Oculography ( eye tracking , eye tracking ; eye tracking ) - bestemmelse af blikkets koordinater ("skæringspunktet for øjeæblets optiske akse og planet for det observerede objekt eller skærm, på hvilket visuel stimulus præsenteres"). En eye tracker er en enhed, der bruges til at bestemme orienteringen af øjeæblets optiske akse i rummet (det vil sige til at spore øjne ). Eye trackers bruges i visuel systemforskning , psykologi, kognitiv lingvistik . Der bruges flere metoder til eye tracking. Den mest populære er frame-by-frame videoanalyse af øjet, kontaktmetoder såsom elektrookulografi bruges også .
I det 19. århundrede blev al forskning inden for øjensporing udelukkende udført ved observation.
I 1879 i Paris opdagede Louis-Émile Javal , at mens man læste trykt tekst, bevægede øjeæblerne sig ikke monotont, som tidligere antaget. I stedet laver de korte stop, som Javal kaldte fikseringer , og bratte bevægelser - saccader [1] . Denne observation førte til fremkomsten af vigtige spørgsmål om arten af læseprocessen, som allerede blev løst i det 20. århundrede : På hvilke ord koncentrerer en person sin opmærksomhed? Hvor lang tid tager det? Hvorfor er det nødvendigt at vende blikket tilbage til ord, som subjektet allerede har set?
Edmund Hugh [2] skabte den første eye-tracking-enhed. Enheden var en slags kontaktlinse med et hul til pupillen . Enheden var forbundet til en aluminiumsmarkør, der bevægede sig synkront med øjeæblet. Hugh brugte kvantificerede regressioner (kun en lille brøkdel af saccaderne er faktisk regressioner).
Den første ikke-invasive eye tracker blev skabt af Guy Thomas Bushwell i Chicago . Bushwell brugte refleksioner af lysstråler fra øjeæblet på lysfølsom film . Således forskede han i læseprocesserne [3] og undersøgelsen af statiske billeder [4] .
I 1950'erne i Moskva foretog den russiske videnskabsmand Alfred Yarbus [5] vigtig forskning inden for øjensporing, og hans monografi fra 1967 blev meget værdsat af verdens videnskabelige samfund. Han viste, at den formelle opgave, som forsøgspersonen fik, havde en enorm indflydelse på resultatet af eye-tracking-eksperimentet.
Han skrev også om forholdet mellem motivationen af motivet og fikseringen af hans blik: "De udførte undersøgelser ... viser, at karakteren af øjenbevægelser enten er fuldstændig uafhængig eller meget lidt afhængig af indholdet af den visuelle stimulus. " En række eksperimenter viste, at resultatet af forsøget ikke kun afhænger af den visuelle stimulus, men også af den opgave, der er tildelt forsøgspersonen, samt af den information, som forsøgspersonen forventer at modtage fra den visuelle stimulus [6] .
Optagelser af eksperimenter med at evaluere øjenbevægelser viste, at kun en lille del af elementerne i billedet tiltrækker motivets opmærksomhed, og hans øjne fikserer disse elementer. Processen med øjenbevægelse afspejler processen med menneskelig tænkning. Blikket følger med en vis forsinkelse det punkt, hvor motivets opmærksomhed er rettet. Det er således ganske enkelt at afgøre, hvilke elementer i billedet der tiltrækker motivets opmærksomhed, i hvilken rækkefølge og hvor ofte [7] .
Ofte blev forsøgspersonens opmærksomhed henledt til elementer, der måske ikke giver vigtig information, men som efter hans personlige mening kan gøre det. Ofte er motivets øje rettet mod elementer, der simpelthen er usædvanlige i den givne indstilling [8] .
Når man bevæger sig fra et fikseringspunkt til et andet, vender motivets øje ofte tilbage til de elementer i billedet, som han allerede har set, det vil sige, at der bruges ekstra tid på en sekundær undersøgelse af de vigtigste elementer i stedet for undersøgelse af mindre vigtige elementer [ 9] .
I 1970'erne accelererede eye-tracking-forskningen dramatisk, især inden for læseteori. En god gennemgang af disse undersøgelser er blevet lavet af Reiner [13] .
I 1980 formulerede Just and Carpenter [14] en hypotese om forholdet mellem det visuelle system og den menneskelige bevidsthed. "Der er ingen væsentlig uoverensstemmelse mellem, hvad en person retter sit blik på, og hvad han forsøger at forstå." Hvis denne hypotese er korrekt, så når subjektet ser på et ord eller en genstand, tænker han eller hun over det ( kognitiv proces), og denne proces er sammenlignelig i varighed med den registrerede varighed af fiksering. Denne hypotese omtales ofte af moderne forskere inden for øjensporing.
I 1980'erne blev denne hypotese udviklet i lyset af problemet med skjult opmærksomhed [15] [16] . Spørgsmålet om skjult opmærksomhed er dechifreret på en sådan måde, at folk ikke altid ser på, hvad der faktisk tiltrækker deres opmærksomhed. Hemmelig opmærksomhed observeres i optagelser af øjenbevægelser, hvor bliksporet og fikseringspunkterne ofte passerer de objekter, som opmærksomheden faktisk blev henledt til, og kun nogle gange viser kortvarige fikseringer. Det følger heraf, at der ikke i alle tilfælde er en entydig sammenhæng mellem resultaterne af eye-tracking-eksperimentet og den kognitive proces.
I overensstemmelse med Hoffmanns arbejde er det punkt, som motivets opmærksomhed er knyttet til, altid lidt (med 100-250 ms) foran øjenbevægelsen [17] . Men når opmærksomhedspunktet flytter til en ny position, vil øjnene bestemt forsøge at følge det [18] .
Det er stadig ikke muligt at fastslå mekanismen for kognitive processer direkte fra resultaterne af eye-tracking-eksperimenter [19] . For eksempel kan det at fæstne sit blik på et ansigt eller billede ikke indikere, at motivet kan lide eller ikke kan lide ansigtet eller billedet. Derfor bruges eye tracking-teknologi ofte med metoder som den introspektive verbale protokol.
Videobaserede eye trackers er langt de mest udbredte. Kameraet filmer det ene eller begge øjne og registrerer deres bevægelser, mens motivet ser den visuelle stimulus. De fleste moderne eye trackers bruger kontrasten mellem pupillen og iris, der opstår med infrarød belysning. Derudover analyseres positionen af den infrarøde belysningsflare, hvilket gør det muligt at bestemme orienteringen af øjeæblets optiske akse.
Der er to hovedtyper af sådanne systemer:
Deres forskel ligger i placeringen af lyskilden i forhold til kameraet. Hvis baggrundsbelysningen er parallel med kameraets optiske akse, fungerer øjet som en sekundær reflektor af lys, der kommer fra baggrundsbelysningen og reflekteres fra nethinden, hvilket skaber en lys pupileffekt, der ligner rødøje-effekten i fotografering. Hvis belysningskilden forskydes i forhold til kameraets optiske akse, bliver pupillen sort, da den sekundære refleksion fra nethinden ikke kommer ind i kameraet. Effekten af en lys pupil tillader eye-tracking uanset farven på testpersonens iris. Det hjælper også med at overvinde indflydelsen af mørk øjenmascara og øjenvipper, der delvist dækker pupillen. Det tillader også øjensporing under lysforhold, der spænder fra totalt mørke til høje lysforhold, men teknikker med lyse øjne er ikke effektive til øjensporing under udendørsforhold på grund af tilstedeværelsen af yderligere kilder til infrarød stråling.
Eye tracking-enheder er meget forskellige i deres hardwareimplementering. Nogle af dem er monteret på motivets hoved, andre kræver en fast fiksering af motivets hoved, resten fjernbetjener og kompenserer automatisk for hovedbevægelser. De fleste systemer fungerer med en billedhastighed på mindst 30 billeder i sekundet. Selvom den mest almindeligt anvendte billedhastighed er 50/60 fps, fungerer de fleste videobaserede eyetrackere ved 12, 300, 500 eller endda 1000/1250 fps. Dette er nødvendigt for at sikre, at 100 % af øjenbevægelserne registreres.
Øjenbevægelser opdeles traditionelt i fikseringer og saccader, det vil sige, at øjet fikseres i nogle positioner og derefter hurtigt bevæger sig til næste position. Den resulterende serie af fikseringer og saccader kaldes scanpath. Den visuelle analysator af den menneskelige hjerne modtager hovedmængden af information under fiksering. Synsfeltets centrum, som er dannet af en solid vinkel på 2 sterads, giver det meste af den visuelle information. Signalet fra resten af synsfeltet er mindre informativt. Som en konsekvens af placeringen af fikseringspunkterne, som scanpath giver os, objektivt vise punkter, der tiltrækker opmærksomhed på en visuel stimulus. Den gennemsnitlige varighed af fikseringer varierede fra 200 ms under læsning af tekst til 350 ms, mens man studerede et statisk billede. Processen med øjenbevægelse fra et fikseringspunkt til et andet (saccade) tager op til 200 ms.
Blikstier er nyttige til at analysere kognitive processer samt identificere interessepunkter. Andre biologiske faktorer, såsom køn, kan også påvirke blikkets vej. Eye tracking kan således bruges i usability-studier, såvel som til at kontrollere eksterne enheder ved at kontrollere øjenbevægelser.
Eye trackers bestemmer orienteringen af øjeæblets optiske akse og dynamikken i denne orientering over tid. Dette gøres på flere måder, men de kan opdeles i tre store grupper.
Den første type bruger mekanisk kontakt med øjet. Disse kan være kontaktlinser med indbyggede spejle , eller de kan være miniature-enheder, der skaber et magnetfelt . Målinger taget med specielle kontaktlinser viste registreringer, der var ekstremt følsomme over for øjenbevægelser. Disse metoder bruges ofte af forskere, der studerer dynamikken og den skjulte fysiologi af øjenbevægelser.
Den næste brede kategori bruger ikke-kontakt optiske metoder til registrering af øjenbevægelser. Som regel bruges infrarød belysning , som reflekteres af øjeæblet og optages af et videokamera eller en anden specialdesignet optisk sensor. I processen med at behandle videooptagelsen opnås information om øjeæblets orientering i rummet og dets tidsmæssige dynamik. Videobaserede eye trackers bruger ofte refleksionen af infrarød belysning fra hornhinden i øjnene ( Purkynes første billede ) til at beregne retningen til øjeæblets centrum og sammenligne yderligere med koordinaterne for pupillens centrum. En mere sofistikeret type eye tracker bruger både refleksion fra hornhinden og refleksion fra øjets linse [20] . De mest komplekse eye trackers af denne type analyserer også placeringen af blodkar på hornhinden og nethinden. Denne kategori af øjensporing bruges oftest i opgaverne med bliksporing (finde skæringspunktet for øjeæblets optiske akse og skærmens plan, hvor der vises visuel stimulus), som kræver, at den eksperimentelle procedure ikke er -invasiv og udstyret skal være relativt billigt.
Den tredje kategori bruger elektriske potentialer målt af elektroder placeret rundt om øjnene. Hvert øje er en kilde til et stabilt elektrisk felt, der kan detekteres i fuldstændig mørke, eller når motivet lukker øjnene. Øjet kan sidestilles med en dipol, hvis positive pol er på hornhinden og den negative pol på nethinden. Et elektrisk signal kan opnås ved at bruge to par elektroder placeret på huden omkring et af øjnene, en teknik kaldet et elektrookulogram (EOG). Hvis øjnene bevæger sig fra en central position til en perifer, så nærmer nethinden sig den ene elektrode, og hornhinden nærmer sig den anden. Denne proces ændrer orienteringen af dipolen, som følge heraf ændres det elektriske felt, og som følge heraf ændres det målte EOG-signal. Analysen af disse elektriske signaler kan således bruges til eye tracking. På grund af det faktum, at der bruges to par elektroder, er det muligt at adskille de vandrette og lodrette komponenter i øjenbevægelsen. Den tredje EOG-komponent er den radiale EOG-kanal [21] , som er forskellen mellem gennemsnitsværdien af 4 EOG-elektroder og en ekstra elektrode fastgjort på hovedet. Denne radiale kanal er følsom over for potentialer fremkaldt af saccadiske spidser af de oculomotoriske muskler, hvilket gør det muligt at detektere selv ekstremt små saccader [22] .
På grund af den tidsmæssige ustabilitet af EOG-signalpotentialerne og varigheden af saccader, bliver det vanskeligt at bruge EOG til at måle langsomme øjenbevægelser og bestemme blikpositionen. EOG er dog en meget stabil teknik til at detektere saccadisk øjenbevægelse forbundet med en ændring i blikkets retning, samt til at detektere øjenblink. I modsætning til videobaserede metoder tillader EOG at optage øjenbevægelser, selv når øjnene er lukkede, og dermed kan EOG bruges i søvnstudier. Dette er en meget ressourcekrævende tilgang, der i modsætning til videobaserede metoder ikke kræver en kraftig computer, fungerer under forskellige lysforhold og let kan implementeres som en mobil enhed [23] . Denne metode er således god til mobil øjensporing i hverdagssituationer, såvel som i studier af det hurtige øjenbevægelsesstadium under søvn.
Eye trackers bestemmer øjeæblets orientering i forhold til et eller andet koordinatsystem. Hvis eyetrackeren er monteret på motivets hoved, for eksempel som i et EOG-baseret system, så er det nødvendigt at kompensere for bevægelsen af motivets hoved i forhold til dette koordinatsystem. Som følge heraf bliver opgaven med at bestemme emnets synspunkt mere kompliceret. Hvis eyetrackeren er fast, så fører beregningen af synspunktet til lavere beregningsomkostninger. I mange systemer er forsøgspersonens hoved fikseret ved hjælp af en oftalmisk ramme, som et resultat af, at det bliver muligt at undgå yderligere beregninger forbundet med bevægelsen af emnets hoved. Andre systemer kompenserer for hovedbevægelser ved hjælp af magnetiske sensorer eller yderligere videoanalyse.
For enheder, der er monteret direkte på motivets hoved, tilføjes hovedets position og dets orientering i rummet til retningsvektoren for personens blik. For faste eyetracker-systemer trækkes hovedets retning fra blikkets retning for at bestemme øjnenes position i ansigtet.
Information om mekanismen og dynamikken i øjeæblets bevægelse er meget efterspurgt i videnskabelig forskning, men i de fleste tilfælde er den ultimative opgave med øjensporing at bestemme synspunktet, det vil sige bliksporing .
En af vanskelighederne ved at evaluere eye-tracking-systemer er, at forsøgspersonens øje ekstremt sjældent er i en stationær tilstand, det kan være ekstremt svært at vurdere små, men ekstremt hurtige og til tider kaotiske bevægelser forbundet med påvirkningen af en støjkilde i mekanismen. af eye-tracking-systemer. En af de nyttige metoder til at bekæmpe denne effekt er parallel optagelse af to øjne af motivet og kontrol af positionen af det ene øje i det andet øje. En sund persons øjne er meget godt forbundet, og forskellen i retningen af de optiske akser i lodret retning overstiger normalt ikke ± 2 bueminutter. Et korrekt fungerende og følsomt øjensporingssystem bør vise denne grad af øjenkonsistens i motivet. Enhver forekomst af en større vinkelforskel kan betragtes som en målefejl.
Slutbrugeren kan for eksempel være interesseret i, hvilke særlige fragmenter af billedet, der tiltrak sig motivets opmærksomhed. Den vigtige pointe er, at eyetrackeren i princippet ikke præcist kan bestemme det punkt, der tiltrak motivets opmærksomhed. Eye-tracking er dog ret effektiv til at bestemme den omtrentlige rækkefølge af interessepunkter. For at bestemme emnets synspunkt er det nødvendigt at udføre en kalibreringsprocedure. Under disse procedurer bliver forsøgspersonen bedt om sekventielt at rette sit blik mod en række kalibreringsmarkører. Parallelt hermed registrerer eyetrackeren pupilkoordinaterne, der svarer til hver af positionerne af kalibreringsmarkørerne. Selv de teknikker, der undersøger karrenes placering på nethinden, tillader dig ikke at skabe en enhed, der er kalibreret én gang for alle mulige forsøgspersoner, da placeringen af karrene på nethinden er unik for hvert forsøgsperson. Nøjagtig og pålidelig kalibrering er afgørende for at opnå korrekte og reproducerbare eksperimentelle data. Dette kan være en væsentlig hindring, når man udfører eye-tracking-eksperimenter med forsøgspersoner med ustabilt blik.
Hver øjensporingsmetode har sine fordele og ulemper, og valget af øjensporingsudstyr afhænger af dets omkostninger og omfang. Der er offline og online metoder. Der er en sammenhæng mellem pris og systemets nøjagtighed. De fleste meget følsomme systemer koster titusindvis af dollars og kræver højtuddannet personale til at opsætte udstyret til slutbrugereksperimenter. Den hurtige udvikling af computerteknologi og videobehandlingsteknologi har ført til fremkomsten af relativt billige systemer, der er velegnede til de fleste eye-tracking-applikationer og er nemme at administrere. Fortolkning af resultaterne kræver stadig et vist niveau af træning, og et dårligt kalibreret system kan føre til væsentlige fejl under eksperimentet.
To grupper af bilisters øjenbevægelser blev filmet med en eyetracker monteret på forsøgspersonens hoved. Forskningen blev udført på det svenske forbundsteknologiske institut. Rookie-chauffører og chauffører med mange års erfaring deltog i dette eksperiment. Forsøget bestod i at køre på en meget smal vej. En serie billeder af en nybegynder og en erfaren chauffør er vist i figur 24. Billedsekvensen dækker et tidsinterval på 0,5 sekunder.
En række skud viser, hvordan fikseringer blev fordelt mellem en nybegynder og en erfaren chauffør. En sammenligning af de første skud viser, at en erfaren bilist primært leder efter krumning i kørebanen, mens en nybegynder er fikseret på en parkeret bil. I de midterste optagelser kan man se, at den erfarne bilist koncentrerer sig om det område, hvor en modkørende i teorien kunne dukke op, mens nybegynderen stadig kigger på de parkerede biler. På de nederste billeder kan du se, at en nybegynder bilist estimerer afstanden mellem muren til venstre og en parkeret bil, mens en erfaren bilist kan bruge perifert syn og stadig fokusere sine øjne på et farligt sving i vejen: hvis en modkørende bil dukker op i dette område, vil han have udgangssti, det vil sige at trække over til siden af vejen og stoppe mellem parkerede biler [25] .
Specialudstyr "Eye-Tracker" sporer blikbevægelsens bane, når du læser og laver øvelser. Programmet analyserer information om øjenbevægelser i realtid og kontrollerer automatisk opgavens rigtighed. Information overføres prompte til læreren, som hjælper med at rette fejl og gøre læring mere effektiv [26] .
Ældre fag er mere afhængige af centralt syn. Deres ganghastighed er mindre end for yngre forsøgspersoner. Yngre forsøgspersoner bruger både centralt og perifert syn, mens de går. Deres perifere syn giver dem mulighed for bedre at kontrollere miljøet omkring dem og som et resultat gå hurtigere [27] .
Den brede vifte af discipliner, der bruger øjensporingssystemer, omfatter: kognitiv videnskab , psykologi (især psykolingvistik og studiet af læseprocesser), menneske-maskine-interaktion , markedsføringsforskning, medicinsk forskning ( neurologisk diagnostik ). Specifikke anvendelser omfatter studiet af øjenbevægelser, når man læser på forskellige sprog, læsning af noder, studiet af interaktion mellem mennesker, opfattelsen af reklamer, sportskonkurrencer [28] . Brug inkluderer:
I de senere år er kompleksiteten og brugervenligheden af eye tracking-systemer steget dramatisk, hvilket har resulteret i en kraftig stigning i interessen for dem fra den kommercielle sektor. Anvendelser af systemerne omfatter webbrugbarhed, annoncering, optimering af front-end produktdesign og udviklingsautomatisering. Generelt involverer de fleste kommercielle anvendelser af øjensporing at præsentere den samme visuelle stimulus for en gruppe forbrugere, mens de sporer øjenbevægelser. Eksempler på slutstimuli omfatter websteder, tv-programmer, sportsudsendelser, film, reklamer, magasinsider, avissider, nogle produktemballager og butiksdiske, pengeautomater og softwarebrugergrænseflader. De resulterende data kan analyseres statistisk og vises grafisk for at vise gyldigheden af de dragede konklusioner. Ved at undersøge fikseringer, saccader, ændringer i pupilstørrelse, blink og en række andre parametre kan forskere i vid udstrækning bestemme effektiviteten af den skabte informationsressource eller produkt. Mens nogle virksomheder forsøger at løse sådanne problemer internt, tiltrækker andre virksomheder, der tilbyder eye tracking-tjenester.
Det mest lovende område inden for kommerciel øjensporing er webbrugbarhed . Mens traditionelle usability-teknikker giver ret tilstrækkelige data ved at analysere museklik og ruller, gør eye-tracking det muligt at analysere forholdet mellem brugeradfærd og museklik. Dette giver en væsentlig forbedring i vurderingen af, hvilke dele af hjemmesiden, der er mest attraktive for brugeren, hvilke dele af hjemmesiden, der volder vanskeligheder for slutbrugeren, og hvilke dele af hjemmesiden der ikke bliver bemærket af brugeren. Eye tracking kan også bruges til at måle søgeresultater , brandkoncept, online research, sideovergangsbrugbarhed, overordnet designeffektivitet og mange andre aspekter af webdesign. I processen med forskning kan der foretages en sammenligning af to konkurrerende steder.
Eye tracking er traditionelt blevet brugt til at måle effektiviteten af annoncering på tværs af en række medier . TV- videoer , flyers , annoncer på internetsider , visning af sponsors logo i tv-programmer, alt dette åbner op for et bredt aktivitetsområde for kommerciel øjensporing. Synligheden af en produktemballage eller et eller andet logo på et butiksvindue, avis, hjemmeside og tv-program analyseres. Dette giver forskere mulighed for at vurdere i detaljer, hvordan forbrugere bemærker eller ikke bemærker slutproduktets logo, emballage, POS. Således kan en reklamespecialist evaluere effektiviteten af en reklamekampagne gennem ægte visuel opfattelse.
Eye tracking giver produktemballagedesignere mulighed for at evaluere produktemballages effektivitet. På denne måde kan den undersøgte emballages synlighed, attraktivitet og trendsættende vurderes for at træffe det bedste valg. Eye tracking bruges ofte, mens et kommercielt produkt stadig er i prototypestadiet. Prototyper testes ofte i par for at se, om deres design er mest effektivt og sammenlignet med konkurrenternes løsninger.
En af de mest lovende anvendelser af eyetracking er at optimere designet af gadeterminaler . På nuværende tidspunkt er forskere gået så langt som at foreslå at integrere eyetrackere i masseproducerede gadeterminaler. Hovedformålet med dette er at reducere interaktionstiden mellem en person og en enhed.
Eye trackers kan også bruges til at optimere et digitalkameras autofokussystem (fokusere, hvor brugeren kigger).
National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) hævder, at integration af eye-trackere i en bil kan reducere antallet af ulykker med 100.000 om året. Ifølge deres forskning sker op til 80% af ulykkerne som følge af forkerte handlinger fra føreren inden for 3 sekunder før ulykken. At udstyre biler med eye-trackere vil øge sikkerhedsklassen for disse biler markant. Lexus lover at udstyre LS460 med en indbygget eyetracker, der vil advare dig, hvis føreren bliver distraheret fra vejen [32] .
Siden 2005 har eye-tracking-systemet været brugt i kommunikationsudstyr til helt lammede mennesker . De giver dem mulighed for at skrive tekstbeskeder, sende e-mails, surfe på internettet med kun deres øjne [33] . Øjensporing kan opnå positive resultater selv i tilfælde af cerebral parese , hvor patienten foretager ufrivillige bevægelser. Eye tracker og øje-mus interface giver dig mulighed for at styre en computer eller undervise folk med nedsat motorisk koordination.