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作者:徐業良(2011-04-11);推薦:徐業良(2011-04-11)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2011年五月號,史丹福專欄。

你在看甚麼-談眼球追蹤儀在汽車上的應用

“What are you looking at?”,「你在看甚麼?」

不管是好奇、無聊、還是挑釁,似乎常常有人在問「你在看甚麼?」這個問題。

學術研究上對「你在看甚麼?」這個問題顯然也十分有興趣,最早在1879年,有一位法國學者Javal就發表過一項人在閱讀時眼球動作模式的研究。您現在正在閱讀汽車購買指南雜誌史丹福專欄的文章,您也許以為自己眼睛的視線應該是平順地掃過雜誌上一行一行靜態的文字,您再讀一遍這段文章仔細體會一下,因為事實並非如此,您在閱讀時眼球典型的動作模式其實是一連串的掃視-暫停"、掃視-暫停"的動作組合。

這個19世紀發表的研究似乎沒有使用甚麼先進的儀器設備,而是全憑研究者長期的「觀察」。然而這個對眼球動作模式的「觀察」引發了更多好奇,人們接著想進一步知道閱讀時眼睛的視線到底停頓在哪些字?停了多久?是不是因為這些停頓的字所傳達資訊特別重要或者特別引發讀者的興趣?這個好奇很快地又擴展到人在看一幅圖畫時視線移動的模式是甚麼?視線會集中在哪裡?為什麼?這個領域的研究持續了接近一世紀之久,直到1967年俄國心理學家Yarbus花了二十年時間深入研究,還發表了一本書“Eye Movements and Vision”,才對閱讀時人眼視線模式的探討提出了具體結論。

眼睛是靈魂之窗。您知道,對「你在看甚麼?」這個問題的好奇,其實是在人的視線移動模式背後所代表的心理狀態。

隨著時代的演進,越來越多不同的領域希望藉由觀察人眼視線移動的模式來得到更多有用的資訊。像是廣告、行銷、甚至百貨公司商品陳列的設計者,都希望了解消費者看到廣告時視線的焦點到底集中在哪裡,哪些元素能夠吸引消費者的注意力、哪些元素其實會造成消費者的混淆、哪些元素又根本被消費者完全忽略掉;同樣的問題對於媒體設計者也非常重要,例如設計網頁、電腦軟體介面、或者電腦遊戲時,設計者也非常希望藉由使用者操作時的視線移動模式,來了解使用者操作邏輯是否符合其設計上原先設定的想法。這種類型的研究,除了將視線移動模式用各種統計、圖像方式分析、表達之外,消費者或使用者在注視產品或媒體時瞳孔是否放大、是否眨眼等等視覺行為,都有助於分析這些媒體的設計對於目標顧客是否有效。

當然要監測這一大堆視覺行為、取得其背後複雜的心理狀態資訊,絕對不能只靠人為的「觀察」,而是要靠先進的「眼球追蹤技術(eye tracking technology)」。所謂「眼球追蹤」基本上就是在測量眼球的「注視點(point of gaze)」,簡單地說,就是在偵測您在眼睛的視野範圍內專注在看哪一點。一個多世紀以來各式各樣的眼球追蹤技術都曾經被提出來過,目前主流的眼球追蹤技術是利用瞳孔影像辨識來追蹤眼球動作。

我在元智大學負責的研究中心有不少研究計畫和人機互動有關,因此去年底研究中心採購了一套價值80萬元的「眼球追蹤儀(eye tracker)」。這是一套很有趣的設備(雖然我完全不認為需要貴到80萬元),可以像眼鏡一樣掛在雙耳上、並且固定於前額,眼球追蹤儀上有兩台小型攝影機,一台向內拍攝眼球、另一台向外拍攝視野範圍內所見的景物。隨附的電腦軟體上也有兩個影像視窗,一個顯示使用者的眼睛、另一個顯示使用者注視的影像,跟隨著使用者抬頭、低頭、左右轉頭,都可以從視窗中看到同樣的影像。

挺有意思的,用這樣簡單的設備,便可以像電影鏡頭一樣,從別人的眼睛中看世界。

眼球追蹤儀的學問當然不只如此,最主要的技術是以電腦影像辨識作眼球瞳孔位置的追蹤。開始使用眼球追蹤儀時必須先作一次瞳孔定位校正,使用者注視幾個固定點、將瞳孔位置記錄下來,有點像有些觸控式手機觸控筆的定位校正方式,校正完畢後由向內拍攝眼球的攝影機拍攝的影像,電腦軟體可以自動辨識瞳孔動作,進而計算出瞳孔注視的位置,搭配電腦軟體將瞳孔注視為置的軌跡與向外拍攝攝影機之視野影像重疊,便可以視覺化的方式呈現使用者視線焦點在哪裡。資料處理軟體並可輸出視線停駐時間、眨眼頻率、瞳孔放大比例等量化數據,可用於探討前面提到視線移動軌跡或掃視模式背後所隱含的心理意義,例如重點資訊、個人喜好、專注程度等等。

扯了這麼多,總算要言歸正傳了,這項眼球追蹤技術最重要也最有實用價值的應用領域,其實是在汽車上的應用。許多研究將前面提到的這種眼球追蹤攝影機整合在汽車內,目的是希望能夠即時追蹤、評估駕駛人的視覺行為。

根據美國的國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)的估計,每年美國大約有10萬件車禍事故的主因是駕駛人疲倦想睡,NHTSA提供的另一項研究數據顯示,80%的車禍事故發生在駕駛人「失神」的三秒鐘之內。我自己也常常有這樣的困擾,開車時很容易想睡覺(年紀大了的象徵),特別是在夜間高速公路上開車最常發生,通常不可能真的睡著,但是駕駛人一瞬間的瞌睡(有個學名叫作“microsleep”),輕則緊急剎車、險些追撞前車,嚴重的話很可能就真的發生車禍意外了。

如果汽車內能夠安裝這種“eye tracker”眼球追蹤儀,能夠監視駕駛人是否疲倦想睡、不專心、以及其他影響駕駛安全的心理狀況,並且提供即時警示、「驚醒」駕駛人,應該對減少交通意外事故有很大的幫助。Lexus LS460最早在2006年便提供了這麼一套設備,追蹤駕駛人的眼球,如果駕駛人的眼神離開前方道路,或者有快要睡著的跡象,便會立即發出警示。不過Lexus這套系統在近幾年最新的LS460車款似乎反而沒有提供,在網路上快速翻找了一陣,沒有找到確切的原因和駕駛人對2006年這套系統的評價。

眼球追蹤技術其實已經存在一陣子了,也有一些商用產品出現,但是和實驗室的研究設備比較,要在汽車上裝置eye tracker,顯然有兩個重要因素要克服,一是價格絕對不能高達80萬元,二是必須採用「非察覺式」的感測方式-駕駛人應該不會接受開車時要戴上一副額外的眼鏡,每次開車還要經過複雜的校正。

針對這兩個問題,去年十月份德國一家研究機構Fraunhofer Institute for Digital Media Technology (IDMT)發表了一款汽車用eye tracker,似乎很有商品化的可行性,汽車專業媒體報導頗多,應該是一個可以向讀友們進一步介紹的好例子。IDMT的系統一共使用了最少2個、最多6個固定位置攝影機,從各個角度抓取駕駛人的眼睛影像。這套系統最厲害的似乎是其影像辨識軟體技術,每秒鐘可以處理200張從這些固定位置攝影機拍攝的影像,來建立駕駛人的視線軌跡,使用者也不必像前面提到必須事先作瞳孔位置的校正,即使駕駛人在駕駛過程中左右擺頭也沒有關係。所有的影像辨識軟體程式不需要在電腦上執行,而是在一個只有火柴盒一半大的晶片上處理,所以系統可以輕易裝在汽車駕駛座遮陽板上,或者儀表板上任何有空的位置,任何廠牌的汽車都可以安裝。駕駛人可以自行設定一些監測參數,例如監測到駕駛人眼睛閉起超過1秒鐘,便要立即發出警示。

聽起來還不錯。但是在我自己的經驗裡,開車開得想睡覺我自己都會知道,不太需要警示,我覺得比較大的問題是監測到駕駛人瞌睡之後的行動,怎麼樣讓自己「醒過來」。自己常常開車瞌睡時得要猛烈甩頭、自打耳光、或在大冷天高速公路上開窗吹風,但是效果都不大,下次也許得喝一罐蠻牛試試看。

除了在汽車內安裝眼球追蹤儀作駕駛人即時監測之外,也有研究者利用眼球追蹤儀作駕駛行為的研究。讀過一份瑞士學者發表相當有的研究報告,利用眼球追蹤儀記錄兩組駕駛人,一組是駕駛老手、一組是新手,在狹窄多彎的巷弄裡開車時的視線移動模式,結果發現在這中困難的駕駛狀況下,兩組駕駛人的視線暫停點有相當大的不同,有經驗的駕駛人顯然比較能夠把視線焦點集中在需要專注之處。

離開汽車的應用,我覺得眼球追蹤技術最Cool的應用是「眼球滑鼠」,追蹤眼球位置來控制電腦系統,像是肢體癱瘓、不能說話的身心障礙者(漸凍人、帕金森氏症患者等)可以透過眼球動作與外界溝通,打字、上網、傳送email等等。一般人也用得上這種眼球滑鼠,有個研究把這項技術用在照相機上,您只要瞪著照相機的攝影視窗看,照像機便可經由瞳孔為置找到您視線的焦點,藉此自動對焦。

史丹福專欄,下個月見!