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什么是注視追蹤技術？這項技術是一種用于獲取人眼注視的位置和注意力的專業性技術，在部分領域、比如XR領域都有落地應用。這篇文章里，作者就嘗試對XR技術領域中的注視追蹤技術的現狀、應用與發展做了解讀，一起來看。

摘要：本文介紹了注視追蹤技術的定義和原理，其中涵蓋了外部傳感器和內置傳感器兩種實現方式。通過觀察和分析眼球運動，注視追蹤技術可以揭示個體對不同事物的關注程度以及信息獲取與加工過程。

此外，文章還探討了該技術在視覺效果改進、用戶交互體驗等領域應用，并詳細說明了目前主流HMD產品中使用的不同注視追蹤方案。最后，文章提出了目前該技術面臨的挑戰和未來發展趨勢。

關鍵詞：注視追蹤技術；HMD產品。

引言：注視追蹤技術是一項專業性工具，用于獲取人眼注視的位置和注意力。它基于神經生理學和心理學原理，通過觀察眼球運動來揭示個體對不同事物的關注程度以及信息獲取與加工過程。

本文將介紹注視追蹤技術的定義、實現方法以及在視覺效果改進、用戶交互體驗等領域的廣泛應用。同時，我們還將探討目前主流HMD產品中采用的不同方案，并分析該技術面臨的挑戰和未來發展趨勢。

隨著科學研究和市場需求的不斷變化，注視追蹤技術有望持續創新并推動擴增現實（XR）技術領域向前發展。

一、什么是注視追蹤技術

1. 定義和原理

注視追蹤技術是一種用于獲取人眼注視的位置和注意力的專業性技術。它基于神經生理學和心理學的原理，通過觀察并分析眼球運動來揭示個體對不同事物的關注程度以及信息獲取與加工過程。

圖一 注視追蹤技術原理圖

2. 實現方法：外部傳感器vs內置傳感器

外部傳感器（如圖二 眼動追蹤系統）：

這種方法使用外置設備（例如紅外攝像頭或光儀）來捕捉被測試者眼睛移動的軌跡，并計算出準確且精細的注視點坐標。這些外部傳感器可安裝在監測系統、移動設備或虛擬現實頭顯中。其優勢包括高度精準、廣泛適應性以及非侵入式特點，因此適合用于研究實驗室環境和市場調查等領域。

圖二 外置眼動追蹤系統

內置傳感器（如圖三 電腦內置攝像頭）：

此方法借助內置于智能手機、平板電腦或虛擬現實設備等產品之中已有的相機和其他相關硬件來檢測用戶目光所集中之處。通過利用圖像處理或計算機視覺技術[1]，內置傳感器能夠追蹤眼球運動并獲取注視點數據。此方法的優勢在于使用便捷且與現有設備無需額外配件，適合進行用戶體驗研究、市場調查及個人生活習慣分析等實際應用。

圖三 電腦內置攝像頭

通過上述介紹我們可知道，注視追蹤技術是一種專業性工具，可以幫助我們了解人類對事物的注意力集中程度和思維加工過程。其實現方法包括外部傳感器和內置傳感器兩種方式，各自具有特點和適應領域不同，并可廣泛應用于實驗室環境和市場調查。

二、注視追蹤技術的應用領域

1. 視覺效果改進：真實感、逼真度提升

注視追蹤技術在游戲開發、虛擬現實和增強現實等領域有著廣泛的應用。[2]通過準確地捕捉用戶眼球的注視點，可以使系統對用戶焦點所在的區域進行更精細和高保真度的渲染。這種技術為電影特效、計算機動畫和游戲體驗帶來了巨大突破，能夠讓用戶更加沉浸于虛擬世界中，并提供出色的觀看體驗。

2. 用戶交互體驗：減少運動疲勞、提高操作精確度

在人機交互方面，注視追蹤技術也起到了重要作用【3】。通過監測用戶眼睛移動軌跡，可以預測他們感興趣或關注的元素，并將相關信息及時展示給他們。這能夠顯著降低用戶尋找目標物品或信息而產生的頭部或手臂運動量，從而減少運動疲勞并提高工作效率。此外，在需要精確操作時（如CAD設計、醫學手術等），注視追蹤技術也能夠提供更準確的目標選擇和交互指令，從而改善用戶操作精度。

通過上面的例子我們可以知道，注視追蹤技術在視覺效果改進和用戶交互體驗等方面具有廣泛的應用。它可以實現對用戶關注區域的精準渲染，提升游戲、虛擬現實及增強現實的真實感和逼真度。同時，通過監測眼球運動軌跡，該技術還能夠降低用戶運動疲勞，并大幅提高操作精確性，在工作效率和用戶體驗方面帶來顯著改善。

三、目前注視追蹤技術的發展狀況

1. 主流HMD產品中使用的注視追蹤方案概述

1）OculusRiftS/Quest系列

OculusRiftS（如圖四）和OculusQuest系列使用了基于外部傳感器的光學窺探方法，通過紅外攝像頭來捕捉用戶眼球運動軌跡并提供高精度的注視點數據。這種方案可以實現較大范圍且準確地跟蹤眼睛移動，為虛擬現實體驗增添真實感。

圖四 OculusRiftS

圖五 OculusQuest

2）HTCVive/VivePro系列

HTCVive（如圖六）和VivePro（如圖七）系列采用了基站式光學定位系統，通過安裝在房間角落或其他適當位置上的紅外標簽進行定位。此方案可以提供更廣泛而穩定的跟蹤范圍，并能夠以較快速度跟隨用戶眼球移動。

圖六 HTCVive

圖七 VivePro

3）PlayStationVR

PlayStationVR（如圖八）利用內置傳感器與可見光信號處理算法相結合，記錄和分析被測試者的眼球運動情況。該方法具有較低成本、無需額外硬件支持等優勢，并在游戲市場取得了一定成功。

圖八 PlayStationVR

4）ValveIndex

ValveIndex（如圖九）采用了外部紅外攝像頭和基于反射技術的傳感器，以獲得更高精度和跟蹤速率。這種方案在準確性、延遲和用戶體驗方面提供了最佳的結果，并被認為是目前注視追蹤技術中最先進的解決方案之一。

圖九 ValveIndex

2. 不同方案之間的比較評估

在選擇使用哪種注視追蹤技術時，需要綜合考慮以下因素進行評估比較：

1. 運動跟蹤范圍和角度覆蓋程度：不同產品可能有所差異，在設計或游戲應用中，對于眼睛運動范圍和觀察角度是否能夠完全捕捉十分關鍵。
2. 跟隨速率和延時：快速而準確地實時追蹤眼球運動對于提供流暢、真實的交互體驗至關重要。
3. 絕對定位與相對定位能力：某些解決方案可以根據用戶位置進行絕對定位（例如基站式系統），而其他解決方法僅支持相對位置變化監測（例如內置傳感器）。具體需求取決于應用場景。
4. 成本考量：硬件設備成本也是選擇注視追蹤技術時需要考慮的一個重要因素。不同方案的成本和可行性會根據產品型號、制造成本以及特定市場需求而有所差異。

目前主流HMD產品中使用了各種不同類型的注視追蹤技術，包括基于外部傳感器的光學窺探方法、基站式光學定位系統以及內置傳感器結合可見光信號處理算法等。每種方案都具有優勢和適用領域，并可以通過運動跟蹤范圍、跟隨速率、絕對/相對定位能力以及成本等因素進行評估比較，以滿足特定需求或應用場景。

四、注視追蹤技術面臨的挑戰與未來發展趨勢

1. 注視追蹤技術面臨的挑戰

1）高精度與實時性需求

當前的注視追蹤技術在高動態環境和快速移動中仍然面臨一定的挑戰。由于用戶眼球運動非?？焖偾叶鄻踊?，系統需要能夠提供高精度和實時性數據以滿足交互體驗或研究需求。

2）技術穩定性和可靠性保證

要使注視追蹤技術真正實用并在各種現場應用中可靠地工作，關鍵在于其穩定性和準確性。包括設備校準、誤差糾正以及光線干擾等因素都需要得到有效處理，從而確保持久的穩定使用，并減少可能導致不正確結果或誤導診斷的錯誤讀數。

3）設備的舒適度和輕便程度

對于長時間使用或移動設備而言，注視追蹤設備必須具有良好舒適感以避免對用戶產生疲勞感并限制他們活動自如。因此，在未來發展過程中，注重設備的舒適度和輕便程度已成為一個關鍵挑戰。

2. 發展趨勢

1）更小、更輕、更強大的內置傳感器技術加速發展

隨著新一代硬件和材料技術的不斷進步【4】，注視追蹤技術將會變得更小巧、輕盈，并且能夠提供更高性能。這將使其在移動設備等體積限制較大或對于外部傳感器存在困難的應用領域中得到廣泛應用。

2）基于視線追蹤的增強現實等新應用場景

注視追蹤技術有潛力推動各種新興應用場景。其中，基于視線追蹤使用注釋增強現實(AR)是一個具有巨大發展潛力的領域。通過精確地跟蹤用戶目光，可以將虛擬信息與真實世界相結合，為用戶提供個性化而沉浸式的增強現實體驗?！?】

3）改進運動干擾問題以提高使用體驗

在未來發展過程中，注視追蹤技術需要面對并解決因頭部或手臂運動引起眼球運動干擾的問題。通過研究和改進算法，技術可以更好地解決這一挑戰，提高使用體驗，并提供更準確可靠的注視點數據。

注視追蹤技術面臨著高精度與實時性需求、技術穩定性和可靠性保證以及設備舒適度和輕便程度等挑戰。然而，隨著內置傳感器技術的不斷發展，注釋追蹤將變得更小、更輕盈并具有更強大功能。此外，在增強現實領域應用中探索基于視線跟蹤的新機遇將成為未來發展趨勢之一，并通過改進運動干擾問題以提高使用體驗。

五、總結與展望

1. 注視追蹤技術在HMD中的重要作用

注視追蹤技術在頭戴式顯示器（HMD）中扮演著至關重要的角色。通過準確地捕捉用戶眼球運動和注視點位置，該技術能夠提高虛擬現實（VR）、增強現實（AR）和混合現實（MR）等體驗?！?】它可以為虛擬場景提供更真實、沉浸式的效果，并顯著改善交互性與操作精確性。無論是在游戲、娛樂、培訓還是醫療等領域，注視追蹤技術都可以大幅增強用戶的參與感和使用體驗。

2. 預測注視追蹤技術將持續創新，并推動XR技術領域的發展

在未來，我們預計注視追蹤技術將持續創新并推動擴展風格(R)領域向前發展。隨著科學研究及市場需求不斷變化，我們可以預見以下趨勢：

1. 更先進而高度精準的算法：通過應用人工智能(AI)和機器學習(ML)，可使注視追蹤技術變得更加智能化，從而實現更準確、準實時的注視點捕捉和分析。
2. 硬件創新：隨著尺寸縮小和性能提升的需求不斷增長，預計將會出現更小巧、更輕盈且功能強大的傳感器設備。這些硬件創新將進一步改善用戶體驗，并促使XR技術走入日常生活。
3. 多模式交互：以眼球為主導的注視追蹤技術可能與手勢識別、聲音控制等多種交互方式相結合，從而形成全方位且個性化的用戶體驗【7】。

可見，上述發展趨勢將推動注視追蹤技術在HMD中不斷取得突破，并引領XR技術領域向前發展。通過持續創新、算法優化和硬件進步，我們有理由相信未來注視追蹤技術將成為真正普及并滿足廣泛應用需求的核心技術之一。

參考文獻：

[1]楊波. 增強現實中的跟蹤技術研究[D].電子科技大學,2005.

[2]朱博. 視線追蹤技術及其在駕駛員與乘客監測系統中的應用研究[D].東北大學,2013.

[3]劉靜. 淺析三維動畫特效在動畫電影中的應用研究[D].東北師范大學,2013.

[4]陳峰. 中國網絡游戲內置廣告行業發展研究[D].廈門大學,2009.

[5]周明. 技術創新對手機產業發展和手機企業市場績效的影響研究[D].湖南大學,2016.

[6]帥陳穎,程可心,孫航.淺析江西省XR產業發展趨勢與對策建議[J].科技廣場,2020(06):28-34.DOI:10.13838/j.cnki.kjgc.2020.06.004.

[7]史新燕. 體驗經濟視域下的VR廣告及其發展研究[D].廣西大學,2017.