自然人机交互的基于眼动跟踪控制系统

文摘

眼动可以被视为一个关键的实时输入人机交流的媒介,为身体残疾的人尤其重要。为了提高可靠性、机动性和可用性的眼动跟踪技术在用户计算机对话,小说的眼光与集成控制系统提出了两个鼠标和键盘功能。该系统着重于提供一个简单而方便的交互模式仅使用用户的眼睛。使用流提出系统的设计完全遵循人类自然的习惯。此外,放大器模块提出了允许精确的操作。在这个实验中,两个互动的任务有不同的困难(搜索文章,浏览多媒体网络)进行比较与现有系统提出眼控制工具。技术接受模型(TAM)措施是用来评估感知到我们的系统的有效性。证明该系统是非常有效的可用性和界面设计。

1。介绍

眼动跟踪技术,是基于一个眼动跟踪措施眼睛的运动和位置在心理学方面发挥了越来越重要的作用1)、市场营销(2),和用户界面(3]。眼球追踪器已经存在了许多年,但是,在发展的早期眼动跟踪领域,使用眼球追踪器在很大程度上局限于实验室实验观察人类眼球运动的本质,而不是使用这些运动作为一个实际控制介质在人机交互(HCI) [4]。因为眼睛追踪器的成本30000年十年前,它太贵了考虑使用实际用户计算机接口。近年来,随着更好的和更便宜的组件的发展目光交互,低成本的眼睛追踪器(5)已经由一些知名企业,如Tobii EyeX跟踪(6,GazePoint GP3跟踪器(7),和眼睛部落追踪8]。随着眼动跟踪设备便宜,新的应用程序与人机交互使用眼动跟踪的概念显然开始开花[9- - - - - -11]。

传统用户界面提供更多的带宽从计算机用户,比如图像、动画、视频和其他媒体,可以迅速输出大量的信息。而几乎没有输入的手段相对大量的来自用户的信息。人机交互是增加带宽的概念从用户电脑更自然和更方便的通信机制。眼睛是我们的一个主要输入媒介,和大约80 - 90%的外部世界获得信息从人类的眼睛12]。从用户的计算机多媒体通信,眼球运动可以被视为一个关键的实时输入介质,这对于运动残疾的人尤其重要和肌萎缩性脊髓侧索硬化症(比如人)(13]。眼动跟踪技术在用户计算机对话的研究主要集中在将眼球运动纳入多媒体通信与计算机在一个方便的和自然的方式。

一般来说,最直观的解决方案将眼球运动纳入用户计算机对话将取代一个眼动跟踪直接手动输入源,如鼠标。通过安装一个眼动跟踪和使用它 , 坐标输出流作为虚拟鼠标,移动用户的目光将直接导致鼠标光标移动。但是自然的手移动鼠标非常不同于眼动控制虚拟鼠标。鼠标和眼睛之间有显著差异的位置被认为是在设计基于眼动跟踪控制系统用户计算机对话。为了提供适当的沟通,一些改进的基于眼动跟踪控制系统开发。Nehete et al。14)设计了一个眼动跟踪鼠标,允许用户通过积极与计算机通信移动眼球运动或鼻子等运动。Missimer和Betke15还构建了一个系统,使用头的位置来控制鼠标光标和模拟鼠标的左击并右键单击闪烁左或右单眼。

虽然上面提到的眼睛控制系统为用户提供的物理或适当认知障碍与计算机进行交互,设计的眼睛追踪器相当复杂和昂贵。用户应该穿不方便的设备,使控制系统的具体行动。为用户降低可用性的阈值,MastaLomaster [16)开发了一个原型的眼睛控制系统是基于低成本的眼睛追踪器。系统支持大多数商业的低成本眼睛追踪器,如Tobii EyeX和眼睛的部落。然而,用户应该选择所需的函数,然后用电脑,做真正的互动,不利于用户使用直觉和不自然。

为了提供更自然和更方便的沟通机制,提出一个基于眼动跟踪控制系统用户计算机的对话。系统结合鼠标和键盘功能功能,这样用户可以使用我们的系统来实现几乎所有的没有传统的输入设备输入到计算机。这是面向提高可靠性、机动性和可用性用户与计算机交互只使用他们的眼睛。这项工作的贡献可以进一步详细描述了通过满足以下要求:(1)而不是使用复杂的设备而设计的,该系统将提供非常轻便的设备,更方便用户使用。(2)提出的系统是面向广泛使用的可能性,支持大多数的低成本的眼睛追踪器为大多数用户负担得起的。(3)该系统实现所有的功能定期输入源,包括鼠标和键盘。用户可以有效地与计算机交互,只使用他们的眼睛。(4)该系统提供更自然,更方便用户计算机对话沟通机制,也可以避免恼人的用户提供不必要的对他们的行为的反应。

本文的其余部分组织如下:在部分2相关文献综述了基于眼动跟踪领域的通讯系统。设计和细节描述的工作流系统功能将在部分3。实验分析和评估该系统提出了部分4。最后,部分5总结了论文内容和为未来的工作提供了视角。

2。相关的工作

一般来说,眼睛跟踪测量眼球位置和确定视线方向的一个人,和眼睛的运动可以使用不同的技术跟踪。它可以分为四类:infrared-oculography (IROG)巩膜的搜索线圈方法(SSC), electrooculography(小城镇),和video-oculography (VOG)。目前,大多数的眼动跟踪研究人机交互是基于VOG [17),因为VOG技术最小化用户在某种程度上的侵袭性。

下巴等。18)提出了一个计算机用户光标控制系统,整合了来自肌肉的肌电图信号的脸和point-of-gaze坐标由人眼跟踪系统作为输入。虽然可以促进一个可靠的点击操作,比控制系统慢,只用眼睛跟踪和精度很低。Missimer和Betke15)构建一个系统,使用头的位置来控制鼠标光标和模拟鼠标的左击并右键单击闪烁左或右单眼。这个系统依赖于用户的头的位置来控制鼠标光标位置。用户的不规则运动的头会影响点击功能的准确性。卢普et al。19残疾人]提出了一个通信系统,它是基于一个特殊设计的设备组成的网络摄像头安装在眼镜框架进行图像采集和处理。眼动检测的设备和自愿的眼睛闪烁与象形图或关键词选择反映病人的需要。该系统的缺点是,不能准确检测的图像处理算法获得的图像质量和不健壮的光强度较低。之后,提高通信系统的可靠性,他们提出了一个眼动跟踪鼠标系统使用视频眼镜和一种新的健壮的眼动跟踪算法基于自适应二进制获得图像的分割阈值(20.]。

最近,一些类似的系统也由学者(21,22),这些系统的主要概念是从一个摄像头捕捉图像由用户安装在头部齿轮磨损或远程安装和提取信息从不同的眼睛特征确定的目光。自从商业眼睛追踪昂贵使用HCI,上面提到的所有眼睛的跟踪控制系统提出了自行设计的硬件和软件。这些系统很难实现广泛采用,因为闭源软件和硬件设计。

近年来,一些知名技术公司已经开发出低成本商业眼睛追踪器,如Tobii EyeX和眼睛的部落,这可以很容易地从网上买的。低成本的眼睛追踪器可以作为标准硬件眼动跟踪控制系统。为用户降低可用性的阈值,MastaLomaster [16)开发了一个原型的眼睛控制系统是基于低成本的眼睛追踪器和发布的应用程序编程接口(API)。这个系统是由鼠标和键盘的功能,和用户应该选择所需的函数,然后用计算机做真正的互动。眼动跟踪控制系统的准确性取决于眼动跟踪工作。然而,该系统的使用流程不利于用户的直觉和不自然的用户与计算机沟通顺利。因此,在本文中,我们提出一个基于眼动跟踪的控制系统,不仅支持低成本商业眼睛追踪器还提供更自然,更方便用户计算机对话交流机制。

3所示。系统设计

提出了基于眼动跟踪控制系统是一个软件应用程序运行在低成本的眼睛追踪器。应用程序检测到用户的目光与眼动跟踪的“鼠标光标控制”功能。鼠标光标控制允许用户将鼠标光标重定向到注视的位置。因此,我们将实现在用户表根据鼠标光标的位置。凝视了几秒钟,这个工具会生成相应的事件。通过这种方式,用户可以选择并点击相应的功能。

3.1。系统架构

图1说明了系统组件和交互的虚拟鼠标系统。软件应用程序被组织成两个部位的眼睛跟踪引擎部分和鼠标模拟部分。眼动跟踪引擎部分匹配我们的软件应用程序与眼动跟踪设备(如眼睛部落追踪,使眼睛来控制鼠标光标)眼睛控制鼠标的功能。鼠标模拟部分定义了如何提供的信息处理鼠标光标。这部分由组件包括主界面,鼠标/键盘模拟引擎,用户操作检测模块,停止(睡眠)模块,鼠标功能模块,模块和键盘功能,呈现在图1。(1)主界面:它集和管理启动对话,提供用户访问用户操作检测模块,停止(睡眠)模块,键盘鼠标功能模块和功能模块。(2)鼠标/键盘模拟引擎:它创建动态工具窗口,自动改变工具窗口的大小根据屏幕分辨率,并决定是否显示或模糊工具栏;当触发功能菜单时,它发送用户鼠标功能模块的角度;它接收信息模块和执行相应的为用户鼠标/键盘事件。(3)用户操作检测模块:此模块中的固定函数定义来计算用户的注视时间并确定鼠标坐标由眼球运动。另外,这个模块决定选择的函数或关键用户并触发相应的鼠标/键盘事件。(4)停止(睡眠)模块:它决定是否停止眼跟踪和进入睡眠模式,决定跳出睡眠模式和重启眼睛跟踪。(5)鼠标功能模块:接收用户从模拟引擎和转移的角度坐标固定函数在用户操作检测模块中,系统可以直接执行函数被选中后的观点。如果第二个观点是需要完成的动作,视图坐标是转移到模拟引擎执行的事件。除此之外,该模块为用户提供了各种虚拟鼠标功能与眼球运动操作电脑。有完全在这个模块六个鼠标功能,即左击(ILEFT),连续左击(左),双左击(双),右键单击(右),拖动(IDRAG)和滚动(滚动)(图2)。(6)键盘功能模块(键盘):为用户提供虚拟键盘功能通过眼球运动输入文本。

3.2。工作流

在我们的系统中,鼠标光标直接应用于眼动轨迹。因此,鼠标坐标计算并记录每50毫秒追踪眼球运动。一个有效的目光(点击)如果两个相邻数的距离不超过50像素连续50项。这样用户可以点和点击。认为用户希望采取行动在50鼠标的坐标记录。因此,当前的鼠标坐标被储存起来,然后在我们的系统中传输。提出的工作流系统呈现在图3。首先,函数检测用户的目光。如果检测到一个有效的目光,50鼠标坐标存储作为操作点。与此同时,工具栏出现在点等待用户进一步选择鼠标的功能。其次,目光检测模型检测用户是否凝视着特定的工具。如果从工具栏中选择工具,这个工具盒的颜色将从灰色变成白色。此外,系统将调用的函数模块和执行相应的操作。如果第二个有效的目光是必须完成的工具功能,该系统将等待记录第二注视的位置。一旦目光人眼检测模块接收第二有效协调,协调信息存储和转移到功能模块。如果系统没有检测到用户的目光选择工具的工具栏弹出后超过2.5秒,它将消息发送到主界面模块关闭和隐藏工具栏。 Meanwhile, the system gets into sleep mode, in which the tracking for mouse cursor is stopped and waits to be waked up by users. When the mouse coordinate is moved at a range out of 100 pixels from the stopped coordinate, the timer restarts and the system is waken up to tacking eye movements.

3.3。功能和使用流动

本节包含一个描述提出的功能函数。当使用该虚拟鼠标,我们建议用户按照后来描述的处理步骤。首先,连接眼睛部落设备和校准检查用户眼睛的条件。然后打开鼠标光标控制功能的眼睛部落设备。最后,开始我们的系统并开始凝视行为目标的位置。系统功能的使用流可以简单地分为三种类型:单目光类型、双目光类型和开关模式类型。

对于单一的目光类型,包括左/右击,双左击,和键盘功能,用户只需要使一个有效的目光在目标位置上完成功能。我们建议这种类型两个步骤:(1)注视位置你想做动作,直到工具栏出现在屏幕上;(2)目光在功能上你想选择工具栏上的,直到函数框的颜色从灰色变为白色,指事件触发的函数。对于双目光类型,包括拖拽功能,需要两个有效地凝视着不同位置为用户完成功能。需要第三步:(3)凝视在第二个目标在屏幕上的位置。第三步后,函数执行事件。开关模式类型包括继续左击并滚动的功能。显示工具栏后,第一个目光在功能上框将开关函数和第二凝视框会关闭功能。功能和使用的详细信息流动的功能说明如下:(1)ILFTE:这个按钮设计实现的功能单一的左击。(2)左:这个按钮是指连续的左击。系统提供了一种开关模式(开/关)按钮为用户简化操作的每个左击当他们想点击多个连续的链接。工具栏出现后,按钮上的第一次目光意味着切换连续左击功能和按钮上的第二个目光意味着关闭功能。当功能是开放的,只有一个有效的目光在响应位置需要用户完成左击操作,没有反复盯着左边工具栏上的按钮。(3)右:这个按钮是用来实现单一右键的功能。(4)双:这个按钮是指双左击。它是专为用户打开一个文件夹或快速高效地执行程序。(5)IDRAG:这个按钮是专为用户拖拽文件或选择文本。系统需要得到两个有效的凝视来完成这个动作。例如,拖放文件,用户要求的计划步骤如下:盯着屏幕上的文件图标,选择IDRAG按钮在工具栏,盯着目标位置在屏幕上移动。(6)滚动:这是为用户设计的滚动页面。开关模式是提供给开/关这个函数。在这个过程中,工具栏会自动重置到屏幕边缘的位置,一个阅读模式,这将不会干扰用户的阅读体验。当用户凝视着四分之一的页面的上部区域,此页面将向下滚动。反过来说,这个页面将向上滚动,当用户凝视着下方的四分之一的页面区域。页面将会停止滚动,如果用户凝视的two-fourths页面的中间部分区域。当完成使用滚动功能,用户将目光回到按钮来关闭这个功能。(7)键盘:这个函数为用户提供了一个虚拟键盘接口使用眼动输入文本。虚拟键盘使用MastaLomaster[发布的源代码16]。这是一个虚拟键盘包含所有的功能从“QWERTY键盘键。一旦用户凝视着关键的区域;一个进度条将出现在顶部的空格键,倒计时开始。在倒计时的功能将自动执行的关键。如果用户想关闭虚拟键盘,他/她将目光工具栏上的关闭功能。

4所示。实验结果和讨论

在实验阶段,我们进行了两个实验和不同程度的复杂性,以评估系统的可用性和可靠性。在第一个实验中,通过搜索任务中,我们测试了系统的一系列操作,如搜索、复制、粘贴,等等。引入技术接受模型(TAM),戴维斯(23),被用来评估用户系统接受和理解的原因人们接受或拒绝该系统。在第二个实验中,我们测试了用户的接受虚拟鼠标的一个简单和容易的浏览的任务。小说系统和以前的系统进行了测试,并质疑TAM测量在这个过程。此外,分析的统计方法是用来比较用户的验收提出虚拟鼠标和其他虚拟鼠标系统之间。最后,系统可用性量表(SUS)是评估用户的满意度管理提出虚拟鼠标的可用性。完全,46岁受试者参加了我们的实验。他们所有人或corrected-to-normal视力正常,他们没有经验和眼动跟踪需要一个最小系统使用的培训。

为了验证系统的可用性,我们使用TAM问卷和SUS问卷来收集用户的虚拟鼠标的感知系统。TAM使用理性行动理论作为理论依据指定两个关键信念之间的因果联系:感知有用性和感知易用性和用户的态度、意图和实际计算机采用行为(23]。在我们TAM测量,我们对感知有用性的项目规模(PU),感知易用性(EOU),使用(前提),态度和行为意图使用(BI)关于系统采用从戴维斯et al。24]和文卡特斯赫和戴维斯[25]。我们PU定义为一个人相信的程度使用该系统提高他或她的性能。EOS被定义为一个人的程度相信使用该系统是自由的努力。此外,前提被定义为使用系统时用户首选项。BI是程度的用户喜欢使用系统在未来。此外,用户可能会使用这个系统,因为交互过程收益率乐趣和享受26]。因此认为兴趣(PI)也被视为构建来验证系统的可用性。π是衡量项目改编自曾等的工作(27]。应对每项5分李克特量表测量上,从“强烈不同意”(1)到“强烈同意”(5)。在会话结束时,参与者被要求完成SUS问卷(28),一个标准的可用性测量工具通常用于测量用户的态度和系统设置。科技的全球开发者独立和广泛使用的硬件、软件、网站等等。调查问卷由10个问题,每一项得分从1(强烈不同意)到5(非常同意)。调查问卷的结果是1和100之间的值。参与者的反应SUS问卷被证明是有价值的评估工具,健壮和可靠的。

在准备实验中,与22英寸纯平一台台式电脑分辨率液晶使用。创建虚拟鼠标的程序。鼠标光标控制功能是用眼睛部落跟踪设备来实现,这是便宜的但是具有良好的精度。创建一个文档的实验任务指导实验的参与者。

4.1。搜索实验

在本部分中,我们测量提出了虚拟鼠标,TAM的用户验收。26个参与者,包括11个男性和15个女性和从17岁到40岁(M = 24.77, SD = 5.78),参与了这一任务。一开始的实验中,参与者被介绍给虚拟鼠标。然后他们被允许花大约5分钟练习虚拟鼠标本身。实践结束后,参与者被要求承担一个舒适的位置和不动太多,最大化眼动跟踪的准确性。然后,眼动跟踪的校准。参与者当时准备好开始提出解决的任务系统。在任务期间,志愿者只允许使用该应用程序进行实验过程没有鼠标和键盘设备。然后他们被要求填写问卷的TAM提出虚拟鼠标系统,我们可以预测和解释用户提出系统的接受和拒绝。搜索任务的流程如下所示:(一)请输入“IEEE探索”的主页键控在谷歌“IEEE”并单击search按钮。(b)请搜索文章“基于眼睛的一个广告视频分析系统——跟踪”通过复制标题IEEE任务文档搜索领域的探索。(c)输入本文通过点击文章标题在搜索结果中。(d)找到“会议日期”的文章页面,并粘贴下面的出版日期。

这个过程允许参与者使用各种控制功能,如左击,右键单击,滚动,antiwhite和虚拟键盘功能。TAM结果使用该系统在搜索任务如表所示1。每个构造的平均值在2.70和3.59之间,每个构造的标准偏差值在0.92和1.23之间。在这些结构中,聚氨酯的平均值(2.70)相对较低,表明参与者普遍认为该系统的使用可能不会有助于复杂搜索任务。前两个高分数的平均值都归功于π首先在第二个前提,分别为3.59和3.27,这意味着一般参与者提出的接口和操作工具和有乐趣在使用这个工具。此外,EOU的平均值(3.05)和BI超过三(3.05),表明参与者普遍同意的事实,提出系统是易于使用和在未来他们愿意使用它。

4.2。浏览实验

在本节中,我们之间的性能比较,提出了系统和以前的系统(16从主观和客观证据(TAM问卷)(操作时间)。此外,我们还要求用户填写SUS问卷调查在我们的系统来评估系统的用户满意度在浏览的任务。20新的参与者,男性和11个女性组成的9,从19到33岁(M = 25.60, SD = 4.91),参与这个过程。每个参与者使用了两个系统,一个随机的使用顺序。类似于搜索的实验过程中,参与者被指示系统中,实践与系统,获得了校准前眼动跟踪任务开始。参与者首先要求使用一个完整的随机分配系统和系统填写问卷。然后他们被允许使用其他系统并完成问卷调查。浏览任务的流程如下所示:(一)请选择网页(如社交平台,在线文本)你想浏览。(b)请使用虚拟鼠标功能选择页面浏览了15分钟。

这个任务允许参与者经常使用的基本控制功能,如左击并滚动。

4.2.1。准备表演

TAM结果对该系统在浏览任务如表所示2。在浏览任务中,每个构造的手段更比搜索任务,这意味着参与者认为这个工具更适合比搜索浏览。类似于浏览搜索任务,任务前两个高分也归功于π(4.26)和前提(4.28),这意味着参与者一般系统和有趣的使用在这两个任务。EOU,至于剩下的维度,PU和BI,他们都有平均得分高于3,分别为3.45,3.69,和4.20,这意味着积极的感知对拟议的系统。

4.2.2。比较结果

主观的比较结果。评估虚拟鼠标系统之间的统计学意义上的差异,在Wilcoxon符号秩测试使用。这种非参数检验是用来代替传统方差分析方法,因为样本量很小。表2显示的结果Wilcoxon符号秩测试。如表所示2,该聚氨酯体系经历显著更高的价值。提出系统的平均值是3.45比2.95系统相比的。它意味着该系统被认为是比系统[相比更有用16在浏览简单的操作系统。统计上显著的差异也发现的物品,如π,前提和BI。提出系统经历了平均4.26,4.28,和4.20,比4.11,3.83,和3.88的系统相比,分别。这些表明,在一般的参与者认为该系统使用在浏览任务随着越来越多的优点。虽然没有发现显著差异在EOU之间拟议的系统和系统相比,参与者通常被认为是该系统相比更容易使用比系统。

客观的比较结果。获得客观评价数据,我们记录了滚动操作的操作时间从5参与者相比,提出的系统和系统之间的比较(16]。的时间为用户成功打开记录滚动功能。表3的比较结果显示时间启动滚动功能与控制系统。平均时间开放的滚动功能提出的系统是3.4秒,比7.8的系统。这意味着该系统比其他系统更节约时间浏览。

4.2.3。系统可用性程度

在课程结束的时候,参与者被要求完成SUS问卷。表4介绍了SUS问卷调查的结果。系统实现了SUS得分为73.75分,这是“好”和“优秀”之间根据班戈的研究(班戈,2009),显示用户普遍认为系统有一个性能优良的浏览数据。

为每个项目的标准差接近或小于1,表明参与者的意见是相似的。如表所示4,所有的奇数项高于2.5,这意味着大多数参与者愿意给高和积极的分数。其中奇数项、第五项项目7和9项获得分数超过三个,这意味着大多数参与者相信系统的功能集成和容易使用。即使项目中,所有的项目都低于2.5,这对我们的系统是一个很好的情况。这表明这个系统并不难使用,参与者可以使用这个系统没有太多技术的帮助。总的来说,参与的反馈表明,他们提出的虚拟鼠标系统感到满意。

5。结论

为了让用户与计算机交互自然和方便地只使用他们的眼睛,我们提供了一个基于眼动跟踪控制系统。系统结合鼠标和键盘功能功能,这样用户可以使用我们的系统来实现几乎所有的没有传统的输入设备输入到计算机。该系统不仅使残疾人用户操作电脑一样的普通用户也为普通用户提供了一个新颖的选择操作电脑。根据我们的TAM问卷分析,参与者认为我们的眼球运动系统是容易学习。同时,参与者展示他们的兴趣用眼睛控制系统提出搜索和浏览信息。他们期待看到更多的研究成果的使用眼球追踪技术与计算机进行交互。

在浏览实验中,该系统提高了浏览效率和经验,以及与系统用户可以与多媒体互动。与前面的系统相比,参与者通常更喜欢使用我们的虚拟鼠标系统在系统接口设计和操作经验。提出系统证明是更有效和节约时间比相比,系统根据客观证据。在SUS问卷部分,参与者认为高集成功能的系统是一个简单的方法。此外,系统的操作很容易学习和使用的集成互联网和多媒体。目前,该系统适用于普通操作行为通过模拟鼠标和键盘与计算机进行交互。在未来,我们将努力增加新的操作功能为用户更多的使用情况与媒体沟通和调整我们的系统在新的平台上,如平板电脑或手机。我们还将开发系列操作模块为了实现一个完整的操作经验为用户从开启到关闭电脑。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

MOE的基金支持的工作是在中国(教育部)人文社会科学项目(批准号17 yjc880076),中国国家自然科学基金(批准号61702102),最台湾(批准号105 - 2511 - 009 - 007 - my3)。

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