Невербальная коммуникация и исследование движений головы может пролить свет на широкий круг тем связанных с вниманием и взаимодействием человека с компьютером. Кроме того, изучение движений головы является важным маркером при диагностике и лечении неврологических расстройств, поскольку аномальные движения головы могут быть индикаторами таких нарушений, как болезнь Паркинсона, эссенциальный тремор, неврологические патологии, наследственные заболевания, сотрясение мозга и т.д.
В предыдущей публикации мы объясняли основные концепции и терминологию, относящиеся к измерению движений зрачка (айтрекингу), в этой работе мы предлагаем обзор концепций, важных для измерения движений головы. К ним относятся декартова система координат, концепции перемещения и вращения, а также данные о положении головы с шестью степенями свободы (6DOF — 6 degrees of freedom).
Декартова система координат
Данные отслеживания положения головы часто описываются в трёхмерном декартовом пространстве с тремя перпендикулярными друг другу осями: X, Y и Z. Обычно ось X расположена горизонтально (см. рис. 1). Однако ориентация осей Y и Z может зависеть от методики или контекста, при этом ось Y или Z может быть направлена вертикально или вперёд-назад. На рисунке 1 левое изображение иллюстрирует вертикальную ось Y (вверх-вниз) и ось Z (вперёд-назад), а правое — противоположное.
В декартовой системе координат три оси (X, Y и Z) проходят через общее начало координат (O), как показано на рисунке 2, где X = 0, Y = 0 и Z = 0. Для каждой оси деления отстоят друг от друга на одну единицу длины, а начало координат является точкой разделения положительных и отрицательных чисел.
6 степеней свободы при отслеживании положения головы
В исследованиях слежения за положением головы степень свободы (DOF) определяется числом независимых способов перемещения головы в трехмерном пространстве. Голова может свободно изменять положение посредством перемещения – движения по трем осям декартовой системы координат, а также вращения вокруг тех же трех осей. Таким образом, любое положение головы в трехмерном пространстве можно описать тремя значениями перемещения (координатами X, Y и Z) и тремя соответствующими углами поворота, что дает в общей сложности 6 точек данных. В исследованиях положения головы углы поворота обычно называются тангажом (Pitch), рысканием (Yaw) и креном (Roll).
- Тангаж – это вращение вокруг оси X (например, когда мы киваем головой «да»).
- Рыскание — это вращение вокруг оси Y (например, когда мы качаем головой, говоря «нет»).
- Крен — это вращение вокруг оси Z (например, когда мы делаем растягивающие движения шеи из стороны в сторону).
Левое изображение на рисунке 3 представляет собой динамическое представление трёх поступательных движений вдоль осей X, Y и Z. Правое изображение на рисунке 3 представляет собой динамическое представление трёх вращательных движений вокруг этих осей — тангажа, рыскания и крена.
Отслеживание движения и положения с помощью айтрекинга EyeLink 3
В новой системе отслеживания положения глаз EyeLink 3 с 6 степенями свободы (1000 Гц) данные о положении головы предоставляются наряду с обычными данными о взгляде. Система использует уникальный инфракрасный (ИК) маркер, который размещается над или под отслеживаемой областью.
На рисунке 4 оси X, Y и Z на мониторе отражают фиксированную или пространственную систему координат айтрекера с началом в центре экрана, осями X и Y на поверхности дисплея (ось X направлена вправо, ось Y направлена вверх), а ось Z проходит через экран. Оси X, Y и Z на гарнитуре отражают систему координат гарнитуры, которая перемещается и вращается относительно фиксированной (или пространственной) системы координат. Все углы поворота головы и координаты положения головы (например, данные о 6DOF-голове) представляют собой взаимосвязь между этими двумя системами координат, отражая местоположение/ориентацию гарнитуры относительно местоположения/ориентации плоскости 2D-экрана. Благодаря взаимодействию этих двух систем EyeLink 3 предоставляет данные о положении головы в миллиметрах и данные о повороте в градусах. Система также предоставляет уникальную пиксельную оценку положения головы, как описано в этом блоге.
Для расчета данных о положении головы с шестью степенями свободы используются две декартовы системы координат. Фиксированная система координат имеет начало (0, 0, 0) в центре монитора, а начало координат системы гарнитуры находится над камерой.
Комбинированные данные о положении глаз и головы
Одновременная регистрация движений глаз и головы может дать важную информацию для изучения поведения и координации человека. Например, распространённые лабораторные задачи с отслеживанием движения глаз, такие как чтение или визуальный поиск, обычно сопровождаются движениями головы при выполнении в реальных условиях, но исследователи редко учитывают вклад движений головы в выполнение задач. Кроме того, выявление трудностей в способности координировать движения глаз и головы могут потенциально пролить свет на неврологические и психические расстройства.
