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这款太阳能眼球追踪技术为未来AR提供了新视角
Lentil｜ 撰文
市面上眼球追踪系统通常功耗大、造价高，因此几乎很难应用在小巧的智能眼镜上。而美国达特茅斯学院研发的一种不需要电池的眼球追踪系统，似乎将成为这个问题的解决方案。这项新的技术将优化用户对游戏和应用的控制，还能够提供更高的画质。
10月29日，达特茅斯学院DartNets（网络与普适系统）实验室的科研人员在学校官网发布新闻稿，宣布他们利用近红外光和二极管研发了一款能够追踪眼球快速运动的可穿戴式系统，该系统的优势在于它不仅节能，还能监控人类健康，有着取代手动的输入的潜力。
据青亭网了解，该眼球追踪系统原型于11月30日在印度新德里举办的MobiCom（ACM SIGMobile开办的无线和移动通信领域顶尖会议）亮相。大家可以在下图中看到，科研人员在普通眼镜的基础上，加上了眼球追踪装置，镜腿外部的两片薄太阳能电池板将提供电力，而追踪眼球的二极管和近红外LED灯设置在镜框中。此外，眼镜上还搭载了MINI-M4 FOR MSP432主板。
达特茅斯计算机科学副教授兼项目领导Xia Zhou表示，这是一款能够放置在日常眼镜上、不需要使用电池的眼球追踪装置。
游戏等人机交互方式对输入方式的精准度要求很高，对眼球追踪更是如此，其精准度必须达到亚毫米级别。理想的追踪系统应该具备便携、省电、充电次数少等特点，市面上的技术还达不到这些要求。
据达特茅斯科研团队称，现有的穿戴式眼球追踪装置不足的点在于，它们没办法在精准追踪的同时节省功耗。大多数追踪器使用摄像头识别眼球，这就需要密集的图像处理，因而增加功耗，需要大容量电池的支持。市面上如Tobii（约10.4万人民币以上）等智能眼镜造价昂贵，而且通常会在镜腿上放置电池，整体重量因此增加。
达特茅斯学院一名博士学生兼该技术的论文作者Tianxing Li表示：“我们采用了简单的设计，节省了眼镜的体积和功耗，这款新装置为眼球追踪带来了大量应用方向。”
据悉，为了制作这么一款眼球追踪系统原型，科研人员必须在不用摄像头的情况下测量瞳孔的移动轨迹、速度和加速度。眼镜的近红外光将从多个角度照亮眼球，而二极管将检测反射光的图案。通过这些反射光，眼球追踪装置能利用基于监督式学习的轻量级算法实时推断出眼球的位置与直径。
该眼球追踪系统原型能够追踪四个阶段的眼球运动：注视（平均约为200毫秒）、缓慢移动、飞快扫视（500°/s或25cm/s）和眨眼。追踪这些运动都需要达到高精准度，比如检测精神分裂症要求眼球追踪在至少120Hz刷新率的情况下误差低于3°或15mm，才能够检测到飞快扫视的眼球运动。在追踪AR头显用户注视点时，眼球追踪系统如果误差达2°或1mm，那么他眼前一米远的物体将与实际偏离3.5cm。
为了验证实验结果，科研人员进行了一场22人的实验，结果显示，在120Hz输出刷新率的情况下，该眼球追踪系统追踪瞳孔位置的平均误差为0.8mm，追踪瞳孔直径的平均误差为0.3mm，平均功耗为395µW。
Li解释道：“通过检测眼球活动的阶段，这款智能眼镜将切换对应的追踪和计算方式，快速扫视外的其他阶段，其运动轨迹是可预测的，因此该眼球追踪系统能够在不牺牲精准度的情况下，预测眼球接下来的运动，进而降低功耗。
该眼球追踪系统原型与现有的智能眼镜相比，功耗降低了数百倍，而且其太阳能电池板利用室内光发电，因此在室内外使用都不需要电池。
论文中写道：“尽管太阳能发电这项技术已经应用很久，但据我们所知，市面上基本上没有与我们的装置类似的技术。”
经过进一步完善后，达特茅斯学院的科研人员将提高该追踪系统的准确性，希望在以后它能够取代手动输入，同时提高显示屏渲染的效率和效果。
值得注意的是，这项研究目前只在室内进行过测验，因为户外强烈的红外光对于目前原型产品的光敏元件说太过饱和。因此，该科研团队计划在接下来研究如何让它在户外使用，同时想办法提高识别快速眼球运动的准确性，他们还计划进一步缩小整个系统的体积，甚至还将搭配各种形状的镜框。
除了智能眼镜，这种眼球追踪技术还能够被用于识别精神病等疾病、识别疲劳，评估临床治疗的效果。
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