EgoGazeLite: On-Device Egocentric Gaze Prediction for Token-Efficient Multimodal LLM Video Input
يُعد EgoGazeLite متنبئاً خفيف الوزن لتتبع نظرات العين ثنائي المعالجة يعمل على الأجهزة، مما يتيح فهماً لـفيديوهات منظور الشخص الأول بكفاءة عالية في استخدام الرموز (tokens) للنماذج اللغوية الكبيرة متعددة الوسائط من خلال قص الفيديو بدقة بناءً على النظرة المتوقعة، مما يلغي الحاجة إلى أجهزة مخصصة لتتبع حركة العين مع الحفاظ على جودة الوصف والعمل في الوقت الفعلي على الأجهزة الاستهلاكية.
تخيل أنك ترتدي نظارات ذكية يمكنها مراقبة العالم من خلال عينيك ووصف ما تفعله. يحمل هذا النوع من التكنولوجيا وعداً بمساعدة جراح في استرجاع إجراء معقد، أو توجيه ميكانيكي خلال عملية إصلاح، أو مساعدة شخص يعاني من ضعف البصر عبر سرد تفاصيل محيطه. ولإنجاز ذلك، يجب على النظارات إرسال بث فيديو إلى نظام ذكاء اصطناعي قوي قادر على فهم الصور واللغة. ومع ذلك، هناك عقبة كبيرة: إرسال فيديو عالي الدقة يتطلب كمية هائلة من البيانات، وهي أكثر بكثير مما يمكن لجهاز صغير قابل للارتداء نقله أو معالجته بسهولة. كما تعاني أنظمة الكمبيوتر التي تفهم هذه الفيديوهات عندما يتم تغذيتها بالكثير من المعلومات المرئية دفعة واحدة، حيث غالباً ما تصاب بالارتباك بسبب الحجم الهائل لعدد البكسلات.
لقد وجد الباحثون طريقة ذكية لحل مشكلة البيانات هذه من خلال التركيز فقط على ما ينظر إليه الشخص بالفعل. فبدلاً من إرسال العرض الواسع بأكمله، يمكن للنظام قص الفيديو ليظهر فقط المنطقة الصغيرة التي يثبت فيها نظر مرتديها. وهذا يقلل من كمية البيانات التي يحتاج الكمبيوتر لمعالجتها بنسبة تقارب تسعين بالمائة، مما يجعل المهمة أسرع وأقل تكلفة. وحتى الآن، تطلب هذا النهج قطعة مادية خاصة ومكلفة مدمجة في النظارات لتتبع حركات العين بدقة. وبدون هذه الأجهزة المخصصة، لم يكن النظام ليعرف أين ينظر، مما ترك إمكانات هذه النظارات الذكية غير مستغلة للمستهلكين العاديين.
وقد أثبت فريق من الباحثين الآن أن مستشعراً مخصصاً لتتبع العين ليس ضرورياً في الواقع. فقد طوروا برنامجاً برمجياً خفيف الوزن يمكنه التنبؤ بمكان نظر الشخص بمجرد تحليل تدفق الفيديو نفسه. هذا البرنامج، الذي يُدعى "EgoGazeite"، يعمل مباشرة على هاتف ذكي قياسي، وهو دقيق بما يكفي ليحل محل أجهزة الاستشعار المادية المكلفة. وقد اختبر الباحثون ذلك عن طريق تغذية مقاطع فيديو لنظام ذكاء اصطناعي، وقصها بناءً على تتبع العين الحقيقي أو التنبؤ البرمجي. ثم طلبوا من الذكاء الاصطناعي وصف الأفعال الموجودة في الفيديو. وأظهرت النتائج أن الأوصاف الناتية عن النظر المتنبأ به كانت متطابقة تقريباً مع الأوصاف الناتجة عن تتبع العين الحقيقي. وفي كل حالة اختبار، كان أداء التنبؤ البرمجي يضاهي أداء القياس المادي، مما أثبت أن النظام يمكنه العمل دون المستشعر المتخصص.
إن البرنامج نفسه يتميز بكفاءة ملحوظة؛ فهو صغير بما يكفي للعمل في الوقت الفعلي على أجهزة استهلاكية، مثل المعالج الموجود في هاتف ذكي حديث، حيث يكمل عملية التنبؤ وقص كل إطار فيديو في أقل من اثنين وعشرين مللي ثانية. وهذه السرعة أمر بالغ الأهمية لأنها تعني أن النظام يمكنه مواكبة بث الفيديو المباشر دون تأخير. وقد درب الباحثون هذا البرنامج على آلاف الساعات من الفيديو لأشخاص يقومون بمهام متنوعة، من الطبخ وإصلاح الدراجات الهوائية إلى لعب كرة القدم وإجراء الإنعاش القلبي الرئوي. وعندما اختبروا النظام على فيديوهات جديدة لم يسبق له رؤيتها، نجح في تحديد مكان نظر الشخص بدقة عالية. ويعمل البرنامج من خلال تعلم طريقتين مختلفتين للاهتمام: إحداهما تعتمد على ما هو ساطع بصرياً أو متحرك في المشهد، والأخرى تعتمد على المكان الذي كان ينظر إليه الشخص قبل لحظة وجيزة. ويجمع بين هذين القرينين لتخمين نقطة التركيز التالية.
ولضمان قوة نتائجهم، لم يعتمد الباحثون على طريقة تقييم واحدة؛ فقد استخدموا نموذجين مختلفين من النماذج اللغوية الكبيرة لتوليد أوصاف الفيديو، ثم جعلوا تلك الأوصاف تخضع للتقييم من قبل أنظمة تسجيل آلية ونماذج ذكاء اصطناعي متقدمة أخرى. وقارنوا جودة الأوصاف من النظر المتنبأ به مقابل "الحقيقة الأرضية" (البيانات الفعلية) من مستشعرات الأجهزة، ومقابل خط أساس بسيط يقوم فقط بقص مركز الشاشة. وكانت النتائج واضحة: أنتج النظر المتنبأ به أوصافاً أفضل بكثير من قص المركز، وكانت لا تختلف إحصائياً عن النظر القائم على الأجهزة. وفي الواقع، كان التنبؤ البرمجي قريباً جداً من بيانات تتبع العين الحقيقية لدرجة أن الفرق كان صغيراً جداً بحيث لا يمكن قياسه كفرق جوهري في أي من سيناريوهات الاختبار العشرة التي أجروها.
يزيل هذا العمل عائقاً رئيسياً أمام الانتشار الواسع للذكاء الاصطناعي المدرك للنظر. فمن خلال إثبات أن النموذج البرمجي يمكنه استبدال مستشعر الأجهزة، أظهر الباحثون أن النظارات الذكية المستقبلية ليست بحاجة لأن تُثقل بمكونات تتبع العين المكلفة والمستهلكة للطاقة لتكون مفيدة. يمكن الآن نشر النظام على أي جهاز يحتوي على كاميرا ومعالج قياسي، مما يفتح الباب أمام المساعدة في الوقت الفعلي وبأسعار معقولة في مجموعة واسعة من الأنشطة اليومية. ورغم أن الدراسة أُجريت على مجموعات بيانات ونماذج محددة، إلا أن النتائج تشير إلى تحول جذري في كيفية بناء هذه الأنظمة، بالانتقال من الأجهزة المتخصصة نحو برمجيات ذكية وخفيفة الوزن يمكنها فهم الانتباه البشري بمجرد مراقبة ما نراه.
ملخص تقني: EgoGazeLite
بيان المشكلة
يواجه نشر نماذج اللغات الكبيرة متعددة الوسائط (MLLMs) لفهم الفيديو من منظور الشخص الأول (egocentric) على الأجهزة القابلة للارتداء قيوداً بسبب ميزانية الرموز (tokens) الصارمة. تقوم هذه النماذج عادةً بترميز المدخلات المرئية عبر محولات الرؤية (Vision Transformers)، حيث تتوسع تكاليف الذاكرة والحوسبة خطياً مع عدد الرموز المرئية، والتي تعتمد بدورها على دقة الفيديو ومدته. وتعتبر الفيديوهات عالية الدقة مكلفة للغاية من حيث النقل والمعالجة على نطاق واسع.
وقد عالجت الأعمال السابقة، وتحديداً GazeLLM، هذه المشكلة عن طريق قص إطارات الفيديو حول نقطة نظرة المستخدم قبل المعالجة، مما قلل الرموز المرئية بنحو عشرة أضعاف مع الحفاظ على جودة الوصف. ومع ذلك، يعتمد GazeLLM كلياً على أجهزة تتبع العين المخصصة، وهي ميزة تفتقر إليها النظارات الذكية الاستهلاكية الحالية. وهذا يخلق عائقاً أمام الفهم المشروط بنظرة العين والموفر للرموز. ويتمثل التحدي المركزي في تحديد ما إذا كان بإمكان متنبئ نظرة العين القائم على البرمجيات فقط استبدال النظرة المقاسة بالأجهزة بدقة دون تقليل أداء نماذج MLLM، مع بقائه خفيفاً بما يكفي للتشغيل على الجهاز ضمن ميزانيات الطاقة والحوسبة للهواتف الذكية.
المنهجية
بنية EgoGazeLite
يقترح المؤلفون EgoGazeLite، وهو متنبئ بنظرة العين خفيف الوزن ثنائي العمليات مصمم للنشر على الأجهزة. وهو يبني على هيكل العمليات المزدوجة الذي حدده Huang et al. [10] كخط أساس قوي غير قائم على المحولات (non-Transformer)، ولكنه يقدم ثلاثة تعديلات معمارية لتقليل التكلفة الحسابية:
العمود الفقري المشترك (Shared Backbone): يستبدل التدفقات المكانية والزمانية المنفصلة بعمود فقري واحد مشترك من نوع EfficientNet-Lite4 تم تهيئته من أوزان ImageNet.
الفرق الزمني على مستوى الميزات (Feature-Level Temporal Difference): يستبدل التدفق البصري الكثيف بطرح بسيط على مستوى الميزات (ΔF=BatchNorm(Ft−Ft−1)) لالتقاط الحركة.
الدمج المتبقي (Residual Fusion): يستبدل الدمج التلافيفي غير الخطي بوحدة دمج متبقية تعمل في مساحة الـ logit، مما يسمح لخريطة الانتباه بزيادة حدة أو كبح التنبؤ بالبروز (saliency) دون تشبع.
تتكون البنية من:
المسار من الأسفل إلى الأعلى (Bottom-up Path): يحسب خريطة حرارية للبروز (Gts) من المدخلات المرئية وحدها، مع دمج انحياز مركزي غاوسي ثنائي الأبعاد قابل للتعلم لمراعاة انحياز النظرة من منظور الشخص الأول.
المسار من الأعلى إلى الأسفل (Top-down Path): يتتبع الانتباه بناءً على تاريخ التثبيت (fixation). يقوم باستخراج أوزان القنوات من موقع النظرة السابق، وينشرها عبر LSTM ذو بوابات (تتحكم فيها بوابة قرار التثبيت/القفزة السريعة I-DT عبر الإنترنت)، ويطبقها على ميزات الإطار الحالي لإنشاء خريطة حرارية للانتباه (Gta).
الدمج (Fusion): يدمج Gts و Gta باستخدام وحدة متبقية لإنتاج خريطة الحرارة النهائية Gt، والتي يتم استخراج إحداثيات النظرة منها عبر عملية الـ argmax.
خط أنابيب القص الموجه بالنظرة
يتبع النظام بروتوكول GazeLLM:
المدخلات: مقاطع مصدرية بدقة 1404×1404 وبمعدل 30 إطاراً في الثانية من مجموعة بيانات Ego-Exo4D.
المعالجة: يتم أخذ العينات من الإطارات بمعدل 1 إطار في الثانية. يتم توسيط نافذة ثابتة بحجم 448×448 حول إحداثيات النظرة (التي يتنبأ بها EgoGazeLite أو المستخرجة من الحقيقة الأرضية "ground-truth" من جهاز تتبع العين).
الشروط: تقارن الدراسة أربعة شروط: الدقة الكاملة (Full-resolution)، قص النظرة من الحقيقة الأرضية (Ground-truth gaze crop)، قص النظرة المتنبأ بها (Predicted gaze crop)، والقص المركزي (Center crop) كخط أساس.
التقييم: يتم تغذية المقاطع المقصوصة إلى نماذج MLLM (Gemini 2.5 Flash و Pro) لتوليد أوصاف للأنشطة خطوة بخطوة. ويتم تسجيل درجاتها مقابل مراجع الدقة الكاملة باستخدام مقاييس آلية (BLEU، ROUGE-L، SBERT) وحكام النماذج اللغوية الكبيرة (Claude Sonnet 4.6، GPT-4o).
الإعداد التجريبي
مجموعة البيانات: Ego-Exo4D (نظارات Project Aria Gen 1). التدريب على سبعة مجالات (الطبخ، كرة القدم، الصحة، إصلاح الدراجات، الرقص، تسلق الصخور، الموسيقى)؛ وتم استبعاد كرة السلة.
مجموعة اختبار الاستبدال: مجموعة مستبعدة تضم 138 مقطعاً تغطي ست فئات من المهام، مما يضمن عدم وجود تداخل مع مجموعة التدريب.
تقييم الأجهزة: تم اختبار خط الأنابيب الكامل على هاتف iPhone 15 Pro لقياس زمن الانتقال من البداية إلى النهاية.
المساهمات الرئيسية
استبدال النظرة المقاسة بالنظرة المتنبأ بها: تثبت الورقة أن النظرة التي يتنبأ بها نموذج خفيف الوزن يمكن أن تحل محل النظرة المقاسة بالأجهزة في خط أنابيب GazeLLM. عبر نموذجي MLLM، وثلاثة مقاييس آلية، وحاكمين من النماذج اللغوية الكبيرة، لم تظهر مقاطع النظرة المتنبأ بها أي فرق معنوي عن مقاطع النظرة من الحقيقة الأرضية في جودة الوصف اللاحقة.
تأكيد التكافؤ: باستخدام اختبارين أحادي الجانب (TOST)، أكد المؤلفون التكافؤ في جميع الخلايا العشر للتقييم (2 MLLM × 5 مقاييس/حكام). كان الفرق بين حالتي النظرة المتنبأ بها والحقيقة الأرضية أقل من نصف الانحراف المعياري المجمع، مما استوفى هامش التكافؤ الأساسي.
كفاءة EgoGazeLite: يحقق النموذج هذا الأداء بـ 15.7 مليون معلمة و 6.71 GFLOPs، مما يمثل انخفاضاً قدره 8.6 ضعف في عدد العمليات الحسابية (FLOPs) مقارنة بالنماذج الرائدة السابقة في مجال نظرة العين من منظور الشخص الأول (Huang et al. [10] و Lai et al. [13]).
الأداء في الوقت الفعلي على الأجهزة: يعمل خط الأنابيب الكامل (النظرة والقص) في زمن انتقال نهائي قدره 21.6 مللي ثانية/إطار (حوالي 46 إطاراً في الثانية) على أجهزة التسريع الاستهلاكية (محرك عصبي لهاتف iPhone 15 Pro)، مما يجعله قابلاً للتطبيق في الوقت الفعلي.
النتائج
الدقة: في مجموعة التحقق داخل التوزيع، حقق EgoGazeLite متوسط خطأ زاوي (AAE) قدره 8.33 درجة ومساحة تحت المنحنى (AUC) قدرها 0.9655.
الجودة اللاحقة:
تفوقت كل من مقاطع النظرة المتنبأ بها والحقيقة الأرضية بشكل كبير على خط الأساس للقص المركزي عبر جميع المقاييس.
كان الفرق بين مقاطع النظرة المتنبأ بها والحقيقة الأرضية غير معنوي إحصائياً (أصغر قيمة p مصححة = 0.054).
كانت أحجام التأثير (dz) صغيرة باستمرار (< 0.17)، وهي تقع ضمن اتفاقية كوهين للتأثيرات المهملة.
أكدت اختبارات التكافؤ (TOST) أن الحالتين متكافئتان إحصائياً في جميع الحالات العشر تحت هامش تأثير متوسط (0.5 × الانحراف المعياري المجمع)، وفي أربع حالات تحت هامش تأثير صغير صارم (0.2 × الانحراف المعيائي المجمع).
زمن الانتقال (Latency): يمثل التمرير الأمامي لـ EgoGazeLite حوالي 41% من وقت خط الأنابيب (8.9 مللي ثانية)، بينما يُقضى الوقت المتبقي في معالجة الصور (القص، وتقليل الحجم). يدعم خط الأنابيب معدلات أخذ عينات تصل إلى 30 إطاراً في الثانية، وهو ما يتجاوز بكثير متطلبات 1 إطار في الثانية لنموذج MLLM اللاحق.
الأهمية والادعاءات
تدعي الورقة أن EgoGazeLite يزيل الشرط المسبق الصارم لوجود أجهزة تتبع العين المخصصة للفهم المشروط بالنظرة لفيديو منظور الشخص الأول باستخدام نماذج MLLM. ومن خلال إثبات أن متنبئ النظرة الخفيف، القائم على البرمجيات فقط، يمكن أن يستبدل النظرة المقاسة بالأجهزة دون تقليل جودة أوصاف النماذج اللغوية الكبيرة (MLLM)، فإن هذا العمل يتيح معالجة الفيديو الموجهة بالنظرة والموفرة للرموز على النظارات الذكية والهواتف الذكية الاستهلاكية.
يؤكد المؤلفون أن هذه النتيجة تغلق الحلقة بين التنبؤ بالنظرة ومدخلات MLLM على الجهاز. وبينما تتسم الدراسة بالتواضع في نطاقها — حيث تقر بعدم إجراء مقارنة مباشرة للدقة (head-to-head) مع النماذج السابقة تحت تقسيمات متطابقة، وعدم اختبار التعميم على مجالات غير مرئية أو عائلات MLLM أخرى — فإن النتيجة الجوهرية هي أن الاستبدال صالح تجريبياً للمهام والنماذج المختبرة. وهذا ينقل النموذج من الأنظمة المعتمدة على الأجهزة إلى الحلول المدفوعة بالبرمجيات المتاحة لأي كاميرا من منظور الشخص الأول.