Optische Messtechnik Präzise Blickverfolgung durch Deflektometrie

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In einer Studie haben Forscher eine verbesserte Methode entwickelt, um den Blick beim Tragen von AR- oder VR-Brillen genau zu verfolgen. Dabei kommt moderne Datenverarbeitung zum Einsatz. Es lassen sich über 40.000 Oberflächenpunkte des Auges pro Kamerabild erfassen.

Ein Forschungsteam am Wyant College of Optical Sciences der University of Arizona hat eine verbesserte Methode zur Blickverfolgung entwickelt, die das Potenzial hat, bestehende Eye-Tracking-Technologien deutlich zu übertreffen. Der Ansatz kombiniert die hochpräzise 3D-Bildgebung mittels Deflektometrie mit rechenintensiven Algorithmen aus der Bildverarbeitung. Ziel ist es, deutlich mehr Oberflächendaten des Auges in Echtzeit zu erfassen und dadurch die Blickrichtung weitaus genauer zu bestimmen als bisher möglich.

Fortschritte bei der Augenverfolgung

Anders als gängige Eye-Tracking-Systeme, die mit wenigen Infrarotlichtquellen arbeiten, basiert der neue Ansatz auf einem Bildschirm, der strukturierte Lichtmuster anzeigt. Jedes einzelne der über eine Million Pixel fungiert dabei als definierte Punktlichtquelle. Die reflektierten Muster auf der Augenoberfläche werden analysiert, um eine dichte 3D-Rekonstruktion sowohl der Hornhaut als auch der Sklera zu erzeugen.

„Indem wir die Deformation der Muster auswerten, erhalten wir hochaufgelöste topografische Informationen des Auges“, erklärt Dr. Jiazhang Wang, Erstautor der Studie. Bei Experimenten mit menschlichen Probanden wurde eine Genauigkeit von 0,46 bis 0,97 Grad erreicht – bei künstlichen Augenmodellen sogar bis zu 0,1 Grad.

Kern der Entwicklung ist die sogenannte Stereo-Deflektometrie. Sie nutzt zwei synchronisierte Kameraperspektiven in Kombination mit speziell entwickelten Oberflächenoptimierungsalgorithmen. Vorteil: Die Methode kommt ohne starke Modellannahmen über die Augenform aus – ein klarer Pluspunkt hinsichtlich der Variabilität zwischen Anwendern. Die erzeugte Datenbasis erlaubt zudem eine dichte und präzise Oberflächenrekonstruktion des Auges – eine Eigenschaft, die über die Blickverfolgung hinaus medizinisch interessant ist. Künftig könnten damit beispielsweise Augenerkrankungen in Echtzeit diagnostiziert oder sogar kompensiert werden.

Perspektiven für Virtual Reality und Medizintechnik

Die Integration der Technologie in VR- und AR-Systeme ist ein erklärtes Ziel des Teams. Frühere Arbeiten zeigten, dass strukturierte Lichtmuster direkt in den Headset-Rahmen integriert oder in digitale Inhalte eingebettet werden könnten – und das auch im Infrarotbereich, um Nutzer nicht visuell zu stören. Mit der Technik werden sehr genaue 3D-Bilder der Augenoberfläche erstellt, welche helfen könnten, Augenkrankheiten in Echtzeit zu diagnostizieren und zu behandeln.

Es gibt bereits Pläne, die Technologie durch Tech Launch Arizona zu kommerzialisieren, was den Weg für neue Fortschritte in der Blickerfassung ebnet. Die Anwendungen können unter anderem die Neuroforschung und Psychologie umfassen, wobei künstliche Intelligenz die Technologie noch weiter verbessern könnte. Die Forscher hoffen, die hohe Präzision, die sie in Modelltests erreicht haben, auch bei realen Anwendungen zu erzielen, was der Augenverfolgung der nächsten Generation viele neue Möglichkeiten eröffnen würde.

„Unser Ziel ist es, die Genauigkeit von 0,1 Grad zu erreichen, die wir bei den Modellaugentests erzielt haben“, sagt Florian Willomitzer, außerordentlicher Professor für Optik und leitender Forscher der Studie. „Unsere neue Methode legt den Grundstein für neue Eyetracking-Technologien der nächsten Generation, einschließlich anderer Anwendungen wie der neurowissenschaftlichen Forschung und der Psychologie“, schließt Willomitzer. (heh)

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