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眼动追踪技术浅析:眼动指标有何意义?

俗话说:“眼睛是心灵的窗户”,“眼睛会说话”。孟子曰:“存乎人者,莫良于眸子”,也就是说,你要观察一个人的话,你就去看他的眼睛。那我们的眼睛到底能说些什么呢?

近年来,技术不断升级,眼动仪在神经科学、心理行为学、认知语言学等研究领域中有着更为广泛的应用。

那你知道眼动仪是如何工作的吗,通过它能测量出哪些数据,这些数据分别又表示哪些意义呢?

今天,我们通过眼动仪的发展历史、数据指标意义及其应用实例等来全面认识这个在众多领域发挥重要作用的先进技术。

了解这些知识可以帮助您更好地:

1. 理解眼动指标数据;

2. 为您的实验选择合适的眼动仪;

3. 更好地规划眼动实验流程。

眼动仪的发展历史

早在19世纪就有人通过观察人的眼球运动来研究人的心理活动,通过分析记录到的眼动数据来探讨眼动与人的心理活动的关系。

眼动仪的问世为心理学家利用眼动技术探索人在各种不同条件下的视觉信息加工机制,观察其与心理活动直接或间接奇妙而有趣的关系,提供了新的有效工具。

眼动技术先后经历了观察法,后像法,机械记录法,光学记录法,影像记录法等多种方法的演变。最初,这些学者通过观察镜子中被试眼睛的成像来记录眼动轨迹。

20世纪上半叶,出现了眼动的机械记录法,即眼球运动由机械装置传动到记录装置上实现。

20世纪中叶,以机械记录法的结构为基础,通过光反射记录眼动轨迹的仪器被发明出来。其中具有代表性的是Yarbus等人的光学眼动仪。此仪器使用了橡胶制成的吸盘,将吸盘内的空气挤出,而后将其吸附在被试经过麻醉的眼球上。一面小镜子被固定在吸盘上,它反射一个固定光源,将光反射向感光记纹鼓的感光带,从而被记录下来(Yarbus, 1967)。

光学眼动仪的眼球装置部分(Yarbus, 1967),1为吸盘,5为镜子,2、3、4为固定结构

光学眼动仪的产生被认为是一种划时代的研究仪器,但它仍然存在许多局限和缺点。比如,在所有实验中,都应固定眼睑,以防止被试眨眼,因为眨眼可能使吸盘移位或脱落。

使用光学眼动仪时需要固定眼睑(Yarbus, 1967)

时间来到20世纪末、21世纪初,随着技术的发展,更多可穿戴、便携、无线和实时流式眼动追踪系统被开发出来,并被用于虚拟和增强现实、 HCI 研究。

现代眼动仪分类

按照使用场景来分类,现代眼动仪主要可以分为两种:屏幕式眼动仪和可穿戴式眼动仪。

桌面式眼动追踪系统Gazetech Mini

基于屏幕的眼动仪要求受访者坐在显示器前,并与屏幕内容进行交互,是一种跟踪用户视线落在屏幕上的视点的技术。适用于在特定环境中观察任何基于屏幕的刺激材料(如图片、视频和网站)以及离线刺激材料(杂志、书籍等)。

眼镜式眼动追踪系统DG3

可穿戴式眼动仪通过将眼动追踪系统和场景摄像机集成在轻量化的框架上,例如眼镜或头盔,来采集被试在真实环境中的眼动行为,被试可以自由移动,使实验的生态效度最大化。

眼动仪工作原理

简单地说,眼动追踪是测量眼睛运行的过程。眼动追踪研究最关注的事件是确定人类或者动物看的地方(比如:“注视点”或“凝视点”)。更准确来说是通过仪器设备进行图像处理技术,定位瞳孔位置,获取坐标,并通过一定的算法,计算眼睛注视或者凝视的点,让计算机知道你正在看哪里,何时看的,为什么看的?

其原理概括来说就是:首先利用摄像机获取眼部图像,接着通过图像处理得到瞳孔位置(像素坐标),然后将这个位置信息通过内置的算法计算,以获得用户在所看的界面上视线的落点,即用户当前注视点在界面上的位置。

眼动仪能够提供哪些指标

在眼动追踪技术中,能量化的指标很多,大体上可以分为两大类,即时间上的指标:注视(fixation)和空间上的指标:扫视(saccade)。

注视眼动指标意义

注视持续时间,注视时间越长,表明提取信息越困难;或者表明这个目标更吸引人;

首次注视时间,对于目标的首次注视时间越短,表明它越能引起注意;

总注视次数,总注视次数越多,表明搜索效率越低。

兴趣区内注视次数 ,兴趣区内注视次数越多,表明这个区域对于观察者来说更为重要,更能引起注意。

扫视眼动指标意义

扫视次数,扫视越多,表明搜索过程越长;

扫视幅度,扫视幅度越大,表明有更多的意义线索;

回视型扫视,表明当前缺乏有意义的线索;

方向改变型扫视,扫视方向改变扫视型意味着个体的目标发生了改变,或者表明视野中的信息与用户的期望不一致。

除此之外,瞳孔的大小也是反映视觉注意状态的重要指标,与眼动的时空指标结合可以解释个体知觉的广度或注意的广度(Jakob et al., 2014)。

眼动仪应用实例

脊髓损伤患者熟练行走的视觉控制

眼动跟踪研究在医疗健康方面发挥着重大作用. 作为一种生理指标, 眼动在精神分裂、抑郁症、睡眠障碍、多动症等疾病的研究与分析中发挥着重要的作用, 这部分研究开展较早, 相对较为成熟.。近年来, 眼动追踪研究进一步拓展。在一项关于脊髓损伤非卧床患者穿越障碍的视觉和本体感觉运动整合的研究中,Dikablis眼动仪被用于记录凝视行为。https://doi.org/10.3390/s19194108

 

智能驾驶

在一项发表于MDPI期刊上的论文《联网车辆的实时车辆运动检测和运动改变:算法设计和实际应用》中,Dikablis 眼动仪用于收集有关驾驶员注视分布和瞳孔大小变化的信息,D-Lab 软件被用于眼动数据的记录和分析处理。注视分布和瞳孔大小可以准确地揭示人们的注意力和注意力。这两个变量被用作驾驶员分心和专注状态的评估指标。https://doi.org/10.3390/s19194108

老人手机阅读


同济大学一项关于汉字间距和大小如何影响老年人阅读的用户体验研究中,使用Dikablis眼动追踪系统来获取眼动数据数据以评估字体大小 (FS)、字间距 (WS) 和行间距 (LS) 与参与者感知用户体验的相关性。结果表明,大小和间距的独特组合取决于老年人在智能手机上阅读时的动机、需求和情况。这些发现将有助于设计师为老年人提供更好的设计。https://doi.org/10.1017/S0144686X18001022

同步眼动追踪和光学运动捕捉


眼动追踪和动作捕捉技术如今都广泛用于人文科学(例如音乐研究或手语语言学),尽管这两种技术通常单独使用。然而,同时测量眼睛和身体运动的组合将为研究一般人类行为,特别是音乐行为和手语中的动作感知联系和跨模式交互提供巨大的潜力。特别是在交流和联合行动中,例如一起制作音乐或跳舞,结合不同的数据采集工具,例如动作捕捉和眼动追踪,将为进行研究提供新的和创新的可能性。doi:10.16910/jemr.11.2.5

 

读完本文,相信您已经对眼动仪的原理有了比较清晰的认识,也能够从基础的层面上理解眼动数据的本质。希望这些内容能够增进您对眼动追踪研究的理解,并减少您对眼动追踪技术的顾虑。

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参考文献:
[1] Wade NJ, Tatler BW. Did Javal measure eye movements during reading? J Eye Mov Res 2009; 2: 1–7.

[2] Markovic M, Došen S, Cipriani C, et al. Stereovision and augmented reality for closed-loop control of grasping in hand prostheses. J Neural Eng 2014; 11: 46001.

[3] Xu L-Q, Machin D and Sheppard P. A Novel Approach to Real-time Non-intrusive Gaze Finding. In: Carter JN and Nixon MS (eds) Proceedings of the British Machine Vision Conference 1998, (BMVC), pp. 428–437. Southampton, UK: British Machine Vision Association.

 

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