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A crescente capacidade do poder computacional e a proliferação de dispositivos ao nosso redor vem permitindo o desenvolvimento de novas e sofisticadas interfaces para interação humano-computador que reagem à presença e ao estado de seus usuários. Como o olhar tem a capacidade de transmitir muitas informações sobre o usuário, rastreadores de olhar, dispositivos que estimam a direção para onde uma pessoa olha, tem papel importante no desenvolvimento de tais interfaces. Entre suas aplicações temos o auxílio a pessoas com dificuldades motoras, que podem utilizar um rastreador de olhar como substituto ao mouse, aplicações de diagnóstico, que estudam evidências do comportamento humano, ou ainda o desenvolvimento de interfaces que utilizem a informação sobre o olhar como um canal a mais de comunicação com o usuário para perceber suas intenções. Muitas técnicas para atingir tal objetivo foram desenvolvidas mas as tradicionais ainda oferecem certas dificuldades de uso para seus usuários como a intolerância a movimentos de cabeça e a necessidade de calibração por sessão de uso. Neste trabalho fizemos um levantamento de uma série de técnicas de rastreamento de olhar, indo das mais tradicionais até algumas mais recentes que visam melhorar a facilidade de uso destes sistemas. Uma das técnicas mais promissoras utiliza múltiplas fontes de luz fixadas nos cantos do monitor do computador. Através da análise da posição dos reflexos gerados por essas fontes de luz sobre a córnea, juntamente com a informação da posição da pupila, presentes em imagens capturadas do olho, é possível estimar o ponto observado no monitor. Devido às suas vantagens ela foi escolhida para estudo mais detalhado e implementação. Extensos testes utilizando simulações foram realizados para avaliar seu desempenho. Foi também desenvolvida uma extensão dessa técnica, utilizando um modelo mais preciso do olho, visando melhorar sua precisão. Ao final apresentamos nossa implementação, baseada nessa extensão da técnica original, que é tolerante a movimentação da face e mostramos os resultados obtidos em testes realizados com um grupo de usuários. / Recent advances in computing power and the proliferation of computing devices around us allowed the development of new computer interfaces which can react to the presence and state of its users. Since gaze can transmit a lot of information about the user, gaze trackers, devices that can estimate the direction which a person is looking at, have an important role in the development of such interfaces. Among gaze tracking applications, we have aid for people with limited motor skills, human behavior studies, and the development of interfaces that can take gaze information as an additional communication channel with the user. Lots of techniques have been developed to reach this goal, but they have some problems that make them hard to be widely used. These problems are the need of calibration for each use session and the need to keep the user\'s head still. In this work we studied some of the existing gaze tracking techniques, from the more traditional ones to more recent ones. One of the most interesting techniques makes use of multiple light sources fixed at the monitor\'s corners. By analyzing the positions of corneal reflections and the pupil present in captured images of the eye, it is possible to estimate the gaze point on the monitor screen. Due to its advantages this technique was chosen for a deeper study and implementation. Lots of experiments using simulated data have been carried out to validate the technique. Using a more accurate model of the eye, an extension for this technique was also developed to increase its precision. Finally, we present our implementation, that allows for large head movement, as well as test results obtained from real users.

The human vestibulo-ocular reflex (VOR) stabilizes gaze during head movement. The reflex is typically tested in a clinic or laboratory using passive rotations or artificial stimuli which measure the amount of damage the vestibular apparatus has suffered. However, during everyday activities the vestibular system is stimulated by active, self generated head movements. Head movements are often rapid and associated with the goal of achieving either gaze-fixation or re-fixation. Patients who complain of on-going symptoms will typically identify a particular position or movement that aggravates their symptoms in their everyday life. There is a need to identify objective parameters which correlate with the subjective complaints of patients whose symptoms persist after vestibular damage. In the first study, a gaze-refixation task, patients who complain of ongoing symptoms (poorly-compensated), during rapid head turns, after unilateral vestibular de-afferentation (uVD) were compared with those who did not have the same complaints (well-compensated) and normal subjects. Well- and poorly-compensated groups were sorted according to responses on a standardized questionnaire. All subjects were then located in a real-world, non-laboratory environment in which poorly-compensated subjects reported experiencing symptoms. Each subject’s head, eye and gaze displacement and velocity, head rotation frequency and blink or eye-lid closure were measured and analysed and compared between ipsi- and contra-lesional head rotations within and between subject groups. When subjects are able to generate their own active head rotations it has been suggested that a number of vestibular and extra-vestibular strategies might be employed to compensate for an impaired VOR. In subsequent studies, high resolution scleral search coils were used to identify the compensatory mechanisms used during active head rotations during a gaze-fixation task. A corrective saccade is typically observed during passive ipsilesional head rotations or “impulses” and might be potentiated during rapid, active or self-generated head rotations. The conditions which predict or contribute to the generation of the rapid, corrective eye movement were investigated. The results were compared with responses to passive head impulses of matched velocity and acceleration to determine if active head impulses could be used to identify a lesioned vestibular apparatus as is routinely clinically achieved with passive head impulses.

The human vestibulo-ocular reflex (VOR) stabilizes gaze during head movement. The reflex is typically tested in a clinic or laboratory using passive rotations or artificial stimuli which measure the amount of damage the vestibular apparatus has suffered. However, during everyday activities the vestibular system is stimulated by active, self generated head movements. Head movements are often rapid and associated with the goal of achieving either gaze-fixation or re-fixation. Patients who complain of on-going symptoms will typically identify a particular position or movement that aggravates their symptoms in their everyday life. There is a need to identify objective parameters which correlate with the subjective complaints of patients whose symptoms persist after vestibular damage. In the first study, a gaze-refixation task, patients who complain of ongoing symptoms (poorly-compensated), during rapid head turns, after unilateral vestibular de-afferentation (uVD) were compared with those who did not have the same complaints (well-compensated) and normal subjects. Well- and poorly-compensated groups were sorted according to responses on a standardized questionnaire. All subjects were then located in a real-world, non-laboratory environment in which poorly-compensated subjects reported experiencing symptoms. Each subject’s head, eye and gaze displacement and velocity, head rotation frequency and blink or eye-lid closure were measured and analysed and compared between ipsi- and contra-lesional head rotations within and between subject groups. When subjects are able to generate their own active head rotations it has been suggested that a number of vestibular and extra-vestibular strategies might be employed to compensate for an impaired VOR. In subsequent studies, high resolution scleral search coils were used to identify the compensatory mechanisms used during active head rotations during a gaze-fixation task. A corrective saccade is typically observed during passive ipsilesional head rotations or “impulses” and might be potentiated during rapid, active or self-generated head rotations. The conditions which predict or contribute to the generation of the rapid, corrective eye movement were investigated. The results were compared with responses to passive head impulses of matched velocity and acceleration to determine if active head impulses could be used to identify a lesioned vestibular apparatus as is routinely clinically achieved with passive head impulses.

A crescente capacidade do poder computacional e a proliferação de dispositivos ao nosso redor vem permitindo o desenvolvimento de novas e sofisticadas interfaces para interação humano-computador que reagem à presença e ao estado de seus usuários. Como o olhar tem a capacidade de transmitir muitas informações sobre o usuário, rastreadores de olhar, dispositivos que estimam a direção para onde uma pessoa olha, tem papel importante no desenvolvimento de tais interfaces. Entre suas aplicações temos o auxílio a pessoas com dificuldades motoras, que podem utilizar um rastreador de olhar como substituto ao mouse, aplicações de diagnóstico, que estudam evidências do comportamento humano, ou ainda o desenvolvimento de interfaces que utilizem a informação sobre o olhar como um canal a mais de comunicação com o usuário para perceber suas intenções. Muitas técnicas para atingir tal objetivo foram desenvolvidas mas as tradicionais ainda oferecem certas dificuldades de uso para seus usuários como a intolerância a movimentos de cabeça e a necessidade de calibração por sessão de uso. Neste trabalho fizemos um levantamento de uma série de técnicas de rastreamento de olhar, indo das mais tradicionais até algumas mais recentes que visam melhorar a facilidade de uso destes sistemas. Uma das técnicas mais promissoras utiliza múltiplas fontes de luz fixadas nos cantos do monitor do computador. Através da análise da posição dos reflexos gerados por essas fontes de luz sobre a córnea, juntamente com a informação da posição da pupila, presentes em imagens capturadas do olho, é possível estimar o ponto observado no monitor. Devido às suas vantagens ela foi escolhida para estudo mais detalhado e implementação. Extensos testes utilizando simulações foram realizados para avaliar seu desempenho. Foi também desenvolvida uma extensão dessa técnica, utilizando um modelo mais preciso do olho, visando melhorar sua precisão. Ao final apresentamos nossa implementação, baseada nessa extensão da técnica original, que é tolerante a movimentação da face e mostramos os resultados obtidos em testes realizados com um grupo de usuários. / Recent advances in computing power and the proliferation of computing devices around us allowed the development of new computer interfaces which can react to the presence and state of its users. Since gaze can transmit a lot of information about the user, gaze trackers, devices that can estimate the direction which a person is looking at, have an important role in the development of such interfaces. Among gaze tracking applications, we have aid for people with limited motor skills, human behavior studies, and the development of interfaces that can take gaze information as an additional communication channel with the user. Lots of techniques have been developed to reach this goal, but they have some problems that make them hard to be widely used. These problems are the need of calibration for each use session and the need to keep the user\'s head still. In this work we studied some of the existing gaze tracking techniques, from the more traditional ones to more recent ones. One of the most interesting techniques makes use of multiple light sources fixed at the monitor\'s corners. By analyzing the positions of corneal reflections and the pupil present in captured images of the eye, it is possible to estimate the gaze point on the monitor screen. Due to its advantages this technique was chosen for a deeper study and implementation. Lots of experiments using simulated data have been carried out to validate the technique. Using a more accurate model of the eye, an extension for this technique was also developed to increase its precision. Finally, we present our implementation, that allows for large head movement, as well as test results obtained from real users.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:18:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4460.pdf: 3155980 bytes, checksum: 07f27821d9b649411a8d031d8f90ba16 (MD5) Previous issue date: 2012-04-27 / Financiadora de Estudos e Projetos / Head movements play an important role in typical motor development because they form the basis for the emergence of fundamental motor skills such as reaching and sitting. In addition, the head is the first part of the body to develop antigravity control, and serve as a frame for the organization of postural control. The aims of this longitudinal study were: 1) to provide information about the behavioral (frequency of head movement; proportion of head initial position to the right, left and midline; proportion of movement type sideto- midline, midline-to-side and side-to-side) and kinematics (amplitude of head movement: flexion, inclination and rotation; duration of the movement; mean angular velocity; peak velocity; deceleration index; number of movement unit; number of movement unit after peak velocity; mean duration of movement unit; mean duration of movement unit after peak velocity; duration of the longest movement unit) changes during the acquisition of head control in supine position; 2) to verify and to describe the age-related changes observed in the spatial-temporal organization of the head movement; 3) to verify e if different body orientations (unsupported supine; supported supine head supported and semi flexed approximately to 15° over an infant pillow; and supported reclined- head supported and semi flexed approximately and the body reclined to 20° with the horizontal plane) and if external head support can improve the alignment between head and trunk, thus turning the head movement more controlled and 4) to verify if the body orientation can facilitate the head movement in younger infants (from birth to two months), as they head movement are not as controlled as older infants. To this end, 17 infants were longitudinally assessed once a month. They were presented with a black and white card that was moved sideward in front of their face in all the conditions (unsupported supine, supported supine and supported reclined. Results of study 1, focused in the age-related effect of head movement showed that with age, particularly from two months onwards, the head was more often held at body midline. A larger amount of head movements and an increase in amplitude and speed of the head movement accompanied this change between two and three months. Kinematic analysis also showed that head movements were organized in movement units that increased in number until three months of age, but significantly decreased afterwards (especially the number of movement units after peak velocity). The results about body orientation manipulation, study 2, showed that the behavioral and kinematic analyses in the supported supine and supported reclined conditions, showed an increase in the proportions of head positions at the body midline and midline-to-side head movements in comparison to the unsupported supine condition. Further, a lower mean angular velocity and a prolonged duration of the head movement and its constituent movement units (including the longest movement unit) were observed in the supported supine and reclined conditions. The results suggest that the velocity profile became more symmetrical with age, especially after two months-old onwards, which is indicative for better and more efficient control of the head movements. Importantly, many of the differences only occurred when infants were younger than three months of age. In sum, vii the head movement became more fluent and well-organized through age, especially after three months. The external support of the head led to an improvement in the alignment of head and trunk, which promoted better-controlled head movements, especially in the younger infants. This suggests that neck muscle strength is an important limiting factor in the development of head movements. / Os movimentos de cabeça são importantes no desenvolvimento motor típico, uma vez que formam a base para a emergência das habilidades motoras fundamentais, como o alcance e o sentar independente. Além disso, a cabeça é a primeira parte do corpo a desenvolver controle antigravitacional, servindo como ponto de referência para a organização do controle postural. Os objetivos deste estudo longitudinal foram: 1) fornecer informações sobre as mudanças comportamentais (frequência de movimento; proporção de posição inicial da cabeça à direita, esquerda ou linha média; proporção de tipo de movimento de lado a linha média, linha média a lado ou lado a lado) e nos parâmetros cinemáticos (amplitude de movimento: flexão, inclinação e rotação; duração do movimento; velocidade angular média; pico de velocidade; índice de desaceleração; número de unidades de movimento; número de unidades de movimento após o pico de velocidade; duração média das unidades de movimento; duração média das unidades de movimento após o pico de velocidade e duração média da unidade de movimento mais longa) observadas durante o período de aquisição do controle de cabeça, ou seja, do nascimento aos quatro meses de idade, em lactentes típicos em decúbito supino; 2) identificar e descrever as mudanças observadas com a idade na organização espaçotemporal da estrutura básica do movimento de cabeça; 3) verificar se mudanças na orientação corporal do lactente (supino; supino com suporte de cabeça - cabeça apoiada e semi-flexionada a aproximadamente 15º por meio de um travesseiro infantil; e reclinado com suporte de cabeça - cabeça apoiada e semi-flexionada e o corpo reclinado a 20º com o plano horizontal) e o fornecimento de apoio externo de cabeça favorecem o alinhamento entre cabeça e tronco e o controle dos movimentos de cabeça em lactentes a termo e 4) verificar se a orientação corporal pode ser considerada um agente facilitador do movimento de cabeça em lactentes mais jovens (do nascimento aos dois meses), visto que estes apresentam o controle de cabeça menos desenvolvido que os lactentes mais velhos. Para isso, 17 lactentes foram avaliados longitudinalmente, do nascimento aos quatro meses de idade. Era apresentado aos lactentes um cartão de estimulação visual, nas cores branca e preta, o qual era movido diante dos olhos do lactente, de um lado para o outro em todas as condições experimentais (supino, supino com suporte de cabeça e reclinado com suporte de cabeça). Os resultados do estudo 1 mostraram que com a idade, particularmente a partir dos dois meses, a cabeça do lactente encontra-se mais frequentemente alinhada com a linha média do tronco. A frequência, a amplitude e a velocidade também aumentaram entre dois e três meses. A análise cinemática demonstrou que os movimentos de cabeça são organizados em unidades de movimento, as quais aumentaram em número até os três meses, mas diminuíram significativamente após essa idade (especialmente o número de unidades de movimentos após o pico de velocidade). Em relação à orientação corporal, os resultados do estudo 2 mostraram que nas condições supino com suporte e reclinado com suporte os lactentes apresentaram maior proporção de movimentos iniciados na linha média e de linha média a lado, quando comparados à condição supino sem suporte. Além disso, foi observado diminuição na x velocidade angular média e aumento na duração do movimento da cabeça e de seus componentes constituintes (incluindo a unidade de movimento mais longa) nas condições de suporte, o que sugere maior simetria do perfil da curva da velocidade com a idade, especialmente a partir dos dois meses, indicando melhor e mais eficiente controle dos movimentos de cabeça. Ressaltamos que várias diferenças foram observadas para os lactentes mais jovens que três meses. Em resumo, o movimento de cabeça torna-se mais fluente e harmônico com a idade, especialmente a partir dos três meses e o suporte externo de cabeça favorece o alinhamento da cabeça e do tronco, o qual promove movimentos mais controlados, especialmente em lactentes jovens. Isto sugere que a força muscular cervical é um importante fator limitante para o desenvolvimento dos movimentos de cabeça. Os movimentos de cabeça são importantes no desenvolvimento motor típico, uma vez que formam a base para a emergência das habilidades motoras fundamentais, como o alcance e o sentar independente. Além disso, a cabeça é a primeira parte do corpo a desenvolver controle antigravitacional, servindo como ponto de referência para a organização do controle postural. Os objetivos deste estudo longitudinal foram: 1) fornecer informações sobre as mudanças comportamentais (frequência de movimento; proporção de posição inicial da cabeça à direita, esquerda ou linha média; proporção de tipo de movimento de lado a linha média, linha média a lado ou lado a lado) e nos parâmetros cinemáticos (amplitude de movimento: flexão, inclinação e rotação; duração do movimento; velocidade angular média; pico de velocidade; índice de desaceleração; número de unidades de movimento; número de unidades de movimento após o pico de velocidade; duração média das unidades de movimento; duração média das unidades de movimento após o pico de velocidade e duração média da unidade de movimento mais longa) observadas durante o período de aquisição do controle de cabeça, ou seja, do nascimento aos quatro meses de idade, em lactentes típicos em decúbito supino; 2) identificar e descrever as mudanças observadas com a idade na organização espaço-temporal da estrutura básica do movimento de cabeça; 3) verificar se mudanças na orientação corporal do lactente (supino; supino com suporte de cabeça - cabeça apoiada e semi-flexionada a aproximadamente 15º por meio de um travesseiro infantil; e reclinado com suporte de cabeça - cabeça apoiada e semi-flexionada e o corpo reclinado a 20º com o plano horizontal) e o fornecimento de apoio externo de cabeça favorecem o alinhamento entre cabeça e tronco e o controle dos movimentos de cabeça em lactentes a termo e 4) verificar se a orientação corporal pode ser considerada um agente facilitador do movimento de cabeça em lactentes mais jovens (do nascimento aos dois meses), visto que estes apresentam o controle de cabeça menos desenvolvido que os lactentes mais velhos. Para isso, 17 lactentes foram avaliados longitudinalmente, do nascimento aos quatro meses de idade. Era apresentado aos lactentes um cartão de estimulação visual, nas cores branca e preta, o qual era movido diante dos olhos do lactente, de um lado para o outro em todas as condições experimentais (supino, supino com suporte de cabeça e reclinado com suporte de cabeça). Os resultados do estudo 1 mostraram que com a idade, particularmente a partir dos dois meses, a cabeça do lactente encontra-se mais frequentemente alinhada com a linha média do tronco. A frequência, a amplitude e a velocidade também aumentaram entre dois e três meses. A análise cinemática demonstrou que os movimentos de cabeça são organizados em unidades de movimento, as quais aumentaram em número até os três meses, mas diminuíram significativamente xi após essa idade (especialmente o número de unidades de movimentos após o pico de velocidade). Em relação à orientação corporal, os resultados do estudo 2 mostraram que nas condições supino com suporte e reclinado com suporte os lactentes apresentaram maior proporção de movimentos iniciados na linha média e de linha média a lado, quando comparados à condição supino sem suporte. Além disso, foi observado diminuição na velocidade angular média e aumento na duração do movimento da cabeça e de seus componentes constituintes (incluindo a unidade de movimento mais longa) nas condições de suporte, o que sugere maior simetria do perfil da curva da velocidade com a idade, especialmente a partir dos dois meses, indicando melhor e mais eficiente controle dos movimentos de cabeça. Ressaltamos que várias diferenças foram observadas para os lactentes mais jovens que três meses. Em resumo, o movimento de cabeça torna-se mais fluente e harmônico com a idade, especialmente a partir dos três meses e o suporte externo de cabeça favorece o alinhamento da cabeça e do tronco, o qual promove movimentos mais controlados, especialmente em lactentes jovens. Isto sugere que a força muscular cervical é um importante fator limitante para o desenvolvimento dos movimentos de cabeça.

The introduction of this document presents some basic principles of visual telepresence with analysis of important aspects of the design. Afterwards there is a brief ovrewview of some of the applications of telepresence systems. Subsequently there is a description of the basic parameters and functions of the human visual perception system including the head motion parameters. This document examines the creation of telepresence apparatus through which is the user able to percieve visual stimuli accross distance. The device consist of camera with wide FOV positioned on the last link of the servo-motor chain with 3 DOF. Camera view is projected into scene in position read from actual motor posture. The scene is perceived through the HMD Oculus Rift (DK1, DK2) where the actual head-orientation read from the HMD inertial sensors is the entered end value for the rotation angles of the servomotors. A \csharp (WPF) program was developed for the controling and setting of motors which handles the byte communication through RS485-USB converter and also configures and starts the telepresence mode. The telepresence scene is drawn with help of SharpDX and SharpOVR - the \csharp wrappers of DirectX and LibOVR.

This work presents a research in the field of robotic visual telepresence. At the beginning explains the principle of teleprezence and it makes classification of robots according to their properties and concepts. Furthermore, there is a review of modern existing robots. The following chapter discusses the human visual system, the basic parameters and functions including parameters of head movements. Subsequently have been selected critical parameters for visual telepresence. At the conclusion of the theoretical part were designed some experiments to validation of human body biological parameters. In the practical part was conducted measuring the extent and speed of head movements, eye distinction depending on the lighting and measurement of visual field man. Also, a series of experiments was performed for practical technical embodiment of the telepresence system rescue robot for class Orpheus.