眼動(dòng)儀的發(fā)展和性能比較

徐 娟

北京聯(lián)合大學(xué)師范學(xué)院 北京 100011

眼睛被譽(yù)為心靈的窗口，它是我們信息加工過(guò)程中最重要的信息輸入系統(tǒng)。為了看清楚某一個(gè)物體，我們的眼睛必須保持一定方位，才能使物體在視網(wǎng)膜上清晰成像，這種眼睛在某個(gè)物體上的停留被稱為注視。當(dāng)我們注意的目標(biāo)發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，我們的眼睛也將從一個(gè)注視點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)注視點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為眼跳。通過(guò)研究眼睛的這些運(yùn)動(dòng)，研究者可以對(duì)人的認(rèn)知活動(dòng)規(guī)律加以探索。但是眼球運(yùn)動(dòng)速度是非?？斓?，典型的注視只持續(xù)0.1～0.5 s，而眼跳更是快到僅有0.01～0.1 s的時(shí)間。為了準(zhǔn)確記錄人的眼球運(yùn)動(dòng)過(guò)程，心理學(xué)家以及其他有關(guān)專家一直致力于改進(jìn)眼動(dòng)記錄技術(shù)并開發(fā)更為先進(jìn)的眼動(dòng)儀[1]。

1 眼動(dòng)研究和眼動(dòng)儀的發(fā)展歷程

人們很早就意識(shí)到眼睛和人的心理活動(dòng)相關(guān)，在漢語(yǔ)中有很多語(yǔ)言表達(dá)反映了這一點(diǎn)，例如：“他氣得目瞪口呆”“她目不轉(zhuǎn)睛，認(rèn)真聽講”“他眼珠滴溜溜亂轉(zhuǎn)，似乎在打什么壞主意”，但真正使用儀器設(shè)備對(duì)眼球運(yùn)動(dòng)進(jìn)行客觀觀察和實(shí)驗(yàn)則是近一百年來(lái)才開始的。早期的眼動(dòng)研究主要采用觀察法和機(jī)械記錄法等。其中觀察法包括直接觀察法(如主試站在被試后面，從鏡子里觀察被試的眼動(dòng))和后像法(利用閃光燈高亮度閃光產(chǎn)生的視覺后像對(duì)人的眼動(dòng)加以研究)。機(jī)械記錄法則通過(guò)把眼睛與記錄測(cè)驗(yàn)裝置用機(jī)械傳動(dòng)方法聯(lián)結(jié)起來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)眼動(dòng)的記錄。機(jī)械記錄法包括頭部支點(diǎn)杠桿法、氣動(dòng)方法、角膜吸附環(huán)狀物法等多種形式。觀察法簡(jiǎn)便易行，但結(jié)果不精確，只能對(duì)眼動(dòng)進(jìn)行比較粗略的研究。而機(jī)械記錄法則裝置復(fù)雜，使用起來(lái)十分麻煩，實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性也較低[2]。因此，研究者一直在尋找更有效、準(zhǔn)確而又簡(jiǎn)便的測(cè)量方法。

20世紀(jì)60年代之后，微電子技術(shù)、攝像技術(shù)和紅外技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用，推動(dòng)了新型高精度眼動(dòng)儀的研制。新型眼動(dòng)追蹤技術(shù)大多采用基于瞳孔和角膜反射的視頻記錄法。

角膜反光是指角膜能夠反射著落在它表面上的光。因?yàn)榻悄な菑难矍蝮w表面凸出來(lái)的，所以在眼球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，角膜對(duì)來(lái)自固定光源光的反射角度也是變化的，即眼球運(yùn)動(dòng)時(shí)，角膜反光也隨之變化。這樣就可以通過(guò)普通照相法或者電影電視攝像法記錄角膜反光來(lái)分析眼動(dòng)[3]。這些眼動(dòng)儀在追蹤眼動(dòng)時(shí)，將一束光線和一臺(tái)攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)被試的眼睛，通過(guò)光線和后端分析來(lái)推斷被試注視的方向，攝像機(jī)則記錄交互的過(guò)程。

要了解眼球如何在眼窩內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在計(jì)算被試注視方向時(shí)需要一個(gè)重要的信息，即被試頭部的位置。20世紀(jì)80年代研發(fā)的第一代眼動(dòng)儀使用的方法是將被試的頭部置于一個(gè)固定的位置。20世紀(jì)90年代，眼動(dòng)追蹤設(shè)備的體積大為縮小，研究者就將其放在帽子里或固定在用戶的頭帶上。因?yàn)檠蹌?dòng)儀和頭部同步運(yùn)動(dòng)，所以要計(jì)算眼動(dòng)儀相對(duì)于用戶頭部的位置并非難事。但頭部的設(shè)備較重，很容易造成被試頸部和背部的疲勞，依然讓被試覺得不舒適。到了21世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，研究者進(jìn)一步改進(jìn)眼動(dòng)研究手段，除了配置攝像機(jī)來(lái)拍攝被試雙眼的特寫鏡頭外，還單獨(dú)配置一臺(tái)攝像機(jī)用于拍攝被試的頭部，并實(shí)時(shí)計(jì)算頭部的位置。這樣被試的頭上就可以完全不用佩戴任何電子設(shè)備。依據(jù)外形結(jié)構(gòu)的這種差異，眼動(dòng)儀可分為3類：頭部固定式、頭盔式、遙測(cè)式。

2 常見的眼動(dòng)儀及其性能比較

國(guó)外從20世紀(jì)初開始研制眼動(dòng)儀，現(xiàn)在全世界已經(jīng)有幾十家生產(chǎn)眼動(dòng)儀的廠家。盡管國(guó)內(nèi)在研制眼動(dòng)儀方面取得了一定的成績(jī)，例如20世紀(jì)80年代末，中國(guó)科學(xué)院上海生理研究所的張名魁和孫復(fù)川研制了外光電反射眼動(dòng)測(cè)量技術(shù)；20世紀(jì)90年代，西安電子科技大學(xué)研制了頭盔式眼動(dòng)儀[3]。但國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)使用的眼動(dòng)儀主要依賴國(guó)外進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)使用較多的有加拿大SR公司生產(chǎn)的EyelinkⅡ和Eyelink 2000型眼動(dòng)儀；美國(guó)應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(ASL)生產(chǎn)的H6型和L6型眼動(dòng)儀；瑞典Tobii公司生產(chǎn)的T60和T120型眼動(dòng)儀；德國(guó)SMI公司生產(chǎn)的iViewX RED型眼動(dòng)儀。這些眼動(dòng)儀都采用角膜反射法進(jìn)行眼動(dòng)記錄[4]。

隨著制造成本的降低，眼動(dòng)儀逐步成為教育學(xué)和心理學(xué)研究的常規(guī)儀器，國(guó)內(nèi)許多大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和公司都陸續(xù)購(gòu)置或準(zhǔn)備著手購(gòu)買眼動(dòng)儀。其中SR公司生產(chǎn)的Eyelink眼動(dòng)儀和瑞典Tobii公司生產(chǎn)的眼動(dòng)儀是目前用戶考慮較多的兩個(gè)品牌。下面針對(duì)這兩個(gè)系列的產(chǎn)品進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹和比較，以幫助研究者根據(jù)研究所需進(jìn)行合理選擇和采購(gòu)。

2.1 Eyelink系列眼動(dòng)儀可選用的追蹤系統(tǒng)及特點(diǎn)

Eyelink系列眼動(dòng)儀是由加拿大SR公司研發(fā)，SR公司是最早研制眼動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的廠家之一，它進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)已有近二十年的歷史，其產(chǎn)品是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的眼動(dòng)產(chǎn)品之一。北京師范大學(xué)、首都師范大學(xué)、浙江大學(xué)、西南大學(xué)等先后購(gòu)進(jìn)了Eyelink系列眼動(dòng)儀開展研究。

目前Eyelink系列眼動(dòng)儀主要包括以下幾款追蹤系統(tǒng)：

(1)Eyelink1000桌面式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)

該系統(tǒng)是世界上應(yīng)用最為廣泛、采樣率最高的眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)。它精度高，采樣頻率可以達(dá)到1 000～2 000 Hz；空間分辨率高，誤差＜ 0.01°RMS；同時(shí)能做到實(shí)時(shí)追蹤(實(shí)時(shí)追蹤延時(shí)＜1.4 ms)。它的眼動(dòng)采集裝置安置在被試顯示器下前方，被試頭部沒有電子設(shè)備，處于一種比較自然放松的狀態(tài)。這樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以更加真實(shí)可信，同時(shí)主試操作也比較便捷。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：定位簡(jiǎn)單迅速，被試在實(shí)驗(yàn)中途離開后不需要重新定標(biāo)，適合長(zhǎng)時(shí)間閱讀研究；它支持單眼和雙眼采集，對(duì)普通和隱性眼鏡也兼容；該系統(tǒng)還有一個(gè)突出的優(yōu)勢(shì)，即可以和腦電結(jié)合實(shí)驗(yàn)。

(2)Eyelink Remote遙測(cè)式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)

該系統(tǒng)適用于在實(shí)驗(yàn)中頭部有移動(dòng)但仍要求高精度的研究。不過(guò)它對(duì)頭動(dòng)范圍和頭動(dòng)速度都有一定的要求，允許頭動(dòng)范圍為22 cm×18 cm×20 cm(水平×垂直×深度)，允許頭動(dòng)速度必須低于100 cm/s。在這個(gè)系統(tǒng)中，被試的頭部同樣沒有任何支撐或者電子設(shè)備，因此特別適合兒童以及病患等特殊人群使用。該系統(tǒng)采用獨(dú)特的動(dòng)態(tài)靶追蹤技術(shù)，能夠在眨眼或快速頭動(dòng)后2 ms內(nèi)重新捕獲眼睛位置。該系統(tǒng)還能與上面提到的桌面式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)結(jié)合使用，只需要換一個(gè)鏡頭就可以達(dá)到移動(dòng)測(cè)量的目的，實(shí)現(xiàn)一套設(shè)備兩種功能。

(3)Eyelink Arm 嬰幼兒眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)

該追蹤系統(tǒng)將采集裝置與顯示屏整合在一起，LCD懸臂可自由調(diào)節(jié)位置，是一套可以移動(dòng)的追蹤系統(tǒng)，因而適合嬰兒、低齡兒童以及病人等難以控制頭部位置的特殊人群使用，它也可以與遙測(cè)式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)結(jié)合使用。

(4)Eyelink II 頭戴式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)

Eyelink II 是一款目前采樣率最高的頭戴式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)，其采樣率可高達(dá)500 Hz。Eyelink II的特點(diǎn)是能夠?qū)?shí)景與眼動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)結(jié)合，被試可以在多種場(chǎng)景甚至在運(yùn)動(dòng)中攜帶該設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，該系統(tǒng)的使用范圍十分廣泛，已經(jīng)擴(kuò)展至汽車及飛機(jī)駕駛、體育運(yùn)動(dòng)、戶外廣告等動(dòng)態(tài)環(huán)境中。盡管在實(shí)驗(yàn)中需要一直戴著頭盔，但它的頭戴裝置十分輕便，符合人體工程學(xué)，對(duì)被試影響較小，它還可以根據(jù)不同的顱型進(jìn)行多維度調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)同樣可以與普通眼鏡和隱形眼鏡兼容。

2.2 Tobii系列眼動(dòng)儀的主要型號(hào)及特點(diǎn)

Eyelink面市較早，而Tobii公司于2001年才問世。近年來(lái)，Tobii眼動(dòng)儀在中國(guó)市場(chǎng)反響良好，很多知名公司和著名高校都先后購(gòu)買其產(chǎn)品，可謂后起之秀。

目前，Tobii眼動(dòng)儀主要有Tobii T，Tobii X和Tobii Glass三大系列。

Tobii T系列包括 T60和T120兩款，該系列采用集成式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)，主要針對(duì)基于電腦顯示器呈現(xiàn)的刺激材料眼動(dòng)追蹤，可用于對(duì)平面廣告、電視廣告、網(wǎng)頁(yè)、軟件和電腦游戲的可用性研究，也可用于閱讀、視覺等認(rèn)知領(lǐng)域的研究。

Tobii X 系列也包括X60和X120兩款，這個(gè)系列采用獨(dú)立的眼動(dòng)追蹤裝置，因此對(duì)刺激材料沒有限制，既可以是電視、電腦顯示器等，也可以是投影屏、手機(jī)等實(shí)物設(shè)備。Tobii X系列眼動(dòng)儀是目前最靈活的眼動(dòng)儀之一。

Tobii Glasses系列眼動(dòng)儀是一款可在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中高效采集眼動(dòng)數(shù)據(jù)的工具，可應(yīng)用于基于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景或?qū)嵨锏亩ㄐ约岸垦蹌?dòng)研究?？梢栽诒辉囃耆淖匀粻顟B(tài)(如運(yùn)動(dòng)中、駕駛中、購(gòu)物中)下采集眼動(dòng)數(shù)據(jù)，同時(shí)確保眼動(dòng)數(shù)據(jù)的精確性。目前，該儀器廣泛用于超市購(gòu)物心理、貨架管理、產(chǎn)品包裝測(cè)試及設(shè)備可用性測(cè)試、運(yùn)動(dòng)測(cè)試等相關(guān)領(lǐng)域研究。

2.3 Eyelink與Tobii的性能比較

Eyelink與Tobii作為兩種最常用的眼動(dòng)儀，設(shè)計(jì)十分先進(jìn)，功能也都比較強(qiáng)大。Eyelink和Tobii的數(shù)據(jù)分析軟件除了能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)分析，還能生成很多直觀的可視化數(shù)據(jù)，例如眼動(dòng)軌跡圖、熱點(diǎn)圖、興趣區(qū)等。這些直觀的測(cè)試方式為眼動(dòng)追蹤提供更加豐富的信息，也提高了數(shù)據(jù)的理解度和可信度。

但這兩種產(chǎn)品在設(shè)計(jì)理念上有一定差異，導(dǎo)致產(chǎn)品在一些具體的性能上存在差別。SR公司秉承高采樣率、高分辨率、高品質(zhì)的產(chǎn)品發(fā)展戰(zhàn)略，因此Eyelink系列眼動(dòng)儀的記錄數(shù)據(jù)種類、數(shù)據(jù)精度都要優(yōu)于Tobii。就Eyelink II和TobiiT120相比，兩者共同記錄的數(shù)據(jù)有注視時(shí)間、注視次數(shù)、注視點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置、瞳孔大小、眼動(dòng)軌跡圖，除此之外，Eyelink II還能記錄眼跳時(shí)間、眼跳次數(shù)、眼跳距離、眼跳角度、眼跳速度、眼跳起止位置、眨眼等七項(xiàng)數(shù)據(jù)[5]。在精度上，Eyelink II的采樣頻率是250～500 Hz，而Tobii T120為60～120 Hz。受精度差異的影響，兩者在同樣實(shí)驗(yàn)處理中采集的數(shù)據(jù)有一定差異。某試驗(yàn)中，讓被試用Eyelink II和TobiiT120觀看同樣的幾何圖片，發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)儀器上記錄到的注視次數(shù)有極其顯著的差異，EyelinkII顯著高于Tobii T120。而且發(fā)現(xiàn)Tobii的值缺失情況較嚴(yán)重，特別是戴框架眼鏡的被試值缺失情況尤為嚴(yán)重，可能是框架眼鏡的鏡片反光干擾了角膜反光。因此在對(duì)時(shí)間精確度要求較高的實(shí)驗(yàn)中，需慎重選擇Tobii作為研究?jī)x器。

Tobii追求的是新一代全自然狀態(tài)下的眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)。它強(qiáng)調(diào)采集自然狀態(tài)下的眼動(dòng)追蹤，因此它的設(shè)備無(wú)需頭套和頭托，被試在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可自由移動(dòng)頭部，甚至可以在被試不知情的情況下進(jìn)行研究，適合開展低齡兒童或病患等特殊人群的研究。它還可同步記錄面部表情和聲音，而Eyelink需要佩戴頭套或設(shè)有頭托，如果實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)容易造成被試疲勞。

在配套軟件上，Eyelink的開發(fā)商SR公司提供了Eyelink對(duì)C++和Eprime軟件的接口，實(shí)驗(yàn)需自行編程，對(duì)研究者要求較高。Eyelink配套軟件較多，除了需要在主試機(jī)上裝一套軟件程序，被試機(jī)上也要安裝實(shí)驗(yàn)程序編輯軟件(EB)和數(shù)據(jù)分析軟件(Data view)。Tobii配套的實(shí)驗(yàn)軟件是Tobii Studi，是一種所見即所得的直觀軟件。實(shí)驗(yàn)程序編制時(shí)大多只需要拖拽和設(shè)置參數(shù)，且Tobii編程和數(shù)據(jù)分析均在同一個(gè)軟件上，使用起來(lái)簡(jiǎn)單，新人也容易上手，設(shè)計(jì)難度較低。

使用的便攜性，Tobii眼動(dòng)儀所有配件可以放在一個(gè)旅行箱內(nèi)，方便攜帶，而且Tobii眼動(dòng)儀組裝方便，如果操作熟練，5分鐘就可以完成組裝任務(wù)。但是Eyelink的產(chǎn)品，譬如Eyelink 2000，EyelinkⅡ眼動(dòng)儀，必須固定在實(shí)驗(yàn)室里，如果要帶出實(shí)驗(yàn)室，一是配件太多不好搬，二是組裝起來(lái)麻煩，連線太多且容易混亂。相比之下，使用的便捷性也就成為Tobii眼動(dòng)儀的重要亮點(diǎn)和吸引購(gòu)買者的重要優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

研究者應(yīng)根據(jù)自己的研究類型、研究材料的特點(diǎn)合理選擇所需眼動(dòng)儀。Eyelink眼動(dòng)儀的客戶以科研機(jī)構(gòu)為主，特別是以閱讀、視覺加工為主要研究?jī)?nèi)容的研究者。目前在學(xué)術(shù)刊物中發(fā)表的論文大多使用Eyelink系列眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)。截止到2010年，使用Eyelink系列眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)在國(guó)際知名科學(xué)刊物上發(fā)表的文章已多達(dá)1 100余篇。Tobill眼動(dòng)儀的客戶以公司居多，特別是需要進(jìn)行可用性測(cè)評(píng)及界面、人機(jī)交互測(cè)評(píng)、廣告評(píng)估的公司。Tobii 的用戶群包括Microsoft，IBM，Google等著名企業(yè)。簡(jiǎn)而言之，學(xué)術(shù)型研究者應(yīng)更考慮購(gòu)買和采用高精度的Eyelink系列，應(yīng)用型研究者則可以更多考慮自然化的Tobii系列。

[1]Jakob Nielsen,Kara Pernice,著.用眼動(dòng)追蹤提升網(wǎng)站可用性[M].冉令華,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[2]韓玉昌.眼動(dòng)儀和眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)法的發(fā)展歷程[J].心理科學(xué),2000,23(4):454-457.

[3]閻國(guó)利,田宏杰.眼動(dòng)記錄技術(shù)與方法綜述[J].應(yīng)用心理學(xué),2004,10(2):55-58.

[4]卞遷,齊薇,劉志方,閆國(guó)利.當(dāng)代眼動(dòng)記錄技術(shù)述評(píng)[J].心理研究,2009,2(1):34-37.

[5]徐靜儉.對(duì)Eyennk和Tobii兩種眼動(dòng)儀測(cè)量性能的比較實(shí)驗(yàn)[D].華東師范大學(xué)2009屆碩士研究生畢業(yè)論文.