深入解读眼动追踪技术的沉浸式功能应用

本文中Eric Kuerzel分析了AR/VR技术的现状以及眼动追踪技术的行业动向，重点对眼动追踪技术的沉浸式功能应用做了深入解读。Eric Kuerzel是欧司朗光电半导体北美公司红外产品的产品营销经理，于2006年加入欧司朗光电半导体，有着丰富的行业经验。

增强现实与虚拟现实技术（AR/VR）是时下最热门的技术之一，该行业从风险投资家和科技巨头如Google、Apple和Facebook吸引数十亿美元启动资金。

根据Parks and Associates的数据，消费者正接受这项技术，全球有2400万家庭预计在今年年底前购买AR/VR头盔。与此同时，据Greenlight Insights预计，全球虚拟现实收入到今年年底将达到71.7亿美元，并在2021年达到750亿美元。另外，国际数据公司（IDC）预计AR/VR头盔市场在接下来五年内年复合增长率将达到108.3％。

尽管如此，AR/VR硬件的发展不如预期。那么，什么阻碍了它的发展？多数界面由头部移动和其它手动输入所控制。 但是当画面跟不上这些头部移动的速度时，用户便会产生眩晕感。更重要的是，帧速率和分辨率偏低会使图像失真或发生抖晃。

不过，人们找到了解决办法。眼动追踪技术可实时监测眼球运动，修正这些问题，使AR/VR能够完全达到预期效果。眼动追踪技术的工作原理是向角膜照射不可见红外（IR）光。光线穿过未检测瞳孔并经虹膜反射出来，将瞳孔边缘呈现给相机传感器。眼球动作是人体内最快的动作之一。因此，AR/VR系统必须能够跟上快速动作。

最初，眼动追踪系统在科学和商业应用中扮演重要角色。归根结底，眼睛是心灵的窗口，可以立即显露出人们的真实想法，这使得眼动追踪技术在市场研究领域具有相当重要的作用。医疗设备也能依靠眼动追踪来辨别用户关注的内容以及他们的反应。

在计算领域，眼动追踪允许控制中心无需手动输入（如使用键盘或鼠标）即可进行交流，为下一代人机对话关系奠定了良好基础。无人驾驶汽车和智能电器等物联网（IoT）的发展将依赖于这些设备的功能对眼球运动和口头命令做出反应。

随着体积极小但功能强大的元件（例如紧凑型红外发光二极管（IRED））的出现，创新型公司正逐步将眼动跟踪传感器集成到他们的产品中。这只是一个开始。这些系统可以为虚拟显示提供动力，使其对用户的自然和潜意识信号作出反应，从而开启身临其境的虚拟体验新时代。

关注行业动向

今年对眼动追踪技术来说是具有突破性的一年。今年1月，日本VR创业公司FOVE发布了业内首款眼动追踪VR头盔。与此同时，一些AR/VR硬件公司也纷纷进行仿效，将眼动追踪以某种形式加入到他们的现有耳机产品中。

同时，眼动追踪开发商，如来自瑞典的Tobii，已经开始对消费类AR/VR产品授权他们的技术。作为参考，在Tobii开始投资VR技术之后不久，从2014年到2016年，该公司的销售额几乎翻了一番。Google和Facebook等技术行业领跑者目前正在收购一些较为优秀的眼动追踪创业公司。

显而易见的是，整个技术世界正在密切关注这一领域。全球研究公司MarketsandMarkets认为眼动追踪市值到2023年将达到14亿美元，部分原因是其在AR/VR产品中的突出作用。

沉浸式未来

AR/VR的最终目标是完全沉浸式体验。用户从真实世界转换到虚拟世界，而感官上不会中断，他们所有的感觉，如听觉、触觉、味觉、视觉和嗅觉等都持续活跃在虚拟世界中。这是现代计算史上最复杂的难题之一。但是，要解决该问题绝非易事。第一步，在硬件上需要减少手动输入，并使用户能够与虚拟世界互动，如同身处在真实世界。

眼动追踪可通过以下五种方法极大地推动沉浸式功能的发展：

1.最佳的细节和深度。人们通常使用一副头盔体验AR/VR，这种头盔必须与用户的瞳孔对齐，以便向用户完整地传递显示屏上的三维空间。如果偏离中心位置，眼睛就会感觉疲劳，而且图像会变得扁平且模糊。

找到正确的位置颇具挑战性。成人瞳孔之间的长度（即瞳距（IPD））介于5.1厘米至7.7厘米。这种差别在使用双筒望远镜、显微镜和望远镜时尤其明显，需要进行调整以适应观看者的IPD才能传递最佳细节和深度。

大多数AR/VR头盔采用超宽眼镜或手动调节器，这会导致过度补偿。由于眼动追踪系统可在设备内定位瞳孔，因此新一代产品能够精确计算IPD。瞳距匹配使用户的眼睛得到放松，并充分投入到体验中，提高整体沉浸感。

2.自然的用户界面。当显示屏对眼球运动（不只是头部运动）作出反应时，用户将获得更自然的视野。通过眼球追踪，用户只需简单地观看内容即可参与其中，例如选择武器或拿起球。这可避免屏幕上出现杂乱的图标，减少导航消耗的能量。

3.人眼获得舒适感。人类通过中心凹（视网膜中视力最灵敏的小凹处）在视野中心感知视觉细节。中心凹区域外的外围物体会显得模糊不清。因此，如同大多数AR/VR系统，在每个帧中使用相同的分辨率最终会造成浪费。相比之下，注视点渲染（一种数字成像处理技术）用高分辨率显示中心凹目标，同时降低周围环境的分辨率，模仿人类的视野。当眼睛在显示屏上扫视时，眼动追踪对定位这个分辨率最高的点至关重要。

该技术不仅可使人眼感觉舒适，还能释放硬件资源。因为它降低了整体像素，而不会降低图像的完整性，所以注视点渲染可显著降低负载和功耗。这可将释放的资源重新应用于其它操作，如提高帧速率。因此，在提高显示质量的同时，滞后时间也能大幅减少，用户不易感到眩晕。

4.逼真的社交信号。人的眼睛会说话，经常会透露出内心想法。在我们牙牙学语之前，我们早已会通过微妙的面部表情表达情绪。眼动追踪技术赋予虚拟角色逼真地传达社交信号的能力，使虚拟角色拥有生命力。它们可以传递逼真的眼球运动，赋予视频游戏和其它虚拟内容新的特征。

5.大开眼界的安全性。每个人的虹膜和指纹都是独一无二的。AR/VR头盔采用眼动追踪进行虹膜扫描，无需密码，使系统使用更便捷，同时更具安全性。工作原理便是它用红外照亮眼睛，用设备上的相机拍摄虹膜图像进行特征识别，而这些特征对每个人都是独一无二的。然后，将得到的结果与用户事先存储的虹膜图案进行比较。虹膜扫描的错误率极低，不仅速度快，还是一种非常安全的识别方法。

眼见为实

尖端技术的发展在取得重大突破后往往会得到高速发展。鉴于FOVE发布的第一款眼动追踪VR头盔，我们预期这些功能很快将成为各种产品的标配 - 从经济型智能手机的耳机到高端系统。眼动追踪技术为AR/VR开发人员提供了绝好的机会：制造能够与人类思维互动的机器。