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Detecção acurada da pupila mediante oclusões por cílios com suporte temporal estendido

Context: An eye-tracker is a device that estimates the eye position, and using a calibration process, is also able to estimate the point of gaze. Several techniques have been proposed for tracking de eyes, including special contact lenses and electrodes coupled around the eyes. Among the techniques,...

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Autor principal:	Gonçalves, Humberto Moreira
Formato:	Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação)
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2020
Assuntos:	Olhos - Movimentos Detectores Convoluções (Matemática) Pupila (Olho) Eye - Movements Detectors Convolutions (Mathematics) Pupil (Eye) CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/6005
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id	riut-1-6005
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spelling	riut-1-60052020-11-09T19:10:11Z Detecção acurada da pupila mediante oclusões por cílios com suporte temporal estendido Gonçalves, Humberto Moreira Borsato, Frank Helbert Gonçalves, Diego Bertolini Valentin, Lucio Geronimo Borsato, Frank Helbert Olhos - Movimentos Detectores Convoluções (Matemática) Pupila (Olho) Eye - Movements Detectors Convolutions (Mathematics) Pupil (Eye) CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO Context: An eye-tracker is a device that estimates the eye position, and using a calibration process, is also able to estimate the point of gaze. Several techniques have been proposed for tracking de eyes, including special contact lenses and electrodes coupled around the eyes. Among the techniques, the use of video stands out for its ease of use and comfort. In a video-based eye-tracker, biological features of the eye are typically exploited, such as the pupil border and reflexes on the surface of the cornea. Commercial devices are still expensive (worth over R$ 3000.00), which has motivated several low-cost initiatives. However, such proposals have limited speed and accuracy, usually result of the use of off-the-shelf cameras and the high processing requirements. Typically, the processing is within a region of interest (ROI) defined around the expected pupil position. To improve such region, recent works exploit the pupil movement in what is called extended temporal support (ETS). Eyelashes and eyelids can also affect the accuracy as they may occlude part of the pupil. As the pupil center is generally used in the gaze mapping, a robust occlusion handling method is highly desirable. Objective: This work aims to study a pupil detection approach with the presence of eyelid occlusions exploiting an ETS to improve the pupil detection accuracy. Method: Study and implementation of a new approach to pupil detection with ETS. The proposed ETS exploits an exponential eye movement model. Comparison of the accuracy of the proposed method with annotated pupils from Świrski et al. (2012). The metric used in the comparison of accuracy is the Hausdorff distance between ellipses. Results: The accuracy of the pupil detection was improved. There was a reduction in processing time with the reduction of the processed region. The performance of the prediction of the eye movements using an exponential model showed feasible only at high frame rates. Conclusions: The accuracy was improved in the presence of eyelash occlusions and the computational effort per frame was reduced. However, the reduction in the ROI must follow an accurate prediction of the pupil position. During saccades, estimating eye movements using an exponential model showed feasible only at high frame rates. There was a reduction in the processing time caused by the reduction in the processed area, also providing a reduction in the negative impact of eyelash occlusions. Contexto: Um rastreador de olhar é um dispositivo que estima a posição do olho, e através de um processo de calibração, é capaz de estimar também o ponto focal. Diversas tecnologias foram propostas para o rastreamento, incluindo lentes especiais e eletrodos acoplados ao redor do olho. Dentre as tecnologias, o uso de vídeo se destaca pela facilidade de uso e conforto. Em um rastreador de olhar baseado em vídeo, características físicas do olho são tipicamente exploradas, como a borda da pupila e reflexos presentes na superfície da córnea. Rastreadores comerciais ainda são pouco acessíveis (valor superior a R$3000,00), o que motivou diversas iniciativas de baixo custo. Tais iniciativas no entanto, possuem limitações quanto a velocidade e acurácia, geralmente resultado do emprego de webcameras e alto processamento demandado. Tipicamente, o processamento é restrito a uma região de interesse (RI) definida ao redor da posição esperada da pupila na imagem. Para otimizar tal região, trabalhos recentes exploram o movimento da pupila no que é chamado de suporte temporal estendido (STE). Os cílios e pálpebras podem afetar a acurácia, visto que podem ocluir parte da pupila. Como esta é geralmente utilizada no mapeamento para o ponto focal, um método robusto a oclusões é altamente desejável. Objetivo: O trabalho visa estudar uma abordagem de detecção da pupila mediante oclusões por cílios com STE de forma a melhorar a acurácia na detecção da pupila. Método: Estudo e implementação da nova abordagem de detecção da pupila com STE. O STE proposto se utiliza de um modelo exponencial do movimento do olho. Comparação da pupila estimada no método proposto com as pupilas rotuladas por Świrski et al. (2012). Como métrica na comparação da acurácia se utiliza a distância Hausdorff entre as elipses. Resultados: Foi obtida uma melhor acurácia na detecção da pupila. Houve uma redução no tempo de processamento com a redução da região processada. A predição dos movimentos dos olhos usando o modelo exponencial mostrou-se viável somente a altas taxas de quadros. Conclusões: Houve uma melhora na acurácia na presença de oclusão por cílios e redução no esforço computacional necessário. Entretanto, a redução na RI deve vir acompanhada de uma previsão acurada na posição da pupila. Durante sacadas, estimar o movimento do olho usando um modelo exponencial mostrou-se viável somente a altas taxas de quadros. Obteve-se uma redução no tempo de processamento ocasionado pela redução na área processada, proporcionando também a redução do impacto negativo das oclusões por cílios. 2020-11-09T19:10:11Z 2020-11-09T19:10:11Z 2017-05-14 bachelorThesis GONÇALVES, Humberto Moreira. Detecção acurada da pupila mediante oclusões por cílios com suporte temporal estendido. 2017. 40 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campo Mourão, 2017. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/6005 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campo Mourao Brasil Departamento Acadêmico de Computação Ciência da Computação UTFPR
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description	Context: An eye-tracker is a device that estimates the eye position, and using a calibration process, is also able to estimate the point of gaze. Several techniques have been proposed for tracking de eyes, including special contact lenses and electrodes coupled around the eyes. Among the techniques, the use of video stands out for its ease of use and comfort. In a video-based eye-tracker, biological features of the eye are typically exploited, such as the pupil border and reflexes on the surface of the cornea. Commercial devices are still expensive (worth over R$ 3000.00), which has motivated several low-cost initiatives. However, such proposals have limited speed and accuracy, usually result of the use of off-the-shelf cameras and the high processing requirements. Typically, the processing is within a region of interest (ROI) defined around the expected pupil position. To improve such region, recent works exploit the pupil movement in what is called extended temporal support (ETS). Eyelashes and eyelids can also affect the accuracy as they may occlude part of the pupil. As the pupil center is generally used in the gaze mapping, a robust occlusion handling method is highly desirable. Objective: This work aims to study a pupil detection approach with the presence of eyelid occlusions exploiting an ETS to improve the pupil detection accuracy. Method: Study and implementation of a new approach to pupil detection with ETS. The proposed ETS exploits an exponential eye movement model. Comparison of the accuracy of the proposed method with annotated pupils from Świrski et al. (2012). The metric used in the comparison of accuracy is the Hausdorff distance between ellipses. Results: The accuracy of the pupil detection was improved. There was a reduction in processing time with the reduction of the processed region. The performance of the prediction of the eye movements using an exponential model showed feasible only at high frame rates. Conclusions: The accuracy was improved in the presence of eyelash occlusions and the computational effort per frame was reduced. However, the reduction in the ROI must follow an accurate prediction of the pupil position. During saccades, estimating eye movements using an exponential model showed feasible only at high frame rates. There was a reduction in the processing time caused by the reduction in the processed area, also providing a reduction in the negative impact of eyelash occlusions.
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