Capire il tracciamento oculare e come può esserti utile: definizioni, metriche e applicazioni

Il tracciamento oculare è una tecnologia fondamentale per comprendere il comportamento umano e i processi di pensiero che lo guidano. Le sue applicazioni sono infinite, sia nella ricerca sia in ambito commerciale.

Nel complesso, la tecnologia di tracciamento degli occhi e dello sguardo offre informazioni e opportunità preziose. Per districarne la complessità, partiamo dalle domande fondamentali: che cos'è il tracciamento oculare, come funziona e quali sono le sue applicazioni.

Che cos'è il tracciamento oculare?

Il tracciamento oculare permette di misurare i movimenti degli occhi, la loro posizione e i punti di fissazione dello sguardo attraverso diversi processi tecnologici. In altre parole, il tracciamento oculare identifica e monitora l'attenzione visiva di una persona in termini di posizione, oggetti e durata.

Della tecnologia di tracciamento oculare si parla spesso a proposito di:

• Misurazione degli schemi di ammiccamento
• Identificazione di ciò che un soggetto ignora o non guarda
• Valutazione della reazione della pupilla a stimoli visivi o emotivi
• Supporto all'interazione uomo-computer e al machine learning.

Le basi del tracciamento degli occhi e dello sguardo

La premessa su cui si fonda la tecnologia di tracciamento oculare è:

Gli esseri umani comunicano con il contatto visivo. Trasmettendo questa stessa capacità ai computer, anche loro potranno funzionare in modo più simile agli esseri umani. Condividi su Twitter

Per arrivarci, gli psicologi hanno studiato nel dettaglio la fisiologia e l'anatomia dell'occhio e i processi cognitivi associati al sistema visivo.

Aspetti anatomici

Il cervello elabora le immagini grazie alle cellule fotosensibili della retina. Queste cellule, i bastoncelli e i coni, rilevano la luce che entra dalla pupilla e inviano i dati visivi al cervello.

Anche se nella retina i coni sono molto meno numerosi dei bastoncelli, sono loro a permetterci di vedere in alta risoluzione e a colori.

Fonte: Blausen.com staff (2014). “Medical gallery of Blausen Medical 2014“. WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI:10.15347/wjm/2014.010. ISSN 2002-4436.

I coni si trovano nella fovea, al centro del campo visivo. La fovea è la regione dell'occhio con la massima acuità visiva, ma è molto piccola. Al di fuori della visione foveale c'è la regione periferica, dove la nitidezza diminuisce sensibilmente.

Di conseguenza, per elaborare nel dettaglio le informazioni visive di interesse, l'occhio deve muoversi.

È proprio questo compromesso tra una visione centrale ad alta risoluzione e una visione periferica a bassa risoluzione a rendere possibile la tecnologia di tracciamento oculare.

Movimenti oculari

L'occhio compie diversi movimenti, come quelli di vergenza o torsionali. I più rilevanti misurati con il tracciamento oculare sono però le fissazioni, le saccadi e i movimenti di inseguimento lento.

Le fissazioni avvengono quando l'occhio si ferma per raccogliere dati visivi. La loro durata è molto variabile, ma più una fissazione è lunga, più informazioni visive vengono elaborate.

Le saccadi sono rapidi “salti” che l'occhio compie tra una fissazione e l'altra in un ambiente statico. L'occhio passa da un oggetto di interesse all'altro per acquisire nuovi dati visivi in alta risoluzione.

Per via della velocità estrema delle saccadi, la visione viene soppressa. Per questo nel tracciamento dello sguardo sono meno significative delle fissazioni. Rivelano però informazioni sul percorso delle fissazioni e sull'attenzione visiva.

L'inseguimento lento è il movimento oculare che si compie quando si guarda e si segue un oggetto in movimento. Poiché durante l'inseguimento lento l'occhio continua a raccogliere informazioni visive, questo movimento è rilevante per il tracciamento oculare. 

Dimensione della pupilla

Il tracciamento dello sguardo basato su video permette inoltre di misurare e analizzare la dimensione della pupilla. Per ottenere dati precisi sulla pupilla, l'ambiente deve essere rigorosamente controllato.

In condizioni di test adeguate, si può osservare e monitorare la dilatazione della pupilla dovuta a:

• Forti stimoli emotivi
• Attenzione intensa
• Illuminazione
• Carico della memoria di lavoro

Attenzione visiva

Soprattutto, il tracciamento oculare facilita lo studio dell'attenzione visiva.

Poiché le risorse per l'elaborazione delle immagini sono limitate, il cervello seleziona le informazioni visive rilevanti in base a:

• Interesse: la decisione, consapevole o inconsapevole, di guardare un oggetto
• Ambiente: gli elementi rilevati con la visione periferica

In ambito accademico, lo studio dell'attenzione visiva porta a comprendere i meccanismi dell'attenzione in generale. Fa luce sui processi cognitivi che avvengono durante lo svolgimento di un compito.

Per lo stesso motivo, il tracciamento oculare e l'analisi dell'attenzione sono preziosi anche in ambito commerciale.

Il tracciamento oculare si usa per la ricerca qualitativa o quantitativa?

Tra i metodi di ricerca, il tracciamento oculare si usa sia per la ricerca qualitativa sia per quella quantitativa.

Ricerca qualitativa	Ricerca quantitativa
✓ Interpretazione del comportamento	✓ Variabile dipendente
✓ Usabilità (UX/UI)	✓ A/B test
✓ Interviste retrospettive	✓ Misurazione degli stimoli

Tracciamento oculare standard e 3D a confronto

Mentre il tracciamento oculare standard deve fare i conti con una serie di limiti, il tracciamento oculare 3D per sensori di profondità li supera con queste soluzioni:

• Ampio raggio d'azione
• Tracciamento di più persone
• Linea di vista in 3D
• Nessuna calibrazione
• Solo software (se il dispositivo di tracciamento oculare integra una telecamera 3D)

Al momento della stesura di questo articolo, Eyeware è una delle poche aziende che offrono pubblicamente una soluzione commerciale di tracciamento oculare per telecamere 3D.

GazeSense, il software di codifica dello sguardo 3D in tempo reale di Eyeware, offre una soluzione semplice per ottenere dati di tracciamento oculare quantitativi e qualitativi. Scopri qui come può aiutare la tua azienda, le tue attività industriali o la tua ricerca: gazesense.com.

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Come funziona il tracciamento oculare?

Il tracciamento oculare funziona seguendo la posizione e i movimenti degli occhi in modo non invasivo. Una sorgente di luce invisibile, nel vicino infrarosso o infrarossa, illumina la pupilla, generando un riflesso sulla cornea. Una telecamera a infrarossi registra quel riflesso, individua il centro della pupilla, ricava la rotazione dell'occhio e determina la direzione dello sguardo.

Pupil Center Corneal Reflection (PCCR) è il nome tecnico del metodo principale usato nel tracciamento oculare, in cui la pupilla e i riflessi corneali vengono monitorati otticamente.

La posizione dell'occhio, il punto di fissazione dello sguardo e i movimenti oculari vengono tutti calcolati con algoritmi matematici avanzati.

Le informazioni registrate diventano poi dati grezzi, che il software di tracciamento oculare elabora successivamente. 

Come funzionano gli eye tracker con la calibrazione

Per ottenere un tracciamento oculare preciso e accurato, bisogna tenere conto del disallineamento tra l'asse ottico e l'asse visivo. L'asse ottico si può misurare visivamente, ma la posizione della fovea è spostata di qualche grado.

Fonte: Dorland’s Medical Dictionary for Health Consumers. (2007).

Serve quindi una correzione (la calibrazione) per far coincidere la posizione della pupilla e quella dello sguardo.

Prima di iniziare un esperimento, il sistema si calibra monitorando la posizione della pupilla su uno o più punti predefiniti.

Dati

Dopo il calcolo del punto di fissazione dello sguardo, i dati grezzi si presentano sotto forma di coordinate XY, che indicano dove sta guardando il partecipante sullo schermo. Il sistema di tracciamento dello sguardo restituisce poi le coordinate in base alla propria frequenza di campionamento.

Per il tracciamento oculare e l'elaborazione dei dati, in particolare per identificare fissazioni e saccadi, si usano di solito strumenti software. Le fissazioni compaiono spesso come punti di dimensione proporzionale alla durata. Le saccadi sono le linee che collegano questi punti. 

Queste operazioni aiutano a ripulire i dati grezzi prima di generare le visualizzazioni:

• Ridurre la densità del rumore
• Migliorare la precisione
• Applicare un algoritmo di classificazione dei movimenti oculari

Metriche e visualizzazioni per l'analisi dei dati di tracciamento oculare

Dalle rappresentazioni statiche a quelle animate, il tracciamento degli occhi e dello sguardo usa diverse metriche e visualizzazioni per esaminare i dati raccolti.

Fissazioni

Insieme alle saccadi, le fissazioni formano uno scanpath, cioè il percorso seguito dagli occhi di un soggetto. Il tracciamento oculare permette inoltre di misurare:

• Tempo alla prima fissazione (TTFF) : il tempo tra la comparsa di uno stimolo e la fissazione all'interno di un'area di interesse (AOI). Fornisce informazioni sull'attenzione visiva.
• Durata della prima fissazione: tempo totale della prima fissazione
• Numero di fissazioni: quante fissazioni sono avvenute all'interno di un'AOI
• Durata media delle fissazioni: più è alta, più un'AOI risulta attraente per il partecipante
• Sequenze di fissazione: composte dalla posizione e dal momento della fissazione

Gaze point e gaze plot

Mentre un gaze point rivela dove sta guardando un partecipante, un gaze plot permette di visualizzare lo scanpath. I gaze path plot mostrano l'ordine cronologico in cui sono avvenute fissazioni e saccadi.

I gaze plot aggregati servono a valutare gli scanpath di più partecipanti per individuare schemi di comportamento.

Aree di interesse (AOI)

Per valutare le diverse metriche di fissazione si usano le aree di interesse (AOI), che selezionano regioni specifiche di una scena.

Per delimitarle, le AOI vengono disegnate sull'immagine attorno agli elementi da confrontare.

• Ratio: il numero di partecipanti che hanno fissato un'AOI
• Dwell time: quanto tempo è stato dedicato a guardare un'AOI, cioè la durata dell'osservazione
• Numero di osservazioni: quante volte un partecipante è tornato a guardare un'AOI

Heatmap

Come strumento di visualizzazione, la heatmap mostra come si distribuiscono fissazioni e gaze point. Tonalità di verde, giallo e rosso indicano la densità dei gaze point in parti specifiche dell'AOI.

Il tracciamento oculare e le heatmap si basano su un principio semplice: più fissazioni avvengono in un'area, più quella regione sarà rossa.

Mappe di focus/opacità

Una mappa di opacità, detta anche mappa di focus, mostra le stesse informazioni di una heatmap, ma in modo diverso.

Invece di coprire le aree che hanno ricevuto più attenzione visiva, una mappa di focus/opacità le mette in evidenza in modo nitido. Le aree con meno fissazioni, invece, vengono scurite.

Misure

L'unità di misura standard del tracciamento oculare è il gaze point:

1 gaze point = 1 campione grezzo di tracciamento oculare

Es.: frequenza di campionamento di 60 Hz = 60 gaze point distinti al secondo (1 gaze point ogni 16,7 millisecondi)

Un dispositivo di tracciamento oculare consumer ha una frequenza di campionamento che può variare da 30 a 60 Hz. Le unità dedicate alla ricerca possono tracciare a circa 120-1000 Hz (alcune arrivano persino a circa 2000 Hz).

Velocità e frequenze medie dei movimenti oculari:

• Fissazione
  • Da 100 a oltre 600 millisecondi
  • Durata abituale: 100-300 millisecondi
  • Frequenza tipica: circa 3 Hz

• Saccade
  • Da 20 a 120 millisecondi
  • Durata abituale: 20-40 millisecondi
  • Fino a 600-700 gradi al secondo
  • Frequenza tipica: 4 volte al secondo, circa 4 Hz

• Inseguimento lento: fino a 30 gradi al secondo

Hardware e software: gli strumenti per il tracciamento dello sguardo

Il tracciamento degli occhi e dello sguardo richiede un dispositivo che acquisisca le informazioni e un sistema che le tracci e le elabori, cioè hardware e software.

Che cos'è un software di tracciamento oculare?

Anche se le funzioni variano da un produttore all'altro, nel tracciamento oculare standard servono di solito due tipi di software:

• Software per acquisire e registrare i dati
• Software per elaborare e analizzare i dati

Inoltre, a seconda dello sviluppatore, può servire un software dedicato per:

• Diversi tipi di eye tracker (ad es. occhiali o dispositivi a schermo)
• Un eye tracker specifico
• Diversi stimoli (ad es. statici o dinamici)

Esistono però diverse soluzioni software integrate sia per l'acquisizione sia per l'analisi dei dati.

Qualunque software tu scelga, alcune caratteristiche chiave da considerare sono:

• Accuratezza
• Tempo di calibrazione
• Distanza ottimale
• Latenza
• Frequenza di campionamento
• Angoli di tracciamento
• Ampiezza dei movimenti della testa
• Tempo di recupero

Tracciamento oculare senza occhiali: come funziona il tracciamento dello sguardo 3D di Eyeware?

La soluzione software di tracciamento oculare all'avanguardia di Eyeware usa telecamere con rilevamento della profondità per facilitare l'interazione uomo-macchina in 3D.

GazeSense annota gli oggetti 3D di interesse e restituisce dati in tempo reale per studi simultanei su più persone. Fornisce così informazioni su attenzione, intenzione, interesse e coinvolgimento.

Senza bisogno di occhiali o altri tracker indossabili, il pluripremiato software funziona con diversi dispositivi consumer e personalizzati dotati di sensori di profondità. Da smartphone a kit di sviluppo, laptop o periferiche da gaming, GazeSense è compatibile con telecamere stereoscopiche, a luce strutturata e ToF, oltre che con sensori 3D personalizzati.

Il software di tracciamento dello sguardo 3D trova applicazione in molti settori, come automotive, robotica, dispositivi di consumo, gaming, retail e pubblicità.

Per scoprire come GazeSense può ottimizzare le tue attività commerciali o accademiche grazie all'interazione uomo-macchina multimodale, contatta il nostro Customer Success Specialist.

Hardware: che cos'è un eye tracker?

In sostanza, il tracciamento oculare 2D standard richiede un dispositivo che misuri l'attività degli occhi: l'eye tracker.

Oggi gli eye tracker sono remoti (a schermo) oppure mobili/indossabili (dispositivi montati sulla testa, come occhiali o visori di realtà virtuale).

Remoti: dispositivi a schermo

Per tracciare l'attività oculare a distanza in un ambiente controllato si usano di solito dispositivi a schermo.

Il partecipante siede davanti al monitor di un computer o a un laptop, con un pannello o un'unità separata montata sotto lo schermo o comunque vicino. Gli vengono poi presentati stimoli multimediali, come fotografie, siti web, video o giochi, per suscitare, registrare e analizzare i movimenti oculari.

Nel complesso, gli eye tracker a schermo forniscono a sviluppatori e ricercatori informazioni sull'attenzione visiva, raccogliendo dati oculari di alta qualità in un contesto di test statico.

Mobili: occhiali per il tracciamento oculare e visori VR

I dispositivi di tracciamento oculare indossabili sono consigliati per studi comportamentali in scenari reali. Permettono di muoversi oltre i limiti dell'area di tracciamento imposti dagli eye tracker fissi.

Gli eye tracker montati sulla testa misurano i movimenti oculari da vicino. Tuttavia, i tracker mobili come gli occhiali possono diventare instabili in certe condizioni di test, per esempio quando i partecipanti fanno sport.

Nelle applicazioni VR, il tracciamento oculare può permettere al partecipante di controllare le funzioni semplicemente guardando un determinato pulsante virtuale. 

I visori VR con tracciamento dello sguardo possono essere usati per:

• Formazione professionale in ambito industriale
• Intrattenimento interattivo
• Test dell'attenzione visiva nel retail, e altro ancora.

In definitiva, se gli esperimenti richiedono che i partecipanti reagiscano in un ambiente naturale e dinamico, i dispositivi di tracciamento oculare indossabili sono la soluzione migliore.

Tracciamento oculare e tracciamento della testa a confronto

La differenza tra tracciamento oculare e tracciamento della testa è semplice.

Entrambi monitorano posizioni e movimenti, ma il primo traccia solo gli occhi, mentre il secondo registra solo l'attività della testa.

Combinate, le due tecnologie forniscono dati ancora più preziosi e creano un'esperienza utente ricca in applicazioni come il gaming.

Ricerca e applicazioni: come funziona il tracciamento oculare nelle situazioni reali?

Tecnicamente, quasi ogni scenario con elementi visivi può trarre vantaggio dal tracciamento degli occhi e dello sguardo. Condividi su Twitter

Finora questa tecnologia ha permesso enormi progressi nelle scienze cognitive, nel neuromarketing, nell'IA, nella sicurezza sul lavoro e in molti altri ambiti di ricerca e di business.

Ambiti di utilizzo: a che cosa serve il tracciamento oculare?

Come previsto, il tracciamento oculare ha già rivoluzionato il modo in cui le persone comunicano con i dispositivi, e viceversa.

Resta però da sviluppare la tecnologia di tracciamento oculare fino a integrarla in ogni dispositivo consumer standard. Nel frattempo continua ad aiutare accademici, sviluppatori e inserzionisti a ottenere informazioni senza precedenti sul comportamento umano conscio e inconscio.

Ricerca

Come già detto, il tracciamento oculare dà un contributo significativo sia alla ricerca qualitativa sia a quella quantitativa. In ambito accademico, la tecnologia può essere usata come strumento per:

• Lo studio del comportamento visivo
• La valutazione dei meccanismi attentivi
• La misurazione delle risposte agli stimoli visivi
• L'analisi dei modelli di apprendimento
• Il confronto dei comportamenti di gruppo

Automotive

Il tracciamento oculare ha un ruolo importante nella sicurezza nel settore automotive. La tecnologia può aiutare a rilevare se il conducente è assonnato o distratto e a prevenire gli incidenti stradali.

Con il tracciamento oculare 3D, il conducente viene monitorato e assistito grazie a un'interazione supportata dallo sguardo. Condividi su Twitter

Integrando la tecnologia nei cruscotti intelligenti, funzioni come gli HUD a realtà aumentata e il copilota virtuale diventano parte centrale dell'esperienza di guida.

Psicologia

In psicologia, il tracciamento dello sguardo permette di studiare i processi cognitivi: per esempio memoria, risoluzione dei problemi, linguaggio, processo decisionale, percezione e attenzione in generale.

Le neuroscienze usano il tracciamento oculare per lo studio e la diagnosi precoce di malattie come il Parkinson, la schizofrenia, l'Alzheimer o l'autismo. Per esempio, la tecnologia ha aiutato i ricercatori a dimostrare il riconoscimento e la comprensione di emozioni complesse negli adulti con disturbo dello spettro autistico.

Neuromarketing e pubblicità

Poiché la tecnologia di tracciamento oculare facilita lo studio dell'attenzione visiva, è diventata uno strumento utile per esperti di neuromarketing e inserzionisti su più ampia scala.

Sia online sia offline, il tracciamento dello sguardo aiuta a capire che cosa interessa spontaneamente di più ai clienti e che cosa potrebbero ignorare del tutto.

Inoltre, gli esperti di neuromarketing usano oggi il tracciamento oculare e la codifica delle espressioni facciali per misurare le emozioni suscitate dagli stimoli multimediali.

Videogiochi e intrattenimento

Foveated rendering, grafica avvolgente e controllo esteso tramite lo sguardo sono tutte funzioni all'avanguardia nel settore dei videogiochi, rese possibili dal tracciamento oculare.

L'utente può esplorare l'ambiente con lo sguardo e interagire con i vari elementi del gioco semplicemente guardandoli.

Allo stesso modo, da diversi anni è possibile controllare i televisori sulla base degli stessi principi.

Accessibilità

Grazie al tracciamento oculare, le persone con disabilità possono controllare computer e dispositivi mobili e persino creare arte digitale. Chi non può muoversi o parlare può comunicare con le macchine attraverso i movimenti degli occhi.

La tecnologia ha migliorato enormemente l'accessibilità e ha permesso agli utenti con disabilità di svolgere numerose attività al computer.

Retail

Anche i professionisti del retail possono usare il tracciamento oculare per generare analisi dell'attenzione a scaffale. In altre parole, la tecnologia di tracciamento dello sguardo offre informazioni sul comportamento degli acquirenti e sul processo decisionale d'acquisto. Condividi su Twitter

Di conseguenza, i retailer possono migliorare in modo significativo espositori, negozi e design del packaging, oltre a layout e distribuzione.

Quali sono i pro e i contro del tracciamento oculare?

Senza dubbio, i vantaggi della tecnologia di tracciamento oculare sono numerosi.

Vantaggi

• Progressi in campi come l'IA, le scienze sociali e la sanità
• Tecnologia assistiva per persone con mobilità ridotta
• Miglioramento di interfacce ed esperienza utente
• Supporto alla sicurezza negli ambienti di lavoro pericolosi
• Risultati di ricerche di mercato di alta qualità
• Informazioni straordinarie sulla mente e sul corpo umano, se usato insieme ad altri biosensori come:
  • FEA (analisi delle espressioni facciali)
  • ECG (elettrocardiogramma)
  • EEG (elettroencefalogramma)
  • EDA (attività elettrodermica)
  • EMG (elettromiografia)

Poiché il tracciamento oculare è una tecnologia ancora in evoluzione, restano numerose sfide da affrontare.

Difficoltà

• L'effetto Hawthorne: una persona cambia comportamento sapendo di essere osservata (ad es. in uno studio di ricerca in un ambiente di test)
• L'interpretazione (ad es. un numero più alto o più basso di fissazioni può portare a conclusioni diverse a seconda del contesto)
• Lo strizzare gli occhi: il metodo Pupil Center Corneal Reflection (PCCR) non è efficace quando un partecipante strizza gli occhi
• Il problema del tocco di Mida nelle interfacce controllate con lo sguardo: l'utente attiva involontariamente un'azione indesiderata
• Calibrazione più semplice per il tracciamento oculare standard

Buone pratiche ed etica

Condurre studi ed esperimenti di tracciamento oculare richiede un periodo di apprendimento. 

Ecco solo alcune delle procedure e delle considerazioni etiche da tenere presenti in anticipo:

• Informa ogni partecipante sullo scopo, le procedure, gli eventuali rischi e i benefici dell'esperimento
• Assicurati che ogni partecipante dia il pieno consenso a partecipare allo studio
• Prepara un ambiente di test efficace: luce bilanciata, nessuna distrazione, attrezzatura di tracciamento oculare regolata
• Fai familiarizzare i partecipanti con l'attrezzatura e le procedure di tracciamento oculare

Vale la pena esplorare il tracciamento oculare?

Assolutamente sì.

Fin dal suo primo sviluppo, la tecnologia di tracciamento oculare ha aperto la strada a progressi enormi in innumerevoli campi.

Il settore del tracciamento dello sguardo prevede una crescita continua nei prossimi anni, aiutando: 

• Ingegneri R&D a trovare soluzioni concrete con tecnologie all'avanguardia
• Responsabili dell'innovazione ad adottare soluzioni creative e all'avanguardia
• Sviluppatori a costruire sistemi più efficaci per risolvere sfide attuali e imminenti  
• Marketer a creare POC e migliorare l'esperienza dei consumatori
• Professori e ricercatori ad aprire nuove strade verso un mondo migliore
• Neuroscienziati a ottenere informazioni senza precedenti su gravi disturbi cognitivi
• Studenti a contribuire allo sviluppo della tecnologia del futuro

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