Eye Tracking Device
Das Eye Tracking Device (ETD) ist ein kopfmontiertes Messgerät, das für Untersuchungen von dreidimensionalen Augen- und Kopfbewegungen unter experimentellen und natürlichen Bedingungen entwickelt wurde. Es ermöglicht umfangreiche Messungen der Augenbewegungen (drei Freiheitsgrade) sowie wahlweise der Kopfbewegungen (sechs Freiheitsgrade).
Das ETD ist ein wichtiges Instrument zur Untersuchung sensomotorischen Verhaltens am Menschen, insbesondere des vestibulären und okulomotorischen Systems.
ETD auf der ISS
Der Eye Tracker wurde ursprünglich vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) für den Einsatz auf der Internationalen Raumstation (ISS) entwickelt. Anfang 2004 wurde er als Teil des europäisch-russischen Raumfahrtprogramms auf die ISS befördert. Das Gerät wurde von Prof. Dr. Andrew H. Clarke (Vestibular-Labor, Charité Berlin) in Zusammenarbeit mit den Unternehmen Chronos Vision und Mtronix in Berlin entwickelt und für die Anwendung im Weltraum von dem Münchener Unternehmen Kayser-Threde integriert.
Bei ersten Experimenten, die von Prof. Clarkes Team in Kooperation mit dem Moskauer Institut für Biomedizinische Probleme (IBMP) ausgeführt wurden, wurde das ETD für die Messung der Listing'schen Ebene - einem Koordinatensystem zur Bestimmung der Augenbewegungen relativ zum Kopf - genutzt. Das wissenschaftliche Ziel war es, zu bestimmen, wie die Listing'sche Ebene sich unter verschiedenen Gravitationsbedingungen verändert. Insbesondere wurden der Einfluss langfristiger Mikrogravitation an Bord der ISS und der anschließenden Rückkehr in die Erdgravitation untersucht.
Die Ergebnisse tragen zum Verständnis der neuralen Plastizität in Vestibular- und Oculomotor-Systemen bei.
Diese Experimente begannen im Frühling 2004 und wurden bis Ende 2008 von einer Reihe von Kosmonauten und Astronauten fortgeführt, die jeweils sechs Monate auf der ISS verbrachten.
Operationen
Die Untersuchung der Orientierung der Listing'schen Ebene während einer langfristigen Raumfahrtmission ist von speziellem Interesse, weil die Listing'sche Ebene auf der Erde scheinbar durch das vestibuläre System beeinflusst wird. Dies lässt sich durch Messung der Kopfposition relativ zur Gravitation feststellen.
Das Experiment untersucht die Anpassung des Vestibular-Systems des Astronauten während des Aufenthalts in der Schwerelosigkeit und nach der Rückkehr zur Erde.
Das Experiment soll klären, in welchem Maße sich die Orientierung der Listing’schen Ebene in Abhängigkeit von der Adaption des vestibulären Systems an veränderte Gravitationsverhältnisse, insbesondere an die Schwerelosigkeit, verändert.
Eine weitere Frage ist, ob der menschliche Körper während eines langen Raumfluges die fehlenden Inputs des Vestibular-Systems durch andere Mechanismen kompensiert. [1]
Missionen
Das ETD kam für diese Studie zwischen 2004 und 2008 zum Einsatz. Während der sechsmonatigen Experimente wurden die Versuche im Drei-Wochen-Rhythmus wiederholt, wodurch die Adaption der Mikrogravitation evaluiert werden konnte. Ergänzend wurden in den ersten Wochen nach der Rückkehr zur Erde äquivalente Messungen bei jedem Kosmonauten oder Astronauten durchgeführt.
Inzwischen ist das ETD-System ein universelles Instrument auf der ISS. Zurzeit wird es von einer Gruppe russischer Wissenschaftler des Instituts für biomedizinische Problem (IBMP) verwendet, die die Koordination der Augen- und Kopfbewegungen in der Mikrogravitation untersuchen.
Technologie
Die digitalen Kameras sind mit leistungsstarken CMOS-Bildsensoren ausgerüstet und werden via bidirektionalen, digitalen Hochgeschwindigkeitsverbindungen (400Mb/s) mit dem zugehörigen Prozessorboard des Host-PC verbunden. Auf diesem PCI-Prozessor-Bord befindet sich die Front-End Steuerungsarchitektur, welche aus dem digitalen Signalprozessor (DSP) und programmierbaren integrierten Schaltkreisen (FPGA) besteht. Diese Komponenten sind so programmiert, dass sie die pixelorientierte Online-Akquisition und das Messen der 2D-Pupillenkoordinaten ermöglichen. [3]
Für die Aufgabe des Eye Trackings wird eine substanzielle Datenreduktion von den Sensoren und der Front-End Steuerungsarchitektur ausgeführt. So werden nur vorselektierte Daten vom Bildsensor zum Host-PC, auf dem die finalen Algorithmen und die Datenspeicherung ausgeführt werden, übertragen. Diese Entwicklung beseitigt die Flaschenhalsprobleme herkömmlicher Frame-by-Frame Bildverarbeitung und ermöglicht eine wesentliche Steigerung der Bildwiederholungsraten.
Die Steuerungsarchitektur ist in einem IBM kompatiblen PC integriert und ermöglicht die Visualisierung der Augen und der entsprechenden Signale bzw. Daten. Ein wichtiges Entwicklungsmerkmal ist die digitale Speicherung aller Bildsequenzen der Kameras als digitale Dateien auf austauschbaren Festplatten. Auf diese Weise kann die Festplatte mit den gespeicherten Augendaten, nach Abschluss der ISS Mission, zur Erde zurück gesendet werden. Dies gewährleistet eine umfangreiche und zuverlässige Bilddatenanalyse im Forschungslabor und minimiert die Zeit, die für das Experiment auf der ISS benötigt wird.
ETD auf der Erde
In parallel to the space-qualified version of the Eye Tracker a commercially available model has been manufactured by the company Chronos Vision in Berlin and is installed in many laboratories in Europe, North America and Asia, where it represents an essential tool for the examination of numerous neurophysiological phenomena.
Quellen
- ↑ Vestibulo-oculomotor research and measurement technology for the space station era A.H.Clarke; Elsevier Science 1998, 28:173-184
- ↑ Using high frame rate CMOS sensors for three-dimensional eye tracking. A.H.Clarke, J.Ditterich, K.Drün, U.Schönfeld and C.Steineke; Behavoir Research Methods, Instruments & Computers 2002, 34(4), 549-560
- ↑ High image rate eye movement measurement A.H.Clarke, C.Steineke and H.Emanuel; http://www.zmms.tu-berlin.de/de/veranstaltungen/eyes_tea/Clarke.pdf
Weblinks
- ISS Program Scientist's Office; Eye Tracking Device (ETD); NASA
- RSC Energia; ETD ( EYE TRACKING DEVICE) EXPERIMENT
- ESA; Measurement by Eye Tracking Device in orientation of the Listing’s plane
- German Aerospace Center (DLR); Hormonal and immunological changes in astronauts during and after spaceflight - IMMUNO
- Chronos Vision GmbH; Chronos Eye Tracking Device (C-ETD)
- Kayser-Threde GmbH; Research under Weightlessness: Kayser-Threde Equipment for Exploration of Human Balance System
- Vestibular Lab, Charité Universitätsmedizin Berlin ; Vestibular Lab, Charité Universitätsmedizin Berlin