什么是注視追蹤技術(shù)？這項技術(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)置傳感器兩種實現(xiàn)方式。通過觀察和分析眼球運動，注視追蹤技術(shù)可以揭示個體對不同事物的關(guān)注程度以及信息獲取與加工過程。

此外，文章還探討了該技術(shù)在視覺效果改進、用戶交互體驗等領(lǐng)域應(yīng)用，并詳細說明了目前主流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)和未來發(fā)展趨勢。

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)生理學和心理學原理，通過觀察眼球運動來揭示個體對不同事物的關(guān)注程度以及信息獲取與加工過程。

本文將介紹注視追蹤技術(shù)的定義、實現(xiàn)方法以及在視覺效果改進、用戶交互體驗等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時，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)和未來發(fā)展趨勢。

隨著科學研究和市場需求的不斷變化，注視追蹤技術(shù)有望持續(xù)創(chuàng)新并推動擴增現(xiàn)實（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)生理學和心理學的原理，通過觀察并分析眼球運動來揭示個體對不同事物的關(guān)注程度以及信息獲取與加工過程。

圖一 注視追蹤技術(shù)原理圖

2. 實現(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）來捕捉被測試者眼睛移動的軌跡，并計算出準確且精細的注視點坐標。這些外部傳感器可安裝在監(jiān)測系統(tǒng)、移動設(shè)備或虛擬現(xiàn)實頭顯中。其優(yōu)勢包括高度精準、廣泛適應(yīng)性以及非侵入式特點，因此適合用于研究實驗室環(huán)境和市場調(diào)查等領(lǐng)域。

圖二 外置眼動追蹤系統(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、平板電腦或虛擬現(xiàn)實設(shè)備等產(chǎn)品之中已有的相機和其他相關(guān)硬件來檢測用戶目光所集中之處。通過利用圖像處理或計算機視覺技術(shù)[1]，內(nèi)置傳感器能夠追蹤眼球運動并獲取注視點數(shù)據(jù)。此方法的優(yōu)勢在于使用便捷且與現(xiàn)有設(shè)備無需額外配件，適合進行用戶體驗研究、市場調(diào)查及個人生活習慣分析等實際應(yīng)用。

圖三 電腦內(nèi)置攝像頭

通過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對事物的注意力集中程度和思維加工過程。其實現(xiàn)方法包括外部傳感器和內(nèi)置傳感器兩種方式，各自具有特點和適應(yīng)領(lǐng)域不同，并可廣泛應(yīng)用于實驗室環(huán)境和市場調(diào)查。

二、注視追蹤技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

1. 視覺效果改進：真實感、逼真度提升

注視追蹤技術(shù)在游戲開發(fā)、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。[2]通過準確地捕捉用戶眼球的注視點，可以使系統(tǒng)對用戶焦點所在的區(qū)域進行更精細和高保真度的渲染。這種技術(shù)為電影特效、計算機動畫和游戲體驗帶來了巨大突破，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。

2. 用戶交互體驗：減少運動疲勞、提高操作精確度

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

通過上面的例子我們可以知道，注視追蹤技術(shù)在視覺效果改進和用戶交互體驗等方面具有廣泛的應(yīng)用。它可以實現(xiàn)對用戶關(guān)注區(qū)域的精準渲染，提升游戲、虛擬現(xiàn)實及增強現(xiàn)實的真實感和逼真度。同時，通過監(jiān)測眼球運動軌跡，該技術(shù)還能夠降低用戶運動疲勞，并大幅提高操作精確性，在工作效率和用戶體驗方面帶來顯著改善。

三、目前注視追蹤技術(shù)的發(fā)展狀況

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窺探方法，通過紅外攝像頭來捕捉用戶眼球運動軌跡并提供高精度的注視點數(shù)據(jù)。這種方案可以實現(xiàn)較大范圍且準確地跟蹤眼睛移動，為虛擬現(xiàn)實體驗增添真實感。

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定位系統(tǒng)，通過安裝在房間角落或其他適當位置上的紅外標簽進行定位。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。

圖六 HTCVive

圖七 VivePro

3）PlayStationVR

PlayStationVR（如圖八）利用內(nèi)置傳感器與可見光信號處理算法相結(jié)合，記錄和分析被測試者的眼球運動情況。該方法具有較低成本、無需額外硬件支持等優(yōu)勢，并在游戲市場取得了一定成功。

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。這種方案在準確性、延遲和用戶體驗方面提供了最佳的結(jié)果，并被認為是目前注視追蹤技術(shù)中最先進的解決方案之一。

圖九 ValveIndex

2. 不同方案之間的比較評估

在選擇使用哪種注視追蹤技術(shù)時，需要綜合考慮以下因素進行評估比較：

1. 運動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)計或游戲應(yīng)用中，對于眼睛運動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：快速而準確地實時追蹤眼球運動對于提供流暢、真實的交互體驗至關(guān)重要。
3. 絕對定位與相對定位能力：某些解決方案可以根據(jù)用戶位置進行絕對定位（例如基站式系統(tǒng)），而其他解決方法僅支持相對位置變化監(jiān)測（例如內(nèi)置傳感器）。具體需求取決于應(yīng)用場景。
4. 成本考量：硬件設(shè)備成本也是選擇注視追蹤技術(shù)時需要考慮的一個重要因素。不同方案的成本和可行性會根據(jù)產(chǎn)品型號、制造成本以及特定市場需求而有所差異。

目前主流HMD產(chǎn)品中使用了各種不同類型的注視追蹤技術(shù)，包括基于外部傳感器的光學窺探方法、基站式光學定位系統(tǒng)以及內(nèi)置傳感器結(jié)合可見光信號處理算法等。每種方案都具有優(yōu)勢和適用領(lǐng)域，并可以通過運動跟蹤范圍、跟隨速率、絕對/相對定位能力以及成本等因素進行評估比較，以滿足特定需求或應(yīng)用場景。

四、注視追蹤技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢

1. 注視追蹤技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

1）高精度與實時性需求

當前的注視追蹤技術(shù)在高動態(tài)環(huán)境和快速移動中仍然面臨一定的挑戰(zhàn)。由于用戶眼球運動非?？焖偾叶鄻踊?，系統(tǒng)需要能夠提供高精度和實時性數(shù)據(jù)以滿足交互體驗或研究需求。

2）技術(shù)穩(wěn)定性和可靠性保證

要使注視追蹤技術(shù)真正實用并在各種現(xiàn)場應(yīng)用中可靠地工作，關(guān)鍵在于其穩(wěn)定性和準確性。包括設(shè)備校準、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)診斷的錯誤讀數(shù)。

3）設(shè)備的舒適度和輕便程度

對于長時間使用或移動設(shè)備而言，注視追蹤設(shè)備必須具有良好舒適感以避免對用戶產(chǎn)生疲勞感并限制他們活動自如。因此，在未來發(fā)展過程中，注重設(shè)備的舒適度和輕便程度已成為一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

2. 發(fā)展趨勢

1）更小、更輕、更強大的內(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)的不斷進步【4】，注視追蹤技術(shù)將會變得更小巧、輕盈，并且能夠提供更高性能。這將使其在移動設(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現(xiàn)實等新應(yīng)用場景

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

3）改進運動干擾問題以提高使用體驗

在未來發(fā)展過程中，注視追蹤技術(shù)需要面對并解決因頭部或手臂運動引起眼球運動干擾的問題。通過研究和改進算法，技術(shù)可以更好地解決這一挑戰(zhàn)，提高使用體驗，并提供更準確可靠的注視點數(shù)據(jù)。

注視追蹤技術(shù)面臨著高精度與實時性需求、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、更輕盈并具有更強大功能。此外，在增強現(xiàn)實領(lǐng)域應(yīng)用中探索基于視線跟蹤的新機遇將成為未來發(fā)展趨勢之一，并通過改進運動干擾問題以提高使用體驗。

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。通過準確地捕捉用戶眼球運動和注視點位置，該技術(shù)能夠提高虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）等體驗?！?】它可以為虛擬場景提供更真實、沉浸式的效果，并顯著改善交互性與操作精確性。無論是在游戲、娛樂、培訓還是醫(yī)療等領(lǐng)域，注視追蹤技術(shù)都可以大幅增強用戶的參與感和使用體驗。

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

在未來，我們預(yù)計注視追蹤技術(shù)將持續(xù)創(chuàng)新并推動擴展風格(R)領(lǐng)域向前發(fā)展。隨著科學研究及市場需求不斷變化，我們可以預(yù)見以下趨勢：

1. 更先進而高度精準的算法：通過應(yīng)用人工智能(AI)和機器學習(ML)，可使注視追蹤技術(shù)變得更加智能化，從而實現(xiàn)更準確、準實時的注視點捕捉和分析。
2. 硬件創(chuàng)新：隨著尺寸縮小和性能提升的需求不斷增長，預(yù)計將會出現(xiàn)更小巧、更輕盈且功能強大的傳感器設(shè)備。這些硬件創(chuàng)新將進一步改善用戶體驗，并促使XR技術(shù)走入日常生活。
3. 多模式交互：以眼球為主導(dǎo)的注視追蹤技術(shù)可能與手勢識別、聲音控制等多種交互方式相結(jié)合，從而形成全方位且個性化的用戶體驗【7】。

可見，上述發(fā)展趨勢將推動注視追蹤技術(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。通過持續(xù)創(chuàng)新、算法優(yōu)化和硬件進步，我們有理由相信未來注視追蹤技術(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。

參考文獻：

[1]楊波. 增強現(xiàn)實中的跟蹤技術(shù)研究[D].電子科技大學,2005.

[2]朱博. 視線追蹤技術(shù)及其在駕駛員與乘客監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].東北大學,2013.

[3]劉靜. 淺析三維動畫特效在動畫電影中的應(yīng)用研究[D].東北師范大學,2013.

[4]陳峰. 中國網(wǎng)絡(luò)游戲內(nèi)置廣告行業(yè)發(fā)展研究[D].廈門大學,2009.

[5]周明. 技術(shù)創(chuàng)新對手機產(chǎn)業(yè)發(fā)展和手機企業(yè)市場績效的影響研究[D].湖南大學,2016.

[6]帥陳穎,程可心,孫航.淺析江西省XR產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢與對策建議[J].科技廣場,2020(06):28-34.DOI:10.13838/j.cnki.kjgc.2020.06.004.

[7]史新燕. 體驗經(jīng)濟視域下的VR廣告及其發(fā)展研究[D].廣西大學,2017.