Eye tracking. Una nuova forma di interazione tra uomo e macchina

La combinazione di illuminazione a infrarossi e fotocamere fornisce la base per una vasta gamma di tecniche interattive in cui un dispositivo può “vedere” il proprio utente e interpretare le sue intenzioni.

Siamo circondati da così tanti dispositivi elettronici complessi che sono necessarie nuove tecniche per un’interazione intuitiva tra uomo e macchina.
L’esempio dell’eye tracking mostra che sulla base di questo tipo di hardware nuovi modelli di interazione possono essere implementati con soluzioni software. Innovazioni nei componenti hardware stanno guidando questo sviluppo. Vi è una tendenza, ad esempio, verso l’utilizzo di sorgenti di luce con una lunghezza d’onda di 940 nm. Osram sta quindi ampliando la propria gamma di emettitori IR per il riconoscimento facciale, l’eye tracking e applicazioni simili.

La comunicazione mediante il riconoscimento dei movimenti dell’occhio rende l’utilizzo degli strumenti elettronici più intuitivo

Computer potenti, LED a infrarossi ad alta efficienza e moderni sensori fotografici rendono ora possibile adattare alle applicazioni consumer i complessi sistemi di eye tracking. Questi sistemi consentono ai dispositivi di rilevare i movimenti degli occhi dell’utente e riconoscere ciò che desidera fare. In collaborazione con i classici metodi di input, l’eye tracking apre un nuovo mondo di interazioni più intuitive tra uomo e macchina.

Per decenni la tastiera e il mouse sono stati gli strumenti tradizionali per il funzionamento dei computer. Con l’arrivo di dispositivi mobili come gli smartphone e i tablet nuove tecniche si sono rese necessarie per comunicare in maniera efficace con questi mini-computer che non hanno né una tastiera, né un mouse. Gli schermi sensibili al tocco sono diventati una tecnologia chiave per l’usabilità di questi dispositivi. L’aggiunta del riconoscimento vocale ha reso il tutto ancora più intuitivo.

Il dispositivo che anticipa

Entro breve tempo la quantità di apparecchiature elettroniche che desidereremo per comunicare aumenterà ulteriormente con la diffusione dell’Internet delle cose. Un buon esempio è rappresentato dai dispositivi per la casa intelligente, dove i termostati con controllo vocale sono già disponibili sul mercato. Inoltre interagiremo con i robot in futuro: a prescindere da quelli industriali, sono già in fase di sviluppo assistenti robot per la casa e per il settore della salute. Oggi, i dispositivi possono ricevere comandi tramite touchscreen e sentire che cosa vogliono gli utenti attraverso microfoni integrati. Con l’aiuto dei sistemi di eye tracking (il riconoscimento dei movimenti dell’occhio) saranno inoltre in grado di rivelare ciò che gli utenti stanno guardando e anticipare ciò che desiderano fare. Questo aprirà una serie di nuovi scenari e possibilità di interazioni intuitive tra uomo e macchina.

In molti casi l’hardware per l’eye tracking è già disponibile

I sistemi di eye tracking rilevano i movimenti degli occhi di una persona e la direzione in cui sta guardando. Inizialmente sono stati sviluppati per ricerche di mercato, analisi dei comportamenti e studi di usabilità. Sono stati anche utilizzati per un certo periodo di tempo per aiutare le persone che non hanno più l’uso delle mani, per far funzionare i computer. Molti di questi sistemi utilizzano luci a infrarossi per illuminare gli occhi dell’utente, scattare foto con una fotocamera e calcolare il movimento oculare dai dati delle immagini. Tali sistemi necessitano di videocamere di alta qualità, sorgenti di illuminazione e software speciali. A volte sono necessari acceleratori hardware per elaborare le enormi quantità di dati grafici. Oggi, chip estremamente potenti, sensori compatti per fotocamere e moderni LED ad alta potenza consentono di integrare funzionalità di eye tracking in dispositivi come gli smartphone. In alcuni il sensore della fotocamera e la sorgente di luce infrarossa sono già utilizzati per altre funzioni come il riconoscimento facciale o l’identificazione dell’iride. Tutto ciò che serve è un opportuno software per integrare l’eye tracking tra le caratteristiche aggiuntive.

Gli sviluppi attuali

L’utilizzo dell’eye tracking come nuova ulteriore interfaccia uomo/macchina è attualmente in via di sviluppo in varie aree. Smartphone e tablet con funzionalità eye tracking possono già utilizzare il sistema di controllo del movimento oculare per attivare un’icona o spostare un personaggio sullo schermo. Giochi per computer con eye tracking danno ai giocatori un senso di maggior coinvolgimento nell’azione. Questi sistemi sono stati presentati in casi in cui i giocatori possono utilizzare i movimenti oculari per il controllo del punto di vista o dei personaggi a video, invece di utilizzare un mouse o un trackpad. L’eye tracking può essere impiegato in modo molto simile con i computer, per esempio utilizzando gli occhi per scorrere un documento. Nel settore smart home, inoltre, vi sono diversi modi di utilizzare il controllo visivo per comunicare con una vasta gamma di dispositivi, ad esempio sono già state presentate Smart TV con eye tracking. Possibili applicazioni per questi sistemi sono anche stati proposti nel settore automotive. Un buon esempio è l’assistente all’attività del guidatore (driver activity assistant) che monitora gli occhi del conducente per rilevare segni di affaticamento. Una funzionalità eye tracking potrebbe anche essere utilizzata per rilevare la direzione in cui il conducente sta guardando e determinare se presta attenzione alla strada o è distratto. Tali informazioni possono evitare situazioni critiche sulla strada.

Sistemi eye tracking per il settore consumer

Moderni sistemi eye tracking per le applicazioni sopra menzionate sono basate su LED ad infrarossi (IRED), per illuminare gli occhi, e fotocamere ad alta risoluzione che rilevano la luce riflessa dagli occhi. Gli algoritmi di elaborazione delle immagini elaborano i dati raw e calcolano la posizione delle pupille (Fig. 2). Utilizzando le informazioni sulla posizione con un oggetto di riferimento, come uno schermo, speciali software sono in grado di determinare esattamente dove l’utente sta guardando. L’illuminazione a infrarossi garantisce il necessario contrasto tra il diaframma e la pupilla, qualunque sia il colore degli occhi, anche in condizioni di buio o se lo schermo è molto luminoso.

Attualmente questi sistemi hanno una portata di circa un metro. Per gli smartphone e i tablet la tipica distanza di funzionamento è di circa 30 cm, per i computer desktop intorno a 60 cm. La risoluzione sullo schermo corrisponde alla riga di scansione dell’occhio (raster) ed è di circa 1 cm per i tablet e di circa 2 cm per i computer. Il numero di IRED utilizzati e la specifica disposizione di emettitori e sensori fotografici dipende dal tipo di applicazione; in altre parole dalla distanza di funzionamento e dalla dimensione dell’area da coprire. La configurazione può variare anche a seconda del software usato per l’eye tracking perché la geometria dipende anche dalla capacità degli algoritmi di rilevare in modo affidabile l’orientamento delle pupille. Generalmente, l’emettitore e il sensore della fotocamera devono essere disposti a un certo angolo e a una certa distanza l’uno rispetto all’altro per evitare riflessi da occhiali o abbagliamento diretto tra gli occhi e il sensore. Maggiore è tale distanza, migliore è la qualità del segnale e più flessibile la scelta di una distanza ottimale tra l’utente e il dispositivo.

LED a infrarossi per sistemi eye tracking

A differenza dello scanner dell’iride, ad esempio, che necessita maggiormente di una specifica lunghezza d’onda, i sistemi di eye tracking operano con un ampio intervallo spettrale. Spesso i sistemi sfruttano gli strumenti per la scansione dell’iride o per il riconoscimento facciale associando IRED (LED a raggi infrarossi) con lunghezze d’onda di 850 o 810 nm. IRED con una lunghezza d’onda di 850 nm sono percepiti dall’occhio umano come una debole luce rossa. Molti produttori di soluzioni di eye tracking preferiscono una lunghezza d’onda di 940 nm, perché praticamente invisibile a occhio nudo. Progetti a 940 nm hanno però l’inconveniente che i sensori fotografici attualmente in uso sono in generale ottimizzati per la luce visibile e hanno una sensibilità più bassa nello infrarosso. A 940 nm questa riduzione è tanto significativa (Fig. 3) che l’illuminazione a infrarossi deve essere potenziata per ottenere la stessa intensità del segnale di una sorgente luminosa a 850 nm. Tuttavia, in vista dell’enorme numero di applicazioni basate su illuminazione a infrarossi, i produttori di sensori sono al lavoro su nuove versioni di fotocamere con una buona sensibilità agli infrarossi.

Idealmente, entrambi gli occhi dovrebbe essere entro la zona di ripresa della fotocamera. È inoltre importante che l’intero occhio sia illuminato in modo uniforme. La quantità di luce a infrarossi che è necessaria dipende dalla distanza di funzionamento e può essere di svariati watt, anche per i dispositivi mobili. Per mantenere l’emissione termica, dovuta alle alte correnti di funzionamento, quanto più bassa possibile, gli emettitori sono azionati in modalità pulsata. Nonostante questo, la gestione termica è un aspetto importante della progettazione, particolarmente negli smartphone e tablet sempre più leggeri e sottili. A questo proposito l’efficienza dell’IRED è uno dei fattori più importanti, assieme all’output ottico. Maggiore è l’efficienza, minore è il calore generato.

Per tali applicazioni Osram ha sviluppato la serie Oslon Black e ha raggiunto un record di efficienza del 48% con l’SFH 4715A. Un emettitore a 850 nm fornisce tipicamente un output ottico di 770 mW a 1 A, e attualmente è il più efficiente IRED con questa corrente di funzionamento. È possibile raggiungere output maggiori tramite versioni stack in cui sono previsti due centri di emissione per ogni chip, con l’aiuto della tecnologia nanostack. L’SFH 4715 produce tipicamente 1340 mW di luce a una corrente di 1 A. Due versioni con angoli di emissione di 90 e 150 gradi coprono una vasta gamma di design. L’Oslon Black con un output ottico di 990 mW a 1 A è ideale come sorgente luminosa a 940 nm.

Una caratteristica particolare dell’Oslon Black è il fatto di essere spesso appena 2,3 mm: questo IRED quindi si adatta non solo all’attuale generazione di smartphone, ma anche alla prossima, nonostante la tendenza verso dispositivi sempre più sottili.

Come qualsiasi applicazione dotata di sorgenti di luce a infrarossi, i sistemi di eye tracking devono conformarsi agli standard di sicurezza. La quantità di radiazione infrarossa che normalmente raggiunge un utente è relativamente bassa. Tuttavia, devono essere prese delle precauzioni, ad esempio, per le situazioni in cui un tecnico può correre rischi guardando la sorgente a infrarossi da vicino. Un sensore di prossimità legato al sistema eye tracking garantisce che in tali casi il LED infrarosso si spenga. Ulteriori informazioni sulla sicurezza nella progettazione di sistemi ottici possono essere trovati nell’Osram Application Note sulla sicurezza degli occhi.

L’autore

Il dott. Christoph Goeltner è Product Manager di Osram Opto Semiconductors di Sunnyvale, in California. È responsabile per i LED a infrarossi in applicazioni consumer. Dopo aver ricevuto il dottorato presso il Massachusetts Institute of Technology ha lavorato per Mercedes Benz e Siemens. Nella Silicon Valley ha ricoperto posizioni come marketing manager presso diverse startup high-tech e alla Texas Instruments.

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