Cómo construir un sistema de presentación de dicópticos que incluye un Eye Tracker

Behavior

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Summary

Recientemente hemos propuesto un método que permite la presentación de estímulos visuales dicópticos y binocular ojo al mismo tiempo de seguimiento1. La clave es la combinación de un tracker de ojo infrarrojo y los espejos infrarrojos transparente correspondientes. Este manuscrito ofrece un detallado protocolo de configuración inicial y operación diaria.

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Qian, C. S., Brascamp, J. W. How to Build a Dichoptic Presentation System That Includes an Eye Tracker. J. Vis. Exp. (127), e56033, doi:10.3791/56033 (2017).

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Abstract

La presentación de diferentes estímulos a los dos ojos, presentación dicópticos, es esencial para estudios con visión 3D y la supresión interocular. Hay una creciente literatura sobre el único valor experimental de medidas pupilares y oculomotoras, especialmente para la investigación sobre la supresión interocular. Aunque la obtención de medidas de seguimiento de ojo así se beneficiarían estudios que utilizan dicópticos presentación, el hardware esencial para dicópticos presentación (p. ej. espejos) a menudo interfiere con la alta calidad ojo de seguimiento, especialmente cuando se usa un ojo basado en video Tracker. Recientemente hemos descrito un montaje experimental que combina un sistema de presentación de dicópticos estándar con un perseguidor del ojo infrarrojo utilizando espejos infrarrojos transparente1. La configuración es compatible con monitores estándar y ojo seguidores, fáciles de implementar y económicos (del orden de US$ 1.000). Comparado con los métodos existentes tiene las ventajas de no requerir equipo especial y plantear algunos límites en la naturaleza y la calidad del estímulo visual. Aquí ofrecemos a una guía visual para la construcción y uso de nuestra configuración.

Introduction

Bajo condiciones de visión normal cada uno de nuestros ojos recibe una entrada visual ligeramente diferente. Esta entrada es procesada para producir una representación coherente y tridimensional del mundo. Dicópticos presentación, la práctica de controlar independientemente la entrada presentada a cada uno de los dos ojos, por lo tanto permite a los investigadores estudiar cómo los seres humanos reconstrucción una representación tridimensional de dos imágenes retinianas bidimensional2 ,3,4. Además, si las imágenes de los dos ojos son demasiado disímiles, esta combinación interocular falla y observadores en su lugar Informe percepción de sólo una de las imágenes a la vez mientras la otra permanece suprimida, en fenómenos como rivalidad binocular5 y supresión continua de flash6. Los investigadores de tal supresión interocular, también utilizan dicópticos presentación, en este caso para examinar cuestiones relacionadas a temas como el lugar geométrico de nervios de conciencia7, selección perceptual8,9e inconsciente procesamiento de10.

Dinámica de la mirada y la pupila se registra para múltiples propósitos en la investigación sobre comportamiento humano y la percepción. Dirección de la mirada puede informar sobre, por ejemplo, atención asignación11,10,13 y decisión de hacer14, mientras que el tamaño de la pupila puede revelar aspectos de procesamiento visual15, 16, tarea compromiso17o18de la inteligencia fluida.

Combinación de eye tracking con dicópticos presentación es útil en la investigación en, por ejemplo, tres dimensiones (3D) percepción19,20,21,22 o respuestas oculares a visual de entrada durante la supresión interocular23,24,25. Por ejemplo, movimientos de los ojos se han encontrado para revelar procesamiento inconsciente sin percepción subjetiva durante la continua supresión de flash23. Clínicos investigadores visuales pueden utilizar la capacidad para realizar un seguimiento de ambos ojos durante presentación dicópticos para investigar enfermedades oculares que afectan los dos ojos asimétrico, por ejemplo, para controlar las distorsiones visuales monoculares y binoculares en la ambliopía26 y maculopathy27.

Recientemente hemos descrito un configuración1 que permite la combinación de alta calidad basada en video ojo seguimiento y estimulación dicópticos con poca limitación en el tamaño o el color de los estímulos, y se evaluó su desempeño. A continuación vamos a resumir la construcción y el uso de esta configuración.

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Protocol

este protocolo ha sido aprobado por el institucional de juntas de la Universidad Estatal de Michigan.

1. construcción del sistema

  1. fundamento
    1. preparar la configuración de espejo, una variante del clásico Wheatstone estereoscopio 28 ilustrado en figura 1 , que consiste en dos espejos colocados en un ángulo de 45° en relación con el participante ' línea media s. Los espejos reflejan estímulos de dos pantallas que se colocan en extremos opuestos de una mesa, uno frente al otro.
    2. Asiento a un participante frente a los espejos y que ve una pantalla diferente, reflejada por un espejo diferente, con cada ojo. Para mejores resultados, utilice un soporte de cabeza para estabilizar el participante ' cabeza.
    3. Colocar un rastreador sensibles al infrarrojo basado en video ojo, incluyendo una cámara y un iluminador, frente al participante, pero detrás de los espejos. El perseguidor del ojo está representado por un cuadro en la figura 1.
      Nota: Uno de los desafíos cuando se trata de un seguimiento de los ojos en las configuraciones normales de este tipo, es que los ojos estén bloqueados por los espejos.
    4. Utiliza dos espejos de frente a la superficie, a menudo anunciados como " espejos fríos " (ángulo de incidencia: 45°), que cuentan con reflectancia casi completo de longitudes de onda visibles y casi total transmisión de longitudes de onda de infrarrojo cercano (ver tabla 1 para una detallada información acerca de los espejos).
      Nota: Tales espejos se pueden obtener a través de compañías suministradoras de equipos ópticos con fines científicos e industriales, que generalmente componentes tales como ' espejos fríos ' o como un tipo de ' espejos dicroicos ' (ver más detalle en materiales / Tabla de equipamiento). < tr >
      instalación 1 Configuración 2
      espejos de dimensiones 10.10 × 12,70 cm 10.10 cm x 12,70 cm
      reflectancia 400 ~ 690 nm 425 ~ 650 nm
      transmisión 750 ~ 1200 nm 800 ~ 1200 nm
      eye Tracker marca investigación final Eye Tracker cliente grado Eye Tracker
      transmisión 890 ~ 940 nm alrededor 850 nm

      Tabla 1. Detalles de las dos versiones de la configuración con la que hemos trabajado.
      El rastreador de ojos ' rango de longitud de onda de transmisión de s es cubierta por los espejos ' rango de transmisión en un ángulo de incidencia de 45°, pero fuera de su rango de reflectancia.
  2. Estructura de la configuración
    1. construir la instalación encima de un escritorio. Además de los espejos y ojos, consta sólo de tres elementos a la medida hechos de fibra de madera (ver figura 2 para una guía de montaje) y tiendas de suministros de dos monitores de pantalla plana monitor-armas disponibles de oficina normal.
    2. Elementos de fibra de madera
      1. construir el marco de la instalación de tres componentes de tableros de fibras: un componente central y tablas de referencia dos en cada lado (ver figura 1 para el posicionamiento general, mesa 2 dimensiones detalladas, y figura 2 para una guía de montaje de cada componente). Pintar todas las piezas en negro mate para reducir la dispersión de la luz.
        Nota: El componente central (ver figura 2B y 2D) tiene los espejos y ojos. Ambos están en la misma meseta, manteniendo así el tracker ojo participantes ' ojo nivel.
      2. Colocar el elemento superior de este componente que deja 8 cm de profundidad en el frente de la mesa. Tal arreglo permite suficiente espacio para que el participante ' s cara cuando se estabilizó en el soporte de cabeza y evita la condensación en los espejos durante la espiración, reduciendo al mínimo la distancia entre el participante ' ojos s y los espejos para maximizar la posible uso del participante ' campo de visión de s.
      3. Posición de los dos tableros de referencia directamente por debajo de los monitores (ver figura 1 para la colocación y paneles de la figura 2 A y C para una guía de montaje) para la fácil calibración manual de las pantallas. Tenga en cuenta que el desplazamiento aparente en la figura 1 entre pantalla y teclado es debido a la profundidad limitada de señales en la imagen; los tableros están directamente por debajo de los monitores en ambos lados.
      4. Exactamente alinear los horizontals largo con los bordes de la mesa, mientras que las verticales largo dejan 4 cm más allá del frente de la mesa para facilitar la estabilización de una tabla de calibración (véase abajo) para estos tableros. Las dos verticales pequeños asegurará la permanencia larga vertical vertical como referencia para los monitores de.
      5. , Utilizar otro pedazo de fibra de madera como una tabla de calibración (ver figura 3). En este caso, después de obtener una posición óptima de un monitor, coloque la placa de calibración contra la Junta de referencia e indicar las posiciones de la tabla de referencia y el monitor en la placa de calibración estando en su lugar (en el ejemplo de < fuerte clase = "xfig" > Figura 3, listones de madera proporcionan estas indicaciones).
      6. Cuando este lo desee la posición del monitor se pierde (accidentalmente o porque otros experimentos requieren una posición diferente), recuperar esa posición mediante el uso de las marcas en la placa de calibración para volver a poner la tabla de calibración en el mismo lugar relativo a la Junta de referencia que tiene una posición fija en el escritorio. Subir el monitor nuevamente a línea con las marcas correspondientes (véase el paso 2.1.1. para más detalles).
        componente dimensiones (cm) número de observación
        componente Central < / TD > 80 × 25 × 2 1 tapa Horizontal
        23 × 25 × 2 1 Horizontal inferior
        21 × 32 × 2 1 Vertical central
        32 × 25 × 2 1 frontal vertical
        Tablas de referencia 61 × 11 × 2 2 largo horizontal
        66 × 29 × 2 2 vertical largo
        11 × 15 × 2 4 vertical pequeño

        Tabla 2. Detalles de los componentes de fibra de madera.
    3. Monitores y espejos
      1. Coloque la instalación encima de un escritorio de oficina estándar.
      2. Montar dos monitores de pantalla plana en brazos del monitor estándar fijados al lado de la mesa (sujeción de la Junta de referencia y el escritorio). Estas armas permiten traducción en tres dimensiones, así como rotación en el plano de la pantalla. Los monitores CRT convencionales son claramente también es compatible con la configuración, pero no la misma flexibilidad en términos de posicionamiento y reposicionamiento.
      3. Montar los espejos en soportes de espejo que se venden con la finalidad de los mismos proveedores que stock espejos fríos. Conectar estas monturas a la Junta de fibra que sostiene el espejo en participantes ' nivel del ojo. Posición de los espejos para tocar en un 90° de ángulo en el centro, justo antes del participante ' nariz de s.
    4. Restante elementos
      Nota: algunos experimentos requieren participantes no ver las pantallas de la esquina de sus ojos, para que una línea de vista directa a las pantallas (las líneas punteadas en la Figura 4A) debe evitarse.
      1. En ese caso, crear " anteojeras " de cartón negro y correas de agujero acolchado pintadas en negro y fijar a los postes de la cabeza del resto (ver Figura 4B). Ajuste de las anteojeras en altura y ángulo para dar cabida a participantes individuales. Si la pared de enfrente el participante tiene de alta reflectancia, cuelga un trozo de tela negra ayudará a remediar esto.

2. Utilizando el sistema

  1. calibración de Hardware
    Nota: el propósito de la calibración es lograr una alineación satisfactoria de los dos monitores para facilitar la fusión de los dos monitores ' imágenes para cada participante. Esto se logra en dos pasos: calibración de hardware (descrito aquí) y calibración del software (descrito a continuación).
    1. Cuando se utiliza una tabla de calibración, como se describe arriba, alinear con una de las tablas de referencia, en lugar con una abrazadera en C si es necesario, y luego mover el monitor correspondiente a alinearse con las líneas de referencia deseada en la tabla de calibración. Los monitores deben ser paralelos entre sí, y cada uno debe estar directamente por encima de su Junta de referencia.
    2. Al usar anteojeras, moverlos al participante ' s nivel de ojos y les haga una ligera rotación hacia la línea media, es decir, más hacia el interior, en comparación con la orientación de los monitores. Asegúrese de que cada ojo puede ver el estímulo conjunto visual en el espejo sin ver nada de eso directamente. Girar la venda de los ojos hacia el, y no lejos de la línea media reducirá al mínimo los participantes ' exposición a otros entrada visual.
  2. Calibración del software
    1. ya que los participantes pueden variar en su posición del ojo en relación con los espejos a pesar del uso de un soporte de cabeza, calibrar más antes de hacer experimentos. Esta parte es más fácil de hacer en el software, es decir, sin mover la configuración ' s partes cualquier aún más. Hay dos métodos posibles.
      1. Para la primera, presentan un punto en cada una de las dos pantallas en alternancia, y dar instrucciones al participante para eliminar el cambio de percepción de la posición moviendo el punto en una de las pantallas (o ambos en direcciones opuestas).
      2. Para el segundo método, instruir al participante para alinear los marcos de estímulos experimentales en vez de dos puntos para que ambos ojos ' se alinean los campos de visión críticos al experimento particular.
    2. Después de aplicar cualquier método, centro de los estímulos en el experimento en el que las posiciones en la pantalla. Otros aspectos de la configuración de pantallas y estímulos para dicópticos presentación en general se puede encontrar en otros lugares 5.

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Representative Results

Después de la calibración descrita en el protocolo, se realizó un procedimiento de calibración validación sin problemas con los espejos en el lugar. La eficacia del método es ilustrada claramente por figura 5, que muestra la imagen de la cámara (usando un ojo de final de la investigación sistema de seguimiento) con los retrovisores. Los dos conjuntos de líneas paralelas a lo largo de la nariz de los participantes y las líneas por encima de las cejas son los bordes de los espejos pero, sin embargo, es tan clara dentro de ese marco como es fuera de la cara. Esto pone de relieve la falta de pérdida de señal en las longitudes de onda registradas por la cámara. Una evaluación formal mostraron previamente alumnos tamaño, sacada y los resultados de la búsqueda lisa equivalente con espejos y sin espejos1. Describimos a una parte representativa de esa evaluación.

Se realizó un corto experimento con sólo un espejo en lugar de comparar los resultados con y sin el espejo. El participante hizo Movimientos sacádicos a diferentes ubicaciones en la pantalla. El perseguidor del ojo no perdia las muestras para cada ojo. Las correlaciones promedio en el ángulo de la mirada horizontal y ángulo vertical de la mirada fueron 0.99 (ver figura 6).

¿Cuánto cuesta?

En un laboratorio que ya tiene materiales estándar de eye-tracking como un rastreador de ojos, un resto de cabeza y monitores, el precio aproximado de los componentes adicionales acercaría a US$ 1, 000. Este precio se compara favorablemente a algunas alternativas tales como gafas de sistemas29 en el momento de la publicación (2017). Espejos: $400; los titulares del espejo: $150; fibra de madera, pegamento, etc.: $100; controlar los brazos: $300. El costo de un perseguidor del ojo puede variar desde $100 a más de $25.000 dependiendo de factores como la precisión y la velocidad de muestreo (ver más opciones en 30).

¿Qué tan bien funciona para seguidores de ojos de diferente?

Dos tipos de seguidores de ojo infrarrojo fueron evaluados previamente en cuanto a la calidad de la vista de datos1. Son un seguidor de ojo fin de investigación montado en escritorio y un rastreador de ojos de calidad para consumidores, cada uno en combinación con un par de espejo ligeramente diferente (ver tabla 1 para más detalles). Las especificaciones del producto indican que ambos seguidores deberían funcionar bien con esta configuración, y esto es corroborado por el de evaluación publicados1. Más opciones para los seguidores del ojo pueden encontrarse en 30.

¿Cómo evitar la interferencia del iluminador infrarrojo del perseguidor de ojo?

La longitud de onda de la luz transmitida por el iluminador infrarrojo del perseguidor de ojo se extiende en la gama visible. Los participantes, por tanto, a veces ver la matriz roja o puntos a través de los espejos, especialmente durante el procedimiento de calibración validación cuando la pantalla es negro. La gravedad de la preocupación depende el diseño experimental, por ejemplo, evitar de usar el color rojo en el estímulo disminuye la posibilidad de confusión potencial. Además, los experimentadores pueden aumentar la luminancia de fondo para que los puntos rojos son apenas visibles, y algunos seguidores de ojo permiten el poder iluminador de ser rechazado. Por otra parte, en los casos donde el estímulo de interés abarca una parte relativamente pequeña de la pantalla, el iluminador se puede mover no se superponen a esta parte.

¿Cuál es el tamaño máximo del campo de visión?

La configuración actual podría cubrir más de 30 grados de ángulo visual vertical y horizontalmente.

¿Cuánto tiempo tarda para construir la instalación y calibración de cada participante?

Construyendo el sistema toma un día si se dispone de todos los materiales y equipos. Tarda menos de 10 min para calibrar a cada participante en la presentación dicópticos y sistema de seguimiento del ojo.

Figure 1
Figura 1 . Ilustración esquemática de la configuración.
La configuración en un escritorio de oficina, y el participante es sentado en el escritorio y mirando en un espejo diferente con cada ojo. Aunque no es estrictamente necesaria, se obtienen mejores resultados apoyando la cabeza del participante con un soporte de cabeza montada a un lado de la mesa. (Tenga en cuenta que el desplazamiento aparente entre la pantalla y tablero en el lado derecho es debido a la profundidad limitada de señales en la imagen). La figura ha sido adaptada de 1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2 . Una guía de montaje de las tablas de referencia (paneles A y C) y el componente central (paneles B y D).
Paneles A y C sólo Mostrar la placa de referencia que está en el lado izquierdo de la configuración; la Junta de referencia a la derecha es la imagen espejo de la izquierda, es decir, con las pequeñas placas vertical apuntando alejada de la línea media. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3 . Tabla de calibración.
En este ejemplo, listones de madera toman un papel que también se puede realizar por líneas dibujadas. Un listón vertical y un rastro de listón horizontal alrededor de la esquina de la pantalla cuando está en la posición correcta. Otro listón vertical en la parte inferior del tablero quede alineado con el lado corto de la Junta de referencia (tablero vertical largo) cuando está en la posición correcta. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4 . Demostración de la venda de los ojos.
Las anteojeras evitar una línea de vista directa a las pantallas (líneas discontinuas). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

p-together.within-page = "1" >Figure 5
Figura 5 . Marco de visión de la cámara durante dicópticos presentación, mostrando ligeramente los bordes de los espejos pero si no mostrando ninguna obstrucción debido a los espejos.

Figure 6
Figura 6 . Los datos recogidos de los representativos participantes utilizando el rastreador de ojos investigación final durante una tarea de la sacudida.
Las líneas punteadas verticales indican cambios en la posición de destino. La figura ha sido adaptada de 1.

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Discussion

Presentamos una guía paso a paso para la construcción y el uso de una instalación experimental que permite el seguimiento simultáneo de ambos ojos y dicópticos presentación de estímulos visuales. En muchas situaciones donde se utiliza la estimulación dicópticos, la cuestión crítica prevención seguimiento ocular eficaz es que los espejos para presentación dicópticos bloquean la vista de los seguidores de ojo basado en video. Esto se resuelve aquí mediante espejos infrarrojos-transparente y un rastreador de ojos sensibles al infrarrojo. Esta configuración permite a los investigadores de la visión 3D, supresión interocular o investigación clínica recoger datos de seguimiento de ojos de alta calidad utilizando grandes, estímulos de colores arbitrariamente.

Esta configuración puede modificarse en base a las necesidades experimentales. Si los estímulos de ambos ojos son suficientemente pequeños5 para caber en una sola pantalla, cuatro espejos con una pantalla podrían ser suficiente para lograr seguimiento de ojo con dicópticos presentación. En ese caso, se colocaría dos espejos frente a la superficie más (infrarrojo de transparencia no exigida) periférica y paralelo a las actuales espejos, que reflejan los estímulos visuales en la pantalla los espejos actuales (ver referencia 5 para la colocación de espejos en un estereoscopio de espejo estándar).

Hay algunas limitaciones de este montaje experimental. Uno es la potencial contaminación visual del iluminador del rastreador de ojos mencionado en los resultados representativos. En segundo lugar, si el color de los estímulos visuales es irrelevante, gafas anaglifo podrían ser una mejor opción en términos de costo, especialmente si no es crítico que separación de imágenes los dos ojos no siempre es completa cuando utilice gafas anaglifo.

En comparación con técnicas que se basan en la grabación no óptica directamente a los ojos, por ejemplo, electrooculografía31,32,33 y la bobina escleral técnica19,34, 35, el método propuesto es menos invasivo y permite la pupilometría. Por otro lado, algunos participantes tienen ojos que son difíciles de capturar con ojo basado en video grabación, por lo que en estos casos se prefieren métodos de grabación directa. Nuestro método también debe ser comparado con otros métodos que dependen de una señal visual. Por ejemplo, eye tracking puede lograrse con sistemas de gafas que tienen cámaras integradas en el ojo piezas36 o la muestra montada cabeza37. Sistemas de gafas tienen la ventaja que no necesitan de los participantes a permanecer todavía pero la resolución espacial y temporal de estos sistemas puede ser baja en comparación con el método propuesto. También es posible realizar grabación de vídeo ojo a través de los lentes de anáglifo gafas (gafas protectoras por ejemplo rojo-verde o rojo-azul)20,38,39, que tiene el inconveniente de limitar los colores que pueden utilizarse en los estímulos visuales que se muestra al participante. Separación de las imágenes de los ojos también puede lograrse utilizando vidrios polarizados stereo30 o estéreo activo del obturador gafas22,40,41. Estos métodos son fáciles de aplicar que la propuesta pero la calidad de estimulación visual puede sufrir de interferencia estereoscópica.

Un grupo utilizó con éxito una configuración de combinación de un estereoscopio de espejo 4 estándar con un eye tracker24,25 mediante el seguimiento de un ojo a través de una brecha entre los espejos. Aparte de permitir sólo monocular ojo seguimiento, este método tiene el inconveniente que la grabación a través de este espacio limita el tamaño de los espejos utilizados y, por tanto, el campo de visión, y que requiere de posicionamiento muy concreto del perseguidor del ojo. Como resultado, la rutina de instalación puede tomar hasta 20 minutos (Miriam Spering, comunicación personal, 07 de mayo de 2017). En comparación, el método propuesto permite un campo de visión de más de 40 grados, seguimiento de los ojos y toma alrededor de 10 minutos para terminar el proceso de calibración completa.

Hay una tendencia en la investigación que implica la supresión interocular para utilizar las respuestas pupilares y oculomotores además, o en sustitución de la tradicional botón prensa respuestas36,42,43. Por un lado, dinámica de ojo puede revelar procesamiento inconsciente, mientras que pulsar un botón generalmente señal de conciencia subjetiva24,25. Por otra parte, basándose en las respuestas de ojo puede prevenir la potencial confunde asociados con respuestas manual en experimentos26,33. Nuestro programa de instalación proporciona una solución ideal para aquellos que deseen aplicar esta combinación de supresión interocular y eye tracking.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgements

Los autores agradecen a Pieter Schiphorst por su papel en el diseño de la instalación y para proporcionar los gráficos de las figuras 1 y 3 y Marnix Naber de discusión útil y su contribución a la figura 6. Los autores también reconocen investigadores y editores de reutilización de figura 1 y 6 de un documento publicados1.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Mirrors in Setup 1 Edmund Optics  #64-452 dimensions 10.10 × 12.70 cm; Reflectance: 400 ~ 690 nm; Transmission: 750 ~ 1200nm
Mirrors in Setup 2 Edmund Optics Item discontinued dimensions 10.10 × 12.70 cm; Reflectance: 425 ~ 650 nm; Transmission: 800 ~ 1200nm
Other Mirror Option Edmund Optics #62-634 dimensions 12.50 × 12.50 cm; Reflectance: 425 ~ 650 nm; Transmission: 800 ~ 1200nm
Eye Tracker in Setup 1 SR Research Ltd., Mississauga, Ontario, Canada Eyelink 1000 Transmission: 890 ~ 940 nm
Eye Tracker in Setup 2 The Eye Tribe Aps, Copenhagen, Denmark Eye Tribe (item discontinued) Transmission: around 850 nm

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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