[論文レビュー] RELAY: Robotic EyeLink AnalYsis of the EyeLink 1000 using an Artificial Eye

Anna-Maria Felßberg, Dominykas Strazdas|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2022

Gaze Tracking and Assistive Technology被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、固定された瞳孔径を有するロボット式人工目を用いて、明るさおよび視線方向がEyeLink 1000眼動追跡装置の性能に与える影響を分離して評価した。高い正確性と再現性が確認され、ピーク速度および瞳孔径の測定において明るさに起因するアーティファクトは認められなかったが、視線方向に起因するわずかな系統的変動が検出された。主に幾何的投影効果によるものであり、照明条件や瞳孔動態によるものではない。

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.

研究の動機と目的

• 環境の明るさがビデオベース眼動追跡における飛躍のピーク速度および瞳孔径の測定に影響を与えるかどうかを調査すること。
• 瞳孔変形、視線方向、眼動追跡装置の信号処理などの他の混同要因から明るさの影響を分離すること。
• 固定された瞳孔径を有する機械的に駆動される人工目を用いて、制御された条件下でのEyeLink 1000の正確性と再現性を評価すること。
• 観察されたピーク速度や瞳孔径の変動が、眼動追跡装置の照明への反応によるものか、幾何的投影効果によるものかを特定すること。
• 生物学的目の動態とは独立したベースライン測定ばらつきを定量することで、今後のヒト研究のベンチマークを提供すること。

提案手法

• ステッピングモーター駆動の人工目を構築し、固定された5 mmの瞳孔径を有することで、所定の振幅およびピーク速度を持つ飛躍的目動かしを模擬した。
• EyeLink 1000を用いて、明るさの3つの異なる条件（高、中、低）の下で、瞳孔径を一定に保ちながら視線および瞳孔データを記録した。
• 視線位置を水平方向（左、右、中央）および垂直方向（上、下、中央）に体系的に変化させ、カメラの固定位置に起因する瞳孔径推定への幾何的投影効果を評価した。
• EyeLink 1000の標準アルゴリズムを用いて重心モードで瞳孔径およびピーク速度を測定し、条件間でのずれを分析した。
• 統計解析により、視線方向および明るさレベルごとの測定瞳孔径およびピーク速度を比較し、系統的バイアスを検出した。
• MATLABコードおよびデータ処理パイプラインを公開リポジトリに開示し、再現性および今後のベンチマークに資するようにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境の明るさがEyeLink 1000における飛躍のピーク速度測定に系統的に影響を与えるか？
• RQ2 瞳孔径が固定されている状態で、照明レベルの変化に起因してEyeLink 1000が瞳孔径推定にアーティファクトを生じるか？
• RQ3 照明条件や瞳孔動態とは独立して、視線方向に起因する瞳孔径推定の系統的ずれは存在するか？
• RQ4 カメラの位置が人工目に相対的に変化する幾何的投影効果が、顕在的な瞳孔径にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 先行するヒト研究で報告された、明るさ条件に応じたピーク速度の非線形的パターン（「屋根型」）は、測定アーティファクトか生物学的要因に起因するか？

主な発見

• EyeLink 1000は、全テスト明るさ条件下で飛躍のピーク速度および瞳孔径測定において高い正確性と再現性を示した。
• 瞳孔径が固定されている状態で、明るさの変化に起因するピーク速度または瞳孔径測定の系統的アーティファクトは認められなかった。
• 視線方向に起因するわずかだが統計的に有意な測定瞳孔径のばらつきが観察された。水平方向では-2.565%（右）から+3.131%（左）の範囲、垂直方向では-0.375%（中央）から+0.675%（下）の範囲であった。
• これらのばらつきは、主にカメラの固定位置に起因する幾何的投影効果（特に、カメラの斜め視点に起因する瞳孔形状の変化：円形から楕円形への変化）に起因するとされた。
• 本研究の設定は、先行研究における人工目を用いた研究と比較して、混同要因をより小さく抑えたと考えられ、その結果、観察された変動はより小さくなった。
• 結果から、ヒト研究で報告された「屋根型」のピーク速度の非線形的パターンが、眼動追跡装置のアーティファクトに起因する可能性は低く、むしろ神経生理的要因に起因する可能性が高いと示唆された。