余斐斐　米楠

摘要：對(duì)于AR研究而言，視線追蹤是其技術(shù)的關(guān)鍵，我們?cè)谝苿?dòng)設(shè)備上整合計(jì)算機(jī)畫(huà)面與現(xiàn)實(shí)景象的能力正在發(fā)展之中，這種開(kāi)發(fā)功能前景無(wú)限，它能拓展人類(lèi)與周?chē)h(huán)境互動(dòng)，從環(huán)境中學(xué)習(xí)以及娛樂(lè)的能力。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；視線追蹤；應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality簡(jiǎn)稱(chēng)AR）技術(shù)是近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。它是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的補(bǔ)充，使得虛擬物體從感官上成為周?chē)鎸?shí)環(huán)境的組成部分。與傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality簡(jiǎn)稱(chēng)VR）不同，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)只是實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的增強(qiáng)，加深了對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的感受。在實(shí)際的AR體驗(yàn)中，因?yàn)槿说挠^察視線會(huì)不斷地變化，AR系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)的根據(jù)用戶(hù)的視場(chǎng)重新建立位置坐標(biāo)系，進(jìn)行追蹤。而視線追蹤技術(shù)就是實(shí)時(shí)地跟蹤用戶(hù)頭部的位置和視線方向，根據(jù)這些信息來(lái)確定虛擬物體在真實(shí)空間坐標(biāo)中的位置，并將它實(shí)時(shí)地顯示在顯示器中的正確位置。

一、視線追蹤技術(shù)及其特點(diǎn)

（一）視線追蹤技術(shù)概述。

視線追蹤也稱(chēng)為眼動(dòng)追蹤，它被認(rèn)為是研究視覺(jué)信息加工的有效手段。利用專(zhuān)用設(shè)備來(lái)記錄學(xué)習(xí)者的眼球運(yùn)動(dòng)（Eve-Movement，簡(jiǎn)稱(chēng)眼動(dòng)）情況，可以作為分析學(xué)習(xí)者內(nèi)部心理活動(dòng)情況的依據(jù)。關(guān)于視線追蹤技術(shù)的研究己有較長(zhǎng)歷史，目前它己在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如用于圖片廣告研究（網(wǎng)頁(yè)評(píng)估、設(shè)計(jì)評(píng)估等）、動(dòng)態(tài)分析（航空航天、體育運(yùn)動(dòng)、汽車(chē)、飛機(jī)駕駛等）、產(chǎn)品測(cè)試（可用性測(cè)試）、場(chǎng)景研究（商場(chǎng)購(gòu)物、店鋪裝演、家居環(huán)境等）和人機(jī)交互等多個(gè)領(lǐng)域。此外，視線追蹤在智能計(jì)算機(jī)、智能家電、虛擬現(xiàn)實(shí)和數(shù)字游戲等領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用前景。

在眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究中，當(dāng)被試對(duì)視覺(jué)信息進(jìn)行提取時(shí)，其注視時(shí)間、注視次數(shù)、注視點(diǎn)序列、眼跳距離、回視次數(shù)、瞳孔直徑等通常被視為思維和心理加工的重要參數(shù)。因此，通過(guò)對(duì)被試在學(xué)習(xí)過(guò)程中的實(shí)時(shí)眼動(dòng)信息進(jìn)行觀測(cè)，可用于分析和引導(dǎo)其學(xué)習(xí)的依據(jù)。眼動(dòng)模式一般分為三種：注視（fixation）、眼跳（saccade）和追隨運(yùn)動(dòng)（pursuit movement）。其中，持續(xù)一段時(shí)間、相對(duì)穩(wěn)定的眼球運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為注視；眼球快速運(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)致視覺(jué)區(qū)域的聚焦點(diǎn)產(chǎn)生變化，這種行為稱(chēng)為眼跳；眼睛緩慢、平滑地追蹤某個(gè)緩慢運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，則稱(chēng)為追隨運(yùn)動(dòng)。通過(guò)分析眼動(dòng)模式和相關(guān)參數(shù)，可以獲得很多重要的信息。例如，眼跳速度會(huì)隨著疲倦程度的增加而降低，而隨著學(xué)習(xí)任務(wù)難度的增加而增加；眨眼速度和眼睛睜開(kāi)程度的降低則可能意味著疲倦的加重。因此，可以據(jù)此來(lái)確定學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)精神狀態(tài)，或?qū)ζ鋵W(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行分析，從而采取相應(yīng)的學(xué)習(xí)策略或干預(yù)措施。

（二）視線追蹤系統(tǒng)的類(lèi)型及其特點(diǎn)。

人眼的注視點(diǎn)主要由頭的方位和眼睛視線決定。頭的方位決定了人眼可能注視的范圍，眼睛的視線決定了注視點(diǎn)的精確位置。國(guó)內(nèi)外將視覺(jué)跟蹤技術(shù)按照借助的媒介分為硬件和軟件兩種。以硬件為基礎(chǔ)的視線跟蹤的基本工作原理是利用圖像處理技術(shù)，通過(guò)攝像機(jī)攝入瞳孔反射的紅外線記錄視線變化，達(dá)到視線追蹤的目的。視線跟蹤裝置目前有穿戴式與非穿戴式，接觸式與非接觸式，如帶上專(zhuān)用頭盔、眼鏡或者頭部固定支架，置于頭部上的攝像機(jī)，這種情形用戶(hù)使用較不舒適。通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的視線跟蹤方法，對(duì)用戶(hù)沒(méi)有干擾，首先利用攝像機(jī)獲取頭部、臉部或眼睛圖像，再經(jīng)過(guò)軟件分析對(duì)視線定位與跟蹤。由于不需要佩戴任何裝置，用戶(hù)的自由度舒適度較好。

人與計(jì)算機(jī)交互是研究人與計(jì)算機(jī)之間溝通的技術(shù)，將視線跟蹤、語(yǔ)音識(shí)別、手勢(shì)輸入、感覺(jué)反饋等引入人機(jī)交互，提高了交互的自然性和高效性。視線追蹤技術(shù)同樣引發(fā)了人機(jī)交互系統(tǒng)的改革，鼠標(biāo)、觸控板的消失，及通過(guò)追蹤人眼視線，用眼神來(lái)操作電腦、輸入文字、玩游戲。

二、視線追蹤技術(shù)在AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)研究中的應(yīng)用

（一）顯示技術(shù)。

AR的簡(jiǎn)單定義就是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬數(shù)字信息疊加到現(xiàn)實(shí)的生活場(chǎng)景中。這個(gè)“疊加”是需要通過(guò)顯示設(shè)備作為中介來(lái)實(shí)現(xiàn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的顯示器可以分為頭盔顯示器（HMD）和非頭盔顯示設(shè)備。目前，一般的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要使用透視式頭盔顯示器。透視式頭盔顯示器主要由三個(gè)基本環(huán)節(jié)構(gòu)成：虛擬信息顯示通道、真實(shí)環(huán)境顯示通道、圖像融合及顯示通道。其中，虛擬信息的顯示原理與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所用的浸沒(méi)式頭盔顯示器基本相同；圖像融合與顯示通道是與用戶(hù)交互的最終接口，根據(jù)其中真實(shí)環(huán)境的表現(xiàn)方式，可分為基于CCD攝像原理的視頻透視式頭盔顯示器和基于光學(xué)原理的光學(xué)透視式頭盔顯示器兩類(lèi)。

光學(xué)透視技術(shù)是通過(guò)安裝在設(shè)備眼前的光學(xué)透鏡來(lái)呈現(xiàn)出真實(shí)和虛擬世界。首先計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)放大后反射后進(jìn)入視野，透過(guò)透鏡又能直接看到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，兩部分的信息匯聚到人眼的視網(wǎng)膜上實(shí)現(xiàn)AR的效果。視頻透視技術(shù)是借助安裝在頭顯上的攝像頭來(lái)捕捉獲取外部真實(shí)環(huán)境，計(jì)算機(jī)將數(shù)字模擬信息疊加到攝像機(jī)的視頻信號(hào)上，再將真實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景進(jìn)行融合。相比較光學(xué)透視技術(shù)，它的視角場(chǎng)更大，而且不受外界的強(qiáng)光干擾。不過(guò)一旦攝像機(jī)與用戶(hù)的視點(diǎn)不能保持完全重合，會(huì)產(chǎn)生一些偏差。

（二）跟蹤注冊(cè)技術(shù)。

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的注冊(cè)技術(shù)主要是指利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)獲取真實(shí)場(chǎng)景的信息后，經(jīng)過(guò)圖像處理方面的知識(shí)來(lái)識(shí)別和跟蹤定位真實(shí)場(chǎng)景。細(xì)分可以劃為基于傳統(tǒng)標(biāo)志的注冊(cè)算法和基于自然特征點(diǎn)無(wú)標(biāo)志注冊(cè)算法?；谟?jì)算機(jī)視覺(jué)的注冊(cè)技術(shù)的精度較高，但是對(duì)計(jì)算量非常大，而且算法復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的要求非常高。

為了取長(zhǎng)補(bǔ)短，得到更加精確的注冊(cè)結(jié)果，現(xiàn)在有結(jié)合兩種技術(shù)的混合注冊(cè)方法。通常是先由跟蹤傳感器大概估計(jì)位置姿態(tài)，再通過(guò)視覺(jué)法進(jìn)一步精確調(diào)整定位。一般采用的復(fù)合法有視覺(jué)與電磁跟蹤結(jié)合、視覺(jué)與慣導(dǎo)跟蹤結(jié)合、視覺(jué)與GPS跟蹤結(jié)合等。

三、結(jié)論

在國(guó)外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)早已在醫(yī)學(xué)、遙操作、制造與維修、可視化與教育培訓(xùn)、娛樂(lè)、軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域取得了成功應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，不少單位和個(gè)人對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的關(guān)鍵技術(shù)和算法進(jìn)行了研究，并且以牙科醫(yī)學(xué)、設(shè)備維修等許多背景得到了初步應(yīng)用研究。但國(guó)內(nèi)的研究目前仍多限于實(shí)驗(yàn)階段，與國(guó)外的應(yīng)用水平還有一定距離。

目前，隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的研究方向，如新的顯示方式、照片真實(shí)感圖形繪制、調(diào)節(jié)現(xiàn)實(shí)、基于網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和針對(duì)戶(hù)外隨身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)等等。其中涉及到的技術(shù)包括基于圖像的繪制（IBMR）、多通道信息融合、普適計(jì)算技術(shù)、顯示設(shè)備和跟蹤設(shè)備的隨身便攜化等。隨著系統(tǒng)性能的提高、操作過(guò)程的簡(jiǎn)化和設(shè)備成本的降低，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)會(huì)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]奚惠寧等.視線追蹤應(yīng)用技術(shù)的專(zhuān)利分析[J].電視技術(shù)，2013（S2）。

[2]黃志方等.視線追蹤技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)信息檢索中的應(yīng)用研究綜述[J].信息資源管理學(xué)報(bào)，2011（2）。

[3]鐘慧娟，劉肖琳，吳曉莉.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2008（1）。