用于增强自然眼动追踪的空间色彩编码化妆隐形眼镜

更聪明的隐形眼镜，让屏幕更智能

每当你读一句话、扫视街道或瞥一眼手机时，眼睛都会做出微小而复杂的运动。能够追踪这些运动的设备有望带来更自然的虚拟现实、为残障人士提供免提控制，以及为医生和心理学家提供新工具。但现有的眼动追踪器在日常环境中常常失灵，尤其在户外或当眼睑和睫毛遮挡时。本研究提出了一个出人意料的简单解决方案：专门印制的装饰性隐形眼镜，将眼睛本身变成相机能清晰识别的彩色目标，从而使眼动追踪更准确、更稳健，并更易在真实世界中使用。

为什么追踪眼睛这么难

现代眼动追踪器通常像高端相机一样工作，观察黑色的瞳孔和眼表面的反射。理论上，这些特征能揭示你的凝视方向；但在实践中它们很脆弱。阳光、室内灯光以及窗户或树木的反射会弄乱图像。眼睑和睫毛会部分遮挡瞳孔。天然眼睛在颜色和对比度上也因人而异。因此，软件常常难以可靠地找到瞳孔，尤其是在使用简单、低成本相机时。这种脆弱性是从虚拟现实头显到驾驶员监控系统和临床工具等日常应用的主要障碍。

带有隐秘用途的装饰性镜片

研究人员意识到，与其强迫算法去应对裸眼的各种怪癖，不如温和地重新设计相机所看到的内容。他们采用了广泛使用的装饰性隐形眼镜——人们常戴来改变眼睛外观颜色的廉价镜片——并在虹膜周围精确印制了一圈彩色图形。该环带使用了三种基本光色：蓝色带上分布着十二个鲜亮的绿色圆点，每两个绿色圆点之间间隔以一个很小的红点。因为红、绿、蓝三色在色彩空间中相距甚远，即便是廉价的RGB相机也能轻易分辨出它们。该图案位于视区边缘，因此不会阻挡视线，但相机从侧面观察时仍可见。镜片材料本身薄且透氧、亲水，实验室测试显示高细胞存活率且无染料泄漏，表明这些镜片在延长佩戴下安全且舒适。

将色彩图案转化为精确的凝视

佩戴这些有图案的镜片后，眼动追踪变成了几何与颜色的问题，而不是脆弱的瞳孔检测任务。简单的图像处理步骤首先分离出蓝环上的明亮绿色圆点，然后在每帧图像中计算这些圆点的中心位置。因为圆点的大小和间距已知，软件据此建立图像中它们位置与实际凝视方向之间的映射。在带有机械眼模型的测试中，即使只用少量参考点进行校准，该映射也实现了小于一度的角度误差。红点则发挥不同作用：当眼球快速移动且相机无法将其冻格时，这些红点会拉伸成红色条迹。通过跟踪这些条迹的骨架并结合邻近静止帧的信息，系统能恢复眼动路径的缺失部分，即使在快速移动期间也能提供连续追踪。

在真实人群与真实场景中的可靠追踪

人体测试表明，这种方法在实验室之外也能很好地工作。志愿者佩戴特殊镜片和一个轻量的头戴追踪器，追踪器配有两台离轴相机观察眼睛，第三台相机记录场景。在不同光照条件下——室内、窗边和户外——绿色圆点特征在约93%的图像中被识别，而裸眼的传统基于瞳孔的方法识别率不到55%。跨越不同眼部特征的多名被试中，眼位测量的精确度和稳定度均优于一度，并且这种性能在至少六小时的连续佩戴中保持稳定。系统还可以利用圆点的三维布置检测并在很大程度上校正相机相对于眼睛的位移，将由滑移引起的大错误减少到仅几度。实际演示包括从网格图像中挑选包含自行车的图像、分析某人凝视如何在文本行间移动，以及在户外随场景和阳光变化追踪移动标记。

这对日常基于眼睛的交互意味着什么

对非专业读者而言，核心信息很直接：通过在普通隐形眼镜上添加精心设计的彩色图案，研究人员让相机更容易识别眼睛。系统不再与微弱的天然特征搏斗，而是锁定随眼球精确移动的明亮且间隔明确的标志点。这一改变提高了可靠性，使精度维持在眼睛最清晰视野覆盖的极小角度范围内，并能在办公场所到城市广场等现实场景中工作。这些增强型装饰隐形眼镜有望将基于眼控的界面、更自然的虚拟与增强现实，以及用于研究注意力和认知的精细工具，从专门实验室带入日常设备中。

引用: Zhu, H., Huang, H., Yang, H. et al. Spatial-chromatic encoding cosmetic contact lenses for enhanced natural eye tracking. Nat Commun 17, 2289 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68918-y

关键词: 眼动追踪, 智能隐形眼镜, 人机交互, 凝视估计, 增强现实