學位論文
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Item 可見光眼動儀虹膜匹配系統硬體架構設計(2024) 劉興驊; Liu, Hsing-Hua可見光眼動儀以虹膜定位作為判斷眼睛凝視方向的主要基準。相較於傳統紅外光眼動儀，可見光眼動儀無法在影像中找出完整的瞳孔位置，必須以虹膜邊界來估算瞳孔中心。然而，由於虹膜邊界可能被眼瞼遮蓋，因此需要仰賴可靠的眼球模型與虹膜邊界比對演算法來精確定位虹膜位置。在過去的幾年中，研究團隊已提出一種有效率的階層式搜尋法，用於在眼睛照片中定位虹膜邊界，並據以估計視線方向。本論文以此演算法架構為基礎，提出了可見光眼動儀中虹膜匹配的晶片架構，使其能夠從照片的特定範圍中快速完成虹膜匹配。在可用硬體資源受限的情況下，巧妙運用平行計算與管線式處理，以提高本晶片的計算效率。並在FPGA上實作了此晶片架構，其效能與處理結果與多核心的電腦計算結果相近，成功實現即時處理的目標。Item 可見光眼動儀頭動補償及眼球模型最佳化硬體實現(2024) 應仁翔; Ying, Jen-Hsiang本論文致力於改善可見光眼動儀在頭部移動時可能產生的凝視點計算錯誤。傳統眼動儀主要分為可見光眼動儀和紅外線眼動儀兩大類。雖然紅外線眼動儀技術已經成熟，但長時間使用可能導致眼睛疲勞。相反地，可見光眼動儀雖可長時間使用，但易受到環境光源或頭部移動等因素的影響，進而影響計算精確度。本論文提出了一種方法來改善可見光眼動儀在頭部移動時可能導致的凝視點計算錯誤。此方法包括計算頭部在相機空間中的三維位置，並透過幾何運算來補償頭部移動導致的眼睛旋轉向量偏移，將之校正到正確的凝視點位置。在眼球建模方面，由於眼球建模所需計算龐大，單純依賴軟體運算速度難以滿足消費型電子產品的需求，因此，本研究基於一個最佳化演算法，設計出對應的晶片架構，實現高度平行計算並結合管線式處理，有效提升計算效率。相較於傳統軟體方法，硬體架構在眼球建模時的運算速度提高了約 40 倍，從而增強眼動儀的效能，使其更加順暢和精確。總而言之，本論文提出了改進可見光眼動儀在頭部移動時的計算準確性，並提出了一個高效的晶片架構，使可見光眼動儀在實際應用中更為可行。Item 具深度移動補償之可見光眼動儀(2021) 鄭培廷; Cheng, Pei-Ting在人機介面系統中，眼動儀是一個很有發展前景的技術，因為人在接收資訊時有一半以上是來自視覺。與傳統基於紅外光的眼動儀系統相比，可見光眼動儀提供使用者更為舒適的使用者體驗，並讓此技術成為至關重要的人機互動介面。然而由於眼睛圖像上缺少穩定的參考點，所以頭動補償變得非常困難。如果使用者的頭部未以下巴架固定，眼動儀系統的效能將會降低。本篇論文提出了新的頭動補償機制。提出的方法是利用眼角偵測演算法，允許使用者的頭可以前後移動。實驗結果顯示即使使用者的頭部有移動，我們提出的方法仍可以使可見光眼動儀保持一定程度的精準度與精密度。Item 以眼角定位為基礎之眼球模型與凝視點估計(2020) 黃冠人; Huang, Kuan-Jen可見光眼動儀無須額外的紅外光源，並且提供比一般紅外光眼動儀系統更好的使用者體驗。近年來，可見光眼動儀系統於人機系統互動的領域中變得更加重要，一般支援頭部移動的紅外光眼動儀系統已可在市場上看到，可見光系統卻還未有相關產品。可見光眼動儀系統在讓使用者自由地移動頭部的開發中仍留有許多進步空間。這是因為其系統精準度在頭部移動的情況下會降低。然而，頭動補償的問題並不能直接被簡化為眼球定位方面的問題，由於眼球定位可能不夠準確，眼球模型亦跟著建構的不準確，這導致了後續的凝視點估計結果無法接受。在本研究中，我們探討以內眼角為錨點的立體眼球模型，並分析了眼球中心和內眼角之間的相對關係，利用這個數學關係，可以改善眼球模型的建構、虹膜匹配和頭動補償等階段的精準度。除此之外，於頭動補償的階段，本研究可以準確地估計相機，屏幕和人眼之間的相對位置。實驗結果顯示本研究提出的方法能夠容忍眼球定位些微不準，並且提高凝視點估計精準度。Item 個人化眼球模型建構與高速虹膜匹配設計(2020) 邱奕欽; Chiu, Yi-Chin可見光眼動儀的核心技術是在眼睛影像中框取虹膜輪廓。系統的計算複雜度源自於分析眼睛圖像中可能呈現的不同虹膜形狀和不同照明條件下的影像。本論文中提出三個方法：一、眼球模型建構方法和改進的虹膜匹配方程式，藉此提高系統精準度和精密度。二、階層式搜尋用於即時的眼球模型與眼睛影像的匹配。三、在多核心微處理器上，本系統實現了高精密度的平行化凝視點估計系統架構。實驗結果改善眼球模型建構明顯提升了眼球模型匹配的精密度、階層式搜尋可以快速地在眼睛影像中匹配出虹膜並估計眼球旋轉角與所提出的平行化系統架構可以用於眼動儀系統當中並實現計算高於4000幀/秒的速度。Item 高精確度眼角偵測用於可見光眼動儀之頭動補償(2019) 李俊毅; Li, Jyun-Yi人類接收資訊的來源有80%以上來自視覺。眼動儀透過追蹤眼球運動來獲得凝視點。透過分析視覺行為過程的資訊，可以應用於認知心理學、商業、醫學和人機介面等。為了更方便有效地蒐集眼動資訊，眼動追蹤技術也不斷的發展與創新。但是可見光眼動儀在支援頭部移動仍有許多困難與挑戰，例如：在影像中如何穩定地追蹤眼睛，如何建立空間中眼睛、攝影機與螢幕之間的相對位置關係，還有每個人主視眼不一的情況。本文提出的高精確度眼角偵測，用於定位與眼球的相對位置，在頭動補償中眼角偵測的座標也用於估計頭部在影像中的相對移動，以校正程序建立空間中眼睛、攝影機與螢幕之間的相對位置關係，並偵測主視眼。透過眼角偵測與頭動補償的方法，進一步改善了凝視點估計的精確度。Item 低價眼動儀硬體與軟體開發(2014) 劉鑑儀; Chien-Yi Liu由於目前市售的眼動儀大部分還市價格偏高，本論文的方向為開發出低價、取樣頻率高、方便攜帶的眼動儀，可以開發出多台眼動儀讓更多人使用。 本論文會介紹眼動儀的發展過程以及眼動實驗常見的參數，各種眼球追蹤 系統，主要分為接觸式和非接觸式，接觸式的方法有眼電圖法、搜尋線圈法， 非接觸式的方法有 Purkinje 影像追蹤法、紅外線眼電圖法、紅外線視訊系統 法，還會介紹著名的眼球追蹤演算法。 最後就是本研究開發出的眼動儀，有固定式螢幕眼動儀、頭動式螢幕眼動 儀、實景眼動儀，固定式螢幕眼動儀需要利用 Chin Rest 固定下巴，頭部不能任意移動，優點是準確度高，取樣頻率最高約為 180Hz；頭動式螢幕眼動儀不需要固定下巴，頭可以稍微的在電腦螢幕前移動，但是準確度較差，取樣頻率約為 75Hz；實景眼動儀以螢幕眼動儀為基礎，外加一個實景攝影機作為錄影之用途，在錄製的螢幕範圍內需要貼 Glyph Code 做定位的功能，使用者可以戴著眼動儀到處觀看，電腦記錄影片及眼動座標、凝視點時間，作為事後分析的參 數，錄製的影片每秒為 30 個畫格。Item 低成本高速眼動儀之建構(2012) 江宗憲; Zong-Sian Jiang本研究提出了一種低成本高速眼動儀的建構方法，僅需要新台幣3000元的硬體製作成本，即完成一套取樣率為184Hz的眼動儀。過程中嘗試了數種硬體的組裝且不斷進行改良，並將控制端軟體中的眼動追蹤演算法與硬體驅動間調適及整合至最佳化，使硬體得以發揮最高效能。此外，本研究自製眼動儀系統除一般電腦螢幕上應用與實驗外，尚可透過影格率為75FPS的實景攝影機藉由同時錄製實景影像與紀錄眼動數據來進行真實場景中的相關應用與實驗。由於本研究掌握眼動儀硬體底層至軟體高階應用全方面關鍵技術，在高取樣率的眼動追蹤與高影格數的影片錄製間能有效控制運算時，資源消耗與調度。應用軟體方面，本研究自製眼動儀曾投入實際眼動實驗中，為配合實驗需求，分別有支援靜態圖片與動態影像的實驗介面；分析軟體上，開發有圖形呈現為主的ScanPath、HotZone、SelectROI；數據統計分析為主的Fixation Analysis、Saccade Analysis。 本研究自製眼動儀在ISO9241-Part 9指標性裝置評估驗證中具有反應速度快與準確率高的表現；在25點精準度實驗中也展現誤差的小於0.5˚的亮眼成果。Item 適用於可見光環境之高速眼動儀系統設計(2013) 張維德; Wei-Te Chang多數的眼球追蹤系統依靠較強的紅外光(IR)增強亮度，以達到不錯的準確度，但對使用者來說會略感不適。在本篇論文中，我們提出一可運行於一般光源的高速眼動儀系統，能夠克服光源不足以及當取樣率提升，所導致的光源閃爍問題。 本論文提出的系統包含四大部分，如何在影像中決定適當的搜尋範圍，如何透過特徵辨識找出受試者可能注視的方向，如何在搜尋範圍內找出合適的特徵並決定凝視點，最後計算如何由影像中的凝視點映射到螢幕上的凝視點，以及本文所提出的系統準確度計算。在240 fps的取樣率下，能夠達到水平方向0.76度與垂直方向1.43度的準確度。Item 具頭動補償之高速可見光眼動儀系統平行架構設計(2017) 蔡瑞哲; Tsai, Jui-Che眼動儀可應用於學習與認知心理學、商業廣告行為、神經科學等領域，利用眼睛觀看位置的資料進行統計分析，研究人類觀看行為的差異。目前市售的眼動儀多數使用紅外光技術，缺點為環境中的紅外光源會影響系統準確率，因此許多企業及學術單位投入於可見光眼動儀開發，但至今市面上尚未出現高精確度的可見光眼動儀產品。 本文以既有的眼球模型，改良虹膜抓取方法，針對一般辦公室光源環境下，使用每秒輸入480張影像之高速相機記錄眼睛影像。另一方面，利用高速相機影像連貫性的特徵，抓取眼睛固定特徵進行頭動補償，搭配平行化架構設計，以多執行序的技術，使本眼動儀計算速度可達到每秒480張影像，並達到高精確度與精準度的系統目標。