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Tesis Doctoral
Documento
Autor
Nombre completo
Raíza Tamae Sarkis Hanada
Dirección Electrónica
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
São Carlos, 2018
Director
Tribunal
Pimentel, Maria da Graça Campos (Presidente)
Aluisio, Sandra Maria
Morimoto, Carlos Hitoshi
Veloso, Adriano Alonso
Título en inglés
A noisy-channel based model to recognize words in eye typing systems
Palabras clave en inglés
Eye-based typing systems
Human-computer interfaces
Mor-fraenkel indices
Noisy-channel models
Resumen en inglés
An important issue with eye-based typing iis the correct identification of both whrn the userselects a key and which key is selected. Traditional solutions are based on predefined gaze fixation time, known as dwell-time methods. In an attempt to improve accuracy long dwell times are adopted, which un turn lead to fatigue and longer response limes. These problems motivate the proposal of methods free of dwell-time, or with very short ones, which rely on more robust recognition techniques to reduce the uncertainty about user's actions. These techniques are specially important when the users have disabilities which affect their eye movements or use inexpensive eye trackers. An approach to deal with the recognition problem is to treat it as a spelling correction task. An usual strategy for spelling correction is to model the problem as the transmission of a word through a noisy-channel, such that it is necessary to determine which known word of a lexicon is the received string. A feasible application of this method requires the reduction of the set of candidate words by choosing only the ones that can be transformed into the imput by applying up to k character edit operations. This idea works well on traditional typing because the number of errors per word is very small. However, this is not the case for eye-based typing systems, which are much noiser. In such a scenario, spelling correction strategies do not scale well as they grow exponentially with k and the lexicon size. Moreover, the error distribution in eye typing is different, with much more insertion errors due to specific sources, of noise such as the eye tracker device, particular user behaviors, and intrinsic chracteeristics of eye movements. Also, the lack of a large corpus of errors makes it hard to adopt probabilistic approaches based on information extracted from real world data. To address all these problems, we propose an effective recognition approach by combining estimates extracted from general error corpora with domain-specific knowledge about eye-based input. The technique is ablçe to calculate edit disyances effectively by using a Mor-Fraenkel index, searchable using a minimun prfect hashing. The method allows the early processing of most promising candidates, such that fast pruned searches present negligible loss in word ranking quality. We also propose a linear heuristic for estimating edit-based distances which take advantage of information already provided by the index. Finally, we extend our recognition model to include the variability of the eye movements as source of errors, provide a comprehensive study about the importance of the noise model when combined with a language model and determine how it affects the user behaviour while she is typing. As result, we obtain a method very effective on the task of recognizing words and fast enough to be use in real eye typing systems. In a transcription experiment with 8 users, they archived 17.46 words per minute using proposed model, a gain of 11.3% over a state-of-the-art eye-typing system. The method was particularly userful in more noisier situations, such as the first use sessions. Despite significant gains in typing speed and word recognition ability, we were not able to find statistically significant differences on the participants' perception about their expeience with both methods. This indicates that an improved suggestion ranking may not be clearly perceptible by the users even when it enhances their performance.
Título en portugués
Um modelo baseado em canal de ruído para reconhecer palavras digitadas com os olhos
Palabras clave en portugués
Digitação com os Olhos
Índices de Mor-Fraenkel
Interface Humano-Computador
Modelos baseados em Canal Ruidoso
Resumen en portugués
Um problema importante em sistemas de digitação com os olhos é a correta identificação tanto de quando uma letra é selecionada como de qual letra foi selecionada pelo usuário. As soluções tradicionais para este problema são baseadas na verificação de quanto tempo o olho permanece retido em um alvo. Se ele fica por um certo limite de tempo, a seleção é reconhecida. Métodos em que usam esta ideia são conhecidos como baseados em tempo de retenção (dwell time). É comum que tais métodos, com intuito de melhorar a precisão, adotem tempos de retenção alto. Isso, por outro lado, leva à fadiga e tempos de resposta altos. Estes problemas motivaram a proposta de métodos não baseados em tempos de retenção reduzidos, que dependem de técnicas mais robustas de reconhecimento para inferir as ações dos usuários. Tais estratégias são particularmente mais importantes quando o usuário tem desabilidades que afetam o movimento dos olhos ou usam dispositivos de rastreamento ocular (eye-trackers) muito baratos e, portanto, imprecisos. Uma forma de lidar com o problema de reconhecimento das ações dos usuários é tratá-lo como correção ortográfica. Métodos comuns para correção ortográfica consistem em modelá-lo como a transmissão de uma palavra através de um canal de ruído, tal que é necessário determinar que palavra de um dicionário corresponde à string recebida. Para que a aplicação deste método seja viável, o conjunto de palavras candidatas é reduzido somente àquelas que podem ser transformadas na string de entrada pela aplicação de até k operações de edição de carácter. Esta ideia funciona bem em digitação tradicional porque o número de erros por palavra é pequeno. Contudo, este não é o caso de digitação com os olhos, onde há muito mais ruído. Em tal cenário, técnicas de correção de erros ortográficos não escalam pois seu custo cresce exponencialmente com k e o tamanho do dicionário. Além disso, a distribuição de erros neste cenário é diferente, com muito mais inserções incorretas devido a fontes específicas de ruído como o dispositivo de rastreamento ocular, certos comportamentos dos usuários e características intrínsecas dos movimentos dos olhos. O uso de técnicas probabilísticas baseadas na análise de logs de digitação também não é uma alternativa uma vez que não há corpora de dados grande o suficiente para tanto. Para lidar com todos estes problemas, propomos um método efetivo de reconhecimento que combina estimativas de corpus de erros gerais com conhecimento específico sobre fontes de erro encontradas em sistemas de digitação com os olhos. Nossa técnica é capaz de calcular distâncias de edição eficazmente usando um índice de Mor-Fraenkel em que buscas são feitas com auxílio de um hashing perfeito mínimo. O método possibilita o processamento ordenado de candidatos promissores, de forma que as operações de busca podem ser podadas sem que apresentem perda significativa na qualidade do ranking. Nós também propomos uma heurística linear para estimar distância de edição que tira proveito das informações já mantidas no índice, estendemos nosso modelo de reconhecimento para incluir erros vinculados à variabilidade decorrente dos movimentos oculares e fornecemos um estudo detalhado sobre a importância relativa dos modelos de ruído e de linguagem. Por fim, determinamos os efeitos do modelo no comportamento do usuário enquanto ele digita. Como resultado, obtivemos um método de reconhecimento muito eficaz e rápido o suficiente para ser usado em um sistema real. Em uma tarefa de transcrição com 8 usuários, eles alcançaram velocidade de 17.46 palavras por minuto usando o nosso modelo, o que corresponde a um ganho de 11,3% sobre um método do estado da arte. Nosso método se mostrou mais particularmente útil em situação onde há mais ruído, tal como a primeira sessão de uso. Apesar dos ganhos claros de velocidade de digitação, não encontramos diferenças estatisticamente significativas na percepção dos usuários sobre sua experiência com os dois métodos. Isto indica que uma melhoria no ranking de sugestões pode não ser claramente perceptível pelos usuários mesmo quanto ela afeta positivamente os seus desempenhos.
 
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Fecha de Publicación
2018-11-08
 
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