[論文レビュー] A low cost non-wearable gaze detection system based on infrared image processing

Amir Arbabi, Mohammad Amin Shabani+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2017

Gaze Tracking and Assistive Technology参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、赤外線画像処理を用いて虹彩およびマーカーを検出する低コストで非装着型の注視方向検出システムを提示する。その後、補間に基づく注視方向推定戦略を採用する。異なる照明条件下で3名の被験者に対して評価した結果、主な注視方向を特定する精度が90–100%に達し、コスト感受性が高く、一般用途のヒューマンコンピュータインタラクション用途に適している。

ABSTRACT

Human eye gaze detection plays an important role in various fields, including human-computer interaction, virtual reality and cognitive science. Although different relatively accurate systems of eye tracking and gaze detection exist, they are usually either too expensive to be bought for low cost applications or too complex to be implemented easily. In this article, we propose a non-wearable system for eye tracking and gaze detection with low complexity and cost. The proposed system provides a medium accuracy which makes it suitable for general applications in which low cost and easy implementation is more important than achieving very precise gaze detection. The proposed method includes pupil and marker detection using infrared image processing, and gaze evaluation using an interpolation-based strategy. The interpolation-based strategy exploits the positions of the detected pupils and markers in a target captured image and also in some previously captured training images for estimating the position of a point that the user is gazing at. The proposed system has been evaluated by three users in two different lighting conditions. The experimental results show that the accuracy of this low cost system can be between 90% and 100% for finding major gazing directions.

研究の動機と目的

• 一般用途のヒューマンコンピュータインタラクションに適した低コストで非装着型の注視方向検出システムの開発を目的とする。
• 広範な展開に不向きなほど高価または複雑すぎる既存の眼動追跡システムの限界を是正することを目的とする。
• 実装の単純さと費用対効果を最優先とし、極めて高い精度を求めるのではなく中程度の精度を達成することを目的とする。
• サブミリメートルの注視方向精度が求められない応用分野において、実用的な展開を可能とすることを目的とする。

提案手法

• 虹彩と周囲組織とのコントラストを向上させるために、赤外線画像を用いて目の画像を撮影する。
• 撮影された赤外線画像において、虹彩および基準マーカー（例：反射ドット）を検出するために画像処理技術を適用する。
• リアルタイムの画像における検出された虹彩とマーカーの相対的位置を、対応する注視点にマッピングする補間ベースの戦略を採用する。
• 補間モデルをキャリブレーションするために、既知の注視ターゲットを有する事前撮影済みの訓練画像セットを用いる。
• 複数の画像における虹彩とマーカーの位置の幾何的関係に依存して、被験者の注視点を推定する。
• 装着部品を一切使用しないため、標準的な赤外線カメラを用いて、受動的で目立たない注視追跡を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストで非装着型の注視方向検出システムは、一般用途において十分な精度を達成できるか？
• RQ2 異なる照明条件下でも補間ベースの注視方向推定戦略はどの程度の性能を示すか？
• RQ3 虹彩およびマーカーの位置情報のみを用いることで、システムの精度と頑健性にどのような影響があるか？
• RQ4 特別なハードウェアを必要としない赤外線画像処理に基づくシステムは、信頼性のある注視方向検出を達成できるか？
• RQ5 コストと複雑さの観点から、本システムの性能は既存の商業的眼動追跡装置と比べてどうか？

主な発見

• 3名の被験者に対して、主な注視方向を特定する精度が90%～100%に達した。
• 2種類の異なる照明条件下でも性能が安定しており、環境要因の変化に対して頑健であることが示された。
• 最小限の訓練データセットを用いても、補間ベースの戦略が虹彩およびマーカーの位置を効果的に対応する注視点にマッピングできた。
• 計算複雑性が低く抑えられており、低価格のハードウェアでもリアルタイム動作を実現できた。
• 非装着型設計により、被験者の不快感やセットアップの複雑さが解消され、長時間または繰り返しの使用における使いやすさが向上した。
• 中程度の精度で十分な応用分野において、高価な商業的眼動追跡装置の実用的代替手段を提供した。