[논문 리뷰] RELAY: Robotic EyeLink AnalYsis of the EyeLink 1000 using an Artificial Eye

Anna-Maria Felßberg, Dominykas Strazdas|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 02.

Gaze Tracking and Assistive Technology인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 고정된 동공 크기를 가진 로봇 인공눈을 사용하여 밝기와 시선 방향이 EyeLink 1000 눈 추적기 성능에 미치는 영향을 분리하여 분석한다. 정상적인 정밀도와 정확도를 확인하였으며, 밝기로 인한 잡음은 발견되지 않았지만, 주로 기하학적 투영 효과로 인한 시선 방향에 따른 미세한 체계적 동공 크기 변동을 발견하였다. 이는 조명이나 동공 역학 때문이 아니며, 동공 크기 측정에 영향을 주는 주요 요인이다.

ABSTRACT

There is a widespread assumption that the peak velocities of visually guided saccades in the dark are up to 10~\% slower than those made in the light. Studies that questioned the impact of the surrounding brightness conditions, come to differing conclusions, whether they have an influence or not and if so, in which manner. The problem is of a complex nature as the illumination condition itself may not contribute to different measured peak velocities solely but in combination with the estimation of the pupil size due to its deformation during saccades or different gaze positions. Even the measurement technique of video-based eye tracking itself could play a significant role. To investigate this issue, we constructed a stepper motor driven artificial eye with fixed pupil size to mimic human saccades with predetermined peak velocity \& amplitudes under three different brightness conditions with the EyeLink 1000, one of the most common used eye trackers. The aim was to control the pupil and brightness. With our device, an overall good accuracy and precision of the EyeLink 1000 could be confirmed. Furthermore, we could find that there is no artifact for pupil based eye tracking in relation to changing brightness conditions, neither for the pupil size nor for the peak velocities. What we found, was a systematic, small, yet significant change of the measured pupil sizes as a function of different gaze directions.

연구 동기 및 목표

• 환경 밝기 조건이 비디오 기반 눈 추적에서 사카드 피크 속도 및 동공 크기 측정에 영향을 미치는지 조사하기 위해
• 동공 변형, 시선 방향, 눈 추적기 신호 처리와 같은 다른 혼란 요인들에서 밝기의 영향을 분리하기 위해
• 고정된 동공 크기를 가진 기계적으로 구동되는 인공눈을 사용하여 제어된 조건에서 EyeLink 1000의 정확도와 정밀도를 평가하기 위해
• 관측된 피크 속도 또는 동공 크기의 변동이 눈 추적기의 조명 반응 때문인지, 기하학적 투영 효과 때문인지 확인하기 위해
• 생물학적 눈 역학과 무관한 기초 측정 변동성을 정량화하여 향후 인간 연구의 기준을 제공하기 위해

제안 방법

• 고정된 5 mm 동공 직경을 가진 스테퍼 모터 구동 인공눈을 제작하여 정의된 진폭과 피크 속도를 가진 사카드 눈 움직임을 시뮬레이션하였다.
• EyeLink 1000은 동공 크기를 일정하게 유지하면서 세 가지 다른 밝기 조건(고, 중, 저)에서 시선 및 동공 데이터를 기록하였다.
• 수평(좌, 우, 중앙) 및 수직(상, 하, 중앙) 방향으로 시선 위치를 체계적으로 변화시켜 카메라의 고정된 위치에서 기하학적 투영 효과가 동공 크기 추정에 미치는 영향을 평가하였다.
• EyeLink 1000의 표준 알고리즘을 사용하여 중심점 모드로 동공 크기와 피크 속도를 측정하였으며, 조건 간의 편차를 분석하기 위해 데이터를 분석하였다.
• 통계적 분석을 통해 다양한 시선 방향과 밝기 수준 간의 동공 크기 및 피크 속도 측정값을 비교하여 체계적 편향을 탐지하였다.
• 재현성 및 향후 기준 설정을 위해 MATLAB 코드와 데이터 처리 파이프라인을 공개된 저장소에 공유했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 환경 밝기 조건이 EyeLink 1000에서 측정된 사카드 피크 속도에 체계적으로 영향을 미치는가?
• RQ2 동공 크기가 고정되어 있을 때, 밝기 수준의 변화가 EyeLink 1000의 동공 크기 추정에 측정 잡음을 유발하는가?
• RQ3 조명이나 동공 역학과 무관하게, 시선 방향으로 인한 동공 크기 추정의 체계적 편차가 존재하는가?
• RQ4 카메라의 위치가 인공눈에 대해 기하학적 투영 효과를 통해 나타나는 동공 크기에 영향을 주는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 이전 인간 연구에서 관찰된 밝기 수준에 따른 피크 속도의 비선형 패턴은 측정 잡음 때문인지, 생물학적 요인 때문인지 설명될 수 있는가?

주요 결과

• EyeLink 1000은 모든 테스트된 밝기 조건에서 사카드 피크 속도 및 동공 크기 측정에 높은 정확도와 정밀도를 보였다.
• 동공 크기를 일정하게 유지할 때, 환경 밝기 변화로 인한 피크 속도나 동공 크기 측정의 체계적 잡음은 발견되지 않았다.
• 시선 방향에 따라 작은 유의미한 동공 크기 변동이 관찰되었으며, 수평 방향으로는 오른쪽에서 -2.565%에서 왼쪽에서 +3.131%까지, 수직 방향으로는 중앙에서 -0.375%에서 아래쪽에서 +0.675%까지 변동하였다.
• 이러한 변동은 주로 카메라의 고정된 위치에서 기인한 기하학적 투영 효과로 인한 것으로 분석되었으며, 이는 카메라의 기울어진 시선 각도로 인해 동공 모양이 원형에서 타원형으로 변형되기 때문이다.
• 이러한 편차는 이전 인공눈 연구에서 보고된 것보다 작았으며, 이는 현재의 설정이 혼란 요인을 최소화했음을 시사한다.
• 결과적으로 인간 연구에서 보고된 '지붕 모양'의 비선형 피크 속도 패턴은 눈 추적기의 측정 잡음 때문이 아니라 오히려 신경생리학적 요인에 기인할 가능성이 높다.