眼球追蹤技術加速科技進步 驅使ARVR飛速發展

近年來，該行業經歷了一場繁榮，數百家初創企業和包括谷歌、蘋果、三星和Facebook在內的科技巨頭大舉投資。儘管有這些活動，AR / VR硬體仍然相對粗糙。大多數介面都從頭部移動和手動輸入中獲取線索。圖形通常看起來是人工的，而且由於解析度低和幀速率慢，眼睛可能會很粗糙。

眼球追蹤系統可以實時監控眼球運動，並承諾改變這種情況。

從歷史上看，這項技術被用於收集科學和商業應用的信息，如市場研究和醫學診斷。因為人類主要利用視覺來導航他們的環境，所以眼睛可以顯示出大腦中正在發生的事情。他們可以告訴設備用戶關注的是什麼，以及他們是如何回應的。在計算中，眼球追蹤有助於為人機關係的革命奠定基礎，允許控制中心在沒有人工輸入的情況下「交談」，例如按鈕、控制器或滑鼠。例如，智能手機或筆記本電腦顯示器對眼球運動和口頭指令的反應，比需要觸摸、滑鼠和鍵盤的設備更能與人的大腦工作。物聯網的發展(包括無人駕駛汽車和智能家電)依賴於這些類型的關係。

多虧了小巧、強大的組件，包括緊湊的紅外發光二極體(IRED)，公司終於在他們的產品中集成了眼球追蹤感測器。如果做得好，這些系統可以使虛擬顯示器響應自然的，甚至是潛意識的，來自用戶的提示。這可能是真正沉浸式虛擬體驗的開始。

在2017年1月，日本VR公司FOVE發布了第一個眼球追蹤VR頭盔。

與此同時，一批中高端的AR / VR硬體公司一直在努力為現有的耳機添加某種形式的眼球追蹤，以及未來的綜合解決方案。Tobii和其他眼球追蹤的開發者已經開始授權他們的技術用於消費者AR / VR產品，而像谷歌和Facebook這樣的科技巨頭已經吸收了一些最有前途的創業公司。

對消費者VR / AR的日益增長的熱情正在對市場產生深遠的影響。根據Parks and Associates的數據，美國9%的聯網家庭預計明年將購買VR頭盔，到2017年底，全球將有2400萬戶家庭購買VR頭盔。UBI Research預計，到2021年，總發貨量將超過6500萬輛，國際數據公司(IDC)預測，AR / VR頭盔的年複合年增長率為108.3%。

據彭博科技報道，僅在中國，消費者VR / AR市場在未來四年就可以達到85億美元。與此同時，市場觀察認為，到2023年，眼球追蹤市場將達到1.4億美元，部分原因是它在VR / AR產品方面的作用。

眼睛追蹤如何支持沉浸

AR / VR的長期目標是完全投入——將用戶從真實世界傳遞到虛擬世界的能力，而不受感官干擾。它是現代計算史上最複雜的事業之一。為了完成這個幻想，硬體需要放棄手工輸入，並使用戶能夠與虛擬世界進行交互，就像他們使用真實的世界一樣。

去那裡需要時間。以下是眼動如何促進身臨其境的發展:

漏斗狀的渲染

我們通過我們的fovea(眼睛的部分負責視覺敏銳性，位於視網膜的底部，直接在瞳孔後面)來感知我們視野中心的視覺細節。外圍的物體，在凹的範圍之外，顯得模糊。因此，在每個框架中使用相同的解析度，就像大多數AR / VR系統所做的那樣，最終是浪費。Foveated渲染，一個數字成像過程，模仿我們看到的在高清晰度(HD)的foveal目標，同時降低了環境的解析度。眼動跟蹤對於定位這個先端是非常必要的，因為眼睛在顯示屏周圍反射。

這種技術在我們的眼睛和硬體上都非常溫和。因為它減少了整體像素的計數——不改變圖像的完整性——foveated渲染大大降低了負載和功耗。這樣可以釋放資源，可以重定向到其他操作，例如加快幀速率。因此，用戶體驗的滯後和暈動病的時間較短，而顯示器的保真度有所提高。Eye Tribe的一個視頻演示記錄了系統基準的巨大變化，包括:圖形處理單元(GPU)從80 - 90%載入到40 - 30%;時鐘頻率:從1200兆赫到800mhz;熱能設計(TDP)從70%到40%。

精確的瞳孔間的距離(IPD)

用戶通過一組名為「goggles」的透鏡與AR / VR進行接觸。「這些必須與用戶的瞳孔一致，以充分傳達展示中的三維性。」如果對準是不基礎的，眼睛的張力和圖像變得扁平和模糊。

找到合適的職位是很有挑戰性的。瞳孔之間的長度(IPD)從5.1厘米到7厘米不等。這種變化在雙筒望遠鏡、顯微鏡和望遠鏡的使用中很明顯，它們需要調整來適應觀眾的IPD，並傳輸最優的細節和深度。

大多數AR / VR頭盔都過度補償了額外的寬護目鏡或手動調節器。由於眼動跟蹤系統在設備內定位瞳孔，新產品可以精確計算IPD。適當的配合讓用戶的眼睛能夠放鬆，充分參與體驗，並提高了顯示器的整體感覺。

自然用戶界面(UI)

當顯示器對眼球運動做出反應時——不只是頭部位置——用戶獲得了更自然的視野。眼睛跟蹤可以讓用戶在遊戲中選擇虛擬對象，比如一個球或一個武器，或者在虛擬環境中，僅僅通過查看就可以傳送到一個新的地方。

這就消除了對圖標的需要，這些圖標會干擾屏幕，減少導航所需的精神能量。在增強現實中，一個以gaze為導向的介面可能允許用戶在不需要用戶與員工交互的情況下，在實體商店中選擇購買商品。

社會的反應

眼睛是我們交流的第一工具。早在我們學會說話之前，我們就通過細微的面部動作來感知情感。通過監視眼睛信號，沉浸式硬體支持軟體程序識別並響應用戶增加的靈敏度。這項技術可以通過賦予他們真實的社會暗示的能力，幫助他們將虛擬人物帶入生活。新的avatars可以傳遞人類同行的眼球運動，為視頻遊戲和其他虛擬內容帶來了新的維度。

無縫的識別

一個人的虹膜就像他們的拇指一樣獨特。通過虹膜掃描，通過眼動跟蹤，AR / VR頭盔可以消除密碼的需要，使系統更容易訪問和安全。

眼動跟蹤與創新

在重大突破後，高衝擊技術的發展往往會加速。現在，FOVE發布了第一個眼球追蹤VR頭盔，我們可能預計這些功能很快就會在一系列產品中出現——從廉價的智能手機耳機到高端系統。

Tobii業務部門總裁奧斯卡·沃納向TechCrunch解釋道:「視覺跟蹤將是第二代耳機的關鍵部分，由大量的VR HMD供應商分享。」「這推動了技術的發展和創新。」

作為參考，Tobii的銷售額從2014年到2016年幾乎翻了一番，在該公司開始投資VR技術後不久。

為了充分利用不斷變化的市場，硬體開發人員需要整合眼球追蹤系統，以配合人眼。這項技術的工作原理是將不可見的紅外線光照射到角膜上。光線穿過瞳孔，未被發現，反射出虹膜，將瞳孔的邊緣顯示在相機感測器上。

眼球抽搐，即所謂的「saccades」，是人體運動中速度最快的運動之一，眼睛可以移動0.9度/毫秒，在AR / VR中使用的眼睛追蹤系統中，眼球追蹤系統必須與這個速度相匹配，尤其是在圖像改變時，每個眼球運動都會發生變化。除了強大的記憶卡和精確的感測器，眼球追蹤還需要一種高效、輕便的紅外光源。為此，Osram Opto半導體開發了螢火蟲FH 4055，這是一種IRED，用於近距離的眼球追蹤(在眼睛和感測器之間的距離小於5cm)。Firefly SFH 4055在側面安裝，最大反射和最小能耗。

眼動跟蹤為AR / VR開發者提供了非凡的機會:一個能夠與人類心靈互動的機器的機會。隨著技術的進步，超緊湊紅外發射器在硬體創新中起著關鍵的作用。

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