A què estàs mirant? Mirant els ulls

Villanueva Larre, Arantxa

Telekomunikazio Ingeniaritzan doktorea

Nafarroako Unibertsitate Publikoa

Encara que la recerca sobre els sistemes de seguiment de la mirada va començar fa dècades, llavors, entorn de finals dels 60, el poder controlar un ordinador amb l'ull era un somni totalment inimaginable per als seus primers admiradors. No obstant això, des de llavors aquests sistemes s'han desenvolupat amb gran rapidesa i han fet cada vegada més clara la via per a fer realitat aquestes intencions que semblaven inaccessibles. Els desenvolupaments i aplicacions del sistema de seguiment de l'ull, eye tracking, han despertat cert interès en els últims anys.
A què estàs mirant? Mirant els ulls
01/04/2007 | Villanueva Larre, Arantxa | Doctor en Enginyeria de Telecomunicacions per la Universitat Pública de Navarra

(Foto: D'arxiu)
La tecnologia de seguiment ocular abasta des de la informàtica fins a la psicologia. El procés de la imatge, l'electrònica, l'òptica i l'anàlisi dels processos cognitius tenen a veure amb el disseny i ús d'aquests sistemes. Però... quin objectiu pot tenir seguir la mirada d'un ésser humà i analitzar-la?... Quin tipus de sistemes i tècniques permeten conèixer el moviment dels ulls d'una persona? Respondrem lentament a aquestes preguntes.

Aplicacions de sistemes observacionals

Pel que fa a les aplicacions d'aquests sistemes, es pot classificar en usos amb finalitats diagnòstics i usos amb finalitats interactius.

Usos diagnòstics

L'atenció o atenció és un procés que focalitza la capacitat d'entendre el nostre entorn en un estímul concret. Té a veure directament amb la nostra part cognitiva i conèixer el moviment dels ulls ajuda en gran manera a comprendre aquests mecanismes. La utilització d'un sistema eye tracking com a eina diagnòstica ha generat eines per a mesurar la relació entre el moviment dels ulls i l'atenció. Es poden aplicar en psicologia però també en altres àmbits, sobretot en el de màrqueting i publicitat.

S'han fet treballs interessants en aquest camp. Recentment s'han obtingut resultats diagnòstics rellevants en neurociència i psicologia. Un dels apartats més estudiats és el dels moviments oculars en els processos de lectura de textos. L'anàlisi dels moviments oculars durant la lectura ajuda a detectar certs errors i patologies, sent la dislèxia una de les més conegudes. L'objectiu dels sistemes d'eye tracking en aquest camp seria registrar la trajectòria visual de la persona davant el text perquè la psicòloga o l'especialista corresponent interpreti les dades. De la mateixa manera, els estudis i treballs realitzats consideren l'estudi dels moviments oculars com una valuosa eina per al diagnòstic precoç de l'esquizofrènia i l'estrabisme.

Els punts blaus representen els punts de vista registrats sobre el text.
D. Salvucci/Drexel Univ.

Continuant amb les aplicacions diagnòstiques, també s'han trobat treballs més complexos que exploren entorns intel·ligents. Cada ésser humà segueix un patró en explorar el seu entorn. L'anàlisi dels moviments oculars en la percepció lliure té conseqüències positives per a comprendre els mecanismes que utilitzem per a assimilar el medi ambient.

Punts observats per un especialista en analitzar una mamografia i recorregut amb els ulls.
C.E. Nodine et al./Pendergrass Lab. i Estudi de Mama per Imatge en la Univ. de Pennsylvania

En general, aquests sistemes són una potent eina per a comprendre i mesurar la intel·ligència humana. En funció de l'aplicació, les conseqüències poden modificar positivament el comportament de l'ésser humà en certes accions. És sabut que la falta d'atenció provoca accidents en la conducció. En els últims temps s'han realitzat importants esforços en automoció. Sens dubte, l'anàlisi dels moviments oculars del conductor és una eina perfecta per a detectar la falta d'atenció i el somni del conductor. Els resultats experimentals serviran per a aconseguir cotxes més segurs en el futur.

Similars usos es poden trobar en la indústria i en la medicina. En la indústria, el registre i control de qualitat dels productes es realitza sovint a través de la vista, i una mala anàlisi pot tenir conseqüències greus. No obstant això, pot ser més greu que un especialista explori poc una ressonància o altres imatges mèdiques. L'anàlisi dels moviments oculars, tant en la indústria com en els estudis d'imatges mèdiques, pot ser utilitzat per a detectar estratègies d'inspecció repetitives o escasses de l'ésser humà.

En els dos anuncis de l'esquerra, els punts blaus més grans són els que més atenció han despertat. En la imatge de la dreta apareixen marcades les parts més explorades d'una pàgina web.
Institut de Recerca de Màrqueting de Consum del Japó; M. Russel/Laboratori de Recerca de Programari Accessible/Unitat Estatal de Wichita.
Finalment, però potser amb major força, s'ha obert un ampli camp al voltant del món de la publicitat i el màrqueting. La mirada del consumidor és una font d'informació de gran valor. En la publicitat, el camí recorregut pels ulls és una dada innegable per a saber si s'ha vist i assimilat una part determinada de l'anunci.

En la mateixa línia, els estudis sobre les pàgines web ja han començat a assentar certs principis de disseny. Segons els estudis realitzats, en general, en la pàgina web s'explora en primer lloc l'apartat superior esquerre. Els resultats indiquen que tractem de buscar lletres majúscules, que semblen estar normalment en aquesta zona.

Usos interactius

Els usos interactius dels sistemes eye tracking han d'entendre's dins del context de comunicació home-ordenador. En aquest sentit, en algunes situacions en les quals no és possible utilitzar les mans es presenten com una opció interessant.

La capacitat motriu de l'ésser humà, és a dir, el control motor, es veu afectada per nombroses malalties i patologies com l'esclerosi múltiple, l'esclerosi lateral amiotròfica, la paràlisi cerebral, el mal de la medul·la i l'infart cerebral, entre altres. Malgrat les seves peculiaritats, independentment del seu origen, tenen com a característica destacable la reducció de la capacitat motriu. Sovint, aquesta deterioració pot arribar a les màximes mesures, provocar la immobilitat total i convertir a l'home en presoner del seu cos.

No obstant això, normalment, fins i tot en etapes avançades de la malaltia, el moviment ocular controlat es manté intacte i es converteix en una única via de comunicació. En aquests casos, la ubicació anterior de la pantalla de la mirada pot utilitzar-se com a instrucció per a l'ordinador. Amb aquest objectiu s'han creat nombrós programari específic. Les aplicacions més conegudes són els anomenats teclats virtuals. En elles, l'usuari del sistema eye tracking pot seleccionar lletres i paraules mirant en el teclat que apareix en la pantalla i completar així les frases. Això permetria, en gran manera, superar les seves dificultats de comunicació.

En la figura es mostra un exemple senzill. Gràcies al sistema eye tracking, la pel·lícula es deté quan l'espectador porta la mirada fora de la pantalla, perquè el sistema entén que l'espectador crida l'atenció en una altra cosa.
Human Mitjana Lab. Univ. de Queens

L'aplicació dels sistemes d'eye tracking és àmplia en l'àmbit de les discapacitats i cada dia apareixen noves possibilitats.

No obstant això, existeixen usos interactius no relacionats amb la immobilitat. La seva base és la relació entre el punt en el qual es corregeix la mirada en la pantalla i l'interès de l'usuari. Aquestes es denominen Gaze Contingent Display (GCD) o interfase sota vigilància. En ells es pot adaptar l'entorn de la pantalla explorada a l'usuari, per exemple, mostrar més detalls, utilitzar un zoom automàtic o crear nova informació relacionada amb l'anterior.

De la mateixa manera, resulta interessant l'aplicació d'aquestes tècniques a la realitat virtual i al món dels dibuixos animats. És sabut que aquest tipus de treballs suposen una gran càrrega de computació. Produir imatges de qualitat no és un procés tan simple. L'objectiu dels sistemes d'eye tracking seria endevinar quina és la part de la imatge que l'espectador observa per a mostrar aquest element amb millor definició i més detall. En la resta de parts, no obstant això, es perdria la qualitat, facilitant així la reproducció de la imatge.

Tècniques i sistemes de seguiment de la mirada

Amb l'anterior, es pot dir que els sistemes eye tracking tenen certa aplicació… però què és un sistema eye tracking? En què consisteix el seu funcionament? El treball de Young i Sheena resumeix perfectament els recursos que ofereix la tecnologia per a seguir la mirada. En realitat, existeixen diverses tecnologies que permeten analitzar la mirada de l'ésser humà, sent les més conegudes l'electrooculografía (EOG) i la videooculografía (VOG).

Exemple de sistema OMR.
Metre Vision
Les tècniques del primer grup van ser àmpliament acceptades fa uns quaranta anys. El seu fonament és mesurar els canvis de tensió elèctrica que produeix el cos en moure l'ull. Per a registrar aquests canvis de senyal elèctric és necessari pegar elèctrodes al voltant de l'ull. Aquestes variacions es produeixen entre 15-200V. S'assumeix una variació mitjana de 20V en girar un grau per l'ull.

Els contraris a aquesta tècnica utilitzen com a argument d'oposició interferències. És innegable que els moviments musculars que hi ha al voltant tenen una influència notable en el senyal. A més, la dependència de l'amplària de la pupil·la de la llum altera el funcionament dels elèctrodes. En conseqüència, aquesta tècnica requereix condicions molt especials perquè els resultats obtinguts siguin dades representatives de l'ocorregut.

Les tècniques videoculográficas utilitzen una càmera per a gravar les imatges de l'ull. La base és simple: la imatge de l'ull canvia a mesura que canvia la mirada. Quant a aquests sistemes, les fonts de llum que operen en l'infraroig pròxim (750-880 nm) tenen un ús notable. La capacitat de visió de l'ésser humà aconsegueix els 700 nm, per la qual cosa aquest tipus de llum és invisible, és a dir, no apreciem l'efecte produït en l'ull. L'objectiu de la llum és, d'una banda, generar imatges oculars d'una qualitat acceptable i, per un altre, provocar peculiaritats concretes en la imatge, que es generin reflexos en la superfície de la còrnia.

Exemple de sistema VOG. La càmera grava la imatge de l'ull. A la dreta, imatge de la pupil·la. En aquest cas es veuen clarament dos reflexos en la imatge.
IRISCOM; Univ. de Navarra Público

Normalment, utilitzant tècniques de procés pròpies de la imatge, en les imatges gravades es busquen característiques especials com la forma de la pupil·la, la disposició dels reflexos, etc. Els canvis en aquestes característiques estan directament relacionats amb la variació de la mirada.

Exemple d'un sistema que es col·loca a dalt com a ulleres al cap. A baix, un sistema que subjecta el cap de manera fixa mitjançant un suport.
SR Research Eyelink; Laboratori de percepció visual. Institut de Tecnologia Rochester; Tecnologies Fourward.

Un dels grans límits d'aquests sistemes és el moviment del cap. L'usuari ha de mantenir el cap fix en una zona per a no anar fora de la cambra. Malgrat l'escassa importància d'aquesta barrera en l'àmbit de la immobilitat, en alguns usuaris i aplicacions no és tasca fàcil, ja que les lents i objectius de camp que utilitzen aquests sistemes deixen poc espai a la llibertat. Amb l'objectiu de superar aquesta barrera, diversos investigadors han proposat noves solucions. Els més coneguts són els sistemes que s'apliquen directament sobre el cap, com un casc o una porta mala sort. El cap pot moure's lliurement, ja que la cambra es mou amb ella.

També disposem de sistemes que mantenen el cap fix mitjançant un suport. El problema desapareix perquè es pot acceptar que el cap es queda quieta. Per part de l'usuari es perd comoditat.

Exemple d'un sistema d'eye tracking multicámara.
T. Ohno/NTT Cyber Solutions lab./ Corporació NTT
En l'última dècada molts investigadors han tractat de superar les barreres i limitacions que aquests sistemes generen. En aquest sentit, els resultats més destacats han estat els sistemes d'eye tracking multicámara o estèreo. D'una banda, la posició del cap es determina mitjançant dues cambres de camp ampli, situades en la imatge (esquerra, a baix) sobre la pantalla. Si es col·loca el cap en l'espai, l'altra càmera que segueix l'ull, la part inferior de la pantalla, s'enfoca cap a aquest punt utilitzant motors especials per a obtenir una imatge adequada per al seu processament.

Amb l'anterior, podem afirmar que el futur dels sistemes d'eye tracking està assegurat. A mesura que es millorin les tècniques emprades, podem esperar una major escolta d'aquests aparells.

Cura, per tant, quan et poses davant de l'aparador d'una botiga... Algú mira a tu!

Atenció
(Foto: Unitat Inst. Recerca Aplicacions Visuals/Derby)
Fa quatre anys es va realitzar un interessant experiment en la National Gallery de Londres. David Wooding, conegut investigador que va morir fa un parell d'anys, va registrar moviments oculars de persones davant quadres utilitzant un sistema d'eye tracking. Les dades emmagatzemades serien una mesura directa de l'interès de la persona. En l'exemple, el recorregut d'un espectador amb l'ull es representa per ratlles i punts. Es pot considerar que els trams més observats són els que han prestat major atenció.
(Foto: Human Mitjana Lab./Univ. de Queens.)
També s'han fet treballs curiosos en aquest camp. Un dels més curiosos és Auramirror, de l'equip dirigit per Roel Vertegal en la Universitat de Queens al Canadà. L'objectiu és mesurar, a través dels moviments dels ulls, l'atenció entre l'oïdor i el ponent en una conferència o entrevista. Segons els investigadors, el contacte ocular podria mostrar cert interès mutu i la durada d'aquest contacte seria la mesura de l'atenció. Aquesta atenció es manifesta mitjançant un “núvol” virtual.
Fonaments de tècniques videooculográficas
Al marge dels aspectes matemàtics més complexos, les tècniques videooculográficas poden classificar-se en diversos criteris. Una de les més conegudes és la dels sistemes que utilitzen una pupil·la clara i una pupil·la fosca. La diferència entre aquestes tècniques radica en la posició de la font lluminosa respecte a la cambra. Si la font lluminosa se situa en l'eix de simetria de la cambra, en la imatge apareix la llum pupil·la. Té la mateixa base que un efecte freqüent en la utilització del flaix en les fotos, l'efecte dels ulls vermells. Com el flaix està prop de la càmera, tota la llum reflectida en la retina de l'ull gira directament a la imatge i es representa amb una pupil·la vermella destacada. En el cas dels sistemes eye tracking, ja que treballen amb imatges en blanc i negre, l'efecte es reflecteix en un gris clar. No és necessari dir que aquest efecte desapareix si la font de llum es col·loca lluny de l'eix, llavors la pupil·la apareix més fosca en la imatge.
(Foto: Univ. de Navarra Público; Centre de Recerca d'Almadas d'IBM)
Bibliografia
Chapman, P. Underwood, G.
Eye Guidance in Reading and Scene Perception.
Elsevier, Oxford, England, 1998.
------
Duchowski, T.
The Eye tracking Methodology. Theory and Practice.
Springer-Verlag Londres Ltd. 2003.
------
Henderson, J.M. Ferreira, F.
The interface of Language, Vision, and Action.
Psychology Press, Nova York, 2004.
------
Young, L.R. i Sheena, D.
Survey of eye movement recording methods.
Methods Designs, Behavior Research Methods and Instrumentation, 7, 5, 1975, 397-429.
Villanueva Larre, Arantxa
Serveis
Més informació
2007
Seguretat
041
Premis; Programari; Tecnologia; Comunicació
Dossier
Serveis
Babesleak
Eusko Jaurlaritzako Industria, Merkataritza eta Turismo Saila