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Seguimiento ocular

Dispositivo de seguimiento ocular Los científicos realizan un seguimiento de los movimientos oculares en pacientes con glaucoma para comprobar si tienen problemas de visión al c...

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Dispositivo de seguimiento ocular
Los científicos realizan un seguimiento de los movimientos oculares en pacientes con glaucoma para comprobar si tienen problemas de visión al conducir.

El seguimiento ocular es el proceso de medir el punto de mirada (hacia dónde se dirige la mirada) o el movimiento del ojo en relación con la cabeza. Un rastreador ocular es un dispositivo para medir la posición y el movimiento de los ojos . Los rastreadores oculares se utilizan en la investigación del sistema visual , en psicología, en psicolingüística , en marketing, como dispositivo de entrada para la interacción persona-ordenador y en el diseño de productos. Además, los rastreadores oculares se utilizan cada vez más en aplicaciones de asistencia y rehabilitación, como el control de sillas de ruedas, brazos robóticos y prótesis. Recientemente, el seguimiento ocular se ha examinado como una herramienta para la detección temprana del trastorno del espectro autista . Existen varios métodos para medir el movimiento ocular, siendo la variante más popular la que utiliza imágenes de vídeo para extraer la posición del ojo. Otros métodos utilizan bobinas de búsqueda o se basan en el electrooculograma .

Historia

Rastreador ocular Yarbus de la década de 1960.

En el siglo XIX, se realizaron estudios sobre el movimiento ocular mediante observaciones directas. Por ejemplo, Louis Émile Javal observó en 1879 que la lectura no implica un movimiento continuo de los ojos a lo largo del texto, como se suponía anteriormente, sino una serie de breves paradas (llamadas fijaciones ) y sacadas rápidas . [ 1 ] Esta observación planteó importantes interrogantes sobre la lectura, que se exploraron durante el siglo XX: ¿En qué palabras se detienen los ojos? ¿Durante cuánto tiempo? ¿Cuándo vuelven a mirar palabras ya vistas?

Un ejemplo de fijaciones y sacadas sobre un texto. Este es el patrón típico de movimiento ocular durante la lectura. Los ojos nunca se mueven con fluidez sobre un texto estático.

Edmund Huey [ 2 ] construyó un rastreador ocular primitivo, utilizando una especie de lente de contacto con un orificio para la pupila . La lente estaba conectada a un puntero de aluminio que se movía en respuesta al movimiento del ojo. Huey estudió y cuantificó las regresiones (solo una pequeña proporción de los movimientos sacádicos son regresiones) y demostró que algunas palabras en una oración no se fijan en la mirada.

Los primeros rastreadores oculares no intrusivos fueron construidos por Guy Thomas Buswell en Chicago, utilizando haces de luz que se reflejaban en el ojo y luego se registraban en película. Buswell realizó estudios sistemáticos sobre la lectura [ 3 ] [ 4 ] y la visualización de imágenes. [ 5 ]

En la década de 1950, Alfred L. Yarbus [ 6 ] realizó investigaciones sobre el seguimiento ocular, y su libro de 1967 se cita con frecuencia. Demostró que la tarea asignada a un sujeto tiene una gran influencia en el movimiento de sus ojos. También escribió sobre la relación entre las fijaciones y el interés:

Todos los registros... muestran de manera concluyente que el carácter del movimiento ocular es completamente independiente o depende muy ligeramente del material de la imagen y de cómo se hizo, siempre que sea plana o casi plana." [ 7 ]

El patrón cíclico en el examen de imágenes "depende no solo de lo que se muestra en la imagen, sino también del problema al que se enfrenta el observador y de la información que espera obtener de la imagen". [ 8 ]

Este estudio de Yarbus (1967) se suele citar como prueba de cómo la tarea asignada a una persona influye en sus movimientos oculares.

Los registros de los movimientos oculares muestran que la atención del observador suele centrarse únicamente en ciertos elementos de la imagen. El movimiento ocular refleja los procesos de pensamiento humanos; por lo tanto, el pensamiento del observador puede deducirse hasta cierto punto a partir de los registros de sus movimientos oculares (el pensamiento que acompaña al examen del objeto en cuestión). A partir de estos registros, es fácil determinar qué elementos atraen la mirada del observador (y, por consiguiente, su pensamiento), en qué orden y con qué frecuencia. [ 7 ]

La atención del observador se centra frecuentemente en elementos que no aportan información importante, pero que, en su opinión, podrían hacerlo. A menudo, un observador concentra su atención en elementos inusuales en las circunstancias particulares, desconocidos, incomprensibles, etc. [ 9 ]

... al cambiar sus puntos de fijación, el ojo del observador regresa repetidamente a los mismos elementos de la imagen. El tiempo adicional dedicado a la percepción no se utiliza para examinar los elementos secundarios, sino para reexaminar los elementos más importantes. [ 10 ]

Este estudio de Hunziker (1970) [ 11 ] sobre el seguimiento ocular en la resolución de problemas utilizó una película simple de 8  mm para rastrear el movimiento ocular filmando al sujeto a través de una placa de vidrio en la que se mostraba el problema visual. [ 12 ] [ 11 ]

En la década de 1970, la investigación sobre el seguimiento ocular se expandió rápidamente, en particular la investigación sobre la lectura. Rayner ofrece una buena visión general de la investigación de este período . [ 13 ]

En 1980, Just y Carpenter [ 14 ] formularon la influyente hipótesis de Strong sobre la relación ojo-mente , que establece que "no existe un retraso apreciable entre lo que se fija y lo que se procesa". Si esta hipótesis es correcta, entonces cuando un sujeto mira una palabra u objeto, también piensa en él (lo procesa cognitivamente) durante exactamente el mismo tiempo que dura la fijación registrada. Los investigadores que utilizan el seguimiento ocular suelen dar por sentada esta hipótesis. Sin embargo, las técnicas de seguimiento de la mirada ofrecen una opción interesante para diferenciar la atención manifiesta de la encubierta, y distinguir entre lo que se fija y lo que se procesa.

Durante la década de 1980, la hipótesis ojo-mente fue cuestionada con frecuencia a la luz de la atención encubierta, [ 15 ] [ 16 ] la atención a algo que no se está mirando, algo que la gente suele hacer. Si la atención encubierta es común durante las grabaciones de seguimiento ocular, los patrones de trayectoria de escaneo y fijación resultantes a menudo no mostrarían dónde ha estado la atención, sino solo hacia dónde ha estado mirando el ojo, sin indicar el procesamiento cognitivo.

En la década de 1980 también surgió el uso del seguimiento ocular para responder preguntas relacionadas con la interacción persona-computadora. Específicamente, los investigadores estudiaron cómo los usuarios buscan comandos en los menús de las computadoras. [ 17 ] Además, las computadoras permitieron a los investigadores utilizar los resultados del seguimiento ocular en tiempo real, principalmente para ayudar a los usuarios con discapacidad. [ 17 ]

Más recientemente, ha habido un aumento en el uso del seguimiento ocular para estudiar cómo interactúan los usuarios con diferentes interfaces de computadora. Las preguntas específicas que se hacen los investigadores están relacionadas con la facilidad de uso de las diferentes interfaces. [ 17 ] Los resultados de la investigación de seguimiento ocular pueden llevar a cambios en el diseño de la interfaz. Otra área de investigación reciente se centra en el desarrollo web. Esto puede incluir cómo reaccionan los usuarios a los menús desplegables o dónde centran su atención en un sitio web para que el desarrollador sepa dónde colocar un anuncio. [ 18 ]

Según Hoffman, [ 19 ] el consenso actual es que la atención visual siempre está ligeramente (de 100 a 250 ms) por delante del ojo. Pero tan pronto como la atención se mueve a una nueva posición, los ojos tenderán a seguirla. [ 20 ]

Aún no es posible inferir procesos cognitivos específicos directamente a partir de la fijación en un objeto particular de una escena. [ 21 ] Por ejemplo, la fijación en un rostro en una fotografía puede indicar reconocimiento, agrado, desagrado, desconcierto, etc. Por lo tanto, el seguimiento ocular suele combinarse con otras metodologías, como los protocolos verbales introspectivos .

Gracias a los avances en dispositivos electrónicos portátiles, los rastreadores oculares portátiles montados en la cabeza actualmente pueden lograr un rendimiento excelente y se utilizan cada vez más en investigación y aplicaciones comerciales dirigidas a entornos de la vida cotidiana. [ 22 ] Estos mismos avances han llevado a un aumento en el estudio de los pequeños movimientos oculares que ocurren durante la fijación, tanto en el laboratorio como en entornos aplicados. [ 23 ]

El uso de redes neuronales convolucionales en el seguimiento ocular permite que la inteligencia artificial identifique nueva información.

En el siglo XXI, el uso de la inteligencia artificial (IA) y las redes neuronales artificiales se ha convertido en una forma viable de completar tareas y análisis de seguimiento ocular. En particular, la red neuronal convolucional se presta al seguimiento ocular, ya que está diseñada para tareas centradas en imágenes. Con la IA, las tareas y estudios de seguimiento ocular pueden proporcionar información adicional que podría no haber sido detectada por observadores humanos. La práctica del aprendizaje profundo también permite que una red neuronal determinada mejore en una tarea específica cuando se le proporcionan suficientes datos de muestra. Sin embargo, esto requiere una cantidad relativamente grande de datos de entrenamiento. [ 24 ]

Los posibles casos de uso de la IA en el seguimiento ocular abarcan una amplia gama de temas, desde aplicaciones médicas [ 25 ] hasta seguridad vial [ 24 ] , pasando por teoría de juegos [ 26 ] e incluso aplicaciones educativas y de formación. [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]

Tipos de rastreador

Los rastreadores oculares miden las rotaciones del ojo de varias maneras, pero principalmente se dividen en tres categorías:

  1. Medición del movimiento de un objeto (normalmente, una lente de contacto especial) adherido al ojo.
  2. seguimiento óptico sin contacto directo con el ojo
  3. Medición de potenciales eléctricos mediante electrodos colocados alrededor de los ojos.

Seguimiento ocular

El primer tipo utiliza un dispositivo que se adhiere al ojo, como una lente de contacto especial con un espejo incorporado o un sensor de campo magnético, y se mide el movimiento de dicho dispositivo bajo el supuesto de que no se desliza significativamente al rotar el ojo. Las mediciones con lentes de contacto ajustadas han proporcionado registros precisos del movimiento ocular, y los investigadores que estudian la dinámica y la fisiología subyacente del movimiento ocular han utilizado bobinas de búsqueda magnéticas . Este método permite medir el movimiento ocular en las direcciones horizontal, vertical y de torsión. [ 30 ]

Seguimiento óptico

Un dispositivo de visualización montado en la cabeza con seguimiento ocular . Cada ojo tiene una fuente de luz LED (metal de color dorado) en el lateral de la lente de la pantalla y una cámara debajo de la lente.

La segunda categoría general utiliza algún método óptico sin contacto para medir el movimiento ocular. La luz, generalmente infrarroja, se refleja en el ojo y es detectada por una cámara de vídeo u otro sensor óptico especialmente diseñado. La información se analiza para extraer la rotación ocular a partir de los cambios en las reflexiones. Los rastreadores oculares basados ​​en vídeo suelen utilizar la reflexión corneal (la primera imagen de Purkinje ) y el centro de la pupila como características para el seguimiento a lo largo del tiempo. Un tipo de rastreador ocular más sensible, el rastreador ocular de doble Purkinje, [ 31 ] utiliza las reflexiones de la parte frontal de la córnea (primera imagen de Purkinje) y la parte posterior del cristalino (cuarta imagen de Purkinje) como características para el seguimiento. Un método de seguimiento aún más sensible consiste en capturar imágenes de características del interior del ojo, como los vasos sanguíneos de la retina, y seguir estas características a medida que el ojo rota. Los métodos ópticos, en particular los basados ​​en la grabación de vídeo, se utilizan ampliamente para el seguimiento de la mirada y se prefieren por ser no invasivos y económicos.

Medición del potencial eléctrico

La tercera categoría utiliza potenciales eléctricos medidos con electrodos colocados alrededor de los ojos. Los ojos son el origen de un campo de potencial eléctrico constante que también puede detectarse en total oscuridad y con los ojos cerrados. Se puede modelar como generado por un dipolo con su polo positivo en la córnea y su polo negativo en la retina. La señal eléctrica que se puede obtener utilizando dos pares de electrodos de contacto colocados en la piel alrededor de un ojo se denomina electrooculograma (EOG) . Si los ojos se mueven desde la posición central hacia la periferia, la retina se acerca a un electrodo mientras que la córnea se acerca al opuesto. Este cambio en la orientación del dipolo y, por consiguiente, del campo de potencial eléctrico, produce un cambio en la señal EOG medida. Inversamente, analizando estos cambios, se puede rastrear el movimiento ocular. Debido a la discretización que proporciona la configuración común de electrodos, se pueden identificar dos componentes de movimiento separados: uno horizontal y otro vertical. Un tercer componente del EOG es el canal radial del EOG, [ 32 ] que es el promedio de los canales del EOG referenciados a algún electrodo posterior del cuero cabelludo. Este canal radial de EOG es sensible a los potenciales de espiga sacádicos que se originan en los músculos extraoculares al inicio de las sacadas, y permite la detección fiable incluso de sacadas minúsculas. [ 33 ]

Debido a las posibles desviaciones y las relaciones variables entre las amplitudes de la señal EOG y los tamaños de las sacadas, es difícil usar EOG para medir el movimiento ocular lento y detectar la dirección de la mirada. Sin embargo, EOG es una técnica muy robusta para medir el movimiento ocular sacádico asociado con cambios de mirada y detectar parpadeos . A diferencia de los rastreadores oculares basados ​​en video, EOG permite registrar los movimientos oculares incluso con los ojos cerrados, y por lo tanto puede usarse en la investigación del sueño. Es un enfoque muy ligero que, a diferencia de los rastreadores oculares basados ​​en video actuales, requiere poca potencia computacional, funciona bajo diferentes condiciones de iluminación y puede implementarse como un sistema portátil integrado y autónomo. [ 34 ] [ 35 ] Por lo tanto, es el método de elección para medir el movimiento ocular en situaciones móviles de la vida diaria y fases REM durante el sueño. La principal desventaja de EOG es su precisión relativamente baja en la dirección de la mirada en comparación con un rastreador de video. Es decir, es difícil determinar con buena precisión exactamente hacia dónde mira un sujeto, aunque se puede determinar el tiempo de los movimientos oculares.

Tecnologías y técnicas

Los diseños más utilizados actualmente son los rastreadores oculares basados ​​en vídeo. Una cámara enfoca uno o ambos ojos y registra el movimiento ocular mientras el observador mira algún tipo de estímulo. La mayoría de los rastreadores oculares modernos utilizan el centro de la pupila y luz infrarroja / infrarroja cercana no colimada para crear reflejos corneales (RC). El vector entre el centro de la pupila y los reflejos corneales se puede utilizar para calcular el punto de fijación en la superficie o la dirección de la mirada. Normalmente, se requiere un procedimiento de calibración sencillo del individuo antes de utilizar el rastreador ocular. [ 36 ]

Se utilizan dos tipos generales de técnicas de seguimiento ocular por infrarrojos/infrarrojos cercanos (también conocidas como luz activa): pupila brillante y pupila oscura. Su diferencia radica en la ubicación de la fuente de iluminación con respecto a la óptica. Si la iluminación es coaxial con la trayectoria óptica, el ojo actúa como un retrorreflector , ya que la luz se refleja en la retina, creando un efecto de pupila brillante similar al del ojo rojo . Si la fuente de iluminación está descentrada con respecto a la trayectoria óptica, la pupila aparece oscura porque la retroreflexión de la retina se dirige en dirección opuesta a la cámara. [ 37 ]

El seguimiento de pupila brillante crea un mayor contraste iris/pupila, lo que permite un seguimiento ocular más robusto con toda la pigmentación del iris y reduce en gran medida la interferencia causada por las pestañas y otras características que obstruyen la visión. [ 38 ] También permite el seguimiento en condiciones de iluminación que van desde la oscuridad total hasta muy brillante.

Otro método, menos utilizado, se conoce como luz pasiva. Utiliza luz visible para iluminar, lo que puede causar algunas distracciones a los usuarios. [ 37 ] Otro desafío de este método es que el contraste de la pupila es menor que en los métodos de luz activa; por lo tanto, se utiliza el centro del iris para calcular el vector. [ 39 ] Este cálculo requiere detectar el límite del iris y la esclerótica blanca ( seguimiento del limbo ). Esto presenta otro desafío para los movimientos oculares verticales debido a la obstrucción de los párpados. [ 40 ]

Los sistemas de seguimiento ocular varían enormemente. Algunos se montan en la cabeza, otros requieren que la cabeza esté estable (por ejemplo, con un soporte para la barbilla) y otros funcionan de forma remota y rastrean automáticamente la cabeza durante el movimiento. La mayoría utiliza una frecuencia de muestreo de al menos 30  Hz. Si bien 50/60  Hz es más común, actualmente muchos sistemas de seguimiento ocular basados ​​en vídeo funcionan a 240, 350 o incluso 1000/1250  Hz, velocidades necesarias para capturar los movimientos oculares de fijación o medir correctamente la dinámica de los movimientos sacádicos.

Los movimientos oculares se dividen típicamente en fijaciones y sacadas: cuando la mirada se detiene en una posición determinada y cuando se mueve a otra, respectivamente. La serie resultante de fijaciones y sacadas se denomina trayectoria de exploración . El seguimiento suave describe el movimiento del ojo siguiendo un objeto en movimiento. Los movimientos oculares de fijación incluyen las microsacadas : pequeñas sacadas involuntarias que ocurren durante el intento de fijación. La mayor parte de la información del ojo está disponible durante una fijación o un seguimiento suave, pero no durante una sacada. [ 41 ]

Los patrones de exploración visual son útiles para analizar la intención cognitiva, el interés y la relevancia. Otros factores biológicos (algunos tan simples como el género) también pueden afectar el patrón de exploración visual. El seguimiento ocular en la interacción persona-ordenador (HCI) suele investigar el patrón de exploración visual con fines de usabilidad o como método de entrada en pantallas dependientes de la mirada , también conocidas como interfaces basadas en la mirada . [ 42 ]

Presentación de datos

La interpretación de los datos registrados por los distintos tipos de rastreadores oculares emplea diversos programas que animan o representan visualmente el comportamiento visual de uno o más usuarios. El vídeo se suele codificar manualmente para identificar las áreas de interés (AOI) o, más recientemente, se utiliza inteligencia artificial para ello. La presentación gráfica rara vez constituye la base de los resultados de la investigación, dado que su análisis es limitado. En cambio, la investigación basada en el seguimiento ocular suele requerir mediciones cuantitativas de los movimientos oculares y sus parámetros. [ 43 ]

Las siguientes visualizaciones son las más utilizadas:

Representaciones animadas de un punto en la interfaz. Este método se utiliza cuando se examina el comportamiento visual individualmente, indicando dónde el usuario centró su mirada en cada momento, complementado con una pequeña trayectoria que indica los movimientos sacádicos anteriores, como se ve en la imagen.

Representaciones estáticas de la trayectoria sacádica. Esto es bastante similar a lo descrito anteriormente, con la diferencia de que se trata de un método estático. Se requiere un mayor nivel de experiencia que con las representaciones animadas para interpretarlo.

Mapas de calor. Una representación estática alternativa, utilizada principalmente para el análisis agrupado de los patrones de exploración visual en un grupo de usuarios. En estas representaciones, las zonas "calientes" o con mayor densidad indican dónde los usuarios centraron su mirada (no su atención) con mayor frecuencia. Los mapas de calor son la técnica de visualización más conocida para estudios de seguimiento ocular. [ 44 ]

Mapas de zonas ciegas o mapas de enfoque. Este método es una versión simplificada de los mapas de calor donde se muestran claramente las zonas visualmente menos atendidas por los usuarios, lo que permite una comprensión más sencilla de la información más relevante; es decir, proporciona más información sobre qué zonas no fueron vistas por los usuarios.

Mapas de prominencia Al igual que los mapas de calor, un mapa de prominencia ilustra las áreas de interés mostrando con brillo los objetos que captan la atención sobre un fondo inicialmente negro. Cuanto mayor sea el enfoque en un objeto en particular, más brillante aparecerá. [ 45 ]

Seguimiento ocular frente a seguimiento de la mirada

Los rastreadores oculares miden necesariamente la rotación del ojo con respecto a un marco de referencia. Esto suele estar vinculado al sistema de medición. Por lo tanto, si el sistema de medición está montado en la cabeza, como en el caso de un EOG o un sistema basado en vídeo montado en un casco, se miden los ángulos del ojo dentro de la cabeza. Para deducir la línea de visión en coordenadas del mundo, la cabeza debe mantenerse en una posición constante o sus movimientos deben ser rastreados. En estos casos, la dirección de la cabeza se suma a la dirección del ojo dentro de la cabeza para determinar la dirección de la mirada. Sin embargo, si el movimiento de la cabeza es mínimo, el ojo permanece en una posición constante. [ 46 ]

Si el sistema de medición está montado sobre una mesa, como en el caso de las bobinas de búsqueda esclerales o los sistemas de cámara (remota) montados sobre mesa, los ángulos de la mirada se miden directamente en coordenadas del mundo. Normalmente, en estas situaciones se prohíben los movimientos de la cabeza. Por ejemplo, la posición de la cabeza se fija mediante una barra de mordida o un soporte para la frente. En ese caso, un sistema de referencia centrado en la cabeza es idéntico a un sistema de referencia centrado en el mundo. O, dicho de otro modo, la posición del ojo en la cabeza determina directamente la dirección de la mirada.

Se dispone de algunos resultados sobre los movimientos oculares humanos en condiciones naturales donde también se permiten los movimientos de la cabeza. [ 47 ] La posición relativa del ojo y la cabeza, incluso con una dirección de la mirada constante, influye en la actividad neuronal en las áreas visuales superiores. [ 48 ]

Práctica

Se han realizado numerosas investigaciones sobre los mecanismos y la dinámica de la rotación ocular, pero el objetivo principal del seguimiento ocular suele ser estimar la dirección de la mirada. Por ejemplo, a los usuarios les puede interesar saber qué características de una imagen atraen la mirada. El rastreador ocular no proporciona una dirección de la mirada absoluta, sino que solo puede medir los cambios en dicha dirección. Para determinar con precisión qué está mirando un sujeto, se requiere un procedimiento de calibración en el que el sujeto mira un punto o una serie de puntos, mientras el rastreador ocular registra el valor correspondiente a cada posición de la mirada. (Incluso las técnicas que rastrean las características de la retina no pueden proporcionar una dirección de la mirada exacta, ya que no existe una característica anatómica específica que marque el punto exacto donde el eje visual se encuentra con la retina, si es que existe tal punto único y estable). Una calibración precisa y fiable es esencial para obtener datos de movimiento ocular válidos y repetibles, lo que puede suponer un reto importante para sujetos no verbales o con una mirada inestable.

Cada método de seguimiento ocular tiene ventajas y desventajas, y la elección de un sistema de seguimiento ocular depende de consideraciones de costo y aplicación. Existen métodos fuera de línea y procedimientos en línea como AttentionTracking . Hay una compensación entre costo y sensibilidad, ya que los sistemas más sensibles cuestan decenas de miles de dólares y requieren una considerable experiencia para operar correctamente. Los avances en la tecnología informática y de video han llevado al desarrollo de sistemas de costo relativamente bajo que son útiles para muchas aplicaciones y bastante fáciles de usar. [ 49 ] Sin embargo, la interpretación de los resultados aún requiere cierto nivel de experiencia, porque un sistema desalineado o mal calibrado puede producir datos muy erróneos.

Seguimiento ocular mientras se conduce un coche en una situación difícil.

Fotogramas del seguimiento ocular de carreteras estrechas descrito en esta sección [ 50 ].

Un equipo del Instituto Federal Suizo de Tecnología filmó los movimientos oculares de dos grupos de conductores con una cámara especial colocada en la cabeza: conductores novatos y experimentados registraron sus movimientos oculares al acercarse a una curva en una carretera estrecha. La serie de imágenes se condensó a partir de los fotogramas originales [ 51 ] para mostrar dos fijaciones oculares por imagen y facilitar su comprensión.

Cada una de estas imágenes fijas corresponde aproximadamente a 0,5 segundos en tiempo real.

La serie de imágenes muestra un ejemplo de las fijaciones oculares del número 9 al 14 de un conductor novato típico y de un conductor experimentado.

La comparación de las imágenes superiores muestra que el conductor experimentado comprueba la curva e incluso le queda el punto de fijación n.º 9 para mirar hacia un lado, mientras que el conductor novato necesita comprobar la carretera y calcular su distancia al coche aparcado.

En las imágenes centrales, el conductor experimentado se concentra por completo en el lugar desde donde se podría ver un coche que se aproxima. El conductor novato concentra su vista en el coche aparcado.

En la imagen inferior, el conductor novato está ocupado estimando la distancia entre la pared izquierda y el coche aparcado, mientras que el conductor experimentado puede usar su visión periférica para ello y aun así concentrar la vista en el punto peligroso de la curva: si aparece un coche allí, el conductor tiene que ceder el paso, es decir, detenerse a la derecha en lugar de rebasar el coche aparcado. [ 52 ]

Estudios más recientes también han utilizado el seguimiento ocular montado en la cabeza para medir los movimientos oculares durante condiciones de conducción reales. [ 53 ] [ 23 ]

Seguimiento ocular de personas jóvenes y mayores mientras caminan.

Al caminar, las personas mayores dependen más de la visión foveal que las personas más jóvenes. Su velocidad al caminar disminuye debido a un campo visual limitado , probablemente causado por un deterioro de la visión periférica.

Los sujetos más jóvenes utilizan tanto su visión central como periférica al caminar. Su visión periférica permite un control más rápido del proceso de caminar. [ 54 ]

Aplicaciones

Una amplia variedad de disciplinas utilizan técnicas de seguimiento ocular, incluyendo la ciencia cognitiva ; la psicología (en particular la psicolingüística ; el paradigma del mundo visual); la interacción persona-ordenador (HCI); los factores humanos y la ergonomía ; la investigación de mercado y la investigación médica (diagnóstico neurológico). [ 55 ] Las aplicaciones específicas incluyen el seguimiento del movimiento ocular en la lectura de idiomas , la lectura de música , el reconocimiento de la actividad humana , la percepción de la publicidad, la práctica de deportes, la detección de distracciones y la estimación de la carga cognitiva de conductores y pilotos, y como medio para operar ordenadores por personas con discapacidad motora grave. [ 23 ] En el campo de la realidad virtual, el seguimiento ocular se utiliza en pantallas montadas en la cabeza para una variedad de propósitos, incluyendo reducir la carga de procesamiento al renderizar solo el área gráfica dentro de la mirada del usuario. [ 56 ]

Aplicaciones comerciales

En los últimos años, la creciente sofisticación y accesibilidad de las tecnologías de seguimiento ocular han generado un gran interés en el sector comercial. Sus aplicaciones incluyen la usabilidad web , la publicidad, el patrocinio, el diseño de envases y la ingeniería automotriz. En general, los estudios comerciales de seguimiento ocular funcionan presentando un estímulo objetivo a una muestra de consumidores mientras un dispositivo de seguimiento ocular registra la actividad ocular. Algunos ejemplos de estímulos objetivo pueden ser sitios web, programas de televisión, eventos deportivos, películas y anuncios, revistas y periódicos, envases, expositores, sistemas de consumo (cajeros automáticos, sistemas de pago, quioscos) y software. Los datos resultantes pueden analizarse estadísticamente y representarse gráficamente para evidenciar patrones visuales específicos. Al examinar las fijaciones, los movimientos sacádicos , la dilatación pupilar, los parpadeos y otros comportamientos, los investigadores pueden determinar gran parte de la efectividad de un medio o producto determinado. Si bien algunas empresas realizan este tipo de investigación internamente, existen muchas empresas privadas que ofrecen servicios de seguimiento ocular y análisis.

Un campo de investigación comercial del seguimiento ocular es la usabilidad web. Si bien las técnicas de usabilidad tradicionales suelen ser muy eficaces para obtener información sobre los patrones de clics y desplazamiento, el seguimiento ocular permite analizar la interacción del usuario entre clics y el tiempo que dedica a cada uno, lo que proporciona información valiosa sobre qué funciones llaman más la atención, cuáles generan confusión y cuáles se ignoran por completo. En concreto, el seguimiento ocular se puede utilizar para evaluar la eficiencia de la búsqueda, la imagen de marca, la publicidad online, la usabilidad de la navegación, el diseño general y muchos otros componentes del sitio web. Los análisis pueden centrarse en un prototipo o en el sitio web de la competencia, además del sitio web principal del cliente.

El seguimiento ocular se utiliza comúnmente en diversos medios publicitarios. Los anuncios comerciales, impresos, en línea y los programas patrocinados son susceptibles de análisis con la tecnología actual de seguimiento ocular. Un ejemplo es el análisis de los movimientos oculares sobre los anuncios en las Páginas Amarillas . Un estudio se centró en qué características específicas hacían que las personas notaran un anuncio, si veían los anuncios en un orden determinado y cómo variaban los tiempos de visualización. El estudio reveló que el tamaño, los gráficos, el color y el texto del anuncio influyen en la atención que se presta a los anuncios. Este conocimiento permite a los investigadores evaluar con gran detalle con qué frecuencia una muestra de consumidores fija la mirada en el logotipo, producto o anuncio objetivo. Por lo tanto, un anunciante puede cuantificar el éxito de una campaña determinada en términos de atención visual real. [ 57 ] Otro ejemplo es un estudio que descubrió que, en una página de resultados de un motor de búsqueda , los fragmentos de autoría recibían más atención que los anuncios pagados o incluso el primer resultado orgánico. [ 58 ]

Otro ejemplo de investigación comercial sobre el seguimiento ocular proviene del campo del reclutamiento. Un estudio analizó cómo los reclutadores revisan los perfiles de LinkedIn y presentó los resultados como mapas de calor . [ 59 ]

Aplicaciones de seguridad

En 2017, científicos construyeron una Red Neuronal Profunda Integrada (DINN) a partir de una Red Neuronal Profunda y una red neuronal convolucional. [ 24 ] El objetivo era utilizar el aprendizaje profundo para examinar imágenes de conductores y determinar su nivel de somnolencia mediante la "clasificación de los estados oculares". Con suficientes imágenes, la DINN propuesta podría determinar idealmente cuándo parpadean los conductores, con qué frecuencia y durante cuánto tiempo. A partir de ahí, podría juzgar cuán cansado parece estar un conductor determinado, realizando efectivamente un ejercicio de seguimiento ocular. La DINN se entrenó con datos de más de 2400 sujetos y diagnosticó correctamente sus estados entre el 96 % y el 99,5 % de las veces. La mayoría de los demás modelos de inteligencia artificial obtuvieron tasas superiores al 90 %. [ 24 ] Idealmente, esta tecnología podría proporcionar otra vía para la detección de la somnolencia del conductor .

Aplicaciones de la teoría de juegos

En un estudio de 2019, se construyó una red neuronal convolucional (CNN) con la capacidad de identificar piezas de ajedrez individuales de la misma manera que otras CNN pueden identificar rasgos faciales. [ 26 ] Posteriormente, se le proporcionaron datos de seguimiento ocular de 30 jugadores de ajedrez de diversos niveles de habilidad. Con estos datos, la CNN utilizó la estimación de la mirada para determinar las partes del tablero a las que un jugador prestaba especial atención. Luego, generó un mapa de prominencia para ilustrar esas partes del tablero. Finalmente, la CNN combinaba su conocimiento del tablero y las piezas con su mapa de prominencia para predecir el siguiente movimiento del jugador. Independientemente del conjunto de datos de entrenamiento con el que se entrenó el sistema de red neuronal, predijo el siguiente movimiento con mayor precisión que si hubiera seleccionado cualquier movimiento posible al azar, y los mapas de prominencia generados para cualquier jugador y situación dados fueron más del 54 % similares. [ 26 ]

Tecnología de asistencia

Las personas con discapacidad motora grave pueden usar el seguimiento ocular para interactuar con computadoras [ 60 ] ya que es más rápido que las técnicas de escaneo de un solo interruptor y es intuitivo de operar. [ 61 ] [ 62 ] La discapacidad motora causada por parálisis cerebral [ 63 ] o esclerosis lateral amiotrófica a menudo afecta el habla, y los usuarios con discapacidad motora y del habla grave (SSMI) usan un tipo de software conocido como ayuda de comunicación aumentativa y alternativa (CAA), [ 64 ] que muestra íconos, palabras y letras en la pantalla [ 65 ] y usa software de texto a voz para generar salida hablada. [ 66 ] En los últimos tiempos, los investigadores también exploraron el seguimiento ocular para controlar brazos robóticos [ 67 ] y sillas de ruedas eléctricas. [ 68 ] El seguimiento ocular también es útil para analizar patrones de búsqueda visual, [ 69 ] detectar la presencia de nistagmo y detectar signos tempranos de discapacidad de aprendizaje al analizar el movimiento de la mirada durante la lectura. [ 70 ]

Aplicaciones de aviación

El seguimiento ocular ya se ha estudiado para la seguridad de vuelo comparando las trayectorias de escaneo y la duración de la fijación para evaluar el progreso de los pilotos en formación, [ 71 ] para estimar las habilidades de los pilotos, [ 72 ] para analizar la atención conjunta de la tripulación y la conciencia situacional compartida. [ 73 ] La tecnología de seguimiento ocular también se exploró para interactuar con sistemas de visualización montados en casco [ 74 ] y pantallas multifuncionales [ 75 ] en aeronaves militares. Se realizaron estudios para investigar la utilidad del rastreador ocular para el bloqueo de objetivos Head-up y la adquisición de objetivos Head-up en sistemas de visualización montados en casco (HMDS). [ 74 ] La retroalimentación de los pilotos sugirió que, si bien la tecnología es prometedora, sus componentes de hardware y software aún no están maduros. [ 74 ] La investigación sobre la interacción con pantallas multifuncionales en un entorno de simulador mostró que el seguimiento ocular puede mejorar significativamente los tiempos de respuesta y la carga cognitiva percibida en comparación con los sistemas existentes. Además, la investigación también investigó la utilización de mediciones de fijación y respuestas pupilares para estimar la carga cognitiva del piloto. La estimación de la carga cognitiva puede ayudar a diseñar cabinas adaptativas de próxima generación con mayor seguridad de vuelo. [ 76 ] El seguimiento ocular también es útil para detectar la fatiga del piloto. [ 77 ] [ 23 ]

Aplicaciones automotrices

En los últimos tiempos, la tecnología de seguimiento ocular se investiga en el ámbito automotriz de forma pasiva y activa. La Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en Carreteras (NHTSA ) midió la duración de la mirada para realizar tareas secundarias mientras se conduce y la utilizó para promover la seguridad desalentando la introducción de dispositivos excesivamente distractores en los vehículos [ 78 ]. El seguimiento ocular se está explorando como un método potencial para controlar los sistemas de infoentretenimiento en el vehículo (IVIS), los sistemas multimedia y de navegación frecuentemente presentes en los automóviles contemporáneos [ 79 ] . Aunque la investigación inicial [ 80 ] investigó la eficacia del sistema de seguimiento ocular para la interacción con la pantalla de visualización frontal (HDD), aún requería que los conductores apartaran la vista de la carretera mientras realizaban una tarea secundaria. Estudios recientes investigaron la interacción controlada por la mirada con la pantalla de visualización frontal (HUD) que elimina la distracción de apartar la vista de la carretera [ 81 ] . El seguimiento ocular también se utiliza para monitorear la carga cognitiva de los conductores para detectar posibles distracciones. Aunque los investigadores [ 82 ] exploraron diferentes métodos para estimar la carga cognitiva de los conductores a partir de diferentes parámetros fisiológicos, el uso de parámetros oculares exploró una nueva forma de utilizar los rastreadores oculares existentes para monitorear la carga cognitiva de los conductores además de la interacción con los sistemas IVIS. [ 83 ] [ 84 ]

Aplicaciones de entretenimiento

El videojuego Before Your Eyes de 2021 registra y lee el parpadeo del jugador, y lo utiliza como la principal forma de interactuar con el juego. [ 85 ] [ 86 ]

Aplicaciones de ingeniería

El uso generalizado de la tecnología de seguimiento ocular ha puesto de manifiesto su aplicación en la ingeniería de software empírica en los últimos años. Los investigadores utilizan esta tecnología y las técnicas de análisis de datos para investigar la comprensibilidad de los conceptos de ingeniería de software. Esto incluye la comprensibilidad de los modelos de procesos de negocio [ 87 ] y los diagramas utilizados en ingeniería de software, como los diagramas de actividad UML y los diagramas EER [ 88 ] . Se calculan, analizan e interpretan métricas de seguimiento ocular como la fijación, la trayectoria de exploración, la precisión de la trayectoria de exploración, la recuperación de la trayectoria de exploración y las fijaciones en el área de interés/región relevante en términos de comprensibilidad del modelo y del diagrama. Los hallazgos se utilizan para mejorar la comprensibilidad de los diagramas y modelos con soluciones adecuadas relacionadas con el modelo y mediante la mejora de factores personales como la capacidad de memoria de trabajo, la carga cognitiva , el estilo de aprendizaje y la estrategia de los ingenieros y modeladores de software.

Aplicaciones cartográficas

La investigación cartográfica ha adoptado ampliamente las técnicas de seguimiento ocular. Los investigadores las han utilizado para ver cómo las personas perciben e interpretan los mapas . [ 89 ] Por ejemplo, el seguimiento ocular se ha utilizado para estudiar las diferencias en la percepción de la visualización 2D y 3D, [ 90 ] [ 91 ] la comparación de estrategias de lectura de mapas entre principiantes y expertos [ 92 ] o estudiantes y sus profesores de geografía, [ 93 ] y la evaluación de la calidad cartográfica de los mapas. [ 94 ] Además, los cartógrafos han empleado el seguimiento ocular para investigar varios factores que afectan la lectura de mapas, incluidos atributos como el color o la densidad de símbolos. [ 95 ] [ 96 ] Numerosos estudios sobre la usabilidad de las aplicaciones de mapas también aprovecharon el seguimiento ocular. [ 97 ] [ 98 ]

La interacción diaria de la comunidad cartográfica con datos visuales y espaciales la posicionó para contribuir significativamente a los métodos y herramientas de visualización de datos de seguimiento ocular. [ 99 ] Por ejemplo, los cartógrafos han desarrollado métodos para integrar datos de seguimiento ocular con SIG , utilizando software SIG para una mayor visualización y análisis. [ 100 ] [ 101 ] La comunidad también ha proporcionado herramientas para visualizar datos de seguimiento ocular [ 102 ] [ 99 ] o un conjunto de herramientas para la identificación de fijaciones oculares basadas en un componente espacial de los datos de seguimiento ocular. [ 103 ]

preocupaciones sobre la privacidad

Dado que se prevé que el seguimiento ocular se convierta en una característica común en varios dispositivos electrónicos de consumo, incluidos los teléfonos inteligentes, [ 104 ] los ordenadores portátiles [ 105 ] y los cascos de realidad virtual, [ 106 ] [ 107 ] se han planteado preocupaciones sobre el impacto de la tecnología en la privacidad del consumidor. [ 108 ] [ 109 ] Con la ayuda de técnicas de aprendizaje automático , los datos de seguimiento ocular pueden revelar indirectamente información sobre la etnia, los rasgos de personalidad, los miedos, las emociones, los intereses, las habilidades y el estado de salud física y mental de un usuario. [ 110 ] Si tales inferencias se extraen sin el conocimiento o la aprobación de un usuario, esto puede clasificarse como un ataque de inferencia . Las actividades oculares no siempre están bajo control voluntario, por ejemplo, "las miradas impulsadas por estímulos, la dilatación de la pupila, el temblor ocular y los parpadeos espontáneos ocurren en su mayoría sin esfuerzo consciente, de forma similar a la digestión y la respiración". [ 110 ] Por lo tanto, puede ser difícil para los usuarios de seguimiento ocular estimar o controlar la cantidad de información que revelan sobre sí mismos.

Véase también

Notas

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