3D-Oculography: New Method of Determination of Human Gaze Point Position in Space

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

INTRODUCTION: Oculography — a method of recording movement of eyeballs of a human or animal by analyzing changes in electrical potentials recorded by two electrodes fixed on skin near the eye socket is used to solve various problems. Among them are the determination of pronounced nystagmus, of characteristic changes of oculomotor reactions in different conditions of observing video images. Of interest is the determination of the position of gaze point (GP) and of the area of increased attention in three-dimensional space. This information is associated with the cognitive system of the observer and is of interest not only to physiologists, but also to specialists of related fields. .

AIM: To experimentally prove the effectiveness of the developed method of 3D-oculography providing determination of the GP position in space.

MATERIALS AND METHODS: The possibility of restoring GP position based on the analysis of recorded oculograms even in the presence of additive noise induced by the external electromagnetic fields, is proven by the numeric modeling method. Direct experimental studies were conducted with recording oculograms of a human observer on a previously verified equipment. A ZB-2 oculograph was used, the data obtained were verified by the method of average values.

RESULTS: The obtained modeling results permitted to determine the maximal values of dispersion of additive noise and amplitude shifts of signals, which make possible satisfactory restoration of the coordinates of the GP and parameters of its movement trajectory. The qualitative correspondence of the experimental results to the results of numerical modeling was proven. The correspondence between trajectories of the observed object moving in space and trajectories of GP movement synthesized from counts of recorded oculograms was confirmed.

CONCLUSION: Multichannel record of oculographic signals permits restoring parameters of the GP trajectory. Creating systems for recording these signals requires minimization of the noise level. An increase in dispersion of the noise component of the signal leads to most significant errors in calculating the coordinates of trajectory points.

About the authors

Pavel V. Arakcheyev

Bauman Moscow State Technical University

Email: arpv2002@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-7818-9427
SPIN-code: 7796-8362

Cand. Sci. (Engineering)

Russian Federation, Moscow

Valeriy L. Bezdelov

Bauman Moscow State Technical University

Email: balery_wr@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0001-8761-8388
SPIN-code: 1336-6719
Russian Federation, Moscow

Evgeniy V. Buryi

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: buryi@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8954-5434
SPIN-code: 4587-5149

Dr. Sci. (Engineering), Professor

Russian Federation, Moscow

Denis A. Semerenko

Bauman Moscow State Technical University

Email: ddd183@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5822-5120
SPIN-code: 6290-8469

Cand. Sci. (Physics and Mathematics)

Russian Federation, Moscow

Anton L. Shlemenkov

Bauman Moscow State Technical University

Email: anthony99@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9318-0888
SPIN-code: 4747-8558
Russian Federation, Moscow

References

  1. Jung R. Eine Elektrische Methode zur Mehrfachen Registrierung von Augenbewegungen und Nystagmus. Klin Wochenschr. 1939;(18):21–4. doi: 10.1007/BF01764506
  2. Barabanshchikov VA, Lilad MM. Metody okulografii v issledovanii poznavatel’nykh protsessov i deyatel’nosti. Moscow: Institute of Psychology of the RAS; 1994. (In Russ).
  3. Jhnujhunwala RR, Geethanjali Р. Effect of Delay in EOG Signals for Eye Movement Recognition. In: Kumar M, Kumar R, Vaithiyanathan D, editors. Advan- cing the Investigation and Treatment of Sleep Disorders Using AI. Hershey, PA: IGI Global; 2021. P. 71–80. doi: 10.4018/978-1-7998-8018-9.ch005
  4. Shurupova MA, Anisimov VN, Latanov AV, et al. Features of eye movement disorders in patients with cerebellar lesions of different localization. I. P. Pavlov Russian Medical Biological Herald. 2016;24(3):154–63. (In Russ). doi: 10.17816/PAVLOVJ20163154-163
  5. Murik SE. Elektrookulograficheskaya sistema dlya registratsii i dvumernogo kartirovaniya sodruzhestvennogo dvizheniya glaz. Fiziologiya Cheloveka. 2003;29(2):131–2.
  6. Punde PA, Jadhav ME, Manza RR. A study of eye tracking technology and its applications. In: 1st International Conference on Intelligent Systems and Information Management (ICISIM); 05–06 October 2017. Aurangabad, India; 2017. P. 86–90. doi: 10.1109/ICISIM.2017.8122153
  7. Simini F, Touya A, Senatore A, et al. Gaze tracker by electrooculography (EOG) on a head-band. In: 10th International Workshop on Biomedical Engineering; 05–07 October 2011. Kos, Greece; 2011. P. 1–4. doi: 10.1109/IWBE.2011.6079050
  8. INA128/INA129: Precision, Low Power Instrumentation Amplifiers [Internet]. Available at: http://www.burr-brown.com. Accessed: 2023 November 01.
  9. Oculograph ZB-2 complex for oculographic researches [Internet]. Available at: http://www.llis.bmstu.ru/Oculograph_ZB-2/. Accessed: 2023 November 01. (In Russ).
  10. Debbarma Sh, Bhadra Sh. A Lightweight Flexible Wireless Electrooculogram Monitoring System With Printed Gold Electrodes. IEEE Sensors Journal. 2021;21(18):20931–42. doi: 10.1109/JSEN.2021.3095423
  11. Vijayan KK, Mork OJ, Hansen IE. Eye Tracker as a Tool for Engineering Education. Universal Journal of Educational Research. 2018;6(11):2647–55. doi: 10.13189/ujer.2018.061130
  12. Yamamoto Н, Sato А, Itakura S. Eye tracking in an everyday environment reveals the interpersonal distance that affords infant- parent gaze communication. Sci Rep. 2019;9(1):10253. doi: 10.1038/s41598-019-46650-6
  13. Müller JA, Wendt D, Kollmeier B, et al. Comparing Eye Tracking with Electrooculography for Measuring Individual Sentence Comprehension Duration. PLoS One. 2016;11(10):e01646271. doi: 10.1371/journal.pone.0164627
  14. Panyushova EP, Kiryushin VA. Hygienic evaluation of working conditions and health state of medical personnel of paraclin-ical units. Nauka Molodykh (Eruditio Juvenium). 2019;7(1):129–38. (In Russ). doi: 10.23888/HMJ201971129-138

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Geometry of the task to determine the coordinates of gaze point when observing an object moving along a circle of radius R in the XOZ plane (a), and of the coordinates of this point in the left Cartesian coordinate system (b). Notes: Positions of pupil centers of the observer’s eyes are designated with points OS and OD the trajectory of the moving object Ω is shown by a dotted line (b).

Download (238KB)
3. Fig. 2. Functional diagram of 3D-oculograph.

Download (27KB)
4. Fig. 3. Model trajectory of movement of gaze point (a) and results of modeling of signals (b): oculograms of the left US(t) and right UD(t) eyes; harmonic signal Ucos(t) = A cos(ωt). Note: rel. un. — relative units.

Download (50KB)
5. Fig. 4. Characteristic distortions of the reconstructed trajectory of gaze point with different distortions of the recorded signals: the presence of additive noise with dispersion σ2 N (а), shift of one of signals in amplitude by DU (b); variations of transmission coefficient KD of the amplification path recording these signals (c); value; величина Umax = max {|US|,|UD|}.

Download (416KB)
6. Fig. 5. An oculogram recorded during observation of a moving object (a) and results of reconstruction of trajectories of gaze point movement (b–f) on A … F time intervals, respectively. The line designates parts of trajectories that do not significantly correspond to the geometry of the object trajectory (dotted line). The beginning of the trajectory of each part is marked with arrow, positions of the centers of eye pupils are shown by dots on ОX axes of the coordinate system. Note: rel. un. — relative units.

Download (265KB)
7. Fig. 6. To occurrence of phase shifts of oculogram signals: positions of visual fields of the left and right eyes at different time points(a–c); characteristic levels of oculographic signals in the neighborhood of these time points (d–f). Boundaries of visual fields and oculograms of the left and right eyes are of the same color. Note: rel. un. — relative units.

Download (129KB)

Copyright (c) 2024 Authors

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».