ASL-D6眼動儀刺激呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)收集的功能擴(kuò)展研究

何立國 高秋鳳

1.深圳大學(xué) 廣東深圳 518060 2.陜西師范大學(xué) 陜西西安 710062

ASL-D6眼動儀刺激呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)收集的功能擴(kuò)展研究

何立國1,2高秋鳳1

1.深圳大學(xué) 廣東深圳 518060 2.陜西師范大學(xué) 陜西西安 710062

眼動儀是教育與心理研究中開展眼動實(shí)驗所常用的一種高端設(shè)備。以ASL-D6眼動儀為例，分析了眼動實(shí)驗在刺激呈現(xiàn)和數(shù)據(jù)收集中遇到的瓶頸問題，闡述了利用E-Prime實(shí)驗程序開發(fā)軟件解決該問題的原理和方法。

ASL-D6眼動儀；教育與心理實(shí)驗；眼動；E-Prime

D6眼動儀是美國應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗室(Applied Science Laboratory, ASL)Eye-tracking系列產(chǎn)品中最新、功能最強(qiáng)的桌面式遠(yuǎn)程眼睛跟蹤設(shè)備，能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤被試眼睛注視點(diǎn)的位置，由于不用戴頭盔，檢測速度快，非常適合各年齡段人群，特別是嬰兒、兒童和老年人，在閱讀與語言認(rèn)知、圖像的知覺加工、表象加工和用戶對產(chǎn)品的認(rèn)知等教育和應(yīng)用心理研究領(lǐng)域都得到廣泛使用。但根據(jù)筆者的經(jīng)驗，用戶在開展相關(guān)的研究時往往會陷入一種實(shí)驗所需的刺激復(fù)雜化呈現(xiàn)與眼動數(shù)據(jù)同步化收集的兩難選擇，究其原因是該眼動儀在實(shí)驗刺激呈現(xiàn)上的低效能。如何實(shí)現(xiàn)ASL-D6眼動儀對復(fù)雜實(shí)驗刺激的呈現(xiàn)并對眼動進(jìn)行同步記錄，是提升該眼動儀使用水平，充分滿足教育與心理研究復(fù)雜化要求的重要保證。

1 ASL-D6眼動儀的工作原理

通過系統(tǒng)考察人的眼球運(yùn)動來研究人的心理活動開始于19世紀(jì)[1]。經(jīng)過一百多年的發(fā)展，記錄眼動的技術(shù)從簡單的觀察法發(fā)展到了電磁感應(yīng)法，其中使用最廣的是角膜反射法[2]。ASL-D6眼動儀就是使用角膜反射法原理，通過亮瞳孔技術(shù)，應(yīng)用特制的紅外攝像頭來捕捉眼球的運(yùn)動。眼動儀工作時，通過加工來自紅外線瞳孔攝像機(jī)的眼睛視頻信息，來識別和確定瞳孔中心和角膜反射點(diǎn)之間的距離變化。眼球的運(yùn)動受3對眼肌的控制，每對眼肌控制眼球在一個平面上轉(zhuǎn)動。眼球運(yùn)動的范圍約為18度，根據(jù)眼球運(yùn)動特質(zhì)，可分為3種基本的類型：注視、眼跳和追隨運(yùn)動。

ASL-D6眼動儀由以下部件組成：Model 6000眼動追蹤系統(tǒng)控制單元、遙測式光學(xué)模塊、2臺視頻監(jiān)視器和相關(guān)的連接電纜。相關(guān)的連接電纜是指將Model 6000控制單元與微型計算機(jī)、遙測式光學(xué)模塊和2臺監(jiān)視器相連接的電纜。該眼動儀可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時記錄，生態(tài)學(xué)效度較高。遙測式光學(xué)模塊通過模型6000眼動追蹤系統(tǒng)控制單元與監(jiān)視器相連。微型計算機(jī)與模型6000眼動追蹤系統(tǒng)控制單元相連，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的記錄和輸出。實(shí)驗時，系統(tǒng)的光學(xué)模塊固定在桌面上，被試者只需坐在鏡頭前1米左右處，且允許頭部在大約1平方英尺的范圍內(nèi)運(yùn)動，觀看放在鏡頭上方的視頻監(jiān)視器所播放的畫面，ASL-D6鏡頭可以快速、準(zhǔn)確地跟蹤被試的眼睛，并記錄下眼球運(yùn)動軌跡，采樣頻率有60Hz，120Hz和240Hz三種，研究者可以根據(jù)實(shí)驗要求自行選擇。

2 ASL-D6眼動儀在刺激呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)收集上的缺陷

ASL-D6眼動儀工作時一般與2臺計算機(jī)相連。一臺用來呈現(xiàn)實(shí)驗程序刺激，另一臺是眼動儀工作平臺，用來執(zhí)行注視點(diǎn)校準(zhǔn)等命令和收集、處理數(shù)據(jù)[3]。由于實(shí)驗刺激的呈現(xiàn)和眼動行為的記錄分別由2套獨(dú)立的計算機(jī)系統(tǒng)完成，所以眼動實(shí)驗對眼動行為的數(shù)據(jù)記錄和實(shí)驗刺激在空間與時間上的一致性匹配要求非常高，這也是最容易產(chǎn)生實(shí)驗誤差的地方。傳統(tǒng)的做法有兩種：一是眼動儀何時開始記錄數(shù)據(jù)由主試通過觀察實(shí)驗刺激呈現(xiàn)的時間進(jìn)程有選擇地進(jìn)行，這種方法由于人操作的個體差異和注意的穩(wěn)定性等原因，通常會產(chǎn)生較大的誤差；二是眼動儀的數(shù)據(jù)記錄與實(shí)驗刺激呈現(xiàn)由計算機(jī)系統(tǒng)自動完成，以達(dá)到刺激呈現(xiàn)與眼動記錄的高度同步，這種方法精度高、誤差小，但必須編寫專門的計算程序，對一般的教育與心理研究者而言，操作難度很大，不利于普及和推廣。

針對這兩種方法的缺陷，ASL-D6專門定制了第三方軟件—Gaze Tracker。Gaze Tracker是集刺激呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)同步收集、數(shù)據(jù)分析于一體的軟件。以該軟件為媒介進(jìn)行刺激呈現(xiàn)來開展眼動研究，可通過軟件本身的數(shù)據(jù)輸出功能直接導(dǎo)出眼動軌跡圖、眼動時間、眼動的方向和距離、瞳孔大小等各種眼動指標(biāo)，非?？旖莘奖悖p松達(dá)到了實(shí)驗刺激呈現(xiàn)與眼動記錄的同步和精確要求。但Gaze Tracker有一個主要缺點(diǎn)，就是在實(shí)驗刺激呈現(xiàn)方面功能較簡單，只能實(shí)現(xiàn)單一的圖片連續(xù)呈現(xiàn)或觀看簡單視頻和網(wǎng)頁，對稍復(fù)雜的研究設(shè)計方案則無法實(shí)現(xiàn)。例如，一般心理學(xué)實(shí)驗在正式實(shí)驗開始之前都會有練習(xí)階段，為了防止被試練習(xí)后還無法熟悉操作步驟，會在程序中設(shè)置讓被試通過按鍵選擇是否需要繼續(xù)練習(xí)(如“如果繼續(xù)練習(xí)請按Q鍵，如果進(jìn)入正式實(shí)驗請按P鍵”)的實(shí)驗?zāi)K，Gaze Tracker軟件無法實(shí)現(xiàn)該功能。而教育與心理實(shí)驗，特別是認(rèn)知實(shí)驗，其研究設(shè)計一般都比較復(fù)雜，分成幾個步驟來進(jìn)行，如果僅依靠Gaze Tracker這一軟件來實(shí)現(xiàn)刺激呈現(xiàn)，則不少實(shí)驗將無法使用ASL-D6眼動儀來開展。

3 利用E-Prime擴(kuò)展ASL-D6的刺激呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)收集功能

E-Prime是由Carnegie mellon university和University of Pittsburgh聯(lián)合開發(fā)的實(shí)現(xiàn)教育與心理實(shí)驗計算機(jī)化的一個可視化編程語言平臺，具有實(shí)驗設(shè)計、生成、運(yùn)行、收集數(shù)據(jù)等功能，是一個高等的圖形設(shè)計軟件。E-Prime能呈現(xiàn)的刺激素材包括文本、圖像和聲音(可以同時呈現(xiàn)3者的任意組合)，提供了詳細(xì)的時間信息和事件細(xì)節(jié)，刺激呈現(xiàn)與屏幕刷新同步，精度可達(dá)毫秒。E-Prime在輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和與外部程序連接方面都得到了專業(yè)化的提升[4]。鑒于ASL-D6眼動儀為E-prime軟件提供了并行處理接口，研究者可以使用功能強(qiáng)大的E-prime軟件來編制各種復(fù)雜的實(shí)驗程序用于ASL-D6的眼動研究。不過要成功實(shí)現(xiàn)這一功能，需解決E-prime刺激呈現(xiàn)與ASL-D6眼動記錄的同步問題，經(jīng)研究和實(shí)驗試用，發(fā)現(xiàn)可用E-prime軟件中的Inline文本控件調(diào)用合適的函數(shù)來解決這一問題。

3.1 可行性分析

E-prime軟件之所以功能如此強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)諸多復(fù)雜的實(shí)驗程序，其中一個重要原因是其系統(tǒng)內(nèi)有一個可以用來調(diào)用函數(shù)的Inline文本控件。要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步記錄功能，可借助適當(dāng)?shù)拇a函數(shù)，使Inline文本控件根據(jù)實(shí)驗的需要適時調(diào)用函數(shù)即可。ASL Eye Tracker 6000軟件安裝目錄SDKEPrime xdat_test.es附帶有這種功能的函數(shù)。此功能函數(shù)可以讓刺激呈現(xiàn)系統(tǒng)在更換場景圖片的同時，數(shù)據(jù)記錄也會同時更換到另一個片段，以實(shí)現(xiàn)不同的場景圖片對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)記錄。另外對“指導(dǎo)語或啟動界面”等無需記錄的刺激圖片，可以不記錄其眼動數(shù)據(jù)，減少了因眼動數(shù)據(jù)繁多，增加分離難度的麻煩。在實(shí)驗刺激呈現(xiàn)計算機(jī)中安裝E-prime軟件并設(shè)置好同步功能函數(shù)后，實(shí)驗時只需更改眼動儀工作計算機(jī)上的眼動控制程序Eye-Trac 6. Net User Interface中的參數(shù)設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)同步記錄功能。

3.2 實(shí)驗步驟

要實(shí)現(xiàn)E-prime在ASL-D6眼動實(shí)驗中的應(yīng)用，在利用專業(yè)的刺激呈現(xiàn)軟件E-prime擴(kuò)展實(shí)驗材料呈現(xiàn)的復(fù)雜度的同時實(shí)現(xiàn)ASL-D6眼動數(shù)據(jù)記錄的同步性，可按如下步驟操作：

第一步，使用E-prime軟件編制好實(shí)驗程序，之后把編制好的程序復(fù)制到眼動實(shí)驗刺激呈現(xiàn)計算機(jī)上，并確保該計算機(jī)安裝了E-prime軟件。

第二步，在ASL Eye Tracker 6000分析系統(tǒng)的安裝目錄(安裝目錄SDKE-Prime)里找到文件“xdat_ test.es”，這個文件有可以實(shí)現(xiàn)同步功能的代碼函數(shù)，復(fù)制這個文件并雙擊打開。在打開的窗口中雙擊Structure子窗口里的SessionProc，當(dāng)前程序中放置了一個Inline與Imagedisplay兩個控件，名稱分別是Init與Imagedisplay1。雙擊名為“Init”的Inline控件，將看到4個如下主要函數(shù)：

(1)ASL_BeginRecording開始記錄函數(shù)；

(2)ASL_EndRecording結(jié)束記錄函數(shù)；

(3)Sleep(里面的參數(shù)表示暫停多長時間，以毫秒為單位)；

(4)ASL_EndRecording結(jié)束記錄函數(shù)。

在實(shí)驗中通過Inline控件適當(dāng)調(diào)用上述函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)刺激呈現(xiàn)與眼動數(shù)據(jù)記錄的同步。

第三步，把已編制好的程序的SessionProc時間軸上的控件復(fù)制到“xdat_test.es”文件中。在復(fù)制好的主線軸上插入Inline控件，并在Inline控件中改寫上面的同步代碼函數(shù)。一般包括以下幾個過程：

(1)定標(biāo)、開始眼動參數(shù)同步記錄函數(shù)的編寫。雙擊Inline控件，打開該控件的屬性函數(shù)對話框，將第一行語句改為“ASL_Init ASL_Mode_Streaming, &H378, true”；實(shí)驗剛開始時，先調(diào)用定標(biāo)函數(shù)“ASL_Calibrate”，接下來調(diào)用記錄函數(shù)“ASL_ BeginRecording 1”設(shè)定數(shù)據(jù)記錄進(jìn)程，函數(shù)尾端的“1”表示從編號1開始[5]。

(2)結(jié)束記錄函數(shù)。直接在Inline1控件中編寫結(jié)束記錄函數(shù)“ASL_EndRecording”。

(3)重新開始記錄函數(shù)。若要重新開始眼動數(shù)據(jù)記錄，可在Inline3中編寫“ASL_BeginRecording 1”。

(4)結(jié)束記錄函數(shù)。需要記錄的眼動數(shù)據(jù)記錄完畢后，可在最后插入的Inline2控件中寫入“ASL_ EndRecording”函數(shù)語句即可。

可借助開始記錄函數(shù)及結(jié)束記錄函數(shù)隨意地掌控何時記錄眼動數(shù)據(jù)，何時停止記錄，這樣即可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗刺激呈現(xiàn)與眼動數(shù)據(jù)記錄的同步功能。

第四步，確保插入Inline控件后所編制的E-prime軟件能在刺激電腦上正常運(yùn)行。

第五步，打開眼動儀工作計算機(jī)的眼動控制軟件“Eye-Trac 6 .Net User Interface”，在菜單欄依次點(diǎn)擊“conf gure”→“external data and auto f le conf g”，在出現(xiàn)的對話框中選擇自動記錄復(fù)選框“Auto record(XDAT bit 7 or 15)”。

至此，在ASL-D6眼動實(shí)驗中用外掛的E-Prime軟件編寫實(shí)驗刺激呈現(xiàn)程序，并實(shí)現(xiàn)實(shí)驗刺激呈現(xiàn)與眼動數(shù)據(jù)同步收集的連接程序全部完成。

4 結(jié)束語

用專業(yè)的E-Prime軟件編寫實(shí)驗程序，克服了ASL-D6自帶的Gaze Tracker軟件在實(shí)驗刺激呈現(xiàn)方面功能的先天不足，極大地提高了ASL-D6眼動實(shí)驗的內(nèi)容豐富性和復(fù)雜度，更適合教育與心理研究任務(wù)復(fù)雜性和多維性的特點(diǎn)。更重要的是，在利用E-Prime提升眼動實(shí)驗刺激呈現(xiàn)功能的同時，通過充分挖掘和利用E-Prime和ASL-D6眼動儀自身的擴(kuò)展性能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗刺激呈現(xiàn)與眼動數(shù)據(jù)記錄的同步性，彌補(bǔ)了單純用其他高級編程軟件，如VB等，編寫實(shí)驗程序時難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步收集的不足。

[1] Yarbus A L. Eye movement and vision[M].Plenum press,1967.

[2] 閆國利,田宏杰.眼動記錄技術(shù)與方法綜述[J].應(yīng)用心理學(xué),2004,2:55-58.

[3] 白學(xué)軍,閆國利.眼動研究在中國[M].天津:天津教育出版社,2009.

[4] 周鵬生.眼動實(shí)驗中的操作和數(shù)據(jù)統(tǒng)計[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2009,11:43-45.

[5] 曾祥炎,陳軍.E-Prime實(shí)驗設(shè)計技術(shù)[M].廣州:暨南大學(xué)出版社,2009.

[6] Sara Burgess. E-Prime USER’S GUIDE[J].U.S.A: Psychology Software Tools, Inc., 2002.

Function expansion of stimulus presentation and data collected of ASL-D6 Eye-tracking

He Liguo1,2Gao Qiufeng1
1. Shenzhen university, Shenzhen, 518060, China 2. Shaanxi normal university, Xian, 710062, China

Eye-tracking is a high-end equipment used in educational and psychological research. Based on ASL-D6 Eye-tracking, the bottleneck of stimulus presentation and data collection is analyzed, and the principle and method using E-Prime software to solve the problem is described.

ASL-D6 Eye-tracking; educational and psychological experiment; eye movement; E-Prime

2011-08-06

何立國，在讀博士研究生，講師。

本研究得到深圳大學(xué)實(shí)驗室與設(shè)備管理基金資助(編號：2010006)。