揭开Tobii眼动仪的神秘面纱.doc

揭开Tobii 眼动仪的神秘面纱摘要眼动仪是一种在教育以及心理学研究中常用的精密仪器，其工作原理经历了从早期的直接观察法、机械记录法到目前角膜反射法的发展历程。在国内，使用较多的眼动仪主要来自加拿大SR公司、瑞典Tobii公司、美国应用科学实验室等。河南大学教育科学学院于2013年4月引进并安装了瑞典Tobii公司的T120系列眼动仪，本文首先回顾总结已有眼动研究方法和一些重要的眼动指标，介绍一下眼动仪的发展历程，重点阐述Tobii眼动仪的相关性能，以方便广大师生和研究者更好地学习和使用tobii眼动仪。关键词：眼动仪，Tobii，眼动追踪前言 眼睛是心灵的窗口，它是我们信息加工过程中最重要的信息输入系统。人类和很多数动物一样，都是通过视觉、听觉和嗅觉等方式来获取信息、认知事物。人类的信息八成以上是通过视觉获得。为了看清楚某一个物体，我们的眼睛必须保持一定方位，才能使物体在视网膜上清晰成像，这种眼睛在某个物体上的停留被称为注视。当我们注意的目标发生转移时，我们的眼睛也将从一个注视点移动到另一个注视点，这种现象称为眼跳。通过研究眼睛的这些运动，研究者可以对人的认知活动规律加以探索。但是眼球运动速度是非常快的，典型的注视只持续0.10.5 s，而眼跳更是快到仅0.010.1 s的时间。为了准确记录人的眼球运动过程，心理学家以及其他有关专家一直致力于改进眼动记录技术并开发更为先进的眼动仪(Nielsen & Pernice, 2011)。1.眼动研究方法大脑 眼睛一致性假设是指人们所注视的和所想的通常是一件事。当然有时这个假设并不成立，比如你可能在注视红绿灯变化的过程中，却在思考接下来的午餐要吃什么；或者只是简单地注视图片上的一个元素，大脑却没有赋予这些元素含义。但是通常这个假设是成立的，特别是关注某一特定任务时。正是因为大脑 眼睛一致性假设的存在，我们就可以通过捕捉眼睛运动的情况，来了解哪些事情是我们所关注的，哪些事情是没有吸引我们注意的；更进一步地，可以通过眼睛运动的轨迹来间接了解我们的思维过程。毫无疑问，眼动仪为我们了解人的思维活动提供了一条便捷而客观的途径。人们很早就意识到眼睛和人的心理活动相关，在汉语中有很多语言表达反映了这一点，例如：“他气得目瞪口呆”“她目不转睛，认真听讲”“他眼珠滴溜溜乱转，似乎在打什么坏主意”，但真正使用仪器设备对眼球运动进行客观观察和实验则是近一百年来才开始的。 早期的眼动研究主要采用观察法和机械记录法等。其中观察法包括直接观察法(如主试站在被试后面，从镜子里观察被试的眼动)和后像法(利用闪光灯高亮度闪光产生的视觉后像对人的眼动加以研究)。机械记录法则通过把眼睛与记录测验装置用机械传动方法联结起来实现对眼动的记录。机械记录法包括头部支点杠杆法、气动方法、角膜吸附环状物法等多种形式。观察法简便易行，但结果不精确，只能对眼动进行比较粗略的研究。而机械记录法则装置复杂，使用起来十分麻烦，实验结果准确性也较低(韩玉昌，2000)。因此，研究者一直在寻找更有效、准确而又简便的测量方法。2.重要的眼动指标Tobii眼动仪自带ClearView数据分析软件将眼动数据和实际界面、声音、用户动作录像综合进行分析。它提供的典型分析方案有：( 1)热点图(Hotspot)，形象地分析注视点的集中趋势、停留时间等；( 2)视线扫描路径( Scanpath)， 呈现注视点的路径与直径变化， 用于分析单个用户操作行为规律；( 3) 兴趣区域(Area of In teres,t AOI)，分析平均注视时间、回溯性眼跳、区域间转移等指标，获得特定区域上的具体数据。在心理学研究中经常用到以下四个重要指标：2.1 注视次数（Fixation count）指对某一区域注视点的数量。两次眼跳间眼球的相对静止状态称为注视，一次注视为一个注视点。兴趣区内注视次数越多，表明着个区域对于观察者来说更为重要，更能引起注意。2.2注视时间（Fixation length）指对某一区域内所有注视的时间之和。注视时间越长，表明提取信息更吸引人或者表明提取信息越困难。2.3首次注视时间（First fixation duration）指对某一区域第一次注视所持续的时间。即从刺激材料呈现到首次注视到该区域的时长。首次注视时间越短，表明它越能引起注意。2.4首次注视开始时间（Time to first fixation）指开始观看后，经过多长时间第一次注视某一区域。首次注视开始时间越早说明，说明这一区域越能引起注意。3.眼动仪发展历程20世纪80年代研发的第一代眼动仪使用的方法是将被试的头部置于一个固定的位置。20世纪90年代，眼动追踪设备的体积大为缩小，研究者就将其放在帽子里或固定在用户的头带上。因为眼动仪和头部同步运动，所以要计算眼动仪相对于用户头部的位置并非难事。但头部的设备较重，很容易造成被试颈部和背部的疲劳，依然让被试觉得不舒适。到了21世纪，随着计算机性能的不断提高，研究者进一步改进眼动研究手段，除了配置摄像机来拍摄被试双眼的特写镜头外，还单独配置一台摄像机用于拍摄被试的头部，并实时计算头部的位置。这样被试的头上就可以完全不用佩戴任何电子设备。依据外形结构的这种差异，眼动仪可分为3类：头部固定式、头盔式、遥测式（闫国利,田宏杰，2004)。国外从20世纪初开始研制眼动仪，现在全世界已经有几十家生产眼动仪的厂家。尽管国内在研制眼动仪方面取得了一定的成绩，例如20世纪80年代末，中国科学院上海生理研究所的张名魁和孙复川研制了外光电反射眼动测量技术；20世纪90年代，西安电子科技大学研制了头盔式眼动仪。但国内科研机构使用的眼动仪主要依赖国外进口。目前国内使用较多的有加拿大SR公司生产的Eyelink和Eyelink 2000型眼动仪；美国应用科学实验室(ASL)生产的H6型和L6型眼动仪；瑞典Tobii公司生产的T60和T120型眼动仪；德国SMI公司生产的iViewX RED型眼动仪。这些眼动仪都采用角膜反射法进行眼动记录。随着制造成本的降低，眼动仪逐步成为教育学和心理学研究的常规仪器，国内许多大学、科研机构和公司都陆续购置或准备着手购买眼动仪。其中SR公司生产的Eyelink眼动仪和瑞典Tobii公司生产的眼动仪是目前用户考虑较多的两个品牌。Eyelink面市较早，而Tobii公司于2001年才问世。近年来，Tobii眼动仪在中国市场反响良好，很多知名公司和著名高校都先后购买其产品，可谓后起之秀。下文重点对Tobii眼动仪进行介绍。4.Tobii 眼动仪目前，Tobii眼动仪主要有Tobii T，Tobii X和TobiiGlass三大系列。Tobii T系列包括 T60和T120两款，该系列采用集成式眼动追踪系统，主要针对基于电脑显示器呈现的刺激材料眼动追踪，可用于对平面广告、电视广告、网页、软件和电脑游戏的可用性研究，也可用于阅读、视觉等认知领域的研究。Tobii X 系列也包括X60和X120两款，这个系列采用独立的眼动追踪装置，因此对刺激材料没有限制，既可以是电视、电脑显示器等，也可以是投影屏、手机等实物设备。Tobii X系列眼动仪是目前最灵活的眼动仪之一。Tobii Glasses系列眼动仪是一款可在现实场景中高效采集眼动数据的工具，可应用于基于现实场景或实物的定性及定量眼动研究。可以在被试完全的自然状态(如运动中、驾驶中、购物中)下采集眼动数据，同时确保眼动数据的精确性。目前，该仪器广泛用于超市购物心理、货架管理、产品包装测试及设备可用性测试、运动测试等相关领域研究（张丽川，李宏汀，葛列众，2009)。4.1适用范围广，可采集自然状态下数据Tobii追求的是新一代全自然状态下的眼动追踪系统。它强调采集自然状态下的眼动追踪，因此它的设备无需头套和头托，被试在实验过程中可自由移动头部，被试在实验中可自由移动头部，头动补偿算法使数据不受影响，甚至可以在被试不知情的情况下进行研究，适合开展低龄儿童或病患等特殊人群的研究。它还可同步记录面部表情和声音，而Eyelink需要佩戴头套或设有头托，如果实验时间较长容易造成被试疲劳。4.2呈现刺激多样化Tobii眼动仪内部发射一束不可见的红外线（光源），红外线照射在眼睛上会发生反射，同时内嵌的两台眼动摄像机实时捕捉双眼的图像，这样就可以在不影响测试的前提下收集眼睛运动的信息（Krik,E.，2005)。高质量扬声器和内置网路摄像机可以重播声音刺激材料并记录被测者的面部表情。4.3 编程和处理数据简单，方便使用 Tobii配套的实验软件是Tobii Studio，是一种所见即所得的直观软件。实验程序编制时大多只需要拖拽和设置参数，且Tobii编程和数据分析均在同一个软件上，使用起来简单，新人也容易上手，设计难度较低。数据处理简单多样化，可导出多样化数据。在配套软件上，Eyelink的开发商SR公司提供了Eyelink对C+和Eprime软件的接口，实验需自行编程，对研究者要求较高。4.4 使用的便携性Tobii眼动仪所有配件可以放在一个旅行箱内，方便携带，而且Tobii眼动仪组装方便，如果操作熟练，5分钟就可以完成组装任务。但是Eyelink的产品，譬如Eyelink 2000，Eyelink眼动仪，必须固定在实验室里，如果要带出实验室，一是配件太多不好搬，二是组装起来麻烦，连线太多且容易混乱。相比之下，使用的便捷性也就成为Tobii眼动仪的重要亮点和吸引购买者的重要优势。5 TobiiT120眼动仪的使用简单介绍T120通过红外线追踪定位，该机器产生的红光已经过斯德哥尔摩ETLSEMKO机构按IEC/EN 60825-1/A1-A2标准严格测试过，适合长时间使用。产品的最佳使用距离为60-70厘米。T120 眼动仪内置了用户摄像机和扬声器，可记录和播放刺激。眼动仪与电脑之间用一般的网线连接传输数据。在计算机上安装Tobii Studio眼动软件。Tobii Studio 软件不仅能记录眼动数据，还可以使用其他硬件、软件记录视频和音频流数据。5.1下面简单介绍从实验创建到数据分析的流程图：5.1.1 运行 Tobii Studio创建新的实验项目，在Design and record可以添加图片、视频、网页、PDF文件、问卷等试验材料。5.1.2 连接装有Tobii Studio 的计算机与眼动仪，对被试进行校准，进入实验环节。5.1.3 在Reply可以看到动态回放眼动记录，在Visualization部分可以查看热点图和眼动轨迹图。5.1.4 根据实验目的在Areas of interest画兴趣区。5.1.5 在Statistics 部分选择实验需要的眼动指标和统计值。5.1.6 在Date Export环节，导出实验数据，进行下一步分析。以上六部分是使用Tobii Stidio的关键，使用顺序没有严格要求。6.展望 Tobii和Eyelink眼动仪记录的数据都有注视时间、注视次数、注视点对应位置、瞳孔大小、眼动轨迹图等，但Tobii T120的采样率为60120 Hz，Eyelink可以达到5002 000 Hz，所以在精度上稍微差一些。而且发现Tobii的值缺失情况较严重，特别是戴框架眼镜的被试值缺失情况尤为严重，可能是框架眼镜的镜片反光干扰了角膜反光。因此在对时间精确度要求较高的实验中，需慎重选择Tobii作为研究仪器。 作为眼动技术的世界领先者，Tobii的产品可用于心理学，科研研究，产品可用性分析及商业市场研究等，可以分析人类的视觉，人类行为，用户体验及客户反馈等。Tobill眼动仪的客户以公司和院校居多，特别是需要进行可用性测评及界面、人机交互测评等。Tobii 的用户群包括Microsoft，IBM，Google等著名企业，中国国内研究机构有华东师范大学，上海交通大学，天津师范大学，河南大学等，而且取得了较好的研究结果，近年年发表在中国知网上相关文章多达150篇。因此，越来越多的院校和研究者看到了Tobii眼动仪的重要性和实用性。参考文献Krik,E.(2005). Studying web pages using eye tracking. Stockhom Tobii technology whitepaper. Nielsen, J., Pernice, K. (2011). 用眼动追踪提升网站可用性. 冉令华,译.北京：电子工业出版社.韩玉昌.(2000).眼动仪和眼动实验法的发展历程.心理科学，23(4)454-457.闫国利,田宏杰.(2004).眼动记录技术与方法综述.应用心理学, 10(2),55-58.张丽川，李宏汀，葛列众.(2009). Tobii眼动仪在人机交互中的应用. 人类工效学，15(2),67-69.附录：河南大学教育科学学院眼动实验室简介河南大学教育科学学院眼