[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究使用固定瞳孔大小的机器人仿生眼，以隔离亮度和注视方向对EyeLink 1000眼动仪性能的影响。结果确认了在峰值速度和瞳孔大小测量中具有高精度与高准确性，未发现亮度引起的伪影，但检测到因注视方向导致的微小、系统性瞳孔大小变化——主要源于几何投影效应，而非照明条件或瞳孔动力学影响。

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.

研究动机与目标

• 调查环境亮度条件是否会影响基于视频的眼动追踪对扫视峰值速度和瞳孔大小的测量。
• 将亮度的影响与其他混杂因素（如瞳孔形变、注视方向和眼动仪信号处理）分离开来。
• 在使用机械驱动的仿生眼（固定瞳孔大小）的受控条件下，评估EyeLink 1000的准确性和精确度。
• 确定观察到的峰值速度或瞳孔大小变化是否由眼动仪对光照的响应引起，还是源于几何投影效应。
• 通过量化独立于生物眼动特性的基线测量变异性，为未来的人体研究提供基准。

提出的方法

• 构建了一款由步进电机驱动的仿生眼，其瞳孔直径固定为5 mm，以模拟具有预设幅度和峰值速度的扫视眼动。
• 在三种不同的亮度条件（高、中、低）下，使用EyeLink 1000记录注视和瞳孔数据，同时保持瞳孔大小恒定。
• 系统性地改变注视位置，涵盖水平方向（左、右、中）和垂直方向（上、下、中），以评估几何投影效应对瞳孔大小估计的影响。
• 使用EyeLink 1000的标准算法以质心模式测量瞳孔大小和峰值速度，分析不同条件下数据的偏差。
• 通过统计分析比较不同注视方向和亮度水平下的测量瞳孔大小与峰值速度，以检测系统性偏差。
• 开发并公开了MATLAB代码和数据处理流程，发布于公共代码库，以确保可复现性并支持进一步基准测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 环境亮度条件是否系统性地影响EyeLink 1000对扫视峰值速度的测量？
• RQ2 当瞳孔大小固定时，EyeLink 1000在不同照度水平下是否会产生瞳孔大小估计的测量伪影？
• RQ3 是否存在与照度或瞳孔动力学无关的、由注视方向引起的瞳孔大小估计系统性偏差？
• RQ4 相机相对于仿生眼的位置所导致的几何投影效应在多大程度上影响了表观瞳孔大小？
• RQ5 先前人体研究中观察到的亮度条件下峰值速度呈现非线性‘倒U型’模式，是否可由测量伪影解释，还是更可能反映神经生理学因素？

主要发现

• EyeLink 1000在所有测试亮度条件下均表现出对扫视峰值速度和瞳孔大小测量的高准确性和高精确度。
• 当瞳孔大小固定时，未发现因环境亮度变化导致的峰值速度或瞳孔大小测量的系统性伪影。
• 观察到因注视方向引起的微小但具有统计学意义的瞳孔大小测量变化，水平方向变化范围为-2.565%（右）至+3.131%（左），垂直方向为-0.375%（中）至+0.675%（下）。
• 这些变化被归因于几何投影效应——具体表现为相机固定位置下，因视角倾斜导致瞳孔形状从圆形变为椭圆形。
• 与以往使用仿生眼的研究相比，本研究中观察到的偏差更小，表明当前实验设置有效减少了混杂因素的影响。
• 结果表明，人体研究中报告的亮度条件下峰值速度呈现非线性‘倒U型’变化模式，很可能并非由眼动仪伪影引起，而更可能反映潜在的神经生理学机制。