罗来曦 朱渔

摘 要：眼动跟踪技术作为人机交互方式的重要补充，其可有效提升用户的沉浸感，对于解决虚拟现实头盔中的诸多技术问题具有十分重要的意义。现阶段面向虚拟现实头盔的眼动跟踪技术的研究仍处于起步阶段，因此，文章面向虚拟现实头盔的眼动跟踪系统设计构建了虚拟现实硬件平台、眼动跟踪软件模块及图像采集硬件模块，有效提升了虚拟现实头盔的实用性。

关键词：虚拟现实头盔;眼动跟踪技术;眼图处理模块;视线估计模块

0 引言

眼球的运动直观反映了个体的思维活动，通过追踪眼球运动可实现个体思考模式与感知能力的分析。在虚拟现实环境下，个体往往会因方向感的缺失而产生不适感，继而对沉浸式体验过程造成不良影响，为了解决这一问题，开发者通常会以小地图、箭头、覆盖路径等方式为用户提供导航，但又不可避免地导致显示器可见范围被占用。为了解决这一问题，开发人员试图利用眼动跟踪技术的引入分析用户眼动数据，继而预测其对导航的需求，为用户提供自适应辅助导航功能。因此，本文重点面向虚拟现实头盔的眼动跟踪技术进行研究，以期提升虚拟现实头盔的用户体验。

1   眼动跟踪对虚拟现实头盔的意义

眼动跟踪技术是虚拟现实头盔中关键的技术之一，其不僅有助于提升VR世界的视觉广度，缓解用户肢体疲劳，还可提升注视点分辨率，及时响应环境感知，强化人机交互效果。

1.1  缓解用户肢体疲劳

现阶段，虚拟现实头盔因技术的局限性仍较为笨重，用户佩戴与交互操作过程中需要借助一系列肢体动作，如通过操作手柄选择虚拟菜单、以手持续滑动虚拟界面等，这无疑对用户体验感造成了极大影响。而眼动跟踪技术的引入解放了用户的双手，很多疲劳动作均可以用眼神操作加以替代，这使得用户在虚拟场景中动作敏捷、反应迅速、判断精准，只需瞄准目标即可完成对应操作，配合虚拟现实头盔的头动追踪装置，可有效降低用户的肢体动作。此外，眼动跟踪技术还可定义用户虚拟形象，并增添眨眼等表情，为虚拟社交的生动演绎提供了途径。

1.2  提升注视点分辨率

现阶段，虚拟现实头盔应用受阻的重要原因之一在于其价格高昂，这使得普通消费群体望而却步，而虚拟现实头盔成本高昂主要是由于其屏幕的高分辨率要求。就人眼视觉原理而言，个体在观察目标物时仅仅集中在目标对象极小范围的区域，对于远离目标对象的区域往往选择主动忽略。从这一角度来看，眼动跟踪技术可根据用户需求主动调节注视点区域高分辨度，对于远离注视点的区域则逐级降低其分辨率，如此不仅保障了人眼对目标物体的观察，还极大地降低了对显示屏的硬性需求，有利于缩减虚拟现实头盔的成本。

1.3  及时响应环境感知

在虚拟现实头盔中，部分数据分析与操作需要一定的时间方可完成，如通过线上数据库搜索目标，若用户对特定方向进行扫视，要求人机交互前系统后台就要成功读取和分析数据。而眼动跟踪技术所提供的数据预取功能无疑满足了虚拟现实头盔的自然交互需求，其不仅有效改善了用户在沉浸式环境中的感知响应度，还为人机交互实时性的实现提供了技术支持，这对于移动数据网络尤为有效。

2   面向虚拟现实头盔的眼动跟踪系统

面向虚拟现实头盔的眼动跟踪系统，既要对该技术应用场景的差异性进行分析，又要构建整个眼动跟踪系统平台，还要在虚拟现实环境下精准追踪和定位瞳孔，获取瞳孔识别算法，并根据用户佩戴头盔的不适性进行注视点校正，眼动跟踪系统设计架构如图1所示。根据上述要求，需要构建虚拟现实硬件平台、眼动跟踪软件模块、图像采集硬件模块。其中，图像采集、眼动跟踪软件两大模块为整个系统的重中之重，后者涉及眼图处理模块、视线估计模块两方面。

2.1  虚拟现实硬件平台的搭建

硬件平台负责提供三维空间模拟功能，为用户打造沉浸式交互效果，其主要涉及VR眼镜处理器、VR眼镜视频现实器、VR眼镜外部结构3方面，既要确保所选处理器满足视频图像处理性能要求，又要科学利用光学显示模块，还要确保结构设计满足用户佩戴舒适度要求。因此，本文选用乐相科技的大朋VR头盔作为虚拟现实硬件平台，其采用的CPU为三星Exynos 7420，使用ARM四核Cortex-A57、Cortex-A53，不仅沉浸效果佳，而且运算功能强，有助于保障交互过程的流畅性。不仅如此，该平台采用的图像处理器为MaliT760 MP8，频率约772MHz，具有较强的图像处理功能，加上屏幕高对比度和基于人体工程学的结构设计，不仅有效降低了画面余晖，还有效提升了佩戴舒适度，满足系统对硬件平台的要求[1]。

2.2  图像采集硬件模块的实现

本文构建的是基于光反射类检测算法、视频图形处理的眼动跟踪系统，因而需要结合眼动环境差异科学选择近红外光源、CCD传感器等，以构建强大的图像采集硬件模块，既不对用户眼睛造成伤害，又能获取高质量原始眼动图像。为了提高用户对图像的识别效果，系统选择采取波长为850 nm、辐射强度为350 mw/sr、直径为5 mm、发射角度为        30?的近红外光源作为环境光照的补充，该参数下的近红外光源对人眼是安全的。对于红外摄像头的选型，本系统选择的是对近红外光线敏感的CCD摄像头传感器进行原始眼动图像的获取，该传感器具有光照范围广、分辨率高等特点，加上虚拟现实头盔对传感器的体积要求，系统采用的是中星微S900超小型红外摄像头，为了确保眼动图像光线的均匀性，附加6个红外LED光源[2]。

2.3  眼动跟踪软件模块的实现

该模块是眼动跟踪系统的最重要模块，其主要包括眼图处理模块与视线估计两大部分，前者负责对眼动图像进行失真处理，并提取瞳孔的坐标位置，后者则根据获取眼动数据将瞳孔坐标一一映射到屏幕坐标系，完成人眼注视点的估计。

眼球图像的处理主要通过图像预处理、眼图区域检测及特征提取、瞳孔中心定位等完成对人眼瞳孔的识别。其中，眼动图像预处理涉及OpenCV对原始眼球图像的滤波处理，还需借助直方图均衡化增强图像灰度值兼具，确保图像的清晰度;眼图区域检测需要借助分水岭思想对原始眼动图像进行二值化分析，获取最大稳定极值区域，再利用椭圆拟合对各区域进行处理，获取稳定区域的特征并予以提取;最后采用稳定区域检测与像素点、灰度特征相融合的方式对瞳孔进行精准定位。

眼动跟踪的目标集中在人的视线方向，因此，视线估计模块必不可少，可根据眼图数据进行目光建模，确定人眼的视线方向与凝视点，再借助映射函数将图像坐标中的点映射到屏幕坐标系中。为了实现视线估计，一方面需要结合已知眼动数据确定瞳孔坐标系、屏幕坐标系及二者关系，另一方面需要获取实时眼动数据应用到求出坐标系的关系，继而对人眼视线点进行即时测量，常用视线估计方法包括二维估计法、三维估计法，前者适用于能够获得稳定眼动数据的系统，后者则适用于多摄像机眼动跟踪系统，应用时需根据设计要求灵活选择[3]。

3   结语

综上，眼动跟踪技术是虚拟现实头盔的必备技术之一，对于缓解用户肢体疲劳、提升注视点分辨率、增强人机交互效果、及时响应环境感知、提升虚拟现实头盔的综合性能意义重大。面向虚拟现实头盔的眼动跟踪系统构建需要结合系统设计目标及需求分析，开发和实现VR硬件平台、图像采集硬件、眼动跟踪软件三大模块，然而，现阶段面向虚拟现实头盔的眼动跟踪技术仍存在诸多不足之处，如采集瞳孔中心数据时因人眨眼频率的不同，导致系统鲁棒性较差，因此，还需进一步加强眼动跟踪技术的研究，以持续改善虚拟现实头盔的应用性能。

[参考文献]

[1]]李永强.面向智能头显的眼动跟踪技术的研究[D].广州：广东工业大学，2019.

[2]李永强.一种用于智能头显的眼动跟踪系统[J].现代计算机，2019（13）：84-89.

[3]熊小峰.面向虚拟现实头盔的眼动跟踪系统研究[D].成都：电子科技大学，2017.

（编辑 王雪芬）