Eye-Tracking hilft schwerbehinderten Menschen

Mit Digitalkameras und Bildverarbeitungssoftware können gelähmte Menschen wieder mit ihrer Umwelt kommunizieren. Eye-Tracking-Technologie eröffnet neue Möglichkeiten in vielen Anwendungsgebieten.

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Seit den Anfängen in den späten 1870er Jahren hat sich die Messung und Verfolgung des Blickverlaufs (Eye-Tracking) radikal verändert. Heute setzen Hightech-Systeme auf leistungsstarke Industriekameras und komplexe Softwarealgorithmen.

Das US-amerikanische Unternehmen LC Technologies Inc. aus Fairfay, Virginia ist einer der führenden Anbieter von Eye-Tracking-Lösungen. Seit über 25 Jahren entwickelt das Unternehmen Systeme, die in unterschiedlichen Bereichen Anwendung finden – von der Unterstützung von Behinderten über Marktforschung bis hin zur Medizintechnik.

Eye-Tracking-Technologie gibt Schwerbehinderten ein Stück Freiheit wieder
Das Eyegaze Edge System von LC Technologies ermöglicht es Patienten von ALS (Amyotrophe Lateralsklerose), zerebraler Lähmung, Muskeldystrophie, Multipler Sklerose, Rückenmarkverletzungen, Schlaganfall oder Hirnverletzungen, weiterhin mit der Welt zu kommunizieren. Mit Eyegaze Edge können Personen, die weder sprechen noch ihren Körper kontrollieren können, sich wieder mit anderen unterhalten, Texte schreiben, einen Computer bedienen, Videospiele spielen, Haushaltsgeräte steuern und vieles mehr tun – und das alles nur mit ihren Augenbewegungen.

Eyegaze Edge analysiert die Bewegungen eines einzelnen Auges, ohne dass der Patient bzw. die Patientin mit störenden Geräten am Kopf oder am Auge ausgestattet werden muss. Das System besteht aus einem 13,3-Zoll Tablet-PC, einer Machine Vision Kamera und einer verstellbaren Halterung. Die auf das Gesicht gerichtete Kamera erfasst die Pupillenbewegungen. Aus jeder minimalen Veränderung errechnet das System, auf welchen Punkt an der Bildschirmoberfläche die Person ihren Blick richtet.

Bei der Digitalkamera handelt es sich um eine Guppy F-038 NIR von Allied Vision Technologies, die direkt unter dem Bildschirm angebracht ist. Die Guppy F-038 NIR ist eine besonders kleine Industriekamera, deren Zeilensprung-CCD-Sensor über eine hervorragende Empfindlichkeit im nahen Infrarotbereich verfügt. Somit ist sie ideal für eine zuverlässige Bilderfassung auch bei schlechten Lichtverhältnissen. Die Kamera ist mit einer von LC Technologies patentierten Spezialoptik ausgestattet, in der eine kleine Infrarot-LED-Beleuchtung integriert ist. Das für das Menschenauge unsichtbare Infrarotlicht beleuchtet das Auge des Patienten und verursacht eine Spiegelung auf der Hornhaut, ohne dass die Person davon gestört oder geblendet wird. Durch diese Spiegelung kann die Kamera die Position der Pupille und jede noch so kleine Verschiebung bei 60 Bildern pro Sekunde präzise erfassen.

Die von der Kamera über das FireWire Interface übertragenen Bilddaten werden permanent und in Echtzeit von einer leistungsstarken Bildverarbeitungssoftware analysiert. Durch trigonometrische Formeln errechnet die Software, auf welchen Punkt die Person genau schaut – mit einer Toleranz von maximal 6mm.

So können behinderte Menschen allein mit ihren Blicken einen Cursor auf dem Bildschirm bewegen, und den Computer ähnlich wie mit einer Maus oder einem Touch-Screen bedienen. Eine virtuelle Tastatur wird hierzu am Bildschirm angezeigt. Starrt der Benutzer für eine bestimmte Zeit auf ein Feld, wird die Taste angeklickt. Das System verfügt über ein spezielles Menü, mit dem der Patient zwischen verschiedenen Funktionen wählen kann: Über einen Sprachsynthesizer kann er/sie mit anderen sprechen, indem eingegebene Texte ausgelesen werden; über Schalter lässt sich z. B. das Licht ein- oder ausschalten, ein Hilferuf auslösen, etc.; auch Texte verfassen, Computer-Software bedienen, spielen, im Internet surfen oder E-Mails bearbeiten ist möglich.

Bei der Erstinstallation ist lediglich eine 15 Sekunden kurze Kalibrierung nötig. Hierzu wird der Benutzer gebeten, auf eine Reihe von Zielkreisen am Eyegaze Edge-Bildschirm zu schauen. So erlernt das System individuelle Eigenschaften der Person – etwa die Kurve der Hornhaut, um deren Blickverlauf präzise zu verfolgen. Eyegaze Edge funktioniert mit verschiedenen Pupillengrößen oder Augenlidformen und kann in jeder beliebigen Position betrieben werden (sitzend, liegend oder mit geneigtem Kopf).
 
Eye-Tracking in der Forschung: EyeFollower
Eye-Tracking kann auch in weiteren Bereichen eingesetzt werden. So entwickelte LC Technologies das EyeFollower System für Forschungsapplikationen. Der binokulare EyeFollower setzt auf zwei AVT Guppy F-038 NIR Kameras, die auf einer Pan-/Tilt-Vorrichtung montiert sind, damit die Testperson sich während der Messung möglichst frei bewegen kann. EyeFollower erkennt automatisch, wo sich ein Gesicht in seinem Blickfeld befindet, verfolgt die Augenbewegungen und kalibriert sich selbst dank Bildverarbeitungsalgorithmen mit einer Genauigkeit von 0,4°. Dank eines patentierten asymmetrischen Belichtungsmusters erkennt das System Veränderungen in der Distanz zwischen den Kameras und der Augenhornhaut der Testperson. So lassen sich Fehler aufgrund von Kopfbewegungen des Menschen auf ein Minimum reduzieren.

EyeFollower wird in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt. Dazu gehören Marktforschung, medizinische Forschung oder auch die Ausbildung von Flugzeugpiloten. So lassen sich mit Hilfe der Eye-Tracking-Technologie Anzeigenkonzepte auf ihre Wirksamkeit testen: Firmen und Werbeagenturen, die Millionen in Werbekampagnen investieren, können genau analysieren, wo genau die Zielperson wie lange und in welcher Reihenfolge auf die Anzeige geschaut hat. Die Messergebnisse – etwa erster Fokus, häufigste Fokuspunkte, Fixierungsdauer, Blickverlauf,... – werden gespeichert und graphisch dargestellt. In der Medizin lassen sich psychische und neuronale Erkrankungen diagnostizieren, indem der Blickverlauf des Patienten analysiert wird. Eye-Tracking wird auch in Flugsimulatoren verwendet, um die Fortschritte von Piloten in der Ausbildung zu messen, indem ihr Blickmuster mit dem erfahrener Piloten verglichen wird.

Die Zukunft von Eye-Tracking
Die Eye-Tracking-Technologie entwickelt sich kontinuierlich weiter. Die Herausforderungen der Zukunft werden Kostenreduktion und Miniaturisierung sein, damit diese Technik in jedermanns Alltag Einzug halten kann. So könnte Eye-Tracking zum Beispiel in Autos eingebaut werden. Autofahrer könnten etwa das Radio oder die Klimaanlage bedienen, indem sie lediglich auf eine auf die Windschutzscheibe projizierte Schaltfläche schauen – ohne den Blick von der Straße abzuwenden oder die Hände vom Lenkrad zu nehmen. Oder das Fahrzeug könnte automatisch erkennen, ob der Fahrer konzentriert genug auf die Straße schaut und ihn ggf. alarmieren. Zu Hause könnte man über Eye-Tracking Haushaltstechnik wie den Fernseher, das Licht oder die Heizung bedienen. In Videospielen könnte der Spieler noch intuitiver in seine virtuelle Welt eintauchen, indem bestimmte Funktionen per Eye-Tracking gesteuert werden: schaut der Spieler nach rechts, schaut sein Avatar im Spiel ebenfalls nach rechts...