30, May, 2024

Tecnología de seguimiento ocular usando videoculografía y sus aplicaciones

Autores: Dr. Mario Rojas Hernández, Dr. David Christopher Balderas Silva, Dr. Javier Maldonado Romo, Dr. Luis Arturo Montesinos Silva

Correo electrónico:  mario.rojas@tec.mx, dc.balderassilva@tec.mx, javiermr@tec.mx, lmontesinos@tecmx.onmicrosoft.com

Instituto: Institute of Advanced Materials for Sustainable Manufacturing

Unidad de investigación: Enabling Technologies for the Development of Advanced Materials

Escuela: Tecnológico de Monterrey, Escuela de Ingeniería y Ciencias, Ciudad de México, México.

Palabras clave: #seguimiento ocular #movimientos #detección #diagnóstico 

Existe una fuerte motivación para saber hacia dónde y por cuánto tiempo miramos, pues se involucran distintos procesos cognitivos relacionados con la memoria, el lenguaje y la toma de decisiones. Los ojos reflejan procesos mentales y de comportamiento que pueden servir para diversas áreas de estudio [1]. Particularmente, existen desórdenes neurodegenerativos que son acompañados por alteraciones oculomotoras, de modo que un análisis preciso de los ojos ayudaría a detectar problemas del sistema nervioso como síndromes parkinsonianos, esclerosis lateral amiotrófica, enfermedad de Huntington, Alzheimer, encefalopatía hepática mínima, entre otros [2]. Otras métricas del ojo proveen información relevante a procesos cognitivos y perceptuales de importancia para médicos y educadores [3]. En manufactura, se ha usado la información del movimiento de los ojos y la dirección de la mirada en respuesta a estímulos para estudiar el comportamiento de los trabajadores y sus reacciones relacionadas con la toma de decisiones durante sus tareas, buscando medir su desempeño o carga mental de trabajo. En mercadotecnia se usa el seguimiento ocular para interpretar cómo los clientes perciben un producto o deciden comprarlo por la información de la etiqueta, además para desarrollar estudios de calidad [4]. Finalmente, existe un gran campo de aplicación en interfaces humano-máquina que busca facilitar a las personas la interacción con computadoras, dispositivos electrónicos, tecnologías de asistencia o robots. Por ejemplo, en [5] se presenta un sistema de control ocular para una computadora, con la finalidad que un usuario con discapacidad motora sea capaz de navegar en internet, leer libros electrónicos, escribir documentos, mandar e-mails y mensajes de texto, dibujar y controlar su televisión.

Los movimientos de los ojos se pueden clasificar como fijaciones y sacadas [6]: una fijación es el lapso de tiempo en el que los ojos se encuentran fijos en un objetivo mientras toman información, mientras que las sacadas son movimientos rápidos que hace el ojo de un lugar a otro, tal como se ilustra en la Figura 1. 

Figura 1. Las fijaciones son los periodos de tiempo cuando el ojo centra su atención en un punto de interés y las sacadas son los movimientos rápidos que hace para enfocarse en otro (indicados con flechas en la imagen). En un texto, las fijaciones se hacen en una misma dirección y con una amplitud fija.

Se han explorado diversos métodos de seguimiento ocular para obtener los movimientos y la posición de la pupila [1], sin embargo algunos pueden ser incómodos o invasivos para el usuario. Afortunadamente, se han desarrollado técnicas basadas en video que utilizan una o múltiples cámaras para obtener imágenes de los ojos. Estas imágenes son procesadas por algoritmos de Inteligencia Artificial para determinar los parámetros descritos con un alto grado de precisión y exactitud. El uso de videoculografía busca ser un método menos invasivo [7] y permite integrarse en dispositivos que proporcionan distintos grados de libertad y comodidad al usuario, tal como se muestra en las configuraciones de la Figura 2. 

Figura 2. Distintas configuraciones de seguimiento ocular: a) Cámara fija y soporte para mantener la cabeza. b) Cámara fija e iluminación infrarroja c) dispositivo portable sin restricciones de movimiento.

Algunas aplicaciones de seguimiento ocular requieren un nivel de movilidad que los sistemas con cámaras fijas no pueden ofrecer. Afortunadamente se han desarrollado sistemas que brindan portabilidad y libertad de movimiento, tal como los lentes para seguimiento ocular [8]. Estos dispositivos integran diminutas cámaras en los armazones para capturar imágenes binoculares. Adicionalmente, hay tecnologías que integran servicios de cómputo en la nube para almacenar datos o hacer procesamiento en línea. Entre estos sistemas comerciales encontramos los Tobii Pro Glasses 3 presentados en la Figura 3, Pupil invisible, SMI Eye tracking glasses, entre otros.

Figura 3. Lentes inteligentes Tobii Pro Glasses 3.
Imagen tomada de: https://www.tobii.com/products/eye-trackers/wearables/tobii-pro-glasses-3

En el Tecnológico de Monterrey se está desarrollando un prototipo de seguimiento visual por videoculografía utilizando lentes impresos en 3D y hardware de bajo costo, además de un modelo para estimación de movimiento usando redes neuronales convolucionales desarrollado en código abierto (TensorFlow). Este prototipo busca utilizarse para controlar una silla de ruedas inteligente, de modo que permita a usuarios con discapacidad severa desplazarse usando los movimientos del ojo como un control manos-libres como se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Prototipo de lentes de seguimiento ocular desarrollado para control de una silla de ruedas inteligente. 

Está claro que el seguimiento ocular basado en sistemas de video tiene un futuro prometedor, pues sus aplicaciones son diversas. Sin embargo, esta tecnología aún está en desarrollo y todavía busca cumplir más requerimientos del usuario para ser utilizada ampliamente. 

Referencias

[1] A. F. Klaib, N. O. Alsrehin, W. Y. Melhem, H. O. Bashtawi, y A. A. Magableh, «Eye tracking algorithms, techniques, tools, and applications with an emphasis on machine learning and Internet of Things technologies», Expert Systems with Applications, vol. 166, p. 114037, mar. 2021, doi: 10.1016/j.eswa.2020.114037.

[2] H. Bao, W. Fang, B. Guo, y J. Wang, «Real-time wide-view eye tracking based on resolving the spatial depth», Multimed Tools Appl, vol. 78, n.o 11, pp. 14633-14655, jun. 2019, doi: 10.1007/s11042-018-6754-2.

[3] T. T. Brunyé, T. Drew, D. L. Weaver, y J. G. Elmore, «A review of eye tracking for understanding and improving diagnostic interpretation», Cognitive Research: Principles and Implications, vol. 4, n.o 1, p. 7, feb. 2019, doi: 10.1186/s41235-019-0159-2.

[4] L. Song et al., «Ecolabel’s role in informing sustainable consumption: A naturalistic decision making study using eye tracking glasses», Journal of Cleaner Production, vol. 218, pp. 685-695, may 2019, doi: 10.1016/j.jclepro.2019.01.283.

[5] P. Blignaut, «Development of a gaze-controlled support system for a person in an advanced stage of multiple sclerosis: a case study», Univ Access Inf Soc, vol. 16, n.o 4, pp. 1003-1016, nov. 2017, doi: 10.1007/s10209-016-0493-9.

[6] B. T. Carter y S. G. Luke, «Best practices in eye tracking research», International Journal of Psychophysiology, vol. 155, pp. 49-62, sep. 2020, doi: 10.1016/j.ijpsycho.2020.05.010.

[7] A. J. Larrazabal, C. E. García Cena, y C. E. Martínez, «Video-oculography eye tracking towards clinical applications: A review», Computers in Biology and Medicine, vol. 108, pp. 57-66, may 2019, doi: 10.1016/j.compbiomed.2019.03.025.

[8] C. Jongerius et al., «Eye-tracking glasses in face-to-face interactions: Manual versus automated assessment of areas-of-interest», Behav Res, vol. 53, n.o 5, pp. 2037-2048, oct. 2021, doi: 10.3758/s13428-021-01544-2.

ANEXO

Resumen: La videoculografía es una técnica novedosa para la detección de los movimientos oculares. Esta basada en cámaras que capturan imágenes de los ojos del usuario para ser procesadas por algoritmos de inteligencia artificial. La información de los movimientos identificados se utiliza en aplicaciones tales como publicidad, medicina, psicología e interfaces humano-máquina. El uso de cámaras de video permite que el seguimiento ocular sea menos invasivo comparado con otras técnicas y que se pueda integrar esta tecnología en dispositivos portables como lentes inteligentes.

Importancia de investigación: La lectura y decodificación del pensamiento a través de las interfaces cerebro computadora puede ser utilizada en la industria médica e ingenieril para optimizar y simplificar diversas tareas y aplicaciones. El uso de dispositivos para seguimiento ocular es relativamente nuevo, sin embargo impacta en diversas áreas de aplicación. Una de ellas es en el apoyo para niños y personas adultas, que debido a impedimentos físicos encuentran dificultades para interactuar con computadoras o dispositivos electrónicos. Usando dispositivos de detección de movimientos oculares se puede usar la computadora para escribir correos, mensajes de texto, manejar redes sociales, jugar videojuegos; así mismo, se pueden controlar aparatos electrónicos de uso cotidiano tales como la televisión, aire acondicionado, seguros de puertas y luces en casa. El uso de esta tecnología permite a las personas con discapacidad recuperar algo de independencia, es por ello que se busca su difusión y desarrollo en países como México, donde su precio actual es muy elevado.

Disciplina: Ingeniería y Ciencias.

Área: Ingeniería, medicina, psicología, marketing, computación, manufactura. 

Industria: Médica, dispositivos inteligentes, ingeniería de control, control de procesos. 

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