什么是注視追蹤技術(shù)？這項(xiàng)技術(shù)是一種用于獲取人眼注視的位置和注意力的專業(yè)性技術(shù)，在部分領(lǐng)域、比如XR領(lǐng)域都有落地應(yīng)用。這篇文章里，作者就嘗試對(duì)XR技術(shù)領(lǐng)域中的注視追蹤技術(shù)的現(xiàn)狀、應(yīng)用與發(fā)展做了解讀，一起來(lái)看。

摘要：本文介紹了注視追蹤技術(shù)的定義和原理，其中涵蓋了外部傳感器和內(nèi)置傳感器兩種實(shí)現(xiàn)方式。通過(guò)觀察和分析眼球運(yùn)動(dòng)，注視追蹤技術(shù)可以揭示個(gè)體對(duì)不同事物的關(guān)注程度以及信息獲取與加工過(guò)程。

此外，文章還探討了該技術(shù)在視覺(jué)效果改進(jìn)、用戶交互體驗(yàn)等領(lǐng)域應(yīng)用，并詳細(xì)說(shuō)明了目前主流HMD產(chǎn)品中使用的不同注視追蹤方案。最后，文章提出了目前該技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：注視追蹤技術(shù)；HMD產(chǎn)品。

引言：注視追蹤技術(shù)是一項(xiàng)專業(yè)性工具，用于獲取人眼注視的位置和注意力。它基于神經(jīng)生理學(xué)和心理學(xué)原理，通過(guò)觀察眼球運(yùn)動(dòng)來(lái)揭示個(gè)體對(duì)不同事物的關(guān)注程度以及信息獲取與加工過(guò)程。

本文將介紹注視追蹤技術(shù)的定義、實(shí)現(xiàn)方法以及在視覺(jué)效果改進(jìn)、用戶交互體驗(yàn)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時(shí)，我們還將探討目前主流HMD產(chǎn)品中采用的不同方案，并分析該技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

隨著科學(xué)研究和市場(chǎng)需求的不斷變化，注視追蹤技術(shù)有望持續(xù)創(chuàng)新并推動(dòng)擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)（XR）技術(shù)領(lǐng)域向前發(fā)展。

一、什么是注視追蹤技術(shù)

1. 定義和原理

注視追蹤技術(shù)是一種用于獲取人眼注視的位置和注意力的專業(yè)性技術(shù)。它基于神經(jīng)生理學(xué)和心理學(xué)的原理，通過(guò)觀察并分析眼球運(yùn)動(dòng)來(lái)揭示個(gè)體對(duì)不同事物的關(guān)注程度以及信息獲取與加工過(guò)程。

圖一 注視追蹤技術(shù)原理圖

2. 實(shí)現(xiàn)方法：外部傳感器vs內(nèi)置傳感器

外部傳感器（如圖二 眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)）：

這種方法使用外置設(shè)備（例如紅外攝像頭或光儀）來(lái)捕捉被測(cè)試者眼睛移動(dòng)的軌跡，并計(jì)算出準(zhǔn)確且精細(xì)的注視點(diǎn)坐標(biāo)。這些外部傳感器可安裝在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、移動(dòng)設(shè)備或虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯中。其優(yōu)勢(shì)包括高度精準(zhǔn)、廣泛適應(yīng)性以及非侵入式特點(diǎn)，因此適合用于研究實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和市場(chǎng)調(diào)查等領(lǐng)域。

圖二 外置眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)

內(nèi)置傳感器（如圖三 電腦內(nèi)置攝像頭）：

此方法借助內(nèi)置于智能手機(jī)、平板電腦或虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備等產(chǎn)品之中已有的相機(jī)和其他相關(guān)硬件來(lái)檢測(cè)用戶目光所集中之處。通過(guò)利用圖像處理或計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)[1]，內(nèi)置傳感器能夠追蹤眼球運(yùn)動(dòng)并獲取注視點(diǎn)數(shù)據(jù)。此方法的優(yōu)勢(shì)在于使用便捷且與現(xiàn)有設(shè)備無(wú)需額外配件，適合進(jìn)行用戶體驗(yàn)研究、市場(chǎng)調(diào)查及個(gè)人生活習(xí)慣分析等實(shí)際應(yīng)用。

圖三 電腦內(nèi)置攝像頭

通過(guò)上述介紹我們可知道，注視追蹤技術(shù)是一種專業(yè)性工具，可以幫助我們了解人類(lèi)對(duì)事物的注意力集中程度和思維加工過(guò)程。其實(shí)現(xiàn)方法包括外部傳感器和內(nèi)置傳感器兩種方式，各自具有特點(diǎn)和適應(yīng)領(lǐng)域不同，并可廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和市場(chǎng)調(diào)查。

二、注視追蹤技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

1. 視覺(jué)效果改進(jìn)：真實(shí)感、逼真度提升

注視追蹤技術(shù)在游戲開(kāi)發(fā)、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。[2]通過(guò)準(zhǔn)確地捕捉用戶眼球的注視點(diǎn)，可以使系統(tǒng)對(duì)用戶焦點(diǎn)所在的區(qū)域進(jìn)行更精細(xì)和高保真度的渲染。這種技術(shù)為電影特效、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)和游戲體驗(yàn)帶來(lái)了巨大突破，能夠讓用戶更加沉浸于虛擬世界中，并提供出色的觀看體驗(yàn)。

2. 用戶交互體驗(yàn)：減少運(yùn)動(dòng)疲勞、提高操作精確度

在人機(jī)交互方面，注視追蹤技術(shù)也起到了重要作用【3】。通過(guò)監(jiān)測(cè)用戶眼睛移動(dòng)軌跡，可以預(yù)測(cè)他們感興趣或關(guān)注的元素，并將相關(guān)信息及時(shí)展示給他們。這能夠顯著降低用戶尋找目標(biāo)物品或信息而產(chǎn)生的頭部或手臂運(yùn)動(dòng)量，從而減少運(yùn)動(dòng)疲勞并提高工作效率。此外，在需要精確操作時(shí)（如CAD設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)手術(shù)等），注視追蹤技術(shù)也能夠提供更準(zhǔn)確的目標(biāo)選擇和交互指令，從而改善用戶操作精度。

通過(guò)上面的例子我們可以知道，注視追蹤技術(shù)在視覺(jué)效果改進(jìn)和用戶交互體驗(yàn)等方面具有廣泛的應(yīng)用。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶關(guān)注區(qū)域的精準(zhǔn)渲染，提升游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感和逼真度。同時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)眼球運(yùn)動(dòng)軌跡，該技術(shù)還能夠降低用戶運(yùn)動(dòng)疲勞，并大幅提高操作精確性，在工作效率和用戶體驗(yàn)方面帶來(lái)顯著改善。

三、目前注視追蹤技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

1. 主流HMD產(chǎn)品中使用的注視追蹤方案概述

1）OculusRiftS/Quest系列

OculusRiftS（如圖四）和OculusQuest系列使用了基于外部傳感器的光學(xué)窺探方法，通過(guò)紅外攝像頭來(lái)捕捉用戶眼球運(yùn)動(dòng)軌跡并提供高精度的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)。這種方案可以實(shí)現(xiàn)較大范圍且準(zhǔn)確地跟蹤眼睛移動(dòng)，為虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)增添真實(shí)感。

圖四 OculusRiftS

圖五 OculusQuest

2）HTCVive/VivePro系列

HTCVive（如圖六）和VivePro（如圖七）系列采用了基站式光學(xué)定位系統(tǒng)，通過(guò)安裝在房間角落或其他適當(dāng)位置上的紅外標(biāo)簽進(jìn)行定位。此方案可以提供更廣泛而穩(wěn)定的跟蹤范圍，并能夠以較快速度跟隨用戶眼球移動(dòng)。

圖六 HTCVive

圖七 VivePro

3）PlayStationVR

PlayStationVR（如圖八）利用內(nèi)置傳感器與可見(jiàn)光信號(hào)處理算法相結(jié)合，記錄和分析被測(cè)試者的眼球運(yùn)動(dòng)情況。該方法具有較低成本、無(wú)需額外硬件支持等優(yōu)勢(shì)，并在游戲市場(chǎng)取得了一定成功。

圖八 PlayStationVR

4）ValveIndex

ValveIndex（如圖九）采用了外部紅外攝像頭和基于反射技術(shù)的傳感器，以獲得更高精度和跟蹤速率。這種方案在準(zhǔn)確性、延遲和用戶體驗(yàn)方面提供了最佳的結(jié)果，并被認(rèn)為是目前注視追蹤技術(shù)中最先進(jìn)的解決方案之一。

圖九 ValveIndex

2. 不同方案之間的比較評(píng)估

在選擇使用哪種注視追蹤技術(shù)時(shí)，需要綜合考慮以下因素進(jìn)行評(píng)估比較：

1. 運(yùn)動(dòng)跟蹤范圍和角度覆蓋程度：不同產(chǎn)品可能有所差異，在設(shè)計(jì)或游戲應(yīng)用中，對(duì)于眼睛運(yùn)動(dòng)范圍和觀察角度是否能夠完全捕捉十分關(guān)鍵。
2. 跟隨速率和延時(shí)：快速而準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)追蹤眼球運(yùn)動(dòng)對(duì)于提供流暢、真實(shí)的交互體驗(yàn)至關(guān)重要。
3. 絕對(duì)定位與相對(duì)定位能力：某些解決方案可以根據(jù)用戶位置進(jìn)行絕對(duì)定位（例如基站式系統(tǒng)），而其他解決方法僅支持相對(duì)位置變化監(jiān)測(cè)（例如內(nèi)置傳感器）。具體需求取決于應(yīng)用場(chǎng)景。
4. 成本考量：硬件設(shè)備成本也是選擇注視追蹤技術(shù)時(shí)需要考慮的一個(gè)重要因素。不同方案的成本和可行性會(huì)根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)、制造成本以及特定市場(chǎng)需求而有所差異。

目前主流HMD產(chǎn)品中使用了各種不同類(lèi)型的注視追蹤技術(shù)，包括基于外部傳感器的光學(xué)窺探方法、基站式光學(xué)定位系統(tǒng)以及內(nèi)置傳感器結(jié)合可見(jiàn)光信號(hào)處理算法等。每種方案都具有優(yōu)勢(shì)和適用領(lǐng)域，并可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)跟蹤范圍、跟隨速率、絕對(duì)/相對(duì)定位能力以及成本等因素進(jìn)行評(píng)估比較，以滿足特定需求或應(yīng)用場(chǎng)景。

四、注視追蹤技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

1. 注視追蹤技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

1）高精度與實(shí)時(shí)性需求

當(dāng)前的注視追蹤技術(shù)在高動(dòng)態(tài)環(huán)境和快速移動(dòng)中仍然面臨一定的挑戰(zhàn)。由于用戶眼球運(yùn)動(dòng)非?？焖偾叶鄻踊?，系統(tǒng)需要能夠提供高精度和實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)以滿足交互體驗(yàn)或研究需求。

2）技術(shù)穩(wěn)定性和可靠性保證

要使注視追蹤技術(shù)真正實(shí)用并在各種現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中可靠地工作，關(guān)鍵在于其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。包括設(shè)備校準(zhǔn)、誤差糾正以及光線干擾等因素都需要得到有效處理，從而確保持久的穩(wěn)定使用，并減少可能導(dǎo)致不正確結(jié)果或誤導(dǎo)診斷的錯(cuò)誤讀數(shù)。

3）設(shè)備的舒適度和輕便程度

對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間使用或移動(dòng)設(shè)備而言，注視追蹤設(shè)備必須具有良好舒適感以避免對(duì)用戶產(chǎn)生疲勞感并限制他們活動(dòng)自如。因此，在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，注重設(shè)備的舒適度和輕便程度已成為一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

2. 發(fā)展趨勢(shì)

1）更小、更輕、更強(qiáng)大的內(nèi)置傳感器技術(shù)加速發(fā)展

隨著新一代硬件和材料技術(shù)的不斷進(jìn)步【4】，注視追蹤技術(shù)將會(huì)變得更小巧、輕盈，并且能夠提供更高性能。這將使其在移動(dòng)設(shè)備等體積限制較大或?qū)τ谕獠總鞲衅鞔嬖诶щy的應(yīng)用領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

2）基于視線追蹤的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新應(yīng)用場(chǎng)景

注視追蹤技術(shù)有潛力推動(dòng)各種新興應(yīng)用場(chǎng)景。其中，基于視線追蹤使用注釋增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)是一個(gè)具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。通過(guò)精確地跟蹤用戶目光，可以將虛擬信息與真實(shí)世界相結(jié)合，為用戶提供個(gè)性化而沉浸式的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)?！?】

3）改進(jìn)運(yùn)動(dòng)干擾問(wèn)題以提高使用體驗(yàn)

在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，注視追蹤技術(shù)需要面對(duì)并解決因頭部或手臂運(yùn)動(dòng)引起眼球運(yùn)動(dòng)干擾的問(wèn)題。通過(guò)研究和改進(jìn)算法，技術(shù)可以更好地解決這一挑戰(zhàn)，提高使用體驗(yàn)，并提供更準(zhǔn)確可靠的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)。

注視追蹤技術(shù)面臨著高精度與實(shí)時(shí)性需求、技術(shù)穩(wěn)定性和可靠性保證以及設(shè)備舒適度和輕便程度等挑戰(zhàn)。然而，隨著內(nèi)置傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，注釋追蹤將變得更小、更輕盈并具有更強(qiáng)大功能。此外，在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域應(yīng)用中探索基于視線跟蹤的新機(jī)遇將成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一，并通過(guò)改進(jìn)運(yùn)動(dòng)干擾問(wèn)題以提高使用體驗(yàn)。

五、總結(jié)與展望

1. 注視追蹤技術(shù)在HMD中的重要作用

注視追蹤技術(shù)在頭戴式顯示器（HMD）中扮演著至關(guān)重要的角色。通過(guò)準(zhǔn)確地捕捉用戶眼球運(yùn)動(dòng)和注視點(diǎn)位置，該技術(shù)能夠提高虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和混合現(xiàn)實(shí)（MR）等體驗(yàn)?！?】它可以為虛擬場(chǎng)景提供更真實(shí)、沉浸式的效果，并顯著改善交互性與操作精確性。無(wú)論是在游戲、娛樂(lè)、培訓(xùn)還是醫(yī)療等領(lǐng)域，注視追蹤技術(shù)都可以大幅增強(qiáng)用戶的參與感和使用體驗(yàn)。

2. 預(yù)測(cè)注視追蹤技術(shù)將持續(xù)創(chuàng)新，并推動(dòng)XR技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展

在未來(lái)，我們預(yù)計(jì)注視追蹤技術(shù)將持續(xù)創(chuàng)新并推動(dòng)擴(kuò)展風(fēng)格(R)領(lǐng)域向前發(fā)展。隨著科學(xué)研究及市場(chǎng)需求不斷變化，我們可以預(yù)見(jiàn)以下趨勢(shì)：

1. 更先進(jìn)而高度精準(zhǔn)的算法：通過(guò)應(yīng)用人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)，可使注視追蹤技術(shù)變得更加智能化，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確、準(zhǔn)實(shí)時(shí)的注視點(diǎn)捕捉和分析。
2. 硬件創(chuàng)新：隨著尺寸縮小和性能提升的需求不斷增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)將會(huì)出現(xiàn)更小巧、更輕盈且功能強(qiáng)大的傳感器設(shè)備。這些硬件創(chuàng)新將進(jìn)一步改善用戶體驗(yàn)，并促使XR技術(shù)走入日常生活。
3. 多模式交互：以眼球?yàn)橹鲗?dǎo)的注視追蹤技術(shù)可能與手勢(shì)識(shí)別、聲音控制等多種交互方式相結(jié)合，從而形成全方位且個(gè)性化的用戶體驗(yàn)【7】。

可見(jiàn)，上述發(fā)展趨勢(shì)將推動(dòng)注視追蹤技術(shù)在HMD中不斷取得突破，并引領(lǐng)XR技術(shù)領(lǐng)域向前發(fā)展。通過(guò)持續(xù)創(chuàng)新、算法優(yōu)化和硬件進(jìn)步，我們有理由相信未來(lái)注視追蹤技術(shù)將成為真正普及并滿足廣泛應(yīng)用需求的核心技術(shù)之一。

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