Geri Dön

Investigation of wavelength and intensityeffects in infrared-based eye tracking systemsunder variable lighting and obstructive conditions

Kızılötesi tabanlı göz takibi cihazlarıiçin dalgaboyu ve yoğunluk etkisinin değişkenışık ve engelleyici etkiler altında incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 953776
  2. Yazar: MURAT TEKSİN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ONUR FERHANOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 88

Özet

Göz takip cihazları gerek araştırma üzerine, gerek klinik araştırmalar üzerine çalışma olanakları ile, gerekse araç kullanıcıları için bir güvenlik sistemi olması sebebiyle çok kullanışlı ve sonuç üreten sistemlerdir. Göz takibi, isminden de anlaşılabileceği gibi, hedef kişinin göz hareketlerinin incelenmesi ile beraber göz-bakış noktası, göz bebeği konumu, göz bebeği genişliği, göz kırpması niteliklerinin çıkarılmasını kapsar. Bu tür sistemler bugünden 200 yıl öncesine kadar uzanan bir tarihe sahiptir. Başlarda bir insan operatörün, katılımcıyı takibi ile beraber başlayan ve katılımcıların okuma yetenekleri üzerine çalışmalarla başlayan bu sistemler, daha sonraları görüntü kayıtlarının kullanılması, insan gözünü rahatsız etmeyecek aydınlatma koşullarının oluşturulması, görüntü işleme algoritmaların kurulabilecek ortamların oluşması ile beraber gelişerek günümüzde kullanılmaya devam etmektedir. Göz takip cihazları, basitçe, bir göze bakan kamera ve göz aydınlatması ile oluşturulabilir. Göz aydınlatması, takip edilecek bireyi rahatsız etmemek adına kızılötesi olarak kullanılır. Kamera ise görüntü sensörünün üzerinde bir kızılötesi süzgecin konumlandırılmaması kullanılarak kızılötesi dalga boyundaki ışığı algılayabilir hale gelebilir. Daha sonra bu toplanan görüntüler, bir işleme ortamında canlı veya uygulaması sonrasında işlenerek daha önce belirtilen nitelikleri çıkarılır. Video tabanlı göz takip cihazlarının işlenmesi ile beraber video üzerinde niteliklerin ortak çıkarımları sonucu ısı haritaları da oluşturulabilir. Göz takip cihazları iki versiyonda karşımıza çıkar. Bunların birincisi, sabit göz takip cihazları ya da masaüstü takip cihazları olarak adlandırılır. Kamera ve kızılötesi aydınlatıcılar tek bir sabit cihaz üzerinde yer alarak kişinin tüm suratını görecek şekilde konumlandırılır. Bu tipteki göz takip cihazları kişinin kafa hareketlerinden çokça etkilenir. Bu tür cihazları ekran üzerinde veya bir yansıtıcı ile yapılan uygulamalarda görmek mümkündür. İkinci tipteki göz takip cihazı, mobil göz takip cihazıdır. Bu tipteki cihazlar gözlüğe benzeyen bir yapıda olur, kamera ve kızılötesi aydınlatıcılar gözlüğün üstünde yer alarak hareket etkisi minimize edilmeye çalışılmıştır. Bu tipteki göz takip cihazları üzerinde kişinin gözü gibi davranan bir dünya kamerasına sahiptir. Bu dünya kamerası ortamı kaydederek göz bakış noktaları için işaretleme yapılacak ortamı oluşturur. Dış dünya uygulamalarından, sahadaki pazarlama çalışmalarında, spor aktivite çalışmalarında ve kağıt tabanla ölçüm sınavı uygulamalarında kullanıldığı görülebilir. Bu tür sistemler diğer tüm elektronik cihazlar gibi gürültü kaynaklarından etkilenir. Örnek olarak hareketli ortamlar sonucundan göz görüntülerinde titremeler oluşabilir ve bu toplanan görüntülerin işlenmesi zorlaştırır. Bunun dışında, ışıklandırma koşullarının yetersiz olması toplanan göz görüntülerinde yeterince ayrıştırıcı alanlar yer almaması ile işleme adımında zorluklar çıkarabilir. Tam tersi yüksek ışık ve güneş ışığı görüntülerde parlama ve karışma yaparak görüntü işlemenin kalitesini düşürebilir. Bir başka gürültü kaynağı göz korucuyu ekipmanlar kullanımı ile oluşabilir. Örnek olarak güneş gözlüğü ya da vizör kullanımı durumlarında, yollanan ışık yansıma yapabilir ve görüntülerde göz bölgesi tespiti zorlaşır. Bazı kaynaklarda göz renginin dahi göz takibi sürecini etkilediğine değinilmiştir. Günümüzde göz takip cihazları arabaların içinde sürücü güvenlik sistemleri olarak yer almaktadır. Bunun yanında hava araçlarında da pilot takibi için benzer sistemlerin kullanımına çalışılmaktadır. Bu tür kokpit ortamları da daha önce bahsedilen gürültü etkilerine maruz kalmaktadır. Birçok çalışma, bu tür gürültü kaynaklarını toplanan görüntüler üzerine kurulacak yazılımsal algoritmalar ile çözme yoluna gitmiştir. Bu çalışmada ise yazılım adımından önce toplanan görüntülerin işlemeye uygun bir biçimde alınıp alınamayacağı ile ilgili çalışmalar yapılmıştır. Bu bağlamda, göz takibi üzerine etkisinin araştırılması üzerine göz rengi etkisi, farklı dalga boyunda ışık kullanımı etkisi, farklı ışık şiddeti kullanımının etkisi ve göz koruyucu ekipman kullanımı etkisi incelenmiştir. Bu amaçla laboratuvar ortamında bir kokpit ortamı tasarlanmıştır. 730 nm, 850 nm ve 940 nm kızılötesi ışık kaynakları katılımcının yüzünü aydınlatacak şekilde konumlandırılmıştır. Ayrıca bir adam yüz kamerası katılımcının suratına 80 cm uzakta olacak biçimde sabitlenerek görüntü toplamaya hazır hale getirilmiştir. Öncelikle göz rengi deneyi için iki farklı göz rengine, kahverengi ve mavi, sahip katılımcı, gece ve gündüz koşullarında ve 3 farklı kızılötesi kaynak altında sabit şiddette aydınlatılmıştır. 5 adet tanımlanmış noktaya bakıldığı durumda katılımcılardan veri toplanmıştır. Dalgaboyu ve ışık şiddeti uygulaması için, gece ve gündüz koşullarında, 3 farklı dalgaboyu ve 5 farklı giriş akımında görüntüler toplanmıştır. Katılımcıdan 15 farklı noktaya bakması talep edilmiştir. Göz koruyucu ekipman kullanımı durumu için ise tüm koşullar aynı olmakla beraber, güneş gözlüğü kullanımı ile beraber görüntü toplama işlemiş yapılmıştır. Görüntüler bir bilgisayarlı görü ve bir adet evrişimsel sinir ağı algoritması ile işlenmiştir. Toplanan görüntülerden göz bebeği merkezi ve göz bebeği yarıçap üretilmiştir. Aynı zamanda aynı metrikler toplanan görüntülerin el ile işlenmesi sonucu doğru veriler olarak kaydedilmiştir. Doğru veri ile algoritma tarafından hesaplanan verilerin farkı hata olarak tabloya işlenmiştir. Sonuçlar tablolar içerisinde her bir dalga boyunda uygulanan her bir giriş akımı için ayrılmıştır. Ayrıca veriler toplam, gece ve gündüz olarak da 3'e bölünmüştür. Çalışmalar sonucunda göz rengi farkı için önemli bir değişim elde edilememiştir. Gözlük olmadan yapılan çalışmalarda, bilgisayarlı görü sonucu gece koşullarında 850 nm 0.65 A, gündüz koşullarında 850 nm - 1.04 A toplam durumda ise 730 nm - 0.60 A en iyi sonuçları vermiştir. Evrişimsel sinir ağları ile işlendiğinde gece, gündüz ve toplam koşullarda 730 nm - 0.12 A en iyi sonuçları vermiştir. Gözlük kullanımı durumunda ise bilgisayarlı görü sonucunda gece koşullarında 850 nm - 0.65 A en iyi sonucu verirken, gündüz koşullarında 730 nm - 0.60 A en iyi sonuçları göstermiştir. Toplam durumda ise 850 nm - 0.17 A en iyi sonucu oluşturur. Gözlük kullanımı durumunun evrişimsel sinir ağları ile işlendiği durumda ise gece koşullarında 730 nm - 0.12 A, gündüz koşullarında 940 nm - 1.5 A ve toplam durumda 730 nm - 0.12 A en iyi sonuçları oluşturmuştur. Sonuçları yorumlayarak, kurulan basit algoritmalar altında farklı dalga boylarının ve ışık şiddetlerin, farklı ışık koşullarında ve ekipman kullanımı durumlarında göz tespit başarısının değiştiği ortaya konmuştur. Bu sonuçlar ile beraber üretilecek farklı dalga boylarını içeren bir göz takip cihazı ile, göz takip işlemi geliştirilebilir ve araba, hava aracı kokpitlerine konuşlandırılması ile beraber güvenliğin artırılması sağlanabilir.

Özet (Çeviri)

Eye tracking systems are highly practical and effective tools widely used in research, clinical studies, and as safety systems for vehicle operators. As the name suggests, eye tracking involves monitoring a subject's eye movements to determine gaze points, pupil position, pupil dilation, and blink rates. These systems have a history dating back 200 years, initially relying on human observers tracking participants' reading patterns. Over time, technological advancements in image recording, non-intrusive illumination methods, and image processing algorithms have significantly improved their capabilities. At its core, an eye tracking device consists of a camera focused on the eye and an illumination source. Infrared (IR) light is typically used for illumination to avoid discomfort. The camera is equipped with an IR pass filter to detect infrared wavelengths. The captured images are then processed either in real-time or later to extract the desired features. In video-based systems, heat maps can also be generated by analyzing gaze patterns. There are two main types of eye tracking systems. Fixed or desktop eye trackers integrate the camera and IR illuminators into a stationary unit that captures the user's entire face. These systems are particularly sensitive to head movements and are commonly used with screens or projectors. Mobile eye trackers, resembling glasses, have cameras and illuminators mounted on the frame to minimize motion effects. They include a scene camera that records the environment, enabling gaze mapping in real-world settings such as field marketing studies, sports analysis, and paper-based assessments. Like all electronic devices, these systems are affected by various noise factors. Motion in dynamic environments can cause image jitter, making processing difficult. Poor lighting conditions may reduce feature visibility, while excessive light can create glare and saturation issues. Protective eye-wear like sunglasses or visors can reflect IR light, complicating eye detection. Some research also indicates that eye color may influence tracking accuracy. Currently, eye tracking systems are being implemented in vehicles as driver safety features and are being adapted for pilot monitoring in aircraft cockpits. These environments present the same noise challenges mentioned earlier. While many studies have focused on developing software algorithms to address these issues, this research examines whether captured images are suitable for processing before algorithmic analysis. Specifically, it investigates the effects of eye color, different IR wavelengths, varying light intensities, and protective eyewear on tracking performance. The study was conducted in a laboratory setting designed to simulate a cockpit environment. Three IR light sources (730 nm, 850 nm, and 940 nm) were positioned to illuminate the participant's face, with a frontal camera fixed 80 cm away for image capture. The eye color experiment involved participants with brown and blue eyes tested under day and night conditions at three IR wavelengths with fixed intensity, while they focused on five predefined points. For wavelength and light intensity testing, images were captured under three wavelengths and five current levels in both day and night conditions, with participants focusing on 15 points. The protective eyewear test repeated these conditions with sunglasses. Image processing employed both computer vision algorithms for pupil center and radius detection and convolutional neural networks (CNNs). Ground truth measurements were manually annotated, with errors calculated as the difference between algorithmic and manual results. The findings were organized by wavelength and input current, further divided into total, night, and day conditions. Results showed no significant variation due to eye color. Without sunglasses, computer vision performed best at 850 nm - 0.65 A at night and 850 nm - 1.04 A during daytime, while 730 nm - 0.60 A yielded the best overall results. CNNs achieved optimal performance at 730 nm - 0.12 A across all conditions. With sunglasses, computer vision worked best at 850 nm - 0.65 A at night and 730 nm - 0.60 A during daytime, with 850 nm - 0.17 A performing best overall. CNNs with sunglasses showed best results at 730 nm - 0.12 A at night, 940 nm - 1.5 A during daytime, and 730 nm - 0.12 A overall. In conclusion, the study demonstrates that under basic algorithmic frameworks, in various environmental conditions tracking accuracy varies significantly depending on wavelength and light intensity, . These findings suggest that developing eye tracking systems incorporating multiple wavelengths could improve performance, particularly for automotive and aviation safety applications where reliable operation under varying conditions is crucial. The research highlights the importance of optimizing hardware configurations before software processing to ensure accurate and robust eye tracking performance.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    765615

    Numerical and experimental investigation of wavy leading edge modifications on NACA0012 airfoil performance

    NACA0012 profili için dalgalı ön kenar modifikasyonlarının sayısal ve deneysel olarak incelenmesi

    KAAN GÜZEY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Makine MühendisliğiÇankaya Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÜLKÜ ECE AYLI

    PROF. DR. SELİN ARADAĞ ÇELEBİOĞLU

  2. Tez No

    744792

    Effects of integrin binding peptides andlow level laser therapy on scaffold free vascularized bone microtissue regeneration

    İntegrin bağlayıcı peptidlerin ve düşük seviyeli lazer terapisinin doku iskelesiz vaskülerize kemik mikrodoku rejenerasyonuna etkisi

    ZİYŞAN BUSE ÇEVİK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Biyomühendislikİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Biyomedikal Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. OZAN KARAMAN

  3. Tez No

    812872

    660 NM dalga boyundaki led ışığının fotodinamik antimikrobiyal etkisinin araştırılması

    Investigation of the photodynamic antimicrobial effect of led LİGHT with 660 NM wavelength

    BAHAR ULUCA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Klinik Bakteriyoloji ve Enfeksiyon HastalıklarıMersin Üniversitesi

    Mikrobiyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLAY BÖREKÇİ

  4. Tez No

    255850

    Accuracy improvements of NIRS and investigation of muscle oxidative metabolism

    Yakın kızıl altı spektroskopi yönteminin doğruluğunun iyileştirilmesi ve kas oksidatif metabolizmasının araştırılması

    ÖMER ŞAYLİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    BiyomühendislikBoğaziçi Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ATA AKIN

  5. Tez No

    421207

    Görünür bölgede ışık uygulamasının hasat sonrası domateslerin raf ömrü ve kalitesi üzerine etkisinin incelenmesi

    Investigation of the effect of visible light treatment on storage life and quality parameters of post harvest tomatoes

    HALİME ESİN AKIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NEŞE ŞAHİN YEŞİLÇUBUK

Geri Dön