第一章 緒論
1. 1 研究動機與背景
古人云：「眼睛為靈魂之窗。」，孟子曰：「觀其眸子，人焉廋哉。」，前人的 智慧讓我們了解眼睛對人的重要，而眼動儀，便是一種追蹤、紀錄眼球移動軌跡 的系統，也有人稱它眼球追蹤系統。
時至今日，眼動儀已不再是一個新的名詞，由於科技的快速進步讓眼球追蹤 的相關應用接踵而至，如心理學研究者，在與人交談的過程中，觀察受試者的眼 睛移動狀況，判定他的情緒起伏或對談內容的真實性；教育研究者，藉由觀察記 錄學生在閱讀時對特定圖像的停留時間與眼球的移動軌跡，便可了解學生對哪些 文字擁有較高的注意力，是否在閱讀過程中容易受到圖像的影響，更可以分析成 績較優秀的學生與較排斥學習的學生之間的閱讀行為差異。語言教學者，可以透 過觀察學生在閱讀以母語寫作文章的眼球移動狀況，與閱讀非母語文章的眼球移 動狀況，找出學生對不同語言間的接受度，並適時的給予協助。各種產品設計師，
也可透過邀請消費者至擺設許多產品的房間，觀察與分析消費者在哪一項產品上 視線停留的時間較久，推算該產品對消費者的吸引力。
目 前 已 有 幾 家 國 際 大 廠 投 入 眼 動 儀 的 研 發 與 設 計 ， 如 德 國 的 S M I (SensoMotoric Instruments)公司[1]，成立於 1991 年，是全球第一間專門從事眼球 與視線軌跡追蹤的公司，他們的產品共分為 HED 型(頭戴式)、ETG 型(眼鏡式)、
RED 型(桌面式)、RED-M 型(小型桌面式)與 Hi-Speed 型(高取樣率式)共 5 種類型，
根據使用者目的不同，可以客製化選擇不同產品，並進行不同的研究。另一間是 瑞典的公司 Tobii[2]，其成立於 2001 年，與 SMI 較大的不同在於 Tobii 積極將其 產品運用於醫療上，並將眼動儀運用於癱瘓或相關重症患者(如四肢無法動彈)的
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醫療輔具，透過這套工具的輔助與其特殊的使用者介面設計，讓患者透過眼睛的 各種動作，將心裡的想法與感受傳遞給醫生，是一項對社會非常有貢獻的發明。
SMI 與 Tobii 的先後成立，讓我們更加相信透過眼睛能夠傳遞許多訊息，然 而這兩家公司在產品的設計上有一個共同點：選擇紅外光做為光源。首先，紅外 光為非可見光，能夠避免環境光源的影響，因此不需要擔心錄製的影像中是否有 額外的光源出現(如窗戶或檯燈)，再者紅外光屬於光譜上能量較低的光源，相較 於一般自然光源，長期照射受到的影響也較小，最後是將它作為眼動儀的輔助光 源，得到單通道影像(灰階影像)，使各種處理相較於彩色影像迅速與便利，因此 紅外光是一個擁有先天優勢的光源。如果要得到眼球移動的更多資訊，可以透過 提高取樣率的方式進行，當取樣率的提升，將造成感測器的曝光時間縮短，必須 增加紅外光強度才能得到預期的效果，此時紅外光為非可見光的優點便成為一項 令人擔憂的議題，當照射在眼睛的紅外光強度增強，人們幾乎無法察覺這項變化，
如果光源是可見光源，當亮度提升，人們對亮度產生的反射作用能夠對眼睛進行 保護，雖然尚未有文獻提出高強度紅外光對人體造成的影響，而臨床實驗僅提到 長期高劑量照射之下，可能引發視網膜灼傷、角膜灼傷，更嚴重可能造成白內障，
而根據我使用 Tobii 進行 1000 fps 實驗時的感受，臉部會有輕微的溫熱感，因此 高取樣率的研究仍為許多受試者心中所擔心的一個問題。
因此本論文希望能夠在一般正常光源下，設計一套高速眼動儀系統，使受試 者能夠排除對高量紅外光照射的健康疑慮，並設計與優化核心演算法，使其能夠 運行於一般消費型網路攝影機上且具有一定的準確度。
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1. 2 眼動儀相關研究概述
最早的眼動儀在 1897 年被建造，是第一台有文獻記載的侵入式眼動儀系統。
根據文獻上的紀載，Huey，建造了一個類似隱形眼鏡的裝置，並在其中間挖一個 洞，讓光線可由該洞進入瞳孔，其餘部分與一鋁製指針相連接，讓眼球的移動與 指針的移動達到同步，藉此抓取眼球的移動軌跡[3][4]，這樣的作法對受試者而言 非常不舒服，而且必須請受試者自行描述實驗過程中眼球的真實移動狀況與抓取 到的資料作比較，因此實驗結果與受試者的主觀意識相依性太高，結果較不客觀。
直到 1901 年，Dodge 與 Cline 首次提到利用外部光源照射在眼睛上，藉由紀錄由 瞳孔反射出的光線，得到眼球移動軌跡[5]，其原理為瞳孔是一個讓光線進入的洞，
當照射方向固定，便能夠估算反射光的可能路徑，藉由記錄理想反射光與實際反 射光之間的誤差，就能得到眼球移動軌跡，當這項作法被提出，非侵入式的眼動 儀系統與研究方法逐漸成為研究眼球移動的主流。
1935 年，由 George Buswell 建造第一台非侵入式眼動儀，其做法為朝受試 者的眼球照射一道光，再利用底片記錄眼球所反射的光點，用記錄到的連續光點 做為眼球的移動軌跡，雖然準確度並不高，卻是較客觀的資料。1948 年，Hartidge and Thompson 發明了第一台頭戴式眼動儀，使得受試者能夠在較自由的情況下接 受實驗，雖然各種不同的眼動儀相繼被開發，但造價昂貴以及安全上的疑慮導致 眼球追蹤的研究至 1980 年代才開始慢慢熱絡，其主要的原因在於，1980 年，Just 與 Carpenter 提出了一項理論，說明人們眼睛所注視的地方與大腦正在進行的處 理是同時的，所以我們能夠藉由觀察眼睛所注視的地方，得知受試者感興趣的地 方[6]。然而十九世紀末，眼科醫師 Louis Émile Javal 提出人類閱讀時是由跳視 (saccade)與凝視(fixation)所組成的行為模式，並發現眼球在快速「跳視」的過程 中難以察覺訊息，該現象又稱「跳視抑制」（saccadic suppression），Just 提出的理 論與眼科醫師 Louis Émile Javal 的想法大相逕庭，因此在當時引發許多爭議[7]，
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但也因為這篇論文，與當時的社會逐漸接受進行眼球追蹤研究的目的是為了幫助 殘障人士，使得眼球追蹤技術至 1980 年代之後才逐漸受到重視，以下將介紹幾 項重要的眼球追蹤技術：
第一種是在 1935 年被提出的方法，並經過多次的改良，做法為朝受試者的 眼球照射一道光，再利用鏡子紀錄反光點，作為移動軌跡，這個做法在 1950 至 1970 年非常盛行，雖然在當時能夠達到不錯的準確度，對受試者而言卻非常不舒 服。
第二種是「電磁線圈感應法」，其做法為請受試者將一個載有感應線圈的隱 形眼鏡戴在眼睛上，並施加磁場，利用眼球移動或轉動時所造成的磁場變化，產 生感應電動勢，紀錄感應電動勢的變化，判別眼睛的移動狀況，也有人稱作「鞏 膜搜尋線圈」（Scleral Search Coil），是當時最精準的眼動儀，但是在戴上隱形眼 鏡之前，必須先對眼睛角膜進行麻醉，屬於侵入式測量，因此較少人使用。
第三種是「眼框電位測量法」（Electrooculography），其做法為將電極片放置 眼球肌肉附近，當眼球移動時，將產生電位差，記錄該電位變化，但是僅能觀察 眼球水平方向的移動，這個方法在 1970 年代被廣泛使用，但是電位訊號容易受 到皮膚分泌物或眼睛附近其他肌肉的干擾而出錯，雖然準確度不高，在當時卻是 最便宜的測量方式。
第四種是「眼球影像分析法」（Photo-Oculography or Video-Oculography），其 做法為使用紅外光源並投射至受試者的眼球表面，再使用一個紅外光攝影機擷取 眼球影像，最後經由電腦快速分析眼球的瞳孔形狀、虹膜邊界位置以推斷眼球的 凝視位置及移動方向。由於需要使用高量的紅外光進行補償，將產生對眼睛造成 傷害的疑慮，除此之外，受試者必須固定其頭部，讓受試者感到不自在。
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第 五 種 是 「 瞳 孔 與 角 膜 的 影 像 合 併 分 析 法 」（ Video-Based Combined Pupil/Corneal Reflection），這個方法是第四種的改良，也是現在最受歡迎的方法 [8]-[11]，它同時記錄及分析特定方向的紅外光在角膜上的反射點以及瞳孔中央位 置的差異，計算瞳孔的位置以及頭部的移動狀況，受試者便不需要固定頭部或將 攝影機戴在頭上，不過仍需要使用紅外光進行補償，依然有對眼睛造成傷害的可 能。
由於科技的發展與進步，幾乎人人都有消費型相機或是網路攝影機，因此本 論文提出的方法是在一般自然光源下，使用數位相機錄製眼球移動影像再進行分 析與找出虹膜中心，再以其為凝視點，免除受試者對紅外光照射於眼睛所造成安 全上的疑慮，並達到相當的準確度。
1. 3 現有可見光眼動儀系統問題描述與本文提出的系統功能概述
現有可見光眼動儀的最大功能在於能夠辨別使用者的視線方向，能夠判斷受 試者目前是注視前方，上方、下方、左方或右方，但仍沒有辦法透過眼球的移動 資訊，推算出受試者可能的凝視點是在螢幕的哪一個位置，更不用考慮將這些演 算法運用於高取樣率(如 120 fps 以上)的影像上，隨著科技的進步，許多相關的演 算法相繼被提出，但仍適用於紅外光影像上，雖然達到不錯的準確度，但與本系 統的訴求不同。
因此我們將利用影像處理的做法，如增強對比演算法[34]-[38]，膚色偵測演 算法[42][45]，影像邊緣偵測演算法[24][39]，各種最佳化演算法[50][55]，與校正 演算法[27]，建構一能夠運行於 240/480/1000 fps 等不同取樣率的可見光眼動儀，
最後將計算出的凝視點座標映射至螢幕上，達到平均誤差在 2o以下的準確度。
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1. 4 本文架構
本論文中，第一章會闡述研究動機，其次會簡述眼動儀的發展緣由，最後針 對現有可見光眼動儀的已知問題與本文提出的系統功能概述。第二章中首先提到 非接觸式眼動儀的各項發展，其次對現有紅外光眼動儀以及可見光眼動儀系統架 構進行探討，最後簡述本文提出的系統流程以及搭配的演算法。第三章說明本文
本論文中，第一章會闡述研究動機，其次會簡述眼動儀的發展緣由，最後針 對現有可見光眼動儀的已知問題與本文提出的系統功能概述。第二章中首先提到 非接觸式眼動儀的各項發展，其次對現有紅外光眼動儀以及可見光眼動儀系統架 構進行探討，最後簡述本文提出的系統流程以及搭配的演算法。第三章說明本文