[論文レビュー] Evaluating the Data Quality of Eye Tracking Signals from a Virtual Reality System: Case Study using SMI's Eye-Tracking HTC Vive

Dillon Lohr, Lee Friedman+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2019

Gaze Tracking and Assistive Technology参考文献 50被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、ランダムなサッカードタスクを用いて、SMI社の眼動-trackingを搭載したHTC Vive HMD（ET-HMD）のデータ品質を評価し、中央偏差平均（MAD）に基づく非パラメトリックな空間精度指標を導入した。ET-HMDは空間的正確性と直線性の適合度においてEyeLink 1000を上回ったが、両者とも類似した精度を示した。ET-HMDは2次元のクロストークを示し、双眼の信号は単眼信号のローパスフィルタリング版であり、高周波数のサッカード分析が制限される。

ABSTRACT

We evaluated the data quality of SMI's tethered eye-tracking head-mounted display based on the HTC Vive (ET-HMD) during a random saccade task. We measured spatial accuracy, spatial precision, temporal precision, linearity, and crosstalk. We proposed the use of a non-parametric spatial precision measure based on the median absolute deviation (MAD). Our linearity analysis considered both the slope and adjusted R-squared of a best-fitting line. We were the first to test for a quadratic component to crosstalk. We prepended a calibration task to the random saccade task and evaluated 2 methods to employ this user-supplied calibration. For this, we used a unique binning approach to choose samples to be included in the recalibration analyses. We compared our quality measures between the ET-HMD and our EyeLink 1000 (SR-Research, Ottawa, Ontario, CA). We found that the ET-HMD had significantly better spatial accuracy and linearity fit than our EyeLink, but both devices had similar spatial precision and linearity slope. We also found that, while the EyeLink had no significant crosstalk, the ET-HMD generally exhibited quadratic crosstalk. Fourier analysis revealed that the binocular signal was a low-pass filtered version of the monocular signal. Such filtering resulted in the binocular signal being useless for the study of high-frequency components such as saccade dynamics.

研究の動機と目的

• 仮想現実環境におけるSMI社のケーブル接続式眼動-trackingを搭載したHTC Vive HMD（ET-HMD）のデータ品質を評価すること。
• 空間的正確性、精度、時間的正確性、直線性、クロストークといった主要指標において、ET-HMDの性能を標準化されたEyeLink 1000と比較すること。
• 中央偏差平均（MAD）を用いた非パラメトリックな空間精度指標を提案・検証し、外れ値への感受性を低減すること。
• ユーザーが実施したキャリブレーションの影響を、再キャリブレーション分析のための新規バンニング手法を用いて調査すること。
• 双眼信号の劣化を分析し、高周波数サッカード検出に悪影響を及えるローパスフィルタリング効果を明らかにすること。

提案手法

• ランダムサッカードタスクを実施し、空間的正確性、精度、時間的正確性、直線性、クロストークを評価した。
• 外れ値への感受性を低減するため、中央偏差平均（MAD）に基づく非パラメトリックな空間精度指標を提案した。
• キャリブレーション品質の評価のため、最適適合直線の傾きと補正済み決定係数（R-squared）を用いた直線性分析を実施した。
• これまで報告されていなかった新しい手法として、クロストークに2次成分が含まれるかをテストした。
• ユーザーが実施したキャリブレーションタスクの後に再キャリブレーション分析用のサンプルを選択するための独自のバンニング戦略を採用した。
• モノクロナルおよび双眼の眼動画像信号を比較するためにフーリエ解析を適用し、信号のフィルタリング効果を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SMI社のET-HMDは仮想現実環境において、EyeLink 1000と比較して空間的正確性がどの程度高いか？
• RQ2 ET-HMDはどの程度クロストークを示し、2次成分を含むか？
• RQ3 ユーザーが実施したキャリブレーションに新規バンニング手法を組み合わせた場合、再キャリブレーションの有効性はどの程度か？
• RQ4 周波数応答の観点から、双眼の眼動画像信号は単眼信号と比較してどの程度異なるか？
• RQ5 信号のフィルタリングは、サッカードの発生時刻や速度といった高周波数眼動画像ダイナミクスの研究にどのような影響を与えるか？

主な発見

• ET-HMDはEyeLink 1000よりも顕著に高い空間的正確性を示し、p値 < 0.05 の有意差が確認された。
• ET-HMDは補正済み決定係数（adjusted R-squared）において、EyeLink 1000よりも優れた直線性適合度を示したが、両者の直線性傾きは類似していた。
• 提案されたMADに基づく指標による測定において、ET-HMDとEyeLink 1000の両者が類似したレベルの空間的精度を示した。
• ET-HMDは顕著な2次元クロストークを示したが、EyeLink 1000では観察されなかった。
• フーリエ解析により、双眼信号が単眼信号のローパスフィルタリング版であることが判明し、高周波数成分が劣化していた。
• その結果、双眼信号はサッカードの発生時刻や速度といった高周波数眼動画像ダイナミクスの研究には不適切であると結論づけられた。