ModSETS : a model-driven stereo eye tracking system : application in the medical field

ModSETS : un système de suivi de l'oeil en stéréophotogrammétrie piloté par modèle : application dans le domaine médical

• Auteur / Autrice : Nan Jin
• Direction : Jean Séqueira, Sébastien Mavromatis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 10/12/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et Informatique de Marseille (Marseille ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’Informatique et Systèmes (Marseille ; La Garde, Var ; 2018-….)
• Jury : Président / Présidente : Saïda Bouakaz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvette Wiener-Vacher, Marc Daniel, Stéphane Curcio
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Florence Cloppet, Chafiaa Hamitouche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photogrammétrie

Pupille (anatomie)

Oeil -- Mouvements

Mots clés libres

Suivi de l’œil

Détection pupillaire

Estimation de la direction du regard

Mesure du mouvement torsionnel de l’œil

Reconstruction 3D pilotée par model

Application médicale

Eye tracking

Pupil detection

Gaze estimation

Eye torsion measurement

3D model-Driven reconstruction

Medical application

Résumé

La plupart des systèmes de suivi de l’œil existants ne fournissent que des analyses précises et en temps réel des mouvements oculaires 2D (horizontaux et verticaux) dans des conditions de laboratoire. Ils sont en général insuffisants pour les applications du domaine médical, parce que leur robustesse est souvent mise à l'épreuve dans la pratique et la mesure du mouvement torsionnel de l’œil est ignorée la plupart du temps. Cela augmente la difficulté d'interprétation des données collectées et peut donc affecter la qualité du diagnostic médical. Un système de suivi de l’œil en stéréophotogrammétrie piloté par modèle (ModSETS) est proposé dans cette thèse de doctorat, pour offrir une analyse précise, robuste et en temps réel des mouvements oculaires 3D (horizontaux, verticaux et torsionnels) pour les applications médicales. La performance de ModSETS dans le suivi des mouvements oculaires 2D est démontrée par un ⟪gaze test⟫. Il a montré une bonne précision (i.e., d'environ 1 °) dans l'estimation du regard qui est conforme aux exigences de nombreuses applications médicales. La robustesse de ModSETS dans des conditions normales d’utilisation est également confirmée, traduit par un taux de réussite élevé dans la segmentation de la pupille (i.e., 91,4%). Certains résultats encourageants ont été obtenus dans la mesure des mouvements torsionnels de l’œil, même s'il est difficile d’effectuer une évaluation quantitative avec le matériel actuel. Le principe d’un tel système de suivi de l’œil en stéréophotogrammétrie piloté par modèle (ModSETS) est validé. Il montre un grand potentiel dans le suivi des mouvements oculaires 3D pour les applications du domaine médical.

Most current eye tracking systems only provide accurate and real-time analysis of 2D (horizontal and vertical) eye movement in laboratory conditions. It is usually insufficient for medical applications, because their robustness is often challenged in practice and the measurement of eye torsion is almost ignored. This increases the difficulty of data interpretation and may thus affect the quality of medical diagnosis. A Model-driven Stereo Eye Tracking System (ModSETS) is proposed in this Ph.D. thesis, to provide accurate, robust, and real-time analysis of 3D (horizontal, vertical and torsional) eye movement for medical applications. The performance of ModSETS in 2D eye movement tracking is proved through a gaze test. It showed a good accuracy (i.e., of about 1°) in gaze estimation that is compliant with the requirements of many medical applications. The robustness of ModSETS in practical conditions is also confirmed, which is reflected by a high success rate in pupil segmentation (i.e., 91.4%). Some encouraging results of eye torsion measurement were obtained, even though it is difficult to make a quantitative assessment with current hardware. Therefore, the principle of ModSETS (Model-driven Stereo Eye Tracking System) is validated and shows great potential in 3D eye movement tracking for medical applications.