Was ist VR Eye Tracking, und wie funktioniert es?

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Um überzeugende Virtual-Reality-Erlebnisse (VR) zu schaffen, müssen Sensoren neben der Verfolgung des Kopfes auch Informationen von den Sinnesorganen wie Augen und Ohren erfassen und sammeln. Während sich das VR-Tracking in der Regel auf das Kopf-Tracking konzentriert, stehen die Entwicklungen im Bereich des Augen-Trackings an der Spitze der VR-Forschung. 

Das Eye-Tracking an sich ist keine neue Technologie, aber die Entwicklung kleiner Kameras führte zu einem schnellen Wachstum der Eye-Tracking-Techniken mit Video. Diese Kameras sind so klein, dass sie in ein VR-Headset passen und die Augenbewegungen während des Erlebens der VR-Welt durch den Benutzer überwachen. Das VR-Eye-Tracking sammelt insbesondere Daten darüber, wo sich das Subjekt in Bezug auf die 3D-Welt der VR befindet. 

Für jeden, der sich für den Einstieg in die VR interessiert, ist es hilfreich, die Arten von Augenbewegungen zu verstehen, die für das Tracking wichtig sind. Lassen Sie uns untersuchen, wie VR-Augentracking funktioniert, wie es implementiert wird und welche Herausforderungen es mit sich bringt, um eine breitere Perspektive zu erhalten. 

Arten der zu verfolgenden Augenbewegungen

Die Augen bewegen sich auf sechs Arten, die für das VR-Eye-Tracking wichtig sind. Werfen wir einen Blick auf jede Art von Bewegung:

• Sakkaden: Schnelle Augenbewegungen der Fovea (die große visuelle Details erzeugt), die dem Auge helfen, sich auf Details zu fixieren, wenn es von einem Objekt zum anderen wechselt. Diese Bewegungen erfolgen unbewusst und manchmal auch bewusst, wenn man sich auf etwas Bestimmtes konzentriert. 

• Sanftes Verfolgen: Langsame Drehung des Auges zur Verfolgung sich bewegender Objekte, um die wahrgenommene Bewegungsunschärfe der Objekte zu verringern. Diese Bewegung hilft dem Auge bei der Bildstabilisierung.

• Vestibül-okulärer Reflex: Unwillkürliche Reflexbewegung der Augen, um Objekte im Blick zu behalten, wenn der Kopf hin- und hergekippt wird. Die Augen wirken dem Winkel des Kopfes entgegen, um den Fokus zu halten. Diese Bewegung ist für VR wichtig, da sie auch für die Bildstabilisierung unerlässlich ist.

• Optokinetischer Reflex: Tritt auf, wenn sich ein schnelles Objekt vorbeibewegt, und ermöglicht es den Augen, sich auf bestimmte Merkmale des Objekts zu konzentrieren. Die Art und Weise, wie sich Ihre Augen auf Details eines vorbeifahrenden Zuges hin- und herbewegen, ist auf diesen Reflex zurückzuführen, der zwischen Sakkaden und glatten Verfolgungsbewegungen wechselt.

• Vergenz: Bewegt die Augen, um ein einziges Bild eines Objekts zu erzeugen, auf das sie sich beide konzentrieren. Dies geschieht als Konvergenz oder Divergenz und geschieht, wenn ein Objekt näher bzw. weiter entfernt ist. Die Bewegungen helfen, ein Gefühl für die Entfernung eines Objekts zu vermitteln. 

• Mikrosakkaden: Komplexe, unwillkürliche Augenbewegungen von weniger als einem Grad, die dem Auge helfen, bestimmte Objekte zu fixieren, die Sehschärfe zu verbessern und bei Wahrnehmungsproblemen zu helfen. Mikrosakkaden sind die am wenigsten bekannten Augenbewegungen und werden noch erforscht. 

Wozu wird das VR-Eye-Tracking eingesetzt?

Bei der VR-Interaktion wird das Eye-Tracking in der VR-Darstellung und -Rendering, der Benutzerinteraktion und in kollaborativen Umgebungen eingesetzt. Immersive VR hat eine Definition, die der des menschlichen Sehens sehr nahe kommt, stellt aber aufgrund der hohen Datenraten, die für die Erstellung benötigt werden, eine Herausforderung für die Implementierung dar. Eye Tracking bietet eine Lösung für dieses Rendering, da der Bereich der Sehschärfe des Auges durch die Fovea nur 5,2 Grad beträgt. 

Das VR-Eye-Tracking ermöglicht die Umsetzung dieser lebensechten Definition, indem es die Bereiche mit der höchsten Auflösung auf die Fovea fokussiert. Erreicht wird dies durch die Verfolgung der Blickrichtung der Testperson, ein Prozess, der als vergröberte Darstellung bezeichnet wird. Außerdem spart es Rechenleistung, um alles in der gleichen Qualität zu rendern. 

Die VR-Augenverfolgung befasst sich mit dem Problem des Vergenz-Akommodations-Konflikts (VAC), der zu Unbehagen, Kopfschmerzen und Augenbelastung führt. Erinnern Sie sich daran, dass die Vergenz die Augen bewegt, um ein einzigartiges Bild zu erzeugen, auf das sie sich beide konzentrieren. Neue Forschungsarbeiten zu varifokalen Displays nutzen das VR-Eye-Tracking, um Vergenzprobleme zu lösen, indem sie die Vergenz der Augen verfolgen. 

Die VR-Augenverfolgung kann bei der Interaktion von Nutzern in virtuellen Umgebungen eingesetzt werden, was hilfreich sein kann, wenn Nutzer motorische Behinderungen haben oder wenn eine virtuelle Umgebung den Einsatz von Controllern vermeiden will. VR-Eye-Tracking hilft bei Auswahltechniken mithilfe der Augen, bei der Schaffung freihändiger Bewegungen in virtuellen Umgebungen und bei der Systeminteraktion mit reinen Augenbewegungen. 

Schließlich schafft VR-Eye-Tracking realistische Benutzerinteraktion, indem es realistische Renderings des menschlichen Gesichts erstellt, was eine genaue Konstruktion von Benutzer-Avataren ermöglicht. Menschen kommunizieren über ihre Augen, und VR-Eyetracking zeigt, wohin Sie schauen und wohin Sie zeigen, nur mit Ihrem Blick. 

Wie funktioniert das VR-Eye-Tracking?

VR-Eyetracking funktioniert, indem es die verschiedenen Augenbewegungen erfasst und Daten an VR-Anwendungen sendet. VR-Eyetracking verwendet drei Methoden:

• Elektro-Okulographie (EOG)

• Sklerale Suchspulen

• Video-Okulographie (VOG)

Schauen wir uns genauer an, wie jede VR-Augenverfolgungsmethode funktioniert. 

Elektrookulographie (EOG)

EOG verwendet Elektroden, die an den Kontaktpunkten zwischen dem VR-Headset und dem Gesicht angebracht werden. Ihre Funktion besteht darin, die Ausrichtung des Auges zu messen, indem die Spannung zwischen der positiv geladenen Hornhaut und der negativ geladenen Netzhaut gemessen wird. Durch die Messung der positiven und negativen Ladungen kann die VR-Software eine Karte der Ausrichtung des Auges erstellen. Diese Methode ist zwar ungenau, aber die Einzige, mit der die Augen gemessen werden können, während der Benutzer sie geschlossen hat. 

Sklerale Suchspulen

Die Methode der skleralen Suchspulen bietet ein hohes Maß an Genauigkeit. Sie verwendet einen Kontakt, in den eine Drahtschleife eingebettet ist. Elektrische Ströme fließen durch die Spulen, wenn sich die Augen bewegen, und geben Aufschluss über die vertikalen, horizontalen und rotatorischen Bewegungen der Augen. Es ist zwar sehr effektiv, aber in Verbindung mit einem VR-Headset nur schwer zu gebrauchen, hat aber einen gewissen Wert als Vergleichsmaßstab zu anderen Augenverfolgungsmethoden. 

Video-Okulographie (VOG)

Die am weitesten verbreitete Tracking-Methode ist die VOG, bei der Bilder verwendet werden, die von Kameras im VR-Headset aufgenommen werden. Nach der Aufnahme wird eine Analyse jedes Bildes an das VR-Headset gesendet, indem die Position der Pupille und andere Augenmerkmale ermittelt werden. Die Qualität der aufgenommenen Bilder und die Art und Weise, wie die Kameras am Headset befestigt werden, bestimmen den Einsatz dieser Methode. 

Wer nutzt VR-Eye-Tracking?

VR-Entwickler, die Marketing-, Gesundheits- und Bildungsbranche profitieren vom VR-Eye-Tracking. Es liegt auf der Hand, dass Entwickler mit VR-Eye-Tracking die Leistung, die Latenzzeit, die Auflösung, den Komfort und die Interaktionen zwischen den Nutzern von VR-Systemen verbessern können. Drei weitere Branchen, die das VR-Eye-Tracking nutzen oder nutzen könnten, wenn die Forschung voranschreitet, sind das Marketing, das Gesundheitswesen und das Bildungswesen.

• Marketing: VR-Eyetracking kann bei der Erforschung der Verbrauchererfahrung (CX) eingesetzt werden, indem untersucht wird, wohin die Augen des Betrachters während der Vor-Kauf-, Kauf- und Nach-Kauf-Phase gehen. VR-Eye-Tracking hilft bei der Untersuchung, wie Werbung auf den Verbraucher wirkt, wobei VR und AR als Werbemedien ein besseres Engagement aufweisen als traditionelle Medienquellen. In den Phasen vor dem Kauf und nach dem Kauf gibt das VR-Eye-Tracking Aufschluss darüber, wie Verbraucher mit Produkten interagieren und wohin ihre Augen aufgrund des Produkt-Brandings schweifen. 

• Gesundheitsfürsorge: VR-Eye-Tracking hat diagnostische, therapeutische und interaktive Anwendungen in der Gesundheitsfürsorge. Bei der Erkennung bestimmter neurologischer Erkrankungen kann das VR-Eye-Tracking diagnostische Aufgaben erfüllen, indem es Objekte verfolgt und nach abnormalen Augenbewegungen sucht. Im therapeutischen Bereich helfen Eye Tracking und VR bei der Expositionstherapie, um zu sehen, wie der Blick einer Person auf auslösende Szenen reagiert. 

• Bildung: Die Untersuchung der Erfahrungen eines Lernenden mit neuem Material ist mit VR Eye Tracking durch einen Forscher möglich. Das Eye-Tracking in Bildungsumgebungen konzentriert sich auf zeitliche und räumliche Bewegungen, um zu untersuchen, wie lange ein Lernender auf einen bestimmten Bereich schaut und wohin er schaut. VR-Eyetracking ist zwar ein wertvolles Instrument, um das Engagement der Lernenden zu erkennen, doch handelt es sich um eine neue Technologie, die für genaue Vorhersagen noch mehr Forschung erfordert. 

Herausforderungen beim VR-Eye-Tracking

Die Implementierung von VR-Eye-Tracking birgt einige Herausforderungen. Zu den drei Herausforderungen des VR-Eye-Trackings gehören die folgenden:

• Technologische Herausforderungen

• Herausforderungen in Bezug auf Daten und Sicherheit

• Sicherheitstechnische Herausforderungen

Lassen Sie uns diese Herausforderungen innerhalb dieser drei Hauptkategorien genauer untersuchen. 

Technologische Herausforderungen

Das VR-Eye-Tracking unterliegt technologischen Beschränkungen, einschließlich der Qualität der von den Eye-Tracking-Systemen erfassten Daten. Vier dieser Probleme betreffen die räumliche Präzision, die räumliche Genauigkeit, hohe Latenzzeiten und niedrige Abtastraten, die alle zu Problemen beim VR-Erlebnis für den Benutzer führen. Weiterhin könnten Probleme mit der Dauer der Kalibrierung die Benutzer davon abhalten, dies zu tun, was zu einer Verschlechterung der Tracking-Qualität führt. 

Daten- und Sicherheitsprobleme

Bei der VR-Augenverfolgung wird eine Reihe von Daten erfasst, die zu Sicherheitsproblemen führen. Eye-Tracking-Daten enthalten eine Reihe von persönlichen Informationen wie kognitive Zustände, Informationen über psychische Erkrankungen oder Störungen, Persönlichkeitsmerkmale und andere sensible Daten wie Alter, ethnische Zugehörigkeit, Drogenkonsum, Emotionen und Ängste. Ferner sind Iris-Muster eine der besten Möglichkeiten, Sie biometrisch zu identifizieren, was bei den von Eye-Tracking-Systemen erzeugten Infrarot-Bildern (IR) zu Bedenken wegen Identitätsdiebstahls führt. 

Angesichts der wichtigen persönlichen Informationen, die bei der VR-Augenverfolgung gefunden werden, sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die Privatsphäre und die Sicherheit der VR-Benutzer zu gewährleisten und diese Informationen abzubauen, zu erfassen und zu löschen. 

Herausforderungen für die Sicherheit

VOG-VR-Augentracker verwenden IR-Licht und Nah-IR-Licht, um den für das Eye-Tracking erforderlichen Kontrast zu erzeugen. Eine längere Exposition gegenüber diesem Licht kann Hornhaut, Iris und Pupille schädigen. Da das Eye-Tracking in VR immer häufiger eingesetzt wird, sind weitere Forschungen über eine längere Exposition erforderlich. 

Verwandte Begriffe

• Cybersecurity

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