어두운 면 추적

Dec 17 2022

당신의 눈에서 무엇을 찾을 수 있습니까? 멀리 있는 물체를 보고 있는지 감지하고 자동으로 확대해 주는 안경을 상상해 보십시오. 당신의 눈이 단어에서 단어로 훑어보는 것처럼 타이핑하는 키보드; 또는 너무 오래 보고 있던 항목에 대해 알려주는 검색 도구입니다. 눈의 움직임을 모니터링할 수 있는 이와 같은 미래형 장치는 눈 장애 진단에서 대화형 게임 경험 제공에 이르기까지 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다.

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당신의 눈에서 무엇을 찾을 수 있습니까?

멀리 있는 물체를 보고 있는지 감지하고 자동으로 확대해 주는 안경을 상상해 보십시오. 당신의 눈이 단어에서 단어로 훑어보는 것처럼 타이핑하는 키보드; 또는 너무 오래 보고 있던 항목에 대해 알려주는 검색 도구입니다. 눈의 움직임을 모니터링할 수 있는 이와 같은 미래형 장치는 눈 장애 진단에서 대화형 게임 경험 제공에 이르기까지 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다. 이러한 시스템 설계의 핵심은 시선 추적입니다. 즉, 실시간으로 안구의 움직임을 정밀하게 측정하는 것입니다.

오늘날 시선 추적에 가장 많이 사용되는 접근 방식은 컴퓨터 비전입니다. 카메라가 눈의 사진을 캡처하고 알고리즘이 데이터를 실시간으로 처리하여 눈이 움직이는 방식을 결정합니다. 최신 컴퓨터 비전 프로그램은 기계 학습 알고리즘을 통합하여 이미지의 패턴을 감지하고 객체를 효율적으로 분류합니다. 이 분야의 혁신에도 불구하고 이러한 알고리즘은 상당한 계산 복잡성을 겪고 있습니다. 기계 학습 알고리즘을 훈련하고 이미지를 빠르게 해독하려면 상당한 양의 전력을 소비하는 고성능 칩이 필요합니다. 자율주행차나 스마트폰에서는 가능하지만 안경에 컴퓨터 비전 시스템을 내장하는 것은 매우 어려운 일입니다.

Neurotech@Berkeley 의 장치 사업부에서는 우리 몸에서 생성되는 전기 신호를 측정하고 분석하기 위한 하드웨어 개발에 중점을 둡니다. 시선 추적 시스템의 잠재력에 영감을 받아 컴퓨터 비전보다 계산 비용이 훨씬 낮은 EOG(Electrooculography) 기술을 탐색하기 시작했습니다. 카메라에 의존하는 컴퓨터 비전과 달리 EOG는 우리 눈에서 생성되는 본질적인 전기 신호에 의존합니다.

EOG란?

1951년, 미국의 신경과학자이자 UC Berkeley의 검안사인 Elwin Marg는 전기 눈 검사를 발견하고 정의했습니다. EOG는 Bruch's membrane(눈 뒤쪽)과 각막 사이의 전기 전위를 측정하기 위해 조심스럽게 배치된 여러 개의 전극을 사용하는 생리학적 검사입니다. 쌍극자가 각막과 망막 사이에 형성되기 때문에 각막은 망막에 비해 양전하를 띠므로 안구 운동은 EOG 전극에 의해 감지되는 전기 신호를 변경합니다. 이제 하나는 눈썹 바로 위에 배치되고 다른 하나는 눈 아래에 배치되는 두 개의 전극 시나리오를 상상해 보십시오. 피험자가 위를 쳐다볼 때 각막은 위쪽 전극에 더 가깝게 이동하고 Bruch의 막은 아래쪽 전극에 더 가까이 이동합니다. 즉, 두 전극 사이의 전위차가 증가합니다! 비슷하게, 대상이 아래를 내려다보면 잠재력이 감소합니다. 눈의 왼쪽과 오른쪽에 전극을 배치하여 왼쪽 및 오른쪽 눈의 움직임을 감지할 수도 있습니다. 이러한 간단한 메커니즘을 통해 EOG를 활용하여 깜박임, 윙크 및 기타 여러 형태의 눈 움직임을 감지할 수 있습니다.

발견 직후 EOG는 주로 정신 및 수면 장애 진단, 부상을 입은 사람들을 위한 보조 기술 등의 의료 분야에 적용되었습니다. 최근에는 가상 현실(VR)의 응용 프로그램 및 일반 대중을 위한 기타 소모품과 같이 보다 접근하기 쉬운 기술에 통합되고 있습니다. 특히 EOG 데이터는 시선 추적에 사용할 수 있습니다. 사실, 연구원들은 1.5도만큼 작은 안구 움직임을 감지할 수 있었습니다. 앞에서 설명한 시선 추적 문제가 갑자기 훨씬 단순해졌습니다. 더 이상 정교한 컴퓨터 비전 알고리즘이 필요하지 않습니다.

EOG 기반 아이트래커의 수많은 응용 프로그램 중에서 세 가지가 눈에 띕니다.

애플리케이션 살펴보기

EOG 헤드셋을 사용하면 실시간으로 고정밀로 신호를 측정할 수 있으므로 다양한 설정에서 다양한 애플리케이션을 사용할 수 있습니다.

1. 소비자 행동 추적:

광고 및 제품 마케팅 영역 내에서 EOG 추적을 위한 다양한 응용 프로그램이 있습니다. 현재 많은 제품 및 마케팅 조사가 포커스 그룹 또는 온라인 설문 조사(때로는 소비자를 대상으로 하는 광고를 통해 제공됨)를 통해 수행되지만 이러한 조사 방법은 제품에 대한 고객의 반응에 대한 즉각적인 피드백을 제공하지 않습니다. 예를 들어, 광고 디자이너는 잠재 고객의 시선이 가장 먼저 끌리는 광고 문구의 부분을 확인하고자 할 수 있습니다. 그들은 자신이 만든 디자인이 의도한 대로 소비자에게 전달되는지 여부를 테스트하고 싶을 수 있습니다. EOG 헤드셋을 사용하여 그들은 고객의 시선이 어디에 있고 무엇에 끌리는지 첫눈에 세세하게 추적할 수 있습니다. 그들은 소비자가 광고의 어떤 부분에 집중하고 있는지 초 단위로 측정할 수 있습니다. 이런 식으로,

2. 타이핑 지원:

소비자 수준에서 EOG 신호를 적용하여 컴퓨터에서 키보드 사용을 지원할 수 있습니다. 키보드와 블루투스로 페어링하여 텍스트 컨텍스트와 시선을 기반으로 사용자가 타이핑하는 내용을 예측할 수 있는 EOG 보조 장치는 타이핑 속도와 생산성을 높이는 데 유용할 수 있습니다. 이와 같은 장치에 대한 개념 증명은 이미 존재하며, Tobii Eye Tracker와 같은 제품은 이미 게이머가 클릭률을 높이고 조이스틱으로 게임 내 작업을 가능한 한 빨리 수행하는 데 사용하고 있습니다. 응용 프로그램은 게임과 생산성을 넘어 확장됩니다. 표준 키보드로 입력할 수 없고 음성을 텍스트로 변환할 수 없는 사용자의 경우 EOG 추적기와 페어링된 온스크린 키보드를 사용하면 더 빠르게 통신할 수 있습니다.

3. 가상 현실에 들어가기:

EOG는 또한 VR과 메타버스의 대중적 매력을 높이는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 오늘날 VR은 참신함으로 남아 있습니다. 투박한 헤드셋, 딱딱한 컨트롤, 몰입을 가로막는 무수한 기타 장벽으로 인해 VR 환경이 실감나게 느껴지지 않는 기묘한 골짜기에 기술이 갇혔습니다. 더 나아가 VR의 몰입에 대한 이러한 장벽은 실제 3D 공간에 대한 설득력 있는 대체물로서 메타버스의 실행 가능성을 위협합니다. 그러나 VR 헤드셋의 EOG 아이 트래킹 덕분에 이러한 가상 환경이 훨씬 더 실제처럼 보일 수 있습니다. 오늘날의 VR 헤드셋에서 사용자는 가상 환경을 둘러보기 위해 머리를 움직여야 합니다. 안구 움직임이 등록되지 않기 때문에 자연적인 안구 스캐닝은 종종 어색한 머리 움직임으로 강제로 대체되어 VR의 투박함에 크게 기여합니다. 하지만, EOG 통합 헤드셋을 사용하여 참가자는 눈을 움직여 가상 환경을 자연스럽게 볼 수 있습니다. 따라서 EOG는 둘 다 용이성을 높일 수 있습니다.

사용자가 VR을 탐색하는 동시에 몰입도를 높일 수 있습니다.

다음 단계 설계

EOG와 같은 생의학 신호를 획득할 때 하드웨어 설계자에게는 두 가지 주요 과제가 있습니다. 첫째, 이러한 신호는 크기가 매우 작아서(마이크로볼트 정도) 감지하기 어렵습니다. 둘째, 이러한 신호는 너무 작아서 전기 노이즈 및 간섭의 원인에 취약합니다. 예를 들어, 방의 조명과 기기는 60Hz 120V AC 전원으로 전원을 공급받습니다. 이러한 강력한 전원 공급 장치 신호는 회로에 "용량적으로 결합"되어 EOG 신호를 압도하여 눈 움직임을 노이즈에서 해독하는 것을 불가능하게 만듭니다.

회로의 첫 번째 부분은 60Hz 전원 공급 장치와 같은 간섭 소스를 거부하는 역할을 하는 계측 증폭기로 구성됩니다. 다음 단계는 필터링입니다. EOG 신호는 약 0~50Hz 사이에 존재하는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 우리는 이 범위 밖의 주파수를 거부하는 필터를 통해 EOG 신호를 통과시킵니다. 마지막으로 연산 증폭기 회로를 통해 신호를 전달합니다. 이 회로는 신호에 큰 이득을 제공하여 컴퓨터에서 감지할 수 있는 수준으로 증폭합니다.

또한 회로와 전극을 장착하기 위해 3D 인쇄 헤드셋을 만들었습니다. 우리는 현재 신호에서 깜박임과 다른 안구 움직임을 구별하기 위해 Python에서 효율적인 분류 기술을 개발하는 과정에 있습니다. 이 모든 진전을 통해 우리는 시선 추적 장치를 현실로 만드는 과정에 있습니다.