眼动仪的研究及其应用

眼动仪的研究及其应用摘要：视线跟踪技术指的是通过对人眼运动过程中一些特性的检测，完成对人眼视线变化过程准确追踪的技术。作为视线跟踪技术最成熟的产物之一的眼动仪，就是通过检测并记录眼睛观察外界过程中一些参数的变化，从而实现对人眼视线跟踪的仪器。眼动仪是心理学基础研究的重要仪器，用于记录人在处理视觉信息时的眼动轨迹特征，广泛用于注意、视知觉、阅读等领域的研究。关键字：人眼运动 眼动仪 心理学一 眼动仪的概述1.1 眼动仪的研究背景早在19世纪就有人通过考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(eye movement technique)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。眼动技术就是通过对眼动轨迹的记录从中提取诸如注视点，注视时间和次数，眼跳距离，瞳孔大小等数据，从而研究个体的内在认知过程。20世纪60年代以来，随着摄像技术，红外技术(infrared technique)和微电子技术的飞速发展，特别是计算机技术的运用，推动了高精度眼动仪的研发，极大地促进了眼动研究在国际心理学及相关学科中的应用。眼动心理学的研究已经成为当代心理学研究的一种有用范型。1.2 眼动仪的实现种类眼动仪经历了从干扰式到非干扰式的发展过程。1.2.1干扰式眼动仪 干扰式眼动仪主要分为观察法、机械记录法、电流记录法和一电磁感应法等。它是在计算机处理能力比较低下的时代产生的。 观察法是通过人眼利用比较简单的记录设备直接观察受试者眼睛运动情况的方法。观察法装置简单，操作方便，但是由于是通过人眼进行观察，所以实验结果准确性很低。 机械记录法是指通过机械装置将人眼和记录设备连接起来从而完成对眼睛运动的跟踪。机械记录法装置比较复杂，操作很不方便，准确性低，而且对受试者的干扰比较大。 电流记录法的原理是基于眼球运动时角膜和视网膜之间存在的电位差。通过向在眼睛附近皮肤放置的装置导入电流，记录眼球运动引起的电流变化。眼睛的运动情况可以通过电流计或者示波器显示、电流记录法在当时的视线跟踪技术中精度比较高，但是与机械记录法一几样，电流记录法对受试者的影响比较大。 接触镜法是在眼睛上吸附一个专用线圈的隐形镜片，根据眼睛运动产生的感应电压，测量眼睛的运动。接触镜法精度在干扰式眼动仪中最高，但是需要麻醉人的眼睛，将实验用的设备吸附在眼球上，所以这种方法对受试者眼睛的影响最大，有一定的生理伤害。1.2.2非干扰式眼动仪 非干扰式眼动仪主要采用的追踪方法主要有角膜反射法、巩膜一虹膜边缘法、瞳孔一角膜反射向量法等。 (1)角膜反射法:角膜反射光就是角膜反射照射在其表面上的光线。光线在经过角膜反射后会形成一个亮点，即角膜反射光斑。在人眼中，角膜凸出于眼球表面，因此当人眼运动时，光线从各个角度射到角膜，得到不同方向的反射光，角膜反射光斑的位置也就随之在角膜上改变，利用眼摄像机拍摄眼睛运动的图像，记录角膜发射光斑位置的改变，利用图像处理技术实时的得到虚像位置，完成视线的跟踪。这种方法主要用于眼动力学和注视点标定方面，但是头部误差较大。 （2）巩膜一虹膜边缘法。此方法首先利用红外光照射人眼，在眼睛附近安装的两只红外光敏管用来接收巩膜和虹膜边缘处两部分反射的红外光。接收到的红外光会随着眼睛的运动而变化，当眼球向一侧运动时，虹膜就转向这边，这一侧的光敏管所接受的红外线就会减少;而另一侧的巩膜反射部分增加，导致这边的光敏管所接受的红外线增加。利用这个差分信号就能无接触的测出眼动。这种方法应用于眼动力学、注视点标定方面，它的水平精度较高，垂直精度较低、干扰大、头部误差大。 （3)瞳孔一角膜反射向量法。首先利用眼摄像机拍摄眼睛图像，接着通过图像处理得到瞳孔中心位置。然后把角膜反射点作为眼摄像机和眼球的相对位置的基点，根据图像处理得到的瞳孔中心即可以得到视线向量坐标，从而确定人眼注视点。这种方法基本上应用于注视点标定方面，精度较高，干扰也比较小，头部误差也较小，这个方法也是现在眼动仪中使用最广泛的方法。1.3 眼动仪的类型及系统构成 第一种是头盔式眼动仪。头盔上装有红外光源，眼摄像机，场景摄像机。采集到的眼图通过计算机上安装数的数据处理软件对眼图数据进行分析，随后进行标定计算，将标定点标注在场景摄像机采集的图像中，从而完成人眼关注点的标定。头盔式眼动仪允许受试者身体和头部在一定范围内的自由运动。 第二种是桌面式眼动仪。桌面式眼动仪一般是受试者无需佩带任何测试仪器，摄像头校准后自动捕捉被试者的眼动。桌面式眼动仪只能允许使用者头部在小范围内活动并且身体不能移动。例如一种基于桌面式的座式眼动仪，它是一种类似于于视力检测仪的装置，受试者额头和下巴紧贴仪器，软件处理过程与头盔式眼动仪相同。现代眼动仪的结构一般包括四个系统，即光学系统，瞳孔中心坐标提取系统，视景与瞳孔坐标迭加系统和图像与数据的记录分析系统。眼动有三种基本方式:注视(fixation)，眼跳(saccades)和追随运动(pursuit movement)。二 眼动的主要研究随着眼动仪向智能化，系列化，便携化方向的发展，其理论研究以及在心理学众多分支领域中的应用得以迅速发展，以下就部分眼动理论研究及应用领域作一简单介绍。2.1 眼动与视觉信息加工的心理机制研究它是心理学基础研究的主要课题。该领域中的基本理论主要是关于视觉信息加工与眼动的关系理论，特别是眼跳与注意的关系模型。Godijn和Theeuwes提出了竞争-整合模型(The Competitive Integration Model)以解释外源性眼跳(excogenous saccades)与内源性眼跳(endogenous saccades)之间的竞争。该模型认为眼跳过程发生在一个共同的眼跳地图上，这个眼跳地图是动态的，可变的，心理性的。2.2 图画观看视觉搜索和模式识别的眼动研究图画观看是一个不断搜索的过程，重要信息也直观。人们往往能获得离中央窝更远距离上的信息。上世纪30年代Buswell对图画观看进行了系统研究，得出两种知觉模型:第一是一般查询模式(general survey)，另一种是持续时间较长的注视。Yarbus(1967)以眼动为指标对图画观看进行了较广泛的系统研究。Noton stark(1971)提出了一种视觉模式的知觉理论假设，并有证据支持。模式识别是认知心理学在知觉领域中研究的重要课题之一。Gould等(1965)考察了搜索数字的眼动模式，Williams(1966)在实验中发现，当只告诉被试要找的数字信息时，被试往往不表现出明显的选择性注视，当给出颜色，大小和形状三种信息的一种时，颜色信息使被试表现出明显的选择性注视。2.3 眼动分析法在广告心理学研究中的应用广告心理学是将心理学的基本原理用于广告设计，通过对消费者的心理过程和特点的研究，设计出最能激起消费者购买欲的广告。人们通过测量多种心理效应来判断广告在消费者群体中产生的效果。测定广告心理效应的方法有:广告媒体的认知测量，广告媒体的记忆测量，视向心理测量和意见测量等。眼动仪可以将顾客注视广告时的眼动轨迹记录下来，通过分析记录的数据，可以清楚地了解顾客注视广告时的先后顺序，对画面的某一部分(分析结果时可以划分兴趣区间)的注视时间，注视次数，眼跳距离，瞳孔直径(面积)变化等。并以此来分析广告观看者的心理活动，这有助于广告商了解到广告受众是否按广告制作人的意图去注视广告，是否漏看了广告主(出资人)最为关注的诸如公司名称，商品名称及与众不同的特点，品牌标记等重要信息。通过眼动分析可以为广告设计者对广告布局(重要信息的位置)，插图和文案进行合理的安排提供有用的依据，也为评价广告设计效果提供了客观指标。2.4 眼动在工效学(ergonomics)研究中的应用在工程设计中经常要考虑人的因素的制约性。如视觉信息搜索的速度，范围及其快捷性等。眼动的工效学就是利用眼动指标来探测人-机交互作用中视觉信息提取及视觉控制问题，使设计符合人的身体结构和身心特点，实现人，机，环境之间的最佳结合。能够让人们更容易，更有效，更舒适和更安全地工作。2.5 眼动的交通心理学研究眼动在交通心理学的研究主要涉及驾驶舱内的表盘设计问题，道路建设及路标设置问题，驾驶者在驾驶过程中的视觉信息搜索及其培训问题等。法国的Florence Hella在采用呈现信息的新技术研究汽车仪表盘时曾特别强调眼动分析的重要性。2.6 眼动仪在网站可用性研究的应用眼动追踪技术对网站可用性的研究主要包括对网页浏览习惯的研究和网站页面布局的研究两个方面。其中，对网页浏览习惯的研究主要是通过观察分析网民的网页浏览数据，来获取相关资料，从而对网页的结构、设计、内容等对网民的影响力做出判断，并且进一步推断出网站如何实现最优布局才能对网站受众产生最大的视觉和心理影响。三 常见眼动仪的简介3.1 青研EyeLab眼动测试系统 青研 EyeLab 眼动测试系统(眼动仪，eye tracker)，由精密的视线测量仪器及安装有 EyeLab 专业眼动分析软件的工作站组成。可以实时准确地测量人们在看广告、包装或界面设计时眼睛的注视点及所看的路径。可统计多人的眼动热点图，并统计指定兴趣区域的注视时间、注视次数、首次进入时间等数据。 图1 青研眼动仪热点图：对多名观众的数据进行总体分析，计算哪些部分是顾客最感兴趣的，最红的区域表示看的时间最长。兴趣区数据分析：在 EyeLab 眼动分析软件中可对图片划分兴趣区域，如广告语、商标、产品名称等需要关注的区域。可方便地将注视时间、注视次数、首次进入时间等数据导出到 Excel 电子表格进行定量的统计分析。 3.2 Eyelink Desktop桌面式眼动追踪系统Eyelink Desktop是世界上采样速率最高的眼动追踪系统。该系统的眼动采集装置安置在被试显示器下前方，与头戴式眼动系统相比，其优点是被试者状态更加自然放松、操作方便、精度高。系统特点: (1) 支持单眼和双眼采集 (2) 3点到13点定标，简便快捷 (3) 被试在实验中离开追踪范围后，不需重新定标 (4) 被试头部不接触电子设备，减少心理影响 (5) 兼容普通和隐形眼镜 (6) 可对扫视、注视和眨眼进行在线分析 (7) 适用于认知，阅读等高精度的科研和广告、工业设计等应用领域 (8) 可与脑电/事件相关电位EEG/ERP系统结合适用3.3 HED头戴式眼动仪HED头盔式眼动仪包括头盔和记录分析计算机。头盔上装有红外光源、红外线摄像头、半反半透镜和景物摄像头。红外线通过半反半透镜照射到受试者的眼睛上，被反射回来的红外线通过半反半透镜投射到红外线摄像头，红外线摄像头通过测量眼睛反射的红外线确定眼珠和瞳孔的位置，计算出眼珠的水平和垂直运动的时间、距离、速度及瞳孔直径。另一个景物摄像头摄取被测者注视的物体。摄像机追踪虹膜和瞳孔上的角膜反射对头部相对运动进行补偿。摄像机每秒采集50祯图像，特殊应用时可以有更高的采样率。仅有此型眼动仪可以记录受试者观看真实景物时的注视位置。 HED校准需要几十秒钟，受试者根据研究人员的要求依此注视5个提前设定好的点，研究人员在计算机屏幕上进行确认即可完成校准。受试者头部甚至全身都在运动时，头部运动传感器测得的数据对注视数据进行修正从而得到精确的注视数据。此型眼动仪可以得到受试者瞳孔大小变化和视点移动的录像文件。 头盔有多种样式可以选择, 例如棒球帽式，自行车头盔式，飞行员头盔式等等，适用于各种研究场合。数据记录分析计算机可以选择台式机或笔记本以便在固定或移动环境中使用。 HED头盔式眼动仪3.4 RED桌面遥测式眼动仪 RED系统结构如上图所示。一台RED系统包括研究人员面前的眼动数据记录分析计算机、受试者面前的刺激图像显示计算机、红外光源和RED摄像头。红外光源和RED摄像头安装在刺激显示器下方，受试者注视前方显示器屏幕上的刺激图形时，RED摄像头捕捉受试者眼睛反射的红外线从而得到其注视位置数据。研究人员通过其面前的计算机控制呈现给受试者的刺激图像。刺激图像可以用屏幕显示，也可以显示屏上安放一个阅读板，受试者直接注视在板上放置的纸质媒体的内容，或者用投影机将刺激图像投射到墙上。不同的刺激图像呈现方式可以分别用于学习认知研究、软件网页测试和模拟驾驶等研究领域。 RED眼动仪具有眼睛和头部的自动探测功能，允许受试者在测试过程中短暂的离开摄像头的测试范围，再回来时，摄像头能自动的继续摄取受试者的眼睛图像。此型眼动仪对受试者头部没有束缚，长时间测量也不会有太多不适。RED桌面遥测式眼动仪四 眼动仪发展趋势1. 眼动仪的使用范围更广眼动仪的造价大幅度下降，性能也有了很大改善，尤其是眼动记录技术与计算机技术的结合，使得眼动仪的精确度大大提高，加上便携式眼动仪的应用，使眼动仪可能在实际的运动场景中进行，使实验情景和真实情景更加接近。2.眼动仪与其它仪器相结合随着科学技术的发展，眼动记录的原理不断更新，多种科技手段渗入眼动仪中，使其更加精确、方便，数据处理更加快捷。3.眼动研究将更加注重认知过程现有的研究中实验测试指标多为眼动的外部特征，缺乏对人们决策过程认知特点的研究，探讨人们选择判断时的内部加工过程，是眼动研究的又一重要趋势。眼动指标是行为的观测指标，反映的是眼动的外部特征，若能与认知指标结合，反映出人们在快速反应情景中的内部决策特点，眼动研究将更加深入。五 参考文献1 Bendschneider D,Tornow RP,Horn FK,et al. 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