Theo dõi mắt là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về theo dõi mắt (eye-tracking)

Theo dõi mắt là một phương pháp đo lường và ghi lại chuyển động của mắt người trong không gian hai chiều hoặc ba chiều. Mục tiêu chính là xác định vị trí mà người dùng đang nhìn, trong bao lâu và theo trình tự như thế nào. Công nghệ này không chỉ cho biết mắt đang hướng về đâu, mà còn tiết lộ quá trình nhận thức, sự chú ý và ý định của người quan sát.

Trong các ứng dụng khoa học thần kinh, theo dõi mắt giúp các nhà nghiên cứu phân tích mối liên hệ giữa hoạt động thị giác và chức năng não bộ. Trong lĩnh vực tiếp thị và thiết kế sản phẩm, nó cho thấy rõ cách người tiêu dùng tương tác với giao diện hoặc bao bì. Hệ thống này thường bao gồm phần cứng ghi nhận (như camera hoặc kính đeo) và phần mềm xử lý dữ liệu để dựng lại hành vi thị giác.

Một số lĩnh vực ứng dụng phổ biến của công nghệ theo dõi mắt:

• Tâm lý học nhận thức
• Phân tích UX/UI trong thiết kế phần mềm và trang web
• Chẩn đoán và nghiên cứu rối loạn thần kinh
• Huấn luyện trong mô phỏng hàng không và quân sự
• Hệ thống an toàn chủ động trong ngành ô tô

Nguyên lý hoạt động của thiết bị theo dõi mắt

Các thiết bị theo dõi mắt hiện đại hoạt động chủ yếu dựa trên kỹ thuật chiếu hồng ngoại kết hợp với camera ghi hình tốc độ cao. Một chùm tia hồng ngoại được chiếu vào mắt, tạo ra phản xạ tại bề mặt giác mạc. Camera ghi lại vị trí của phản xạ này cùng với trung tâm đồng tử, sau đó phần mềm sẽ tính toán vị trí nhìn (gaze point) dựa trên mô hình hình học ba chiều.

Mô hình đơn giản để xác định vị trí nhìn có thể biểu diễn như sau: $G = f(P, C)$, trong đó $G$ là tọa độ điểm nhìn, $P$ là tọa độ đồng tử, $C$ là vị trí phản xạ giác mạc. Phép chiếu ngược từ hình ảnh camera giúp xác định chính xác vị trí tương đối của mắt so với màn hình hoặc môi trường thực tế.

Các hệ thống hiện nay thường đạt độ chính xác từ 0.5 đến 1 độ thị giác, tương đương với vài milimet trên màn hình máy tính. Một số thiết bị cao cấp tích hợp thuật toán hiệu chỉnh cá nhân (calibration) giúp giảm sai số do hình dạng mắt hoặc khoảng cách sử dụng. Bảng dưới đây so sánh các thông số kỹ thuật cơ bản của hai loại thiết bị phổ biến:

Thông số	Eye-tracker cố định (desktop)	Eye-tracker gắn trên đầu (wearable)
Độ chính xác trung bình	~0.5° thị giác	~1.0° thị giác
Tần số mẫu (sampling rate)	60–1200 Hz	50–250 Hz
Độ trễ (latency)	10–30 ms	50–100 ms

Các loại công nghệ theo dõi mắt

Hiện nay có bốn nhóm công nghệ chính được sử dụng để theo dõi mắt, mỗi loại phù hợp với mục đích sử dụng và môi trường nghiên cứu khác nhau. Mỗi phương pháp có nguyên lý hoạt động, độ chính xác và mức độ can thiệp vào trải nghiệm người dùng khác biệt.

• Theo dõi bằng camera (video-based): Sử dụng camera ghi lại chuyển động mắt kèm ánh xạ phản xạ giác mạc. Đây là phương pháp phổ biến nhất trong nghiên cứu và thương mại.
• Điện sinh học (Electrooculography - EOG): Dựa trên điện thế sinh ra khi mắt chuyển động, thường dùng trong nghiên cứu y học hoặc khi không thể dùng camera.
• Ánh xạ phản xạ (Pupil-corneal reflection): Dùng ánh sáng hồng ngoại để tạo phản xạ tại bề mặt giác mạc, từ đó xác định góc nhìn. Phù hợp với nghiên cứu tâm lý học tinh vi.
• Thiết bị gắn trên kính/mũ: Cho phép người dùng di chuyển trong môi trường thực, thường dùng trong các nghiên cứu về hành vi tự nhiên hoặc thể thao.

So sánh tổng quát giữa các loại công nghệ:

Công nghệ	Ưu điểm	Hạn chế
Video-based	Chính xác cao, không xâm lấn	Yêu cầu cố định đầu, nhạy với ánh sáng
EOG	Không phụ thuộc vào ánh sáng môi trường	Độ phân giải thấp, không xác định được điểm nhìn chính xác
Reflection-based	Hiệu quả trong môi trường có kiểm soát	Yêu cầu hiệu chỉnh kỹ càng
Wearable	Di động, phù hợp cho môi trường thực	Trọng lượng, ảnh hưởng đến hành vi tự nhiên

Ứng dụng trong nghiên cứu hành vi và thần kinh học

Trong ngành thần kinh học và tâm lý học nhận thức, theo dõi mắt là một công cụ không xâm lấn giúp hiểu rõ cách não bộ xử lý thông tin thị giác. Dữ liệu từ thiết bị theo dõi mắt cho phép phân tích quá trình đọc, xử lý ngôn ngữ, nhận dạng khuôn mặt, và cơ chế ra quyết định. Nó cũng được dùng để phát hiện các biểu hiện tiềm ẩn của bệnh lý như Parkinson, Alzheimer và chứng tự kỷ.

Một số ví dụ điển hình:

• Trong nghiên cứu về ADHD, trẻ có xu hướng nhảy điểm nhìn nhiều và thiếu ổn định trong các bài kiểm tra thị giác.
• Người mắc chứng tự kỷ thường tránh giao tiếp bằng mắt, và điều này được thể hiện rõ qua dữ liệu heatmap từ eye-tracker.

Một nghiên cứu tại Viện Max Planck đã chỉ ra mối liên hệ giữa hoạt động vùng não trán và các mẫu nhìn trong bài toán ra quyết định. Công nghệ theo dõi mắt không chỉ phản ánh hoạt động thị giác, mà còn là cửa sổ trực tiếp vào quá trình hoạt động của bộ não.

Ứng dụng trong thiết kế giao diện người dùng và tiếp thị

Trong lĩnh vực thiết kế giao diện người dùng (UI/UX) và marketing, theo dõi mắt được sử dụng để hiểu rõ cách người dùng tương tác với hình ảnh, văn bản, và bố cục trên màn hình. Dữ liệu điểm nhìn giúp phát hiện vị trí người dùng chú ý đầu tiên, thời gian tập trung vào một khu vực cụ thể và những vùng bị bỏ qua hoàn toàn. Đây là cơ sở để tối ưu hóa trải nghiệm người dùng, tăng tỷ lệ chuyển đổi và cải thiện hiệu quả truyền thông hình ảnh.

Một ví dụ điển hình là kỹ thuật phân tích bản đồ nhiệt (heatmap), trong đó các vùng được nhìn nhiều sẽ hiển thị màu đỏ hoặc cam, trong khi vùng ít được nhìn có màu xanh hoặc không có màu. Dưới đây là các chỉ số phổ biến được phân tích trong một thử nghiệm eye-tracking:

• First Fixation: Vị trí mà người dùng nhìn đầu tiên sau khi giao diện xuất hiện.
• Total Fixation Duration: Tổng thời gian mắt người dùng dừng lại trên một yếu tố cụ thể.
• Saccade Path: Trình tự di chuyển của mắt từ điểm này sang điểm khác.
• Scanpath Visualization: Sơ đồ kết nối các điểm nhìn để phân tích luồng chú ý.

Dữ liệu từ theo dõi mắt cũng giúp các nhà thiết kế phát hiện “điểm mù giao diện” – những khu vực quan trọng nhưng không được người dùng chú ý. Điều này cho phép điều chỉnh lại kích thước, vị trí, màu sắc hoặc hoạt ảnh để thu hút sự chú ý hiệu quả hơn.

Tham khảo nghiên cứu và công cụ chuyên sâu tại Nielsen Norman Group: https://www.nngroup.com/topic/eye-tracking/

Ứng dụng trong ngành ô tô và hàng không

Trong ngành công nghiệp ô tô, theo dõi mắt được tích hợp vào hệ thống giám sát tài xế (Driver Monitoring System - DMS) nhằm phát hiện các dấu hiệu như mệt mỏi, mất tập trung, hoặc buồn ngủ. Khi hệ thống phát hiện tài xế không nhìn đường trong một khoảng thời gian nhất định, nó có thể phát tín hiệu cảnh báo hoặc kích hoạt các hệ thống an toàn như phanh tự động.

Công nghệ này cũng đang được triển khai trong khoang lái xe tự hành để đảm bảo rằng tài xế vẫn sẵn sàng can thiệp khi cần thiết. Một số chỉ số theo dõi trong ngành ô tô:

• Hướng nhìn (gaze direction)
• Tần suất chớp mắt (blink rate)
• Thời gian không chú ý (inattention time)

Tập đoàn Bosch là một trong những đơn vị tiên phong triển khai hệ thống theo dõi mắt trong xe hơi: Bosch Driver Monitoring Systems

Trong ngành hàng không và quân sự, eye-tracking được tích hợp vào buồng mô phỏng huấn luyện để đánh giá sự chú ý của phi công và phân tích quy trình xử lý tình huống. Những sai lệch trong mẫu nhìn có thể cho thấy thiếu sót trong huấn luyện hoặc cảnh báo nguy cơ sai lầm trong điều kiện áp lực cao.

Thách thức kỹ thuật và giới hạn

Mặc dù công nghệ theo dõi mắt ngày càng chính xác và dễ tiếp cận, vẫn tồn tại nhiều thách thức kỹ thuật cản trở việc áp dụng đại trà hoặc sử dụng trong môi trường linh hoạt. Một trong những vấn đề lớn là độ nhạy với điều kiện ánh sáng. Ánh sáng mạnh hoặc thay đổi liên tục có thể ảnh hưởng đến phản xạ giác mạc, khiến camera không ghi nhận chính xác được chuyển động mắt.

Bên cạnh đó, yếu tố sinh học như kích thước đồng tử, màu mắt, mí mắt sụp, hay người dùng đeo kính cũng ảnh hưởng đến khả năng nhận diện. Ngoài ra, chuyển động đầu liên tục hoặc góc nhìn không chính diện làm tăng độ trễ và giảm độ chính xác.

Tóm tắt một số giới hạn kỹ thuật thường gặp:

Vấn đề	Ảnh hưởng
Ánh sáng không ổn định	Giảm chất lượng hình ảnh, sai lệch vị trí nhìn
Chuyển động đầu	Gây mất tín hiệu theo dõi
Người dùng đeo kính	Gây phản xạ phụ, làm nhiễu dữ liệu
Đặc điểm sinh học cá nhân	Cần hiệu chỉnh riêng (calibration)

Đạo đức và quyền riêng tư trong theo dõi mắt

Theo dõi mắt không chỉ cung cấp dữ liệu về hành vi thị giác, mà còn có thể tiết lộ thông tin cá nhân như trạng thái cảm xúc, ý định, hoặc mức độ nhận thức. Do đó, việc thu thập và sử dụng dữ liệu theo dõi mắt đặt ra nhiều câu hỏi về quyền riêng tư và đạo đức. Nếu không được kiểm soát, công nghệ này có thể bị lạm dụng trong các hệ thống giám sát hoặc thao túng hành vi.

Một số nguyên tắc đạo đức cần được tuân thủ:

• Người dùng phải được thông báo rõ về việc thu thập và sử dụng dữ liệu.
• Dữ liệu theo dõi mắt phải được mã hóa và lưu trữ an toàn.
• Không sử dụng dữ liệu để thao túng hành vi mà không có sự đồng thuận.

Các tổ chức công nghệ và nghiên cứu cần tuân theo các hướng dẫn đạo đức quốc tế như ACM Code of Ethics để đảm bảo rằng công nghệ phục vụ con người một cách minh bạch và tôn trọng quyền cá nhân.

Kết luận

Theo dõi mắt là một công nghệ mạnh mẽ, có khả năng thay đổi cách chúng ta hiểu và tối ưu hóa hành vi người dùng, hoạt động thần kinh và các hệ thống tương tác người-máy. Từ nghiên cứu học thuật đến ứng dụng thương mại, eye-tracking đang chứng minh vai trò quan trọng trong thời đại dữ liệu và trí tuệ nhân tạo.

Tuy nhiên, đi cùng với tiềm năng là các thách thức về kỹ thuật và đạo đức cần được giải quyết đồng bộ. Chỉ khi đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và sự minh bạch trong sử dụng, công nghệ này mới có thể phát triển bền vững và được xã hội chấp nhận rộng rãi.

Tài liệu tham khảo

1. Duchowski, A. T. (2017). Eye Tracking Methodology: Theory and Practice. Springer.
2. Holmqvist, K., Nyström, M., Andersson, R., Dewhurst, R., Jarodzka, H., & Van de Weijer, J. (2011). Eye tracking: A comprehensive guide to methods and measures. Oxford University Press.
3. Tobii Pro: What is Eye Tracking?
4. Holmqvist et al., 2019. Eye Tracking in Psychology
5. Eye-Tracking Technology and Its Applications: A Review
6. Nielsen Norman Group: Eye Tracking
7. Bosch Driver Monitoring Systems
8. ACM Code of Ethics and Professional Conduct