作者：Christoph Goeltner歐司朗光電半導(dǎo)體產(chǎn)品經(jīng)理

強大的計算機芯片、高效的紅外 LED 和現(xiàn)代相機傳感器現(xiàn)在使以前復(fù)雜的眼動追蹤系統(tǒng)能夠適應(yīng)消費者應(yīng)用。這些系統(tǒng)使設(shè)備能夠檢測用戶的眼球運動并識別用戶下一步想要做什么。結(jié)合已建立的輸入法，眼動追蹤開辟了人機之間大量新的直觀交互。

幾十年來，鍵盤和鼠標(biāo)一直是我們操作計算機的傳統(tǒng)工具。隨著智能手機和平板電腦等移動設(shè)備的到來，需要新技術(shù)來與這些既沒有鍵盤也沒有鼠標(biāo)的微型計算機進行有效的通信。觸摸屏成為使這些電子伴侶易于使用的關(guān)鍵技術(shù)。語音識別的加入讓一切變得更加直觀。

預(yù)期的設(shè)備

隨著物聯(lián)網(wǎng)變得司空見慣，我們想要與之通信的電子設(shè)備的數(shù)量將進一步增加。一個很好的例子是智能家居，已經(jīng)可以使用語音控制恒溫器。未來我們還將與機器人互動。除了交互式工業(yè)機器人外，還有用于家庭和醫(yī)療保健領(lǐng)域的機器人助手已經(jīng)在開發(fā)中。今天，設(shè)備可以通過觸摸屏接收命令，并通過內(nèi)置麥克風(fēng)聽到用戶想要的東西。在眼動追蹤系統(tǒng)的幫助下，他們還能夠檢測到用戶正在看什么，并預(yù)測他們接下來想要做什么。這將為人機之間的直觀交互開辟一系列新的可能性。

在許多情況下，用于眼動追蹤的硬件已經(jīng)可用

眼動追蹤系統(tǒng)檢測一個人的眼球運動和他們注視的方向。最初，它們是為市場研究、行為分析和可用性研究而開發(fā)的。而且它們也已經(jīng)使用了一段時間，以幫助不再使用雙手操作計算機的人。其中許多系統(tǒng)使用紅外光照亮用戶的眼睛，用相機拍照并根據(jù)圖像數(shù)據(jù)計算眼球運動。這樣的系統(tǒng)需要特殊的高質(zhì)量相機、光源和軟件。有時會添加硬件加速器來處理大量圖形數(shù)據(jù)。如今，極其強大的芯片、緊湊型相機傳感器和現(xiàn)代大功率 LED 使眼動追蹤功能能夠集成到智能手機等消費設(shè)備中。更重要的是，在許多設(shè)備中，攝像頭傳感器和紅外光源已經(jīng)被用于其他功能，例如面部識別或虹膜識別。所需要的只是一個合適的軟件來集成眼動追蹤作為附加功能。

目前的發(fā)展

目前正在各個領(lǐng)域開發(fā)能夠?qū)⒀蹌幼粉櫽米餍碌母郊尤藱C界面的概念。已經(jīng)展示了具有眼動追蹤功能的智能手機和平板電腦，其中目光接觸用于激活圖標(biāo)或移動屏幕上的角色。具有眼動追蹤功能的游戲電腦讓游戲玩家有一種更多地參與到行動中的感覺。已經(jīng)提出了一些系統(tǒng)，其中游戲玩家可以使用眼球運動來控制屏幕上角色的視點，而不是使用鼠標(biāo)或觸控板。眼動追蹤可以以與計算機大致相同的方式使用——例如，使用眼睛滾動瀏覽文檔。在智能家居領(lǐng)域，也有使用眼神接觸與各種設(shè)備進行交流的方法。例如，已經(jīng)展示了具有眼動追蹤功能的智能電視。在汽車領(lǐng)域也提出了這些系統(tǒng)的可能應(yīng)用。一個很好的例子是駕駛員活動助手，它監(jiān)控駕駛員的眼睛以檢測疲勞跡象。眼球追蹤功能還可用于檢測駕駛員注視的方向，并確定他是在關(guān)注前方道路還是分心。這些信息將有助于避免道路上的危急情況。

消費領(lǐng)域的眼動追蹤系統(tǒng)

用于上述應(yīng)用的現(xiàn)代眼動追蹤系統(tǒng)基于用于照亮眼睛的紅外 LED (IRED) 和記錄眼睛反射光的高分辨率相機傳感器。圖像處理算法獲取這些原始數(shù)據(jù)并計算瞳孔的位置（圖 2）。使用有關(guān)參考對象（例如屏幕）位置的信息，特殊軟件能夠確定用戶正在查看的確切位置。紅外照明保證虹膜和瞳孔之間必要的對比度，無論眼睛是什么顏色，尤其是在黑暗中或屏幕背景非常明亮的情況下。

這種系統(tǒng)目前的射程可達一米。智能手機和平板電腦的典型工作距離約為 30 厘米，臺式電腦約為 60 厘米。屏幕上的分辨率對應(yīng)于眼睛的光柵大小，平板電腦約為 1 厘米，電腦約為 2 厘米。使用的 IRED 數(shù)量以及發(fā)射器和攝像頭的具體布置取決于應(yīng)用類型，即工作距離和要覆蓋的區(qū)域大小。設(shè)置也可能因所使用的眼動追蹤軟件而異，因為設(shè)計的幾何形狀還取決于算法可靠檢測瞳孔方向的能力。通常來說，一般來說，發(fā)射器和相機傳感器必須以一定的角度和相對于彼此的一定距離布置，以避免來自眼鏡的眩光或從眼睛直接反射到傳感器。該距離越大，信號質(zhì)量越好，用戶與設(shè)備之間最佳距離的選擇也就越靈活。

用于眼動追蹤系統(tǒng)的紅外 LED

例如，與虹膜掃描儀不同，虹膜掃描儀大多需要特定波長，眼動追蹤系統(tǒng)在寬光譜范圍內(nèi)運行。這些系統(tǒng)通常利用現(xiàn)有的虹膜掃描或面部識別系統(tǒng)以及波長為 850 或 810 nm 的現(xiàn)有 IRED。人眼將波長為 850 nm 的 IRED 感知為微弱的紅光。許多眼動追蹤解決方案制造商更喜歡 940 nm，因為這種光幾乎是肉眼看不見的。然而，目前，940 nm 設(shè)計的缺點是目前普遍使用的相機傳感器針對可見光進行了優(yōu)化，并且在紅外光譜中的靈敏度較低。在 940 nm 處，這種減少非常顯著（圖 3) 必須增強紅外照明才能達到與 850 nm 光源相同的信號強度。然而，鑒于基于紅外照明的大量不同應(yīng)用，相機制造商正在開發(fā)具有良好紅外靈敏度的新版本。

圖 3：針對可見光優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)相機傳感器的靈敏度在 850 nm 和 940 nm 之間顯著下降。具有 940 nm IRED 的眼動追蹤系統(tǒng)具有人眼幾乎無法察覺的優(yōu)勢。在大多數(shù)情況下，它們必須用更高的工作電流來補償降低的信號電平。資料來源：歐司朗

理想情況下，兩只眼睛都應(yīng)該在相機傳感器的捕捉區(qū)域內(nèi)。均勻照亮整個眼睛很重要。所需的紅外光量取決于工作距離，可能是幾瓦，即使對于移動設(shè)備也是如此。為了盡可能降低由于高工作電流導(dǎo)致的熱輸出，發(fā)射器以脈沖模式工作。盡管如此，熱管理是設(shè)計的一個重要方面，尤其是在更輕、更薄的智能手機和平板電腦中。在這方面，除了光輸出之外，IRED 的效率是一個主要因素。效率越高，產(chǎn)生的熱量就越少。

針對此類應(yīng)用，歐司朗開發(fā)了 Oslon Black 系列，并通過 SFH 4715A 實現(xiàn)了 48% 的創(chuàng)紀錄效率。850 nm 發(fā)射器通常在 1 A 時提供 770 mW 的光輸出，目前它是該工作電流下最高效的 IRED。借助納米堆棧技術(shù)，每個芯片提供兩個發(fā)射中心的堆棧版本可以實現(xiàn)更高的輸出。SFH 4715AS 通常在 1 A 的電流下產(chǎn)生 1340 mW 的光。發(fā)射角為 90 度和 150 度的兩個版本涵蓋了廣泛的不同設(shè)計。Oslon Black 版本在 1 A 時具有 990 mW 的光輸出，是 940 nm 光源的理想選擇。

圖 4：Oslon Black SFH 4715AS 是目前可用的最強大的 IRED 之一，波長為 850 nm。它以 1 A 的電流提供 1340 mW 的光。由于其低高度，它不僅適用于當(dāng)今的智能手機，而且適用于下一代設(shè)備。資料來源：歐司朗

Oslon Black 的一個特點是組件高度低，僅為 2.3 毫米。因此，該 IRED 不僅適用于當(dāng)今的智能手機，而且適用于下一代設(shè)備，盡管設(shè)備趨于更薄。

與任何具有紅外光源的應(yīng)用程序一樣，眼動追蹤系統(tǒng)必須符合眼部安全標(biāo)準(zhǔn)。到達普通用戶的紅外輻射量相對較低。但是，對于技術(shù)人員可能有近距離觀察紅外光源的風(fēng)險的情況，必須采取預(yù)防措施。連接到眼動追蹤系統(tǒng)的接近傳感器確保在這種情況下 IRED 被關(guān)閉。有關(guān)光學(xué)系統(tǒng)安全設(shè)計的更多信息，請參見歐司朗眼睛安全應(yīng)用說明等。?

我們被如此多復(fù)雜的電子設(shè)備所包圍，因此需要新的附加技術(shù)來實現(xiàn)人機之間的直觀交互。紅外照明和攝像頭傳感器的結(jié)合為各種交互技術(shù)提供了基礎(chǔ)，在這些技術(shù)中，設(shè)備可以看到用戶并解釋他們的意圖。眼動追蹤的例子展示了如何在這種硬件的基礎(chǔ)上，以軟件解決方案的形式實現(xiàn)新型交互。硬件組件的創(chuàng)新也在推動這一發(fā)展。例如，有一種趨勢是使用波長為 940 nm 的光源。因此，歐司朗正在擴展其用于面部識別、眼動追蹤和類似應(yīng)用的紅外發(fā)射器產(chǎn)品組合。

審核編輯 黃昊宇