Sviluppo di un sistema di tracking dell'occhio per il controllo di interfacce uomo-macchina

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1 A.A. 2007/2008 Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Triennale in Telecomunicazioni Sviluppo di un sistema di tracking dell'occhio per il controllo di interfacce uomo-macchina Relatore: Prof. Francesco De Natale Laureando: Alessandro Fedrizzi Correlatore: Ing. Nicola Conci

2 1 INTRODUZIONE Siamo nel terzo millennio e la tecnologia fa ormai parte della vita di tutti giorni. La velocità dell innovazione tecnologica è in continuo aumento. Dalle più grandi compagnie, ogni giorno, vengono sfornati nuovi prodotti con l intento di rendere più semplice ogni nostro gesto quotidiano. Sono sempre di più i prodotti elettronici di utilizzo comune. Insomma, la parola tecnologia è rimbalzata da una parte all altra del pianeta, entrando in ogni ufficio, in ogni casa ed in ogni scuola. Il progresso tecnologico degli ultimi anni ha migliorato notevolmente anche il tenore di vita delle persone; in campo medico, ad esempio, sono state create apparecchiature che permettono anche a coloro con limitazioni agli arti di utilizzare un computer, non solo come mezzo telematico, ma come ausilio per compiere azioni "quotidiane" senza necessariamente essere supportati da un altra persona. Il metodo più semplice sul quale si possono basare questi sistemi, è il comando vocale, ovvero utilizzare la propria voce per interagire con l interfaccia. Esistono anche apparecchiature basate su interfacce gestuali, dove il soggetto, muovendo la testa e altre parti del corpo, può interagire con il computer. Ci sono casi in cui, data la malattia del paziente, entrambi i tipi di interfaccia, addirittura eventualmente anche in combinazione tra loro, non permettono al paziente di rendersi autonomo ed è in questo caso che si può parlare di interfaccia basata sul tracciamento dell occhio. Questa parola, indica un tecnica innovativa che, al giorno d oggi, è sempre più utilizzata, soprattutto nel settore della ricerca: consiste nello studiare il movimento dell occhio e la sua posizione all interno dello spazio e di sfruttarne la mobilità come sistema di apprendimento. L idea di tracciamento dell occhio (eye-tracking in inglese), nacque agli inizi del ventesimo secolo, con lo scopo di capire dove lo sguardo si fermasse e per quanto tempo, durante la lettura di un testo. A differenza dei giorni nostri, la parte hardware del sistema consisteva in lenti a contatto primitive, che, forate nella zona della pupilla, venivano collegate ad un puntatore in alluminio indicante il punto in cui si stava guardando. 1

3 Ancora oggi questa tecnica viene sfruttata per l analisi dell attenzione da parte dell utente, ma grazie all innovazione tecnologica, si è riusciti a creare sistemi meno invasivi e ad allargarne il campo di utilizzo, come ad esempio l ambito medico, che sarà il principale oggetto della mia analisi. La prima parte di questo documento introduce l eye tracking, spaziando tra quelli che sono i campi di applicazione e le differenti tecniche su cui è basato. La seconda parte va a trattare solamente le applicazioni in campo medicale, a cui si riferisce il prototipo implementato in questa tesi. Verranno successivamente analizzati i vincoli e le condizioni operative imposte durante lo svolgimento del progetto. I capitoli successivi offrono invece una visione più tecnica dell intero progetto: prima sarà spiegata ciascuna delle fasi in cui il sistema è suddiviso e poi verranno mostrati alcuni dei principali test effettuati. La parte relativa ai test sperimentali permetterà infine di capire al meglio, il funzionamento del sistema e di analizzarne l efficienza, in modo da poter capire quelli che potrebbero essere i possibili miglioramenti per future applicazioni. 2

4 2 IL PROBLEMA DELL EYE-TRACKING L' eye-tracking, parola che letteralmente significa tracciamento dell'occhio, è il processo che permette di seguire la posizione dell occhio all interno dello spazio. Nel presente lavoro, la posizione dell occhio è in relazione a quella della testa, in quanto l interesse è focalizzato a determinare dove il soggetto stia guardando. Tutt'oggi, la maggior parte degli eye-tracker utilizzano quale tecnologia di base la video-oculografia (VOG), e cioè la registrazione della posizione dell occhio e dei suoi movimenti attraverso l'utilizzo di un apparato hardware come una camera digitale. I sistemi VOG si distinguono tra invasivi o non invasivi, in base al posizionamento della webcam all interno dell intero sistema. Un sistema di tipo invasivo (Figura 1a) presuppone il posizionamento di una webcam su di un caschetto, che il soggetto dovrà indossare, mentre in un sistema di tipo non invasivo (Figura 1b ), l apparato di acquisizione è solidale con la scena da esplorare, come ad esempio lo schermo con il quale il nostro soggetto dovrà interagire. La differenza sostanziale tra i due è che, nel secondo caso, il paziente sarà completamente libero di muoversi, a discapito però della precisione del sistema che risulta migliore nel primo caso. 1a) Invasivo 1b) Non invasivo Figure 1: Esempi di sistema invasivo e non invasivo I sistemi più moderni sono inoltre dotati di un sistema di illuminazione del volto (e dunque anche degli occhi) basato su luce infrarossa (IR) o nel vicino 3

5 infrarosso (NIR), per meglio delineare il contorno della pupilla e per ottenere uno (o più) riflessi, noti come riflessi corneali (Corneal Reflex, CR). Esistono sostanzialmente due tecniche di tracciamento utilizzate: la tecnica detta bright pupil ( pupilla brillante ) e la tecnica detta dark pupil ( pupilla oscura ). Nel caso della tecnica bright pupil, camera e sorgente di illuminazione hanno lo stesso asse di rotazione e la luce viene riflessa dalla retina, creando una illuminazione della pupilla simile a quella che si osserva quando si scatta una foto con il flash (effetto occhi rossi ). Per quanto riguarda invece la tecnica dark pupil, la camera e l illuminatore non sono coassiali e per questo motivo la pupilla appare più scura. In base a quale tecnica venga utilizzata per il sistema di eyetracking le performance saranno differenti: la tecnica bright pupil, crea un maggiore contrasto iride/pupilla, tant è che il tracking sarà più robusto e stabile (l interfaccia riuscirà a seguire l occhio in tutti i suoi movimenti) a prescindere dal colore degli occhi del soggetto in analisi. Questa tecnica inoltre consente un tracking stabile a prescindere dalle condizioni di illuminazione ambientale. La tecnica di tipo dark pupil, sfrutta la luce artificiale/naturale dell ambiente in cui ci si trova, imponendo alcuni vincoli riguardanti soprattutto l illuminazione che devono essere rispettati, come ad esempio una illuminazione statica (l illuminazione deve rimanere costante), non inferiore ad un certo valore all interno dell ambiente in cui si processa l eye tracking e una ricalibrazione del sistema ogni qual volta le condizioni di illuminazione e il soggetto preso in esame cambino. 2.1 Ambiti applicativi Differenti sono i campi in cui l eye-tracking ha preso piede e tutto questo grazie agli ottimi risultati, intesi come efficienza, robustezza e adattamento del sistema. Grazie a questa tecnica si è riusciti ad arrivare ad una interazione di tipo handless (senza mani), che si pensa possa, in alcuni casi, soppiantare le periferiche di input come mouse, tastiere e tavolette grafiche, permettendo così ai soggetti impossibilitati ad utilizzarli, di comandare un Personal Computer (PC), in modo del tutto innovativo. 4