EOG-Based Human–Computer Interface: 2000–2020 Review

Electro-oculography (EOG)-based brain-computer interface (BCI) is a relevant technology influencing physical medicine, daily life, gaming and even the aeronautics field. EOG-based BCI systems record activity related to users' intention, perception and motor decisions. It converts the bio-physiological signals into commands for external hardware, and it executes the operation expected by the user through the output device. EOG signal is used for identifying and classifying eye movements through active or passive interaction. Both types of interaction have the potential for controlling the output device by performing the user's communication with the environment. In the aeronautical field, investigations of EOG-BCI systems are being explored as a relevant tool to replace the manual command and as a communicative tool dedicated to accelerating the user's intention. This paper reviews the last two decades of EOG-based BCI studies and provides a structured design space with a large set of representative papers. Our purpose is to introduce the existing BCI systems based on EOG signals and to inspire the design of new ones. First, we highlight the basic components of EOG-based BCI studies, including EOG signal acquisition, EOG device particularity, extracted features, translation algorithms, and interaction commands. Second, we provide an overview of EOG-based BCI applications in the real and virtual environment along with the aeronautical application. We conclude with a discussion of the actual limits of EOG devices regarding existing systems. Finally, we provide suggestions to gain insight for future design inquiries

Optical Gaze Tracking with Spatially-Sparse Single-Pixel Detectors

Gaze tracking is an essential component of next generation displays for virtual reality and augmented reality applications. Traditional camera-based gaze trackers used in next generation displays are known to be lacking in one or multiple of the following metrics: power consumption, cost, computational complexity, estimation accuracy, latency, and form-factor. We propose the use of discrete photodiodes and light-emitting diodes (LEDs) as an alternative to traditional camera-based gaze tracking approaches while taking all of these metrics into consideration. We begin by developing a rendering-based simulation framework for understanding the relationship between light sources and a virtual model eyeball. Findings from this framework are used for the placement of LEDs and photodiodes. Our first prototype uses a neural network to obtain an average error rate of 2.67{\deg} at 400Hz while demanding only 16mW. By simplifying the implementation to using only LEDs, duplexed as light transceivers, and more minimal machine learning model, namely a light-weight supervised Gaussian process regression algorithm, we show that our second prototype is capable of an average error rate of 1.57{\deg} at 250 Hz using 800 mW.Comment: 10 pages, 8 figures, published in IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR) 202

Earables: Wearable Computing on the Ears

Kopfhörer haben sich bei Verbrauchern durchgesetzt, da sie private Audiokanäle anbieten, zum Beispiel zum Hören von Musik, zum Anschauen der neuesten Filme während dem Pendeln oder zum freihändigen Telefonieren. Dank diesem eindeutigen primären Einsatzzweck haben sich Kopfhörer im Vergleich zu anderen Wearables, wie zum Beispiel Smartglasses, bereits stärker durchgesetzt. In den letzten Jahren hat sich eine neue Klasse von Wearables herausgebildet, die als "Earables" bezeichnet werden. Diese Geräte sind so konzipiert, dass sie in oder um die Ohren getragen werden können. Sie enthalten verschiedene Sensoren, um die Funktionalität von Kopfhörern zu erweitern. Die räumliche Nähe von Earables zu wichtigen anatomischen Strukturen des menschlichen Körpers bietet eine ausgezeichnete Plattform für die Erfassung einer Vielzahl von Eigenschaften, Prozessen und Aktivitäten. Auch wenn im Bereich der Earables-Forschung bereits einige Fortschritte erzielt wurden, wird deren Potenzial aktuell nicht vollständig abgeschöpft. Ziel dieser Dissertation ist es daher, neue Einblicke in die Möglichkeiten von Earables zu geben, indem fortschrittliche Sensorikansätze erforscht werden, welche die Erkennung von bisher unzugänglichen Phänomenen ermöglichen. Durch die Einführung von neuartiger Hardware und Algorithmik zielt diese Dissertation darauf ab, die Grenzen des Erreichbaren im Bereich Earables zu verschieben und diese letztlich als vielseitige Sensorplattform zur Erweiterung menschlicher Fähigkeiten zu etablieren. Um eine fundierte Grundlage für die Dissertation zu schaffen, synthetisiert die vorliegende Arbeit den Stand der Technik im Bereich der ohr-basierten Sensorik und stellt eine einzigartig umfassende Taxonomie auf der Basis von 271 relevanten Publikationen vor. Durch die Verbindung von Low-Level-Sensor-Prinzipien mit Higher-Level-Phänomenen werden in der Dissertation anschließ-end Arbeiten aus verschiedenen Bereichen zusammengefasst, darunter (i) physiologische Überwachung und Gesundheit, (ii) Bewegung und Aktivität, (iii) Interaktion und (iv) Authentifizierung und Identifizierung. Diese Dissertation baut auf der bestehenden Forschung im Bereich der physiologischen Überwachung und Gesundheit mit Hilfe von Earables auf und stellt fortschrittliche Algorithmen, statistische Auswertungen und empirische Studien vor, um die Machbarkeit der Messung der Atemfrequenz und der Erkennung von Episoden erhöhter Hustenfrequenz durch den Einsatz von In-Ear-Beschleunigungsmessern und Gyroskopen zu demonstrieren. Diese neuartigen Sensorfunktionen unterstreichen das Potenzial von Earables, einen gesünderen Lebensstil zu fördern und eine proaktive Gesundheitsversorgung zu ermöglichen. Darüber hinaus wird in dieser Dissertation ein innovativer Eye-Tracking-Ansatz namens "earEOG" vorgestellt, welcher Aktivitätserkennung erleichtern soll. Durch die systematische Auswertung von Elektrodenpotentialen, die um die Ohren herum mittels eines modifizierten Kopfhörers gemessen werden, eröffnet diese Dissertation einen neuen Weg zur Messung der Blickrichtung. Dabei ist das Verfahren weniger aufdringlich und komfortabler als bisherige Ansätze. Darüber hinaus wird ein Regressionsmodell eingeführt, um absolute Änderungen des Blickwinkels auf der Grundlage von earEOG vorherzusagen. Diese Entwicklung eröffnet neue Möglichkeiten für Forschung, welche sich nahtlos in das tägliche Leben integrieren lässt und tiefere Einblicke in das menschliche Verhalten ermöglicht. Weiterhin zeigt diese Arbeit, wie sich die einzigarte Bauform von Earables mit Sensorik kombinieren lässt, um neuartige Phänomene zu erkennen. Um die Interaktionsmöglichkeiten von Earables zu verbessern, wird in dieser Dissertation eine diskrete Eingabetechnik namens "EarRumble" vorgestellt, die auf der freiwilligen Kontrolle des Tensor Tympani Muskels im Mittelohr beruht. Die Dissertation bietet Einblicke in die Verbreitung, die Benutzerfreundlichkeit und den Komfort von EarRumble, zusammen mit praktischen Anwendungen in zwei realen Szenarien. Der EarRumble-Ansatz erweitert das Ohr von einem rein rezeptiven Organ zu einem Organ, das nicht nur Signale empfangen, sondern auch Ausgangssignale erzeugen kann. Im Wesentlichen wird das Ohr als zusätzliches interaktives Medium eingesetzt, welches eine freihändige und augenfreie Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ermöglicht. EarRumble stellt eine Interaktionstechnik vor, die von den Nutzern als "magisch und fast telepathisch" beschrieben wird, und zeigt ein erhebliches ungenutztes Potenzial im Bereich der Earables auf. Aufbauend auf den vorhergehenden Ergebnissen der verschiedenen Anwendungsbereiche und Forschungserkenntnisse mündet die Dissertation in einer offenen Hard- und Software-Plattform für Earables namens "OpenEarable". OpenEarable umfasst eine Reihe fortschrittlicher Sensorfunktionen, die für verschiedene ohrbasierte Forschungsanwendungen geeignet sind, und ist gleichzeitig einfach herzustellen. Hierdurch werden die Einstiegshürden in die ohrbasierte Sensorforschung gesenkt und OpenEarable trägt somit dazu bei, das gesamte Potenzial von Earables auszuschöpfen. Darüber hinaus trägt die Dissertation grundlegenden Designrichtlinien und Referenzarchitekturen für Earables bei. Durch diese Forschung schließt die Dissertation die Lücke zwischen der Grundlagenforschung zu ohrbasierten Sensoren und deren praktischem Einsatz in realen Szenarien. Zusammenfassend liefert die Dissertation neue Nutzungsszenarien, Algorithmen, Hardware-Prototypen, statistische Auswertungen, empirische Studien und Designrichtlinien, um das Feld des Earable Computing voranzutreiben. Darüber hinaus erweitert diese Dissertation den traditionellen Anwendungsbereich von Kopfhörern, indem sie die auf Audio fokussierten Geräte zu einer Plattform erweitert, welche eine Vielzahl fortschrittlicher Sensorfähigkeiten bietet, um Eigenschaften, Prozesse und Aktivitäten zu erfassen. Diese Neuausrichtung ermöglicht es Earables sich als bedeutende Wearable Kategorie zu etablieren, und die Vision von Earables als eine vielseitige Sensorenplattform zur Erweiterung der menschlichen Fähigkeiten wird somit zunehmend realer

Interaction Methods for Smart Glasses : A Survey

Since the launch of Google Glass in 2014, smart glasses have mainly been designed to support micro-interactions. The ultimate goal for them to become an augmented reality interface has not yet been attained due to an encumbrance of controls. Augmented reality involves superimposing interactive computer graphics images onto physical objects in the real world. This survey reviews current research issues in the area of human-computer interaction for smart glasses. The survey first studies the smart glasses available in the market and afterwards investigates the interaction methods proposed in the wide body of literature. The interaction methods can be classified into hand-held, touch, and touchless input. This paper mainly focuses on the touch and touchless input. Touch input can be further divided into on-device and on-body, while touchless input can be classified into hands-free and freehand. Next, we summarize the existing research efforts and trends, in which touch and touchless input are evaluated by a total of eight interaction goals. Finally, we discuss several key design challenges and the possibility of multi-modal input for smart glasses.Peer reviewe

Leveraging Eye Structure and Motion to Build a Low-Power Wearable Gaze Tracking System

Clinical studies have shown that features of a person\u27s eyes can function as an effective proxy for cognitive state and neurological function. Technological advances in recent decades have allowed us to deepen this understanding and discover that the actions of the eyes are in fact very tightly coupled to the operation of the brain. Researchers have used camera-based eye monitoring technology to exploit this connection and analyze mental state across across many different metrics of interest. These range from simple things like attention and scene processing, to impairments such as a fatigue or substance use, and even significant mental disorders such as Parkinson\u27s, autism, and schizophrenia. While there is a wealth of knowledge and social benefit to be gained from eye tracking, the field has historically been restricted to laboratory use by crippling technological limitations - most notably, device size and power consumption. These issues primarily stem from the use of high-resolution cameras and heavyweight video-processing algorithms, both of which induce extremely high performance overhead on the eye tracker. To address this problem, we have constructed a lightweight, ultra-low-power eye monitoring device in the form factor of a pair of eyeglasses. The key guiding design principle for its construction was saliency-aware resource minimization. Specifically, our design leverages the fact that close-up images of the eye are characterized by large salient features which provide a high degree of redundant information; we exploit this to heavily subsample the eye image and reduce resource utilization while performing effective eye tracking. In the first part of this thesis, we present an initial design of a wearable system to enable ubiquitous eye tracking. By exploiting the fact that the eye has several large, visually redundant features such as the iris and pupil, we were able to develop a neural-network-based adaptive-sampling algorithm for predicting the gaze point while sampling a minimal number of pixels from the image. This enabled us to realize a power savings using specialized imaging hardware that would sample only those most salient pixels, which proportionally reduced the power and time cost of reading images for eye tracking. With these optimizations we were able to build a first-of-of its kind wearable eye tracker that consumed 40 mW of power and demonstrated a gaze tracking error of only 3 degrees across multiple subjects. We refer to this device as the iShadow platform. The second contribution and section of this thesis is a significant improvement upon the original iShadow design for the purpose of improving both power utilization and eye tracking performance. We constructed a new pupil-tracking algorithm based on lightweight computer vision features, which leverages the smoothness of the eye\u27s motion to reduce even further the amount of camera sampling needed. To guard against very infrequent discontinuities resulting from blinks or reflections off the eye, we integrated this model with the previously-used one-shot neural network algorithm. Because the common case (smooth, uninterrupted eye motion) occurs 90% of the time, we were able to realize a dramatic increase in performance due to the efficiency of the smooth tracking algorithm. The new and improved system, labeled CIDER, enabled much more accurate eye tracking - 0.4 degree error - with power consumption as low as 7 mW. This design also enabled a tradeoff between power consumption and eye tracking rate, in which it was also possible to draw higher power of ~30 mW in order to do eye tracking at rates of up to 240 frames per second. The final contribution of this thesis is a re-designed version of the iShadow glasses hardware that is suitable for ``in-the-wild\u27\u27 studies on subjects in their daily living environment. A wearable device, especially one that is worn on the head, must be minimally obtrusive in order to be accepted and used in the field by subjects. This design goal conflicts with the ideal placement of cameras that is needed for achieving consistent eye tracking fidelity. We present multiple possible methods we explored for addressing these competing design challenges, and discuss the reasons that many proved infeasible. To conclude, we present a working design solution that appears to optimally trade off user comfort and convenience and against the technical requirements of the system