頭部臉部即時追蹤系統(faceLAB)

faceLAB 為頭部、凝視與疲勞分析工具，其由軟體與硬體所整合之一套即 時自動追蹤頭部、臉部位置及特徵之系統，有關 faceLAB 之優點及特性，整理 如表 3.2 所示。

表 3.2 faceLAB 優點及特性表

優點 特性

 即時眼睛、頭部追蹤量測及眨眼偵 測

 具有高精度、高速完整之視覺化追 蹤引擎

 自動化及重複之調校功能可以快 速辨識出受試者

 注意力量測及眼球掃視路徑分析

 適合室外或室內實驗，可於暗室實 驗，可在白天或黑夜作業

 即時自動資料擷取及記錄，可透過 網路進行資料存取

 具有強大的分析工具及國際技術 支援

 具有桌上型及筆記型系統

 非侵入式作業(非電磁感應器、纜 線及頭盔)

 可選擇之凝視校正方式，可以提昇 精確度及縮短時間

 可以允許帶眼鏡或隱形眼鏡

 可應用螢幕研究、模擬器、空間模 擬器、汽車及飛機等之研究

 自動追蹤：瞬間受試者頭 部姿勢、眼睛位置初始化 及閉合率。

 戴 太 陽 眼 鏡 而 遮 蔽 眼 睛 時，系統會自動追蹤頭部 位置

 可在陽光下或對比條件變 化大的狀況下使用

 可以根據實驗狀況調整資 料收集

 不受局部閉塞、臉部缺陷 或自然晃動所影響

 高速回復率<200 ms，當受 試者重新回到追蹤範圍 ， 可快速找出受試者特徵

 18 倍數光學計算機自動控

制之縮放鏡頭，可以輕易 在廣大追蹤範圍安裝實驗

 資料採集率 60 Hz

 全 3D-六自由度之頭部追 蹤，2 自由度之凝視點追 蹤

 瞳孔直徑量測

 眼睛邊緣長度計測

資料來源： 本研究整理自【5】。

一、faceLAB 硬體說明

faceLAB 硬體包括立式 DELL 電腦、Sony FCB-EX480B 攝影機、校正盤、

角度定位器、紅外線發射器、捲尺，各設備功能，整理如表 3.3 所示。

表 3.3 faceLAB 硬體設備說明表

硬體項目 說明

DELL 電腦 DELL 電 腦 經 由 連 接 端 子 與 Sony FCB-EX480B 攝影機、紅外線發射器互 相連結，主要在軟體程式的啟動與運 作，以軟體來啟動並調校攝 影機各特 性。

Sony FCB-EX480B 系列攝影機 Sony FCB-EX480B 攝影機功能針對不 同使用者以進行臉部與眼部之追蹤，並 藉由聚合點 (Vergence point) 來偵測受 測者頭部、眼部變化位置。

校正盤 功能包括攝影機焦點微調、目標物之調

校與方向之調校，功能在於模擬受測者 頭部轉動，以建立受測者之頭部模型 。

角度定位器 用來精確的量測出設置各硬體設備與 受測者頭部模型建立所需之角度 。

聚合點

表 3.3 faceLAB 硬體設備說明表(續)

硬體項目 說明

紅外線發射器 使用在精確凝視模式校正與晚上黑暗 的環境下，以提高 faceLAB 系統追蹤 之精確度與準確度。

捲尺 用來精確量測出設置各硬體設備與受

測者模形建立所需之長度。在世界模式 中編輯，以精確凝視模式校正紅外線發 射器之位置。

二、faceLAB 軟體說明

本研究所使用的為 faceLAB4.5 版本軟體，操作步驟說明如下：

（一）啟動 faceLAB

啟動faceLAB應用程式後，會出現四個視窗，如圖3-3所示，說明如表 3.4。

圖 3-3 faceLAB 應用程式視窗圖

表 3.4 faceLAB 應用程式視窗功能說明表

主要視窗(The Main Window ) 視訊視窗(The Video Window )

視窗位置：左上角 視窗位置：右上角

faceLAB應用程式的主要視窗，建立頭 部模型，並且能夠啟動、停止faceLAB 應用程式之追蹤與紀錄功能 。

顯示攝影機拍攝之追蹤影像 。

控制視窗(The Control Window ) 世 界 模 型 視 窗 (The World Model Window )

視窗位置：左下角 視窗位置：右下角

顯示各種狀態之資訊，並且允許使用者 變更目前頭部模型之控制設定、變更紀 錄選項、更新攝影機設定與調校。

允許使用者編輯世界模型，並且在追 蹤時顯示三維頭部模型的凝視、專注 與頭部位置資訊。

（二）建立 Stereo-Head 模型

1. 執行 faceLAB4.5 進入起始畫面後，建立新的 Stereo-Head 則點選 Create New Stereo-Head，先在 Camera Type 選取 Sony FCB Series，然後在 Head Name 輸入自訂的受測者名稱或編號 ，按 OK 進行下一步驟，如圖 3-4 所示。

圖 3-4 建立 Stereo-Head 模型步驟之一圖

2. 等待攝影機開機讀取後，進入 Camera Configuration Wizard ，按 Next 進行下一步驟，選取攝影機組態，選擇“Classic Tracking”，攝影機 B 視窗應包含臉部的眼睛、眼角、嘴角；攝影機 A 視窗包括整個頭部的 影像，調整後進入下個步驟，如圖 3-5 所示。

圖 3-5 建立 Stereo-Head 模型步驟之二圖

3. 調整攝影機 Zoom 與 Focus，攝影機焦距微調，要求受測者將頭部置於 攝影機前方，按下 Auto-Focus 後直到自動對焦後則放開，攝影機 B 重 複執行進行焦距微調，如圖 3-6 所示。

圖 3-6 建立 Stereo-Head 模型步驟之三圖

4. 利用調校板進行調校，進行調校時必須轉換各種不同方向，軟體會自動 進行資料分析，資料分析後調校成功會顯示 The collected data is OK.

Click NEXT to continue 。如果出現其他顯示結果則回 復上一步重新調 校，方位調校時手持調校板於攝影機前方適當位置 ，當綠框出現及調 校板上兩個水平儀都對準中間時 ，按下 Take Snapshot Now，成功後進 行下一步驟，如圖 3-7 所示。

圖 3-7 建立 Stereo-Head 模型步驟之四圖

5. 取得影像後，Stereo-Head Orientation Calibration Wizard 會開始分析所擷 取的畫面，並將此 Stereo-Head 儲存成資料。

（三）建立頭部模型

1. 在 faceLAB 視窗中選取 Create Auto 按 Set Model 自動產生一個模型，在 faceLAB 視窗上 Head model 選取 Edit Head model 編輯頭部模型，在 Tracking Setup Wizard 中追蹤形式選擇 Front Only，如圖 3-8 所示。

圖 3-8 建立頭部模型步驟之一圖

2. 進行受測者頭部拍照，編輯參考點時注意臉部六個參考點 ，應將參考點 盡可能精確移到適當位置 (眼角與嘴角)，編輯時只能編輯左邊的圖片，

左鍵可以移動參考點，配置完顯示頭部追蹤資訊，如圖 3-9 所示。

圖 3-9 建立頭部模型步驟之二圖

3. 觀察 Tracking Quality(%)，數值最好達到 75 以上，若是追蹤品質一直無 法達到滿意的水準，使用者可以調整右下角三個調整鈕提昇辨識品質 。 建立頭部 classic 模型凝視，主要是檢查在不同凝視角度攝影機追蹤績 效，調整眼睛追蹤參數，可選取瞳孔或虹膜眼睛追 蹤方式來進行調整，

將追蹤選項的 Automatically Adjust 選項取消，藉由人工方式來調整 Iris Visibility 與 Iris Radius 直到調整到滿意的水準 ，如圖 3-10 所示。

圖 3-10 建立頭部模型步驟之三圖

4. 進行一次凝視調校，主要的目的是眼睛方向的辨識 ，凝視調校完成，系 統即可追蹤頭部與眼睛的移動狀況 ，如圖 3-11 所示。

圖 3-11 建立頭部模型步驟之四圖

5. 選取控制視窗中 SID 選項後，按 Show Screen Intersection Display ，如圖 3-12 所示，會彈出一個全螢幕畫面，按下 Space Bar 開始調校螢幕，此 時從左上到右下依序出現 9 個白圓點，請受測者用眼睛凝視圓點出現位 置，凝視的過程盡量不要眨眼睛。一旦完成調校，用眼睛環式螢幕周圍 或請受測者跟著滑鼠游標所點的位置移動 ，看是否達到準確水準，如果 效果不佳，可以重複流程再度調校。

資料來源：【31】

圖 3-12 建立頭部模型步驟之五圖

（四）資料分析與儲存

在資料分析與儲存方面，分為Head資料、Gaze資料與Logging資料的使 用，各項資料說明如表3.5所示。

表 3.5 各項資料說明表

資料名稱 說明

Head 資料

Head中有六項資料，分別為立體座標位置 x,y,z與x,y,z之轉動量。

Translation資料中頭往右方移動為 +x左方移動則為-x，往上為+y，

一般頭是不會垂直往下方 ，至於z軸則是頭與攝影機之間的距離 ， 攝影機位置為0頭在距離一公尺左右的位置。至於Rotation 中x 軸 方向為α，y軸方向為β，z軸方向為γ。即表示點頭會影響α，轉頭 會影響β，搖頭會影響γ。

表 3.5 各項資料說明表(續)

資料名稱 說明

Gaze 資料

Gaze資料主要是在追蹤眼 球的動作。Yaw代表眼球左右的程度 ， Pitch則是眼球上下的程度。其中資料又分為原始資料 (Raw)與修正 過的資料(Filtered)，因為眼睛是最難分析的一個部分因此要將雜 訊過濾掉，才會使用Filter 這個功能。過濾的程度在進行設定時可 以自行設定。

Logging 資料

在控制視窗中有一項Logging的功能，可以將偵測到的數據即時記 錄起來。紀錄資訊可分為兩種方式 ，一是透過TCP/IP傳輸到遠端 網路接收程式中，另一種是儲存到磁碟機中 。