinflusst jedoch die „normalen" Kopfbewegungen der Versuchspersonen. Zur genauen Bestimmung der Blickrichtung muss die Richtung des Kopfes zusätzlich bestimmt und mit dem Ergebnis der Cornea-Reflex Messung überlagert werden. Zur Vorbereitung der Messung ist bei den kopfgestützten Apparaturen eine entsprechende Kalibrierung mit integrierten Eichobjekten notwendig.


Microguide http://www.eyemove.com

ExpressEye Optom http://www.optom.de/

Iota AB, EyeTrace (ehemals Permobil Meditech)

Abb.10 kopfgestützten Apparaturen - Cornea-Reflexion Mit der Cornea-Reflex-Methode lassen sich vertikale und horizontale Augenbewegungen bis ca. 15° aufzeichnen. Bewegungen oberhalb dieser Grenze bringen den Cornea-Reflex in den nicht kugelförmigen Bereich des Auges. Die Größe des Reflexionspunktes ist individuell von der Hornhautgröße der Versuchsperson und dem unter dem Lid sichtbaren Anteil der Hornhaut abhängig. Außerdem können verschiedene Einflüsse (z.B. Paßgenauigkeit der Brille, individuelle Verformungen der Hornhaut, fehlende Tränenflüssigkeit) das Messergebnis beeinflussen. 3.2 Purkinjebilder Diese Methode nutzt die unterschiedlichen Reflektionen des Lichtes, z.B. Infrarot-Leuchtdioden, auf den verschiedenen optischen Grenzflächen des Auges aus. Diese als Purkinjebilder bezeichneten Reflexionen treten in verschiedenen Tiefen des Auges auf. Das erste Purkinjebild ist die Hornhautreflexion, das vierte tritt auf der Schnittstelle der Linse mit dem Glaskörper auf. Die Relation zwischen den beiden Bildern verändert sich während Bewegungen der Augen.

Für die Arbeit mit Purkinje-Trackern ist ein recht detailliertes Modell der verschiedenen Grenzflächen und optischen Systeme im Auge erforderlich.

Abb.11 Purkinje-Tracker [http://www.fourward.com/ Fourward Optical Tech., Inc]


http://www.eyemove.com/

http://www.optom.de/

http://www.fourward.com/

Abb.12 1.-4. Perkinje-Reflexion Es ist die z.Z. genaueste Methode bei relativ schneller Registrierung der Augenbewegung. Nachteilig ist, dass die 4.Perkinje-Reflexion sehr schwach ist und somit einen hohen Justageaufwand erfordert und der Kopf i.A. fixiert werden muss.


4. Video-Okulographie (VOG) Durch die Stellung von Iris, Sklera und Pupille zur Position des Kopfes kann die Blickrichtung des Menschen im Wesentlichen charakterisiert werden. Grenzflächen und Kanten verbunden mit Merkmalsselektion und einem mathematischen Modell zur Bestimmung des Abbildes im Verhältnis zur Stellung der Pupillen oder Iris, erfordern für diese Messmethode einen hohen mathematischen Aufwand. Durch den Einzug der Computer in die Messtechnik und der Bildverarbeitung ist die Video- Okulographie (VOG) möglich geworden, bei der Bilder des Auges mit Videokameras aufgenommen und die aufgezeichneten Bilder anschließend mit Computern ausgewertet werden. Durch diese im Wesentlichen relativ frühzeitige digitale Verarbeitung der Meßgrößen an einer CCD-Kamera wird eine hohe zeitliche Konstanz bei relativ hoher räumlicher Auflösung erreicht. Die VOG ist im Verhältnis zur IROG noch recht teuer, doch durch die fallenden Preise digitaler Ausrüstung bei gleichzeitiger Leistungssteigerung wird sich dieses Messwerterfassung für die Blickrichtungsregistrierung bis auf einige Spezialanwendungen durchsetzen. Nachteilig ist die relativ geringe zeitliche und räumliche Auflösung des Verfahrens. Die zeitliche Auflösung ist durch die Aufzeichnungsfrequenz bzw. Videonorm (50 Hz/60 Hz) begrenzt. Prinzipiell sind für schnellere Aufzeichnungen Hochgeschwindigkeitskameras einsetzbar, die eine Aufzeichnungsfrequenz bis über 10KHz zulassen. [z.B. Eylink II 500Hz gestattet eine Auflösung bis 4ms] Modell der optischen Abbildung bei der VOG Es liegt eine zweidimensionale Ansicht des Auges vor, in der über bestimmte Bildbearbeitungsverfahren (z.B. Merkmalsselektion, Texturanalyse) die Pupille aufgesucht wird. Nach dem Auffinden der Pixelkoordinaten des Zentrums der Pupille und einer Kalibrierung lässt sich über die Rücktransformation die horizontale und vertikale Augenposition errechnen. Die Abbildung auf die Kamera bedeutet dabei eine Transformation der dreidimensionalen Koordinaten auf eine zweidimensionale Bildebene. Es handelt sich um eine Zentralprojektion, deren Projektionszentrum im Zentrum der Linse liegt.

Die x- und y-Koordinaten in der Bildebene werden aus den entsprechenden Koordinaten im kopffesten Koordinatensystem durch eine Skalierung berechnet, deren Maßstab abhängig von Gegenstandsweite und Bildweite ist.

Abb.13 Abbildung auf die Kameraebene durch Zentralprojektion (aus Gründen der Übersichtlichkeit ohne die Drehachsenverschiebung) [aus Schreiber 1999]


4.1 Techniken zur Video-Okulographie (VOG) Limbus-Tracking Limbus-Tracking ist die optische Registrierung des Überganges zwischen Iris und Bindehaut (Sklera). Durch den hohen Helligkeitsunterschied zwischen der hellen Sklera und der Iris ist ein gutes Unterscheidungsmerkmal gegeben. Jedoch ist die äußere Randfläche der Iris nicht sehr scharf, so dass die Merkmalsselektion dort besonders wichtig ist. Vertikale Augenbewegungen sind mit dieser Methode jedoch nicht zu erfassen, da die Iris zu einem großen Teil vom Augenlid bedeckt ist. PupillenTracking Der Nachteil beim Limbus-Tracking wird durch Auswertung des Überganges von der Pupille zur Iris überwunden. Es ist eine scharfe Grenzfläche und die Pupille ist kleiner, so dass auch vertikale horizontale Augenbewegungen aufgenommen werden können. Nachteilig ist, dass der Farbkontrast an dieser Grenze nicht so groß ist (die Augen einbeziehende okulokutane Formen von Albino; braune Iris etc.) und die Helligkeitsanpassung der Pupille unter Umständen zu Problemen bei der Aufnahme führt. Wie beim Verfahren über Corneareflexion, wird das Auge durch eine künstliche nicht sichtbare Infrarot-Lichtquelle beleuchtet. Da die Pupille die IR-Strahlen absorbiert und damit schwächer reflektiert als das übrige Auge, können die reflektierten IR-Strahlen durch eine IR-empfindliche Kamera aufgenommen werden.


4.2 Entwicklungen der Video-Okularographie Einige Beispiele:

Abb.14 Die Blickregistrierung nach [Shackel 1960] war eher eine Bestimmung der Richtung des Kopfes in Verbindung mit einer Elektro-Okularographie (EOG).

Abb.15 Messanordnung mit halbdurchlässigem Spiegeln Die Messanordnung wird am Kopf des Probanden mit Bändern oder im Helm fixiert. Vor den Augen ist ein halbdurchlässiger Spiegel angebracht, der das Infrarot-Bild des Auges auf eine unter dem Spiegel angebrachten CCD-Kamera abbildet. Bewegungen der Messanordnung im Verhältnis zu den Augen, wie sie bei Kopfhautbewegungen auftreten, führen bei der Messung zu Fehlern.


Abb.16 Analyse des Fahrerverhaltens über eine Blickrichtungsanalyse. [SensoMotoric Instruments http://www.smi.de/] z.B. Specifications von diesem Eyetracker Sampling Rate 50/60 Hz Tracking Resolution, Pupil/CR 0.1 deg. (typ.) Gaze Position Accuracy 0.5°-1.0 deg. (typ.) Tracking Range +/- 30° horz., +/-25° vert. Weight of head unit 450 g Video Overlay Capabilities

Abb.17 Video EyeTrace mit (HMD); Institut für Psychologie; Universität Köln Bei einer Kombination einer Videobrille (Head Mounted Display) mit einem Kamerasystem wird die Wirkung der Kopfrichtung auf die Blickrichtung aufgehoben. Tragekomfort und Qualität der Videobrillen sind z.Z. noch unzureichend. Darüber hinaus sind die Parameter der Blicksteuerung beim Lesen auf dem Display einer Videobrille mit Lesen auf einem Computerschirm bzw. dem Lesen auf einem Blatt Papier nicht von vorn herein vergleichbar.


http://www.smi.de/

5. Entwicklungstendenzen 5. 1 Projektion von Text direkt auf der Retina Scanning-Laser-Ophthalmoskop Für die Diagnose von Krankheiten des Augenhintergrundes ist die Laser-Scanning-Ophtalmologie ein wertvolles bildgebendes Verfahren. Das Scanning-Laser-Ophthalmoscop wird für die Untersuchung von Lesevorgängen jedoch dahingegen modifiziert, dass durch das konfakale Scanning-Laser-Ophthalmoskop Texte auf die Netzhautareale direkt projiziert werden und durch die Apparatur die genaue Lokalisation des Textes beobachtet wird.

Abb.18 Darstellung der Funktionsweise eines Laser- Scanning Ophtalmoscope [TrauzettelKlosinski et al. 2001] Dabei wird der Laserstrahl in einem so hohen Frequenzbereich akustisch moduliert, dass die direkte Projektion auf der Netzhaut ein stehendes Bild erzeugt. Gleichzeitig kann aber auch die Projektion auf der Netzhaut simultan erfasst werden. (TrauzettelKlosinski et al. 2001). Wahrend der Blickbewegungsanalyse besteht somit ohne Kalibrierung die Möglichkeit der absoluten Zuordnung von Fovea und projiziertem Stimulus, wohingegen bei dem bisher beschriebenen EyeTracking-Techniken die Registrierung nur relative Augenbewegungen liefert, die im Vorfeld oder anschließend kalibriert werden müssen. Probleme der Drift- und Bewegungseinflüsse sowie die Einflüsse der Bewegung der Kopfhaut, die bei kopfgetragenen EyeTrackern die Genauigkeit beeinflussen, treten somit nicht auf. Aus diesem Grund sind die technischen Entwicklungen bei den Virtual Retina Displays, die nach einem ähnlichen Funktionsprinzip aufgebaut sind, für die Blickbewegungsanalyse von großer Bedeutung.


Abb.19 Projektion von Text direkt auf der Retina Virtual Retina Displays (VRD) Das gleiche Prinzip, wie in dem modifizierten Laser-Scanning-Ophtalmologie, wird bei den Virtual Retina Displays angewandt. Es ist auch eine direkte Projektion von Text oder virtuellen Bildern auf der Retina. Im Gegensatz zu dem sehr aufwendigen Experiment sollen diese VRD die kopfgetragenen virtuellen Displays (HMD) ablösen und damit sehr preiswert werden. Herkömmliche Displays (HMD) erzeugen ein virtuelles Bild, das entweder direkt oder über optische Systeme projiziert, aktiv betrachtet wird. Bei der VRD-Technologie entsteht das Bild unmittelbar auf der Netzhaut des Betrachters. Die Pixel werden in einem Raster über einen Laser auf die Netzhaut gebracht, indem ein horizontaler Scanner den Laserstrahl auf der Retina reihen- und zeilenweise positioniert. Dabei lenken lichtbrechende und lichtreflektierende Spiegel oder modulierbare Prismen den Laser so auf die Netzhaut, dass beim Betrachter der Eindruck eines großen, virtuellen Bildes entsteht. Da das System mit äußerst niedrigen Lichtintensitäten arbeitet, besteht keine Gefahr für das menschliche Auge.

Abb. Conventional Display Virtual Retinal Display


Abb. 20 Der "Nomad" [Microvision 2004 ]kann mit einer SVGA Auflösung aufwarten, gewährt einen Sichtbereich, der einem 19 Zoll-Monitor entspricht, besitzt eine Refresh-Rate von 60 Hertz. 5.2 Mobile Eye-Tracking Messungen

Abb.21 leichter EyeTracker verbunden mit einem tragbaren Computer


Abb.22 Mobile batteriebetriebener EyeTracker mit drahtloser Übertragung der Videos von den Augenkameras und dem Szenenvideo an einen entfernten Computer (bis zu 40 Meter Entfernung) [….] 5.3 Nicht-Kopfgetragene VOG Alle bisher beschriebenen Messverfahren haben den großen Nachteil, dass die Kamera einen genau definierten und festen Abstand zum Auge haben muss. Dies wird im Allgemeinen nur durch eine helmartige Kopfstütze gewährleistet. Den Kopf frei bewegen zu können, ist ein wesentlicher Punkt in der Experimentgestaltung. Es betrifft nicht nur einen Komfort für die Versuchsperson, sondern die Einschränkung der Bewegungsfreiheit beeinflusst auch indirekt das Messergebnis, da der Versuchsperson ständig die Messsituation bewusst ist. Dies gilt insbesondere bei Kindern, die körperliche Fixierungen oder schwere Messhelme besonders deutlich wahrnehmen. Messverfahren, bei denen die Kamera nicht in fester Position zum Auge, sondern vor der Person im Raum oder am Computer angeordnet sind und der Kopf frei beweglich ist, benötigen weiter Informationen über die Stellung der Pupille im Auge und zum Kopf.

Abb.23 ERICA Incorporated http://www.ericainc.com/system.html


http://www.ericainc.com/system.html

Abb.24 EyeTech Digital Systems, Inc.. (EDS) http://www.eyetechds.com/

Abb.25 LC Technologies Inc. Portable Eyegaze System http://www.lctinc.com/

Diese zusätzliche Information kann z.B. durch den Zusammenhang zwischen den Orten der Corneareflexion und der der Pupille gewonnen werden. Nachteilig ist jedoch, dass bei der notwendigen sehr hohen Auflösung mit einem Objektiv relativ langer Brennweite gearbeitet werden muss und somit nur einen kleinen Gesichtsausschnitt darstellt werden kann.

Abb.26 Mechanische Nachführung der Kamera von nicht kopfgetragenen EyeTracker [http://www.smi.de 2004] Kopfbewegungen müssen durch Nachführen der Kamera erreicht werden. Mechanisches Nachführen ist aber relativ langsam und begrenzt die Bewegungsfreiheit der Versuchsperson. Werden zwei Objektive mit unterschiedlicher Brennweite eingesetzt, wird bei hoher Auflösung nur ein kleiner Augenbereich abgebildet, wohingegen die zweite Kamera das gesamte Gesicht abbildet und somit die Stellung des Kopfes bestimmen kann. Eine technische Anordnung mit zwei Kamerasystemen unterschiedlicher Brennweiten wurde schon durch [Bolt 1984] skizziert.


http://www.eyetechds.com/

http://www.lctinc.com/

Abb.27 Eye tracking Technik über zwei Kameras vom Kopf und der Pupille [Bolt 1984]

Abb.28 Ein System mehrer Kameras zur Aufzeichnung der Blickrichtung, vorgestellt auf der European Conference on Eye Movements [ECEM 2003] Das Ziel der gegenwärtigen Entwicklungen ist ein Messverfahren, dass ohne Kalibrierung mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung auskommt. Beispiel für ein kommerzielles EyeTracker-System, bei dem Kameras und Infrarotsender in den Monitor integriert wurden, ist in Abb.29 dargestellt. In dieser Ausführung ist dieser EyeTracker besonders für die Untersuchung der Effektivität der Werbung auf Internetseiten bzw. der Usability –Forschung geeignet. In diesem Bereich wird untersucht, wie lange und wie oft ein mehr oder weniger großes Detail einer Werbeinformation betrachtet wurde. Die technischen Daten, im Besonderen die Auflösung, sind bisher nur eingeschränkt für eine Analyse des Leseprozesses geeignet.


Abb.29 EyeTracker-System für die Usability –Forschung [http://www.tobii.com] Specifications von diesem Eyetracker Sampling Rate 50 Hz Tracking Resolution 0.25 deg. (typ.) Gaze Position Accuracy 0.5° deg. (typ.) Head-Motion speed < 10 cm/s


6. Spezialanwendungen Messung der Augenbewegung in einem Magnet-Resonanz-Tomographen Eine für die Messung der Augenbewegung in einem Magnet-Resonanz-Tomographen geeignete Anordnung ist der dargestellte MR-Eyetracker.

Abb.30 MR-Eyetracker Cambridge Research Systems http://www.crsltd.com/

Alle im Magnetfeld angeordneten Bauteile dürfen nicht magnetisch oder paramagnetisch sein, da sie zu Verzerrungen und damit zur Verringerung der Auflösung führen. In der Nähe der hochfrequenten Kopfspulen dürfen keine Metallteile oder leitende Materialien angebracht werden. Somit werden über Spiegelsysteme und Lichtleitkabel die Informationen über die Augenbewegungen außerhalb des Tomographen geführt. Das Messprinzip ist IROG.


http://www.crsltd.com/

Eye-Tracking-System zur Steuerung eines Excimer-Lasers bei Hornhauttransplantationen am Auge Ein Eye-Tracking-System steuert aktiv und so genau den Laser, dass das übrige Auge auch bei Augenbewegungen geschützt ist. Bei diesem Verfahren können krankhaft veränderte Bereiche der Hornhaut isoliert durch ein Spendertransplantat ersetzt werden, ohne dass das optische Zentrum der Hornhaut in den Transplantat- oder in den Nahtbereich einbezogen werden muss. [Schmitz 2003] Neurologische und vestibulare Forschung Die Augenbewegungen, ohne dass die genaue Blickrichtung von Interesse ist, werden bei ophthalmologischen Untersuchungen, bei der Diagnostik okulomotorischer Störungen, wie der Forschung zum Strabismus oder der Simulation schnell wechselnder Umwelt (Nystagmographie) untersucht.

Abb.31 SensoMotoric Instruments http://www.smi.de/


http://www.smi.de/

Einsatz der Blickanalyse im Tierversuch

Abb.32 Eine Hochfrequenzkamera (ET-49A) registriert die Pupillenreaktion eines Macaque Affen (Frame-Rate 230Hz) www.ThomasRecording.com Untersuchung des Blickverhaltens von Piloten im Test

Abb.33 Eye-tracking beim Piloten Training VISION 2000 [www.interlog.com/~elmarinc/fast.htm]


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EyeTracker als Hilfsmittel für die Unterstützte Kommunikation EyeTracker ermöglichen die Bedienung einer Bildschirmtastatur über die Augenbewegungen. Auf diese Weise können Schwerstbehinderten, die keine konventionellen Eingabegeräte bedienen können, nur durch Ansehen einzelner Buchstaben ganze Wörter und Sätze zusammenzusetzen und sich eigenständig und selbstbestimmt artikulieren.

http://www.eyecan.ca/

Abb.34 EyeTracker als Hilfsmittel für die Unterstützte Kommunikation [eyecan; Tobii]


7. Laborausstattung am Institut für Rehabilitationswissenschaften der Humboldt-Universität; Abteilung Rehabilitationstechnik und Informatik [www.reha.hu-berlin.de/rehatech/]

Abb.35 EyeLink Eyetracking Systemen von SR Research Ltd./Canada. http://www.eyelinkinfo.com Zwei spezielle Augenkameras (Hochgeschwindigkeits-, Infrarot Kameras) zeichnen 250 bzw. 500 Bilder pro Sekunde von jedem Auge auf. Dadurch ist es möglich, binokulare Blickbewegungen zu verfolgen. Eine dritte Kamera - die Kopfkamera - kommuniziert mit 4 Infrarot Markern, die an einem Display angebracht sind. Dadurch lässt sich die Position des Kopfes im Verhältnis zum Display aufzeichnen und Kopfbewegungen können durch die Aufzeichnung von sowohl dem Abbild der Pupille als auch der Cornea Reflex ausgeglichen werden. Specifications von diesem Eyetracker Sampling Rate 250 Hz/500Hz Tracking Resolution < 0.01 deg. (typ.) Gaze Position Accuracy 0.5° deg. (typ.)

Abb.36 Prinzipdarstellung EyeLink; SR Research Ltd./Canada


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Abb.37 EyeLink –modifiziert; Transportables EyeTracking zur Bestimmung der Blickdaten beim Lesen in einer Schule [Badel; Schneider 2005] Computer-Hardware und Software Die Experimentanordnung besteht aus einem Host PC, der die Vorverarbeitung der Kameradaten übernimmt und einem Display-PC zur Darstellung des Textes auf einem Bildschirm. Die beiden Computer sind über Ethernet-Karten verbunden. Je nach Anwendung werden alternativ zwei Varianten genutzt. Zum Einsatz in Schulen besteht die transportable Variante aus einem transportablen Host PC und für den Display PC ein Laptop der Fa. Dell mit Anschluss eines 19“ LCD Monitors. Im Labor werden stationäre PC verwandt, mit Monitoren mit geringer Bildaufbauzeit bzw. einer Großbildleinwand per Beamer. Auf dem Display- Computer sind Entwicklungssysteme für C++; Labview und Mathlab installiert, so dass die Experimente mit Hilfe der offen gelegten EyeLink- Software - Schnittstellen entsprechend gestaltet werden können. Zur späteren Kontrolle des Versuchsablaufes und zur zeitsynchronen Aufnahme des Tones zeichnet eine Videokamera in globaler Einstellung die Versuchsperson auf.


Literatur Bolt 1984; Bolt, R. A. The Human Interface: Where People and Computers Meet, Lifetime Learning Publications 1984., Belmont, California 94002. Donders 1847 Donders F C; Beitrag zur Lehre von den Bewegungen des menschlichen Auges. Holländ Beitr Anat Physiol Wiss 1; pp 104-145, 1847 Donders 1864 Donders F C; On the Anomalies of Accomodation and Refraction of the Eye, London, 1864. Fick 1854 Fick A, Die Bewegungen des menschlichen Augapfels, Zeitschrift für rationelle Medizin, 4, pp. 109-128, 1854 Gutjahr 1965; Gutjahr. G.: Die Methode der Blickregistrierung, Dissertation, Georg August Universität, Göttingen, 1965 Helmholtz 1863 von Helmholtz H; Ueber die normalen Bewegungen des menschlichen Auges. Arch. Ophtalmol IX; pp 153-214, 1863 Helmholtz 1868 Hermann von Helmholtz; Die neueren Fortschritte in der Theorie des Sehens. 'Preussische Jahrbücher', 1868. Braunschweig (Friedrich Vieweg und Sohn) 1884; Bd. 1, S. 233-331. Young & Sheena 1975; Young, L. R.; Sheena, D.: Survey of eye movement recordíng methods, Behaviour Research Methods & Instrumentations, Vol. 7(5), S. 397-429, 1975 Roche Lexikon Medizin 1999; Lexikonredaktion Urban & Fischer ; http://www.urbanfischer.de Robinson 1963 Robinson D A; A method of measuring eye movement using a cleral search coil in a magnetic field. IEEE Transactions on Biomedical Electronics, BME-10, 137-145, 1963 Schreiber 1999 Schreiber Kai; Erstellung und Optimierung von Algorithmen zur Messung von Augenbewegungen mittels Video-Okulographie-Methoden Diplomarbeit in der Vestibulo-Okulären Arbeitsgruppe am Universitätsklinikum Tübingen; Februar 1999 Shackel 1960 Shackel 1960 (in Gutjahr. G.: Die Methode der Blickregistrierung, Dissertation, Georg August Universität, Göttingen, 1965 Schmitz 2003 Klaus Schmitz "Gräfe's Archive of Clinical and Experimental Ophthalmology" 2003; (241: S. 423-431) SMI 1996 SensoMotoric Instruments GmbH, VOG for Windows, Three Dimensional Video-Oculography, Eye Movement Analysis System, Version 3.08., 1996


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