眼動儀的研究及其應(yīng)用

1、<p>　　眼動儀的研究及其應(yīng)用</p><p>　　摘要：視線跟蹤技術(shù)指的是通過對人眼運動過程中一些特性的檢測，完成對人眼視線變化過程準(zhǔn)確追蹤的技術(shù)。作為視線跟蹤技術(shù)最成熟的產(chǎn)物之一的眼動儀，就是通過檢測并記錄眼睛觀察外界過程中一些參數(shù)的變化，從而實現(xiàn)對人眼視線跟蹤的儀器。眼動儀是心理學(xué)基礎(chǔ)研究的重要儀器，用于記錄人在處理視覺信息時的眼動軌跡特征，廣泛用于注意、視知覺、閱讀等領(lǐng)域的研究。</p&

2、gt;<p>　　關(guān)鍵字：人眼運動 眼動儀 心理學(xué)</p><p><b>　　一 眼動儀的概述</b></p><p>　　1.1 眼動儀的研究背景</p><p>　　早在19世紀(jì)就有人通過考察人的眼球運動來研究人的心理活動，通過分析記錄到的眼動數(shù)據(jù)來探討眼動與人的心理活動的關(guān)系。眼動儀的問世為心理學(xué)家利用眼動技術(shù)(eye m

3、ovement technique)探索人在各種不同條件下的視覺信息加工機(jī)制，觀察其與心理活動直接或間接奇妙而有趣的關(guān)系，提供了新的有效工具。眼動技術(shù)先后經(jīng)歷了觀察法，后像法，機(jī)械記錄法，光學(xué)記錄法，影像記錄法等多種方法的演變。眼動技術(shù)就是通過對眼動軌跡的記錄從中提取諸如注視點，注視時間和次數(shù)，眼跳距離，瞳孔大小等數(shù)據(jù)，從而研究個體的內(nèi)在認(rèn)知過程。20世紀(jì)60年代以來，隨著攝像技術(shù)，紅外技術(shù)(infrared technique)和微電

4、子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是計算機(jī)技術(shù)的運用，推動了高精度眼動儀的研發(fā)，極大地促進(jìn)了眼動研究在國際心理學(xué)及相關(guān)學(xué)科中的應(yīng)用。眼動心理學(xué)的研究已經(jīng)成為當(dāng)代心理學(xué)研究的一種有用范型。</p><p>　　1.2 眼動儀的實現(xiàn)種類</p><p>　　眼動儀經(jīng)歷了從干擾式到非干擾式的發(fā)展過程。</p><p>　　1.2.1干擾式眼動儀</p><p>

5、;　　干擾式眼動儀主要分為觀察法、機(jī)械記錄法、電流記錄法和一電磁感應(yīng)法等。</p><p>　　它是在計算機(jī)處理能力比較低下的時代產(chǎn)生的。</p><p>　　觀察法是通過人眼利用比較簡單的記錄設(shè)備直接觀察受試者眼睛運動情況的方法。觀察法裝置簡單，操作方便，但是由于是通過人眼進(jìn)行觀察，所以實驗</p><p><b>　　結(jié)果準(zhǔn)確性很低。</b>

6、;</p><p>　　機(jī)械記錄法是指通過機(jī)械裝置將人眼和記錄設(shè)備連接起來從而完成對眼睛運動的跟蹤。機(jī)械記錄法裝置比較復(fù)雜，操作很不方便，準(zhǔn)確性低，而且對受試者的干擾比較大。</p><p>　　電流記錄法的原理是基于眼球運動時角膜和視網(wǎng)膜之間存在的電位差。通過</p><p>　　向在眼睛附近皮膚放置的裝置導(dǎo)入電流，記錄眼球運動引起的電流變化。眼睛的</p&

7、gt;<p>　　運動情況可以通過電流計或者示波器顯示、電流記錄法在當(dāng)時的視線跟蹤技術(shù)中</p><p>　　精度比較高，但是與機(jī)械記錄法一幾樣，電流記錄法對受試者的影響比較大。</p><p>　　接觸鏡法是在眼睛上吸附一個專用線圈的隱形鏡片，根據(jù)眼睛運動產(chǎn)生的感</p><p>　　應(yīng)電壓，測量眼睛的運動。接觸鏡法精度在干擾式眼動儀中最高，但是需要

8、麻醉</p><p>　　人的眼睛，將實驗用的設(shè)備吸附在眼球上，所以這種方法對受試者眼睛的影響最</p><p>　　大，有一定的生理傷害。</p><p>　　1.2.2非干擾式眼動儀</p><p>　　非干擾式眼動儀主要采用的追蹤方法主要有角膜反射法、鞏膜一虹膜邊緣法、瞳孔一角膜反射向量法等。</p><p>　

9、　(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線。光線在</p><p>　　經(jīng)過角膜反射后會形成一個亮點，即角膜反射光斑。在人眼中，角膜凸出于眼球</p><p>　　表面，因此當(dāng)人眼運動時，光線從各個角度射到角膜，得到不同方向的反射光，</p><p>　　角膜反射光斑的位置也就隨之在角膜上改變，利用眼攝像機(jī)拍攝眼睛運動的圖像，記錄角膜發(fā)射光斑位置

10、的改變，利用圖像處理技術(shù)實時的得到虛像位置，完成視線的跟蹤。這種方法主要用于眼動力學(xué)和注視點標(biāo)定方面，但是頭部誤差較大。</p><p>　　（2）鞏膜一虹膜邊緣法。此方法首先利用紅外光照射人眼，在眼睛附近安裝的兩只紅外光敏管用來接收鞏膜和虹膜邊緣處兩部分反射的紅外光。接收到的紅外光會隨著眼睛的運動而變化，當(dāng)眼球向一側(cè)運動時，虹膜就轉(zhuǎn)向這邊，這一側(cè)的光敏管所接受的紅外線就會減少;而另一側(cè)的鞏膜反射部分增加，導(dǎo)致這

11、邊的光敏管所接受的紅外線增加。利用這個差分信號就能無接觸的測出眼動。這種方法應(yīng)用于眼動力學(xué)、注視點標(biāo)定方面，它的水平精度較高，垂直精度較低、干擾大、頭部誤差大。</p><p>　?。?)瞳孔一角膜反射向量法。首先利用眼攝像機(jī)拍攝眼睛圖像，接著通過圖</p><p>　　像處理得到瞳孔中心位置。然后把角膜反射點作為眼攝像機(jī)和眼球的相對位置的</p><p>　　基點

12、，根據(jù)圖像處理得到的瞳孔中心即可以得到視線向量坐標(biāo)，從而確定人眼注</p><p>　　視點。這種方法基本上應(yīng)用于注視點標(biāo)定方面，精度較高，干擾也比較小，頭部</p><p>　　誤差也較小，這個方法也是現(xiàn)在眼動儀中使用最廣泛的方法。</p><p>　　1.3 眼動儀的類型及系統(tǒng)構(gòu)成</p><p>　　第一種是頭盔式眼動儀。頭盔上裝有紅外

13、光源，眼攝像機(jī)，場景攝像機(jī)。采</p><p>　　集到的眼圖通過計算機(jī)上安裝數(shù)的數(shù)據(jù)處理軟件對眼圖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隨后進(jìn)行標(biāo)定計算，將標(biāo)定點標(biāo)注在場景攝像機(jī)采集的圖像中，從而完成人眼關(guān)注點的標(biāo)定。頭盔式眼動儀允許受試者身體和頭部在一定范圍內(nèi)的自由運動。</p><p>　　第二種是桌面式眼動儀。桌面式眼動儀一般是受試者無需佩帶任何測試儀器，攝像頭校準(zhǔn)后自動捕捉被試者的眼動。桌面式眼動儀只能

14、允許使用者頭部在小范圍內(nèi)活動并且身體不能移動。例如一種基于桌面式的座式眼動儀，它是一種類似于于視力檢測儀的裝置，受試者額頭和下巴緊貼儀器，軟件處理過程與頭盔式眼動儀相同。</p><p>　　現(xiàn)代眼動儀的結(jié)構(gòu)一般包括四個系統(tǒng)，即光學(xué)系統(tǒng)，瞳孔中心坐標(biāo)提取系統(tǒng)，視景與瞳孔坐標(biāo)迭加系統(tǒng)和圖像與數(shù)據(jù)的記錄分析系統(tǒng)。眼動有三種基本方式:注視(fixation)，眼跳(saccades)和追隨運動(pursuit move

15、ment)。</p><p><b>　　二 眼動的主要研究</b></p><p>　　隨著眼動儀向智能化，系列化，便攜化方向的發(fā)展，其理論研究以及在心理學(xué)眾多分支領(lǐng)域中的應(yīng)用得以迅速發(fā)展，以下就部分眼動理論研究及應(yīng)用領(lǐng)域作一簡單介紹。</p><p>　　2.1 眼動與視覺信息加工的心理機(jī)制研究</p><p>　　

16、它是心理學(xué)基礎(chǔ)研究的主要課題。該領(lǐng)域中的基本理論主要是關(guān)于視覺信息加工與眼動的關(guān)系理論，特別是眼跳與注意的關(guān)系模型。Godijn和Theeuwes提出了"競爭-整合模型"(The Competitive Integration Model)以解釋外源性眼跳(excogenous saccades)與內(nèi)源性眼跳(endogenous saccades)之間的競爭。該模型認(rèn)為眼跳過程發(fā)生在一個共同的眼跳地圖上，這個眼跳地

17、圖是動態(tài)的，可變的，心理性的。</p><p>　　2.2 圖畫觀看視覺搜索和模式識別的眼動研究</p><p>　　圖畫觀看是一個不斷搜索的過程，重要信息也直觀。人們往往能獲得離中央窩更遠(yuǎn)距離上的信息。上世紀(jì)30年代Buswell對圖畫觀看進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出兩種知覺模型:第一是一般查詢模式(general survey)，另一種是持續(xù)時間較長的注視。Yarbus(1967)以眼動為指標(biāo)

18、對圖畫觀看進(jìn)行了較廣泛的系統(tǒng)研究。Noton stark(1971)提出了一種視覺模式的知覺理論假設(shè)，并有證據(jù)支持。</p><p>　　模式識別是認(rèn)知心理學(xué)在知覺領(lǐng)域中研究的重要課題之一。Gould等(1965)考察了搜索數(shù)字的眼動模式，Williams(1966)在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)只告訴被試要找的數(shù)字信息時，被試往往不表現(xiàn)出明顯的選擇性注視，當(dāng)給出顏色，大小和形狀三種信息的一種時，顏色信息使被試表現(xiàn)出明顯的選擇

19、性注視。</p><p>　　2.3 眼動分析法在廣告心理學(xué)研究中的應(yīng)用</p><p>　　廣告心理學(xué)是將心理學(xué)的基本原理用于廣告設(shè)計，通過對消費者的心理過程和特點的研究，設(shè)計出最能激起消費者購買欲的廣告。人們通過測量多種心理效應(yīng)來判斷廣告在消費者群體中產(chǎn)生的效果。測定廣告心理效應(yīng)的方法有:廣告媒體的認(rèn)知測量，廣告媒體的記憶測量，視向心理測量和意見測量等。眼動儀可以將顧客注視廣告時的眼動

20、軌跡記錄下來，通過分析記錄的數(shù)據(jù)，可以清楚地了解顧客注視廣告時的先后順序，對畫面的某一部分(分析結(jié)果時可以劃分興趣區(qū)間)的注視時間，注視次數(shù)，眼跳距離，瞳孔直徑(面積)變化等。并以此來分析廣告觀看者的心理活動，這有助于廣告商了解到廣告受眾是否按廣告制作人的意圖去注視廣告，是否漏看了廣告主(出資人)最為關(guān)注的諸如公司名稱，商品名稱及與眾不同的特點，品牌標(biāo)記等重要信息。通過眼動分析可以為廣告設(shè)計者對廣告布局(重要信息的位置)，插圖和文案進(jìn)行

21、合理的安排提供有用的依據(jù)，也為評價廣告設(shè)計效果提供了客觀指標(biāo)。</p><p>　　2.4 眼動在工效學(xué)(ergonomics)研究中的應(yīng)用</p><p>　　在工程設(shè)計中經(jīng)常要考慮人的因素的制約性。如視覺信息搜索的速度，范圍及其快捷性等。眼動的工效學(xué)就是利用眼動指標(biāo)來探測人--機(jī)交互作用中視覺信息提取及視覺控制問題，使設(shè)計符合人的身體結(jié)構(gòu)和身心特點，實現(xiàn)人，機(jī)，環(huán)境之間的最佳結(jié)合。能夠

22、讓人們更容易，更有效，更舒適和更安全地工作。</p><p>　　2.5 眼動的交通心理學(xué)研究</p><p>　　眼動在交通心理學(xué)的研究主要涉及駕駛艙內(nèi)的表盤設(shè)計問題，道路建設(shè)及路標(biāo)設(shè)置問題，駕駛者在駕駛過程中的視覺信息搜索及其培訓(xùn)問題等。法國的Florence Hella在采用呈現(xiàn)信息的新技術(shù)研究汽車儀表盤時曾特別強調(diào)眼動分析的重要性。</p><p>　　2.

23、6 眼動儀在網(wǎng)站可用性研究的應(yīng)用</p><p>　　眼動追蹤技術(shù)對網(wǎng)站可用性的研究主要包括對網(wǎng)頁瀏覽習(xí)慣的研究和網(wǎng)站頁面布局的研究兩個方面。其中，對網(wǎng)頁瀏覽習(xí)慣的研究主要是通過觀察分析網(wǎng)民的網(wǎng)頁瀏覽數(shù)據(jù)，來獲取相關(guān)資料，從而對網(wǎng)頁的結(jié)構(gòu)、設(shè)計、內(nèi)容等對網(wǎng)民的影響力做出判斷，并且進(jìn)一步推斷出網(wǎng)站如何實現(xiàn)最優(yōu)布局才能對網(wǎng)站受眾產(chǎn)生最大的視覺和心理影響。</p><p>　　三 常見眼動儀的簡

24、介</p><p>　　3.1 青研EyeLab眼動測試系統(tǒng)　</p><p>　　青研 EyeLab 眼動測試系統(tǒng)(眼動儀，eye tracker)，由精密的視線測量儀器及安裝有 EyeLab 專業(yè)眼動分析軟件的工作站組成。可以實時準(zhǔn)確地測量人們在看廣告、包裝或界面設(shè)計時眼睛的注視點及所看的路徑?？山y(tǒng)計多人的眼動熱點圖，并統(tǒng)計指定興趣區(qū)域的注視時間、注視次數(shù)、首次進(jìn)入時間等數(shù)據(jù)。<

25、/p><p><b>　　圖1 青研眼動儀</b></p><p>　　熱點圖：對多名觀眾的數(shù)據(jù)進(jìn)行總體分析，計算哪些部分是顧客最感興趣的，最紅的區(qū)域表示看的時間最長。</p><p>　　興趣區(qū)數(shù)據(jù)分析：在 EyeLab 眼動分析軟件中可對圖片劃分興趣區(qū)域，如廣告語、商標(biāo)、產(chǎn)品名稱等需要關(guān)注的區(qū)域?？煞奖愕貙⒆⒁晻r間、注視次數(shù)、首次進(jìn)入時間等數(shù)

26、據(jù)導(dǎo)出到 Excel 電子表格進(jìn)行定量的統(tǒng)計分析。 </p><p>　　3.2  Eyelink Desktop桌面式眼動追蹤系統(tǒng)</p><p>　　Eyelink Desktop是世界上采樣速率最高的眼動追蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)的眼動采集裝置安置在被試顯示器下前方，與頭戴式眼動系統(tǒng)相比，其優(yōu)點是被試者狀態(tài)更加自然放松、操作方便、精度高。</p><p>&l

27、t;b>　　系統(tǒng)特點:  </b></p><p>　　(1) 支持單眼和雙眼采集</p><p>　　(2) 3點到13點定標(biāo)，簡便快捷    </p><p>　　(3) 被試在實驗中離開追蹤范圍后，不需重新定標(biāo)</p><p>　　(4) 被試頭部不接

28、觸電子設(shè)備，減少心理影響</p><p>　　(5) 兼容普通和隱形眼鏡</p><p>　　(6) 可對掃視、注視和眨眼進(jìn)行在線分析    </p><p>　　(7) 適用于認(rèn)知，閱讀等高精度的科研和廣告、工業(yè)設(shè)計等應(yīng)用領(lǐng)域        

29、;             </p><p>　　(8) 可與腦電/事件相關(guān)電位EEG/ERP系統(tǒng)結(jié)合適用</p><p>　　3.3 HED頭戴式眼動儀  </p><p>　　HED頭盔式眼動儀包括頭盔和記錄分析計算機(jī)。頭

30、盔上裝有紅外光源、紅外線攝像頭、半反半透鏡和景物攝像頭。紅外線通過半反半透鏡照射到受試者的眼睛上，被反射回來的紅外線通過半反半透鏡投射到紅外線攝像頭，紅外線攝像頭通過測量眼睛反射的紅外線確定眼珠和瞳孔的位置，計算出眼珠的水平和垂直運動的時間、距離、速度及瞳孔直徑。另一個景物攝像頭攝取被測者注視的物體。攝像機(jī)追蹤虹膜和瞳孔上的角膜反射對頭部相對運動進(jìn)行補償。攝像機(jī)每秒采集50禎圖像，特殊應(yīng)用時可以有更高的采樣率。僅有此型眼動儀可以記錄受試

31、者觀看真實景物時的注視位置。 HED校準(zhǔn)需要幾十秒鐘，受試者根據(jù)研究人員的要求依此注視5個提前設(shè)定好的點，研究人員在計算機(jī)屏幕上進(jìn)行確認(rèn)即可完成校準(zhǔn)。受試者頭部甚至全身都在運動時，頭部運動傳感器測得的數(shù)據(jù)對注視數(shù)據(jù)進(jìn)行修正從而得到精確的注視數(shù)據(jù)。此型眼動儀可以得到受試者瞳孔大小變化和視點移動的錄像文件。 頭盔有多種樣式可以選擇, 例如棒球帽式，自行車頭盔式，飛行員頭盔式等等，適用于各種研究場合。數(shù)據(jù)記錄分析計算機(jī)可以選擇臺式機(jī)或

32、筆記本以便在固定或移動環(huán)境中使用。</p><p><b>　　HED頭盔式眼動儀</b></p><p>　　3.4 RED桌面遙測式眼動儀                   

33、                                    </p>

34、;<p>　　RED系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如上圖所示。一臺RED系統(tǒng)包括研究人員面前的眼動數(shù)據(jù)記錄分析計算機(jī)、受試者面前的刺激圖像顯示計算機(jī)、紅外光源和RED攝像頭。紅外光源和RED攝像頭安裝在刺激顯示器下方，受試者注視前方顯示器屏幕上的刺激圖形時，RED攝像頭捕捉受試者眼睛反射的紅外線從而得到其注視位置數(shù)據(jù)。研究人員通過其面前的計算機(jī)控制呈現(xiàn)給受試者的刺激圖像。刺激圖像可以用屏幕顯示，也可以顯示屏上安放一個閱讀板，受試者直接注視在板上

35、放置的紙質(zhì)媒體的內(nèi)容，或者用投影機(jī)將刺激圖像投射到墻上。不同的刺激圖像呈現(xiàn)方式可以分別用于學(xué)習(xí)認(rèn)知研究、軟件網(wǎng)頁測試和模擬駕駛等研究領(lǐng)域。 RED眼動儀具有眼睛和頭部的自動探測功能，允許受試者在測試過程中短暫的離開攝像頭的測試范圍，再回來時，攝像頭能自動的繼續(xù)攝取受試者的眼睛圖像。此型眼動儀對受試者頭部沒有束縛，長時間測量也不會有太多不適。</p><p>　　RED桌面遙測式眼動儀 </

36、p><p><b>　　四 眼動儀發(fā)展趨勢</b></p><p>　　1. 眼動儀的使用范圍更廣</p><p>　　眼動儀的造價大幅度下降，性能也有了很大改善，尤其是眼動記錄技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，使得眼動儀的精確度大大提高，加上便攜式眼動儀的應(yīng)用，使眼動儀可能在實際的運動場景中進(jìn)行，使實驗情景和真實情景更加接近。</p><

37、;p>　　2.眼動儀與其它儀器相結(jié)合</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，眼動記錄的原理不斷更新，多種科技手段滲入眼動儀中，使其更加精確、方便，數(shù)據(jù)處理更加快捷。</p><p>　　3.眼動研究將更加注重認(rèn)知過程</p><p>　　現(xiàn)有的研究中實驗測試指標(biāo)多為眼動的外部特征，缺乏對人們決策過程認(rèn)知特點的研究，探討人們選擇判斷時的內(nèi)部加工過程，是眼動研究

38、的又一重要趨勢。眼動指標(biāo)是行為的觀測指標(biāo)，反映的是眼動的外部特征，若能與認(rèn)知指標(biāo)結(jié)合，反映出人們在快速反應(yīng)情景中的內(nèi)部決策特點，眼動研究將更加深入。</p><p><b>　　五 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] Bendschneider D,Tornow RP,Horn FK,et al. Retinal nerve fiber layer th

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