Capacidades de un Eye-Tracking de Bajo Costo Utilizando un Sistema de EOG

Capacidades de un Eye-Tracking de Bajo Costo Utilizando un Sistema de EOG Vicente Acu˜na O., Pablo Aqueveque, Miembro, IEEE and Esteban J. Pino, Miembro, IEEE ˜ e implementaci´on Abstract— Este paper presenta el diseno de un sistema de eye-tracking de bajo costo que permite medir la rotaci´on angular del ojo y la direcci´on de la mirada en individuos sanos. El sistema consiste de un circuito de EOG con componentes simples que adquieren tanto el movimiento horizontal y vertical del ojo usando electrodos de contacto. Posteriormente los datos son analizados y traducidos a los valores correspondientes de a´ ngulos que representan la rotaci´on angular del ojo para ambas orientaciones. Los resultados muestran que las mediciones para los a´ ngulos horizontales son mucho m´as precisos que las mediciones para a´ ngulos verticales. Se presenta una discusi´on con respecto a los resultados y las mejoras.

´ I. INTRODUCCCI ON Los sistemas de seguimiento de ojos (eye-tracking) son usados en muchas aplicaciones, como en estudios de seguimiento de mirad (gaze tracking) [1], interacciones con computadores para personas con discapacidades [2], [3], [4], controlar una silla de ruedas [5], [6], juegos y entretenimientos, interfaces de operaci´on, etc. Actualmente, hay diferentes m´etodos para hacer un seguimiento a la direcci´on de la mirada, las que var´ıan tanto en dificultad como costo. La mejor alternativa a la fecha, es el uso basado en v´ıdeo para hacer seguimiento (videooculograf´ıa), que posee una alta precisi´on, pero es de alto costo, teniendo valores superiores a US$30.000 para un dispositivo. Una alternativa diferente es el sistema de eye-tracking basado en electrooculograf´ıa (EOG). Esta t´ecnica es muy conveniente porque es una t´ecnica de mediana complejidad, es de bajo costo y requiere componentes electr´onico comunes. II. ACTIVIDAD OCULAR Y EOG El globo ocular crea un dipolo natural cuyo potencial puede ser medido usando electrodos colocados en la piel, pr´oximos a la o´ ribta ocular. Cuando los ojos se acercan hacia un electrodo, un potencial de voltaje positivo es registrado respecto al electrodo opuesto. En posici´on neutral, cuando los ojos miran hacia adelante, el potencial relativo es cero. La medici´on de EOG puede ser traducida a un a´ ngulo de rotaci´on de los ojos tanto para la direcci´on horizontal como la vertical. Debido a la distancia de los electrodos al ojo, la impedancia de la piel y otros factores, el voltaje registrado es atenuado y la se˜nal de EOG var´ıa entre los 250 y los 1000 microvolts [7]. El rango de frecuencia de la se˜nal de EOG es de 0 Hz a 30 Hz [8]. Sin embargo, en este estudio se consider´o un rango de frecuencia menor, de 0 Hz a 15 Hz, teniendo sus mayores componentes de frecuencia entre 3 Hz V. A. O., P. A. and E. J. P. trabajan en el Depto. de Ing. El´ectrica, Universidad de Concepci´on, Concepci´on, Chile [email protected]

Fig. 1. Posici´on de los electrodos en contacto con la piel y las etapas de la se˜nal adquirida.

y 8 Hz. Muchas aplicaciones eliminan la componente DC de la se˜nal de EOG, porque simplifica la adquisici´on, pero sin esta componente no es posible determinar si el individuo tiene su mirada fija en un punto, perdiendo la capacidad de traducir un voltaje del EOG en una direcci´on. ´ DE LA SE NAL ˜ III. ADQUISICI ON El sistema de adquisici´on usa electrodos comunes de contacto para la piel para medir el EOG. El sistema tiene 2 canales para hacer registros simult´aneos: para el movimiento horizontal (EOGH) y el vertical (EOGV). En la Fig. 1 muestra el esquema general del sistema dise˜nado. Utiliza 5 electrodos puestos en el rostro del individuo, para registrar la actividad el´ectridad del movimiento del ojo. Dos electrodos son puestos en los lados exteriores de ambos ojos para capturar la se˜nal horizontal. Otros dos electrodos son colocados sobre y debajo de un ojo para el registro vertical. El quinto electrodo es el electrodo de referencia, y es puesto generalmente en la frente. Las dos se˜nales obtenidas, una para EOGH y la otra para EOGV son procesadas a trav´es de diferentes estapas antes de ser registradas a un computador para an´alisis posteriores. La amplificaci´on fue hecha en dos fases. En la primera fase, se realiz´o la amplificaci´on usando un amplificador de instrumentaci´on, el INA128, debido a que tiene una alta raz´on de rechazo al modo com´un (CMRR) y una alta ganancia. La ganancia establecida fue de 714 para esta etapa.

´ Fig. 3. Ejemplo de EOGH registrado de un sujeto. Arriba: Angulos ´ ´ Positivos. Abajo: Angulos negativos. Angulos mayores a 40◦ en cualquier direcci´on presenta mayores errores comparado al resultado ideal.

Fig. 2. Diferencia entre una se˜nal de EOG sin componente DC (arriba) y una con componente DC(abajo). Notar que si la mirada se mantiene en un sistema donde la componente DC ha sido filtrada, el valor decae hasta cero, que corresponde al valor cuando se mira hacia adelante (´angulo de cero grados).

La segunda fase utiliza un amplificador operacional TL082 para amplificar la se˜nal por tres. La se˜nal amplificada es filtrada para remover todo ruido que provenga de la red el´ectrica, es decir, 50 Hz, implementando un filtro notch. Luego, se utiliza un filtro pasa bajo de cuarto orden, usando una configuraci´on Sallen-Key con una frecuencia de corte de 17 Hz. Despu´es que la se˜nal es amplificada y filtrada, se agega un offset para prepara e´ sta para ser digitalizada. La digitalizaci´on es hecha por el conversor an´alogo digital (ADC) del microcontrolador Arduino Uno usado en este trabajo. La frecuencia de muestreo es de 100 Hz. Finalmente, los datos digitalizados son enviados v´ıa comunicaci´on serial hacia el computador para hacer el posterior registro. Como se mencion´o anteriormente, en esta aplicaci´on la componente DC de la se˜nal es muy importante para obtener la informaci´on necesaria. Cuando la componente DC es removida con un filtro pasa alto (usualmente se usa una frecuenciade corte de 0.5 Hz o menor), es imposible saber si el individuo est´a manteniendo la mirada hacia un lugar espec´ıfico. En la Fig. 2, es posible apreciar la diferencia entre ambas situaciones. Cuando a la se˜nal se le ha removido la componente DC por un filtro pasa alto, y si el individuo mantiene la orientaci´on del ojo, la se˜nal lentamente regresa al valor de cero. IV. RESULTADOS Para validad los datos obtenidos del EOG, un sujeto de prueba es sentado a una distancia de 50 cms de una gu´ıa de calibraci´on. Esta gu´ıa de calibraci´on consiste en una serie de puntos que representan diferentes a´ ngulos que corresponder´ıan hacia donde estar´ıa la mirada. El rango de a´ ngulos va

desde -50◦ a 50◦ para el EOGH y -30◦ a 30◦ para EOGV, con precisi´on de 5◦ . Las distancias entre puntos para ambas direcciones son obtenidas usando relaciones trigonom´etricas para la distancia de 50 cms. Una vez que el sujeto de prueba tiene los electrodos conectados, el procedimiento para obtener el registro de a´ ngulos consiste en ir cambiando la direcci´on de la mirada desde 0◦ hacia cada uno de los puntos que representan los a´ ngulos positivos, haciendo el recorrido en orden. Terminada la parte positiva, se regresa a la posici´on de 0◦ y se repite el mismo procedimiento pero ahora para la parte negativa. Para obtener la relaci´on de factor de escala entre la se˜nal y el a´ ngulo de rotaci´on de los ojos, el valor de voltaje que corresponde a 60◦ de rotaci´on del ojo es usado como referencia. Se usa este valor porque el modelo del movimiento del ojo es linear desde -30◦ a +30◦ [9]. El u´ ltimo valor cuando la fijaci´on de la mirada est´a a -30◦ es restada al primer valor desde que se alcanza el valor correspondiente los +30◦ , abarcando as´ı un movimiento de 60◦ . Se obtiene el valor rec´ıproco de este valor correspondiente a 60◦ , resultando en el factor de normalizaci´on de los valores de voltaje. Este factor es usado para escalar la se˜nal entera y obtener el valor correspondiente de a´ ngulos. El resultado de multiplicar la se˜nal de EOGH con su factor calculado se muestra en Fig. 3, junto a una referencia de a´ ngulo ideal. Las diferencias entre ambos se aprecia con mayor medida para valores de a´ ngulos desde los 40◦ (para la se˜nal de EOGH). Para obtener los a´ ngulos de EOGV, se aplica el mismo procedimiento descrito anteriormente. Sin embargo, los resultados son peores que los resultados para EOGH. Para el EOGV es dif´ıcil hacer una estimaci´on correcta con una resoluci´on de 5◦ . Los resultados para EOGV pueden verse en la Fig. 4. Para tener repetibilidad en los resultados, se realizaron m´as ensayos, usando cinco voluntarios que estaban en conocimiento de la prueba que realizar´ıan, entre ellos, 3 hombres y 2 mujeres, con un rango de edad de los 20 a los 55 a˜nos. La tabla I muestra el promedio m´aximo y m´ınimo de los a´ ngulos obtenidos entre los voluntarios. Notar que los valores obtenidos para EOGH y EOGV son comparable con los l´ımites fisiol´ogicos del movimiento del ojo. Fig. 5 y Fig. 6 muestran los registros para cada individuo, para conocer

´ Fig. 4. Ejemplo de EOGV registrado de un sujeto. Arriba: Angulos ´ Positivos. Abajo: Angulos negativos. En el EOGV, el error entre el valor medici´on y el a´ ngulo ideal es evidente en toda la muestra.

TABLE I ˜ R ESUMEN DE LOS RESULTADOS DE MEDICIONES DE LAS SE NALES DE LOS 5 VOLUNTARIOS . Variable ´ M´aximo Promedio de Angulos ´ M´ınimo Promedio de Angulos L´ımites Fisiol´ogicos [10]

EOGH 44.2◦ -43.4◦ ±45◦

EOGV 33.5◦ -31.9◦ ±30◦

como est´an distribuidos los valores y la dispersi´on entre los voluntarios, tanto como para el eje horizontal como para el vertical. Los resultados tienen magnitudes similares entre todos los individuos, cuando se comparan las partes positivas y negativas de la se˜nal. La se˜nal de EOGH presenta menor dispersi´on comparado a la se˜nal de EOGV. La tabla II muestra que la desviaci´on est´andar para todos los a´ ngulos en el EOGH es menor a 2.3◦ . Adem´as, los a´ ngulos de EOGH y voltajes pueden mapearse uno a uno, mienttras que los resultados para EOGV para diferentes a´ ngulos est´an situados para el mismo voltaje, lo cual produce errores en la estimaci´on de a´ ngulos. La tabla III apoya esta observaci´on. La desviaci´on est´andar en los a´ ngulos verticales de mayores valores (cercanos de 30◦ y a -30◦ ) es mayor que los 5◦ usados como precisi´on.

Fig. 5. Valores de EOGH entre diferentes individuos, EOGH presenta valores similares.

Fig. 6. Valores de EOGV entre diferentes individuos, EOGV tiene una notable dispersi´on en sus valores. TABLE II R ESUMEN PARA LOS RESULTADOS DE EOGH. ´ Angulo Correspondiente [◦ ] -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

EOGH a´ ngulo promedio[◦ ] -50.02 -45.04 -40.10 -35.12 -30.04 -25.08 -20.17 -15.05 -10.28 -5.06 0.18 5.02 10.29 15.10 20.07 25.05 30.04 35.06 40.04 45.01 50.01

EOGH Desviaci´on est´andar [◦ ] 1.07 1.55 2.29 2.32 1.30 1.54 2.07 1.07 1.94 0.60 0.15 0.38 2.04 1.36 1.35 1.21 1.17 1.57 1.46 0.62 0.74

´ V. DISCUSI ON Como se muestra, un dispositivo simple de EOG, hecho con componentes que cuestan menos de US$50, puede alcanzar buenos resultados como un dispositivo de Eye Tracking, con ciertas limitaciones. Trabajar con se˜nales de EOG con componente DC, como es requerido para una aplicaci´on de Eye Tracking, induce ciertos problemas para la adquisici´on de datos, como la oscilaci´on de la l´ınea media. Esta oscilaci´on se hace m´as evidente en las se˜nales de EOGV, pero tambi´en puede ocurrir en la se˜nal de EOGH. Los resultados de EOGH muestran un buen desempe˜no para el sistema propuesto. El potencial registrado puede ser traducido a un a´ ngulo de la mirada con resultados satisfactorios, siendo posible hacer distinciones finas entre a´ ngulos. La se˜nal de EOGH presenta tambi´en el comportamiento esperado de la linealidad hasta los 30◦ . Evidentemente, las se˜nales de EOGV no tienen el mismo comportamiento satisfactorio como la se˜nal de EOGH. Es

TABLE III R ESUMEN PARA LOS RESULTADOS DE EOGV. ´ Angulo Correspondiente [◦ ] -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30

EOGV a´ ngulo promedio [◦ ] -28.94 -24.03 -19.16 -13.65 -7.98 -2.70 0.12 5.32 10.90 17.99 22.01 27.14 32.48

EOGV Desviaci´on est´andar [◦ ] 8.05 6.05 7.78 5.82 2.98 1.35 0.04 1.64 3.84 9.47 7.94 8.99 10.56

caso que algo fallara. Hay muchas alternativas para trabajos futuros. Primero, es necesario mejorar el sistema de adquisici´on del sistema para que sea capaz de no presentara offsets no deseados u oscilaciones en la l´ınea media. Tambi´en, deber´ıan considerarse electrodos m´as peque˜nos, que puedan posicionarse m´as cerca del ojo, especialmente para mejorar la se˜nal de EOGV. Por u´ ltimo, ser´ıa interesante probar diferentes orientaciones de los electrodos. Una orientaci´on diagonal podr´ıa compensar el buen desempe˜no horizontal con el mal desempe˜no de la verticalidad y tal vez se puedan obtener mejores resultados. VI. AGRADECIMIENTOS V.A.O. agradece sinceramente a Lorena, William, Camila y Javiera por todo su apoyo, paciencia y ayuda durante este trabajo. R EFERENCES

muy dif´ıcil hacer una distinci´on correcta en los valores de a´ ngulos de las mediciones de voltajes. Adem´as, los resultados muestran mayor dispersi´on en la se˜nal de EOGV, presentando un comportamiento con mayor variaci´on que los correspondientes para la se˜nal de EOGH. El problema para la se˜nal de EOGV puede ser debido a la posici´on del electrodo sobre la ceja, estando m´as alejado del dipolo del ojo. Adem´as, la ceja y la mejilla tienen asociados m´as m´usculos para hacer gestos, lo cual afecta a la se˜nal. El parpadeo del ojo tambi´en se hace notar en las se˜nales de EOGV m´as que en las de EOGH. El sistema propuesto puede ser usado para sistemas de Eye Tracking de bajo costo, para evaluaciones simples o evaluaciones previas en zonas rurales o aisladas. Incluso si la capacidad para detectar caracter´ısticas espec´ıficas como los movimientos sac´adicos es limitada, puede ser utilizado como un dispositivo asistivo, en evaluaciones de lectura o para el entrenamiento de atenci´on sostenida selectiva. Su bajo costo puede permitir para hacer un simple y r´apido remplazo en

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