[논문 리뷰] 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 Friedman외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 04.

Gaze Tracking and Assistive Technology참고 문헌 50인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 무작위 사시 운동 작업을 통해 SMI의 헤드셋 타입 눈추적 장치(ET-HMD)의 데이터 품질을 평가하며, 중앙편차의 중앙값(MAD) 기반 비모수적 공간 정밀도 측정법을 도입한다. 결과적으로 ET-HMD는 공간 정확도와 선형성 적합도에서 EyeLink 1000을 능가하지만, 정밀도는 유사하다. ET-HMD는 이차형 교차왜곡을 보이며, 이중눈 신호는 단안 신호의 저역통과 필터링된 복사본이 되어 고주파 사시 운동 분석이 제한된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 가상현실 환경에서 SMI의 유선형 눈추적 헤드셋 타입 장치(ET-HMD)의 데이터 품질 평가.
• 기존 기준 장치인 EyeLink 1000과의 비교를 통해 주요 지표인 공간 정확도, 정밀도, 시간 정밀도, 선형성, 교차왜곡에서 ET-HMD의 성능 평가.
• 더 높은 강인성 확보를 위한 중앙편차의 중앙값(MAD) 기반 비모수적 공간 정밀도 측정법 도입 및 검증.
• 사용자 제공 校정의 영향을 분석하기 위해 새로운 분할 전략을 활용한 재교정 분석 수행.
• 이중눈 신호 열화 현상 분석을 통해 고주파 사시 운동 탐지에 영향을 미치는 저역통과 필터링 효과 규명.

제안 방법

• 무작위 사시 운동 작업을 수행하여 공간 정확도, 정밀도, 시간 정밀도, 선형성, 교차왜곡 평가.
• 이상치에 민감도가 낮은 중앙편차의 중앙값(MAD) 기반 비모수적 공간 정밀도 지표 제안.
• 교정 품질 평가를 위해 최적의 직선을 피팅한 기울기와 수정된 결정계수(R-squared)를 사용한 선형성 분석.
• 이전에 보고된 바 없는 새로운 접근 방식으로 교차왜곡에 이차항 성분 존재 여부 테스트.
• 사용자 제공 교정 작업 이후 재교정 분석을 위한 샘플 선별을 위해 고유한 분할 전략 적용.
• 단안 및 이중눈 눈운동 신호 비교를 위해 푸리에 분석 수행, 신호 필터링 효과 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SMI의 ET-HMD는 가상현실 환경에서 EyeLink 1000에 비해 공간 정확도가 어떻게 다른가?
• RQ2 ET-HMD는 어느 정도의 교차왜곡을 보이며, 이중형 성분이 포함되어 있는가?
• RQ3 사용자 제공 교정과 새로운 분할 전략을 조합했을 때 재교정 효과는 얼마나 높은가?
• RQ4 이중눈 눈운동 신호는 단안 신호와 주파수 응답 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 신호 필터링은 사시 운동과 같은 고주파 눈운동 역학 연구에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• ET-HMD는 EyeLink 1000보다 유의미한 공간 정확도 향상을 보였으며, p값 < 0.05로 통계적 유의성 확인.
• ET-HMD는 수정된 결정계수 측면에서 EyeLink 1000보다 더 우수한 선형성 적합도를 보였지만, 기울기 측면에선 유사한 수준.
• 제안된 MAD 기반 지표로 측정한 공간 정밀도에서 ET-HMD와 EyeLink 1000는 유사한 수준 기록.
• ET-HMD는 눈에 띄는 이차형 교차왜곡를 보였으며, 이는 EyeLink 1000에서는 관찰되지 않았다.
• 푸리에 분석 결과, 이중눈 신호는 단안 신호의 저역통과 필터링된 복사본임이 밝혀졌고, 고주파 성분이 둔화됨.
• 결과적으로 이중눈 신호는 사시 운동의 시작 시점 및 속도 분석과 같은 고주파 눈운동 역학 연구에 부적합하다고 판단됨.