眼球追蹤技術(shù)的研究進展及其在體育領(lǐng)域中應(yīng)用前景

陸海林

眼球追蹤技術(shù)的研究進展及其在體育領(lǐng)域中應(yīng)用前景

陸海林

眼球追蹤技術(shù)作為記錄眼球運動數(shù)據(jù)的重要技術(shù)，已在軍事、航空和醫(yī)學等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。眼球追蹤技術(shù)在評分類項目中裁判員輔助系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用，能減少因裁判員主觀性評分行為對比賽公正性和公平性的破壞；以眼球追蹤技術(shù)為基礎(chǔ)的體育賽事贊助評估體系能為贊助方提供賽事過程中品牌曝光度和受眾接受度方面的有效數(shù)據(jù)，為贊助商是否持續(xù)性贊助賽事提供參考；眼動追蹤技術(shù)的應(yīng)用將為體育輔助裝備設(shè)計與研發(fā)、體育直播系統(tǒng)從業(yè)人員知識結(jié)構(gòu)優(yōu)化、體育類網(wǎng)站設(shè)計與優(yōu)化、體育賽場氛圍渲染和體育用品商店物品陳設(shè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

眼球追蹤技術(shù)；裁判輔助系統(tǒng)；體育贊助；應(yīng)用

前 言

眼睛是人類獲取外接刺激信息的重要器官，大腦中約有80%～90%的知識和記憶都是通過眼睛獲取。眼球追蹤技術(shù)是指利用特殊的外接掃描設(shè)備獲取眼球聚焦點的位置和眼球相對于頭部位置的運動，并分析注視時間、注視次數(shù)、注視順序和眼跳距離等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過終端設(shè)備進行處理、計算、分析，最終構(gòu)建出一個注視點的參考平面圖。其技術(shù)原理是通過圖像傳感器采集的角膜反射模式和其他信息，計算出眼球的位置和注視方向?，F(xiàn)代眼球追蹤儀的結(jié)構(gòu)一般包括四個系統(tǒng):光學系統(tǒng)、瞳孔中心坐標提取系統(tǒng)、視景與瞳孔坐標迭加系統(tǒng)、圖像與數(shù)據(jù)的記錄與分析系統(tǒng)。[1]眼球追蹤技術(shù)被認為是一項信息技術(shù)科學與生物工程學科交叉融合發(fā)展揭秘人類增強感知的尖端應(yīng)用技術(shù)，最初曾被運用到軍事、航空和醫(yī)學等領(lǐng)域。隨著眼球追蹤技術(shù)的逐步成熟與完善，此項技術(shù)被廣泛應(yīng)用于心理認知、用戶體驗、消費者心理行為、醫(yī)用設(shè)備和認知提升訓練等領(lǐng)域。本文旨在分析眼球追蹤技術(shù)應(yīng)用國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，尤其是目前在體育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，為該技術(shù)在體育運動領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用提供參考。

1 眼球追蹤技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 國外眼球追蹤技術(shù)理論研究及設(shè)備研制現(xiàn)狀

基于視覺感知系統(tǒng)在大腦獲取外部信息的重要性。早在19世紀末期，行為心理學家就試圖構(gòu)建眼球運動與人類心理活動的內(nèi)在聯(lián)系。西方科學家對眼球追蹤的研究可大致分為三個階段。第一，直接觀察階段：用鏡子直接觀察被試者的眼球運動。由于受到觀察精度和數(shù)據(jù)精確性等因素的限制，在此階段僅能獲得眼跳、視覺注意等基本數(shù)據(jù)，但并沒有在應(yīng)用領(lǐng)域展開研究。第二，機械記錄階段：采用侵入式的方法通過機械傳動來實現(xiàn)眼睛與記錄的連接。Huey(1898年)，用橡皮膏將一個杠桿連接在眼球上，首次記錄了被試者閱讀過程中的眼動軌跡。Raymond Dodge(1901年)利用Dodge Photochronograph拍攝到受試者在自然狀態(tài)下的眼球運動照片，通過對這些照片分析眼球運動與心理行為發(fā)展的關(guān)系，為眼球追蹤在行為心理學領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。第三，光學記錄階:主要用反光記錄法、普通照相機及膠片攝像記錄法和角膜反光法等方法對眼動軌跡進行研究，此階段通過光學設(shè)備能獲得較為準確的眼動數(shù)據(jù)?；诠鈱W原理的眼球追蹤設(shè)備在經(jīng)歷了頭盔式、遙測式等幾代的發(fā)展，技術(shù)得到不斷提升與發(fā)展，特別是采樣頻率更高、支持明瞳和暗瞳雙眼采集的雙眼追蹤傳感器問世，讓眼球追蹤的精度和準確度更加貼近生物學實際。眼球追蹤技術(shù)開發(fā)先鋒瑞典Tobii公司研發(fā)的眼球追蹤儀依靠精密的硬件設(shè)計、高品質(zhì)的電子元器件和先進的眼動追蹤專利算法能提供高質(zhì)量和可重視性數(shù)據(jù)，為眼球追蹤技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用提供了機會。

1.2 我國關(guān)于眼球追蹤技術(shù)的理論與應(yīng)用現(xiàn)狀

我國眼動追蹤理論研究起步較晚，主要是以國外研究綜述為主。上世紀八十年代末期中國科學院和西安電子科技大學在借鑒國外學者理論研究的基礎(chǔ)上開始研制眼球追蹤設(shè)備，并將研究成果應(yīng)用于駕駛?cè)诵袨?成英等，2014；胡洪瑞等，2014；王慶敏等，2016；靳慧斌等，2016)、產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)(方方等，2015；王震亞等，2016；宋之杰等，2016)和遠程自主學習(王凌燕等，2013；田媚等，2015)等領(lǐng)域。

1.3 國內(nèi)外眼球追蹤技術(shù)在體育領(lǐng)域應(yīng)用研究現(xiàn)狀

目前眼球追蹤技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用，已經(jīng)從研究體育運動中單一圖片向動態(tài)圖像或現(xiàn)場模擬方向發(fā)展。便攜式眼球追蹤儀的應(yīng)用使得眼球追蹤研究實際運動場景中進行成為可能。實驗情境和真實情境更加接近，有助于研究者和實驗者研究生態(tài)學效度得到有效提升。

在體育運動領(lǐng)域中眼球追蹤技術(shù)應(yīng)用研究主要包括以下幾個范式。①揭示運動員眼球運動特征與技能過程的內(nèi)在關(guān)系的眼球運動-心理行為-技能過程的內(nèi)在聯(lián)系研究[11-14]；②揭示不同項目類型、不同訓練階段運動員眼動特征差別的新手與專家型選手視覺注意特征研究[ 15-24]； ③采集優(yōu)秀運動員在運動過程中眼球運動信息，并歸納整理出優(yōu)秀運動員眼球運動變化特點，將記錄結(jié)果運用于指導運動員技戰(zhàn)術(shù)訓練和賽事指導研究[25-27 ]；④對體育賽事特定人群(教練員、裁判員、官員等)視覺注意變化特征研究，用以揭示參與比賽過程的非運動員集體對體育賽事各個過程的影響[28-30]。

2 眼球追蹤技術(shù)在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用前景

2.1 基于眼球追蹤技術(shù)在評分類項目中裁判輔助系統(tǒng)的應(yīng)用前景

評分類項目運動成績的評判方法：裁判員根據(jù)統(tǒng)一評分標準，通過主觀判斷，對運動員完成動作情況予以相應(yīng)分值來決定?！秺W林匹克憲章》指出，奧林匹克精神就是相互了解、友誼、團結(jié)和公平競爭的精神。包括參與原則、競爭原則、公正原則、友誼原則和奮斗原則，而公正原則使奧林匹克精神具有了極大魅力[31]。裁判員對運動員成績評判的公正性是對他們刻苦訓練、頑強拼搏精神的最大肯定和鼓舞。但是裁判評分主觀屬性決定裁判公正性容易受到利益本位主義的內(nèi)在因素和執(zhí)裁無形手(如印象分、潮流動作、明星效應(yīng)和前緊后松等)的外部因素的干擾，導致評分結(jié)果有失公正。例如，2004年雅典奧運會體操比賽中俄羅斯體操名將涅莫夫在單杠決賽中近乎完美的表現(xiàn)讓現(xiàn)場觀眾形成與裁判的對峙，比賽一度中斷。2016年巴西奧運會女子高低杠比賽中范憶琳雖有6.9分的高難度動作價值和較好的表現(xiàn)，但在比賽過程中遭遇裁判的不公正而無緣決賽。

如何減少裁判員主觀性評分行為發(fā)生,提高執(zhí)裁公正性成為評分類項目的研究熱點。以競技體操為例，在新奧運周期規(guī)則中明確了各部分裁判組的權(quán)利與職責，除了單項裁判(D組、E組)，還引入了R組裁判(參考裁判)體現(xiàn)了改革的決心。D組2名裁判員主要是對運動員完成動作的難度價值做出評判，當在某個動作難度或完成質(zhì)量出現(xiàn)疑問時可以通過技術(shù)手段再現(xiàn)動作影響，降低人為因素誤判或錯判的可能性。R組裁判的介入為了防止E組裁判出現(xiàn)錯誤判罰的情況設(shè)置的修正值，只有當R組裁判和E組裁判的評分差值超出修正范圍，R組裁判的分值才會計入計算運動員成績評定系統(tǒng)，否則將不起作用[32]。盡管有參考裁判組的介入只是降低了E組裁判出錯概率，不能消除由E組裁判出錯而帶來的嚴重后果。

基于眼球追蹤技術(shù)裁判輔助系統(tǒng)可以從兩個方面對E組裁判，包括R組裁判的分值評定建立視覺聯(lián)系。首先，該系統(tǒng)可以還原第一視覺影像，即裁判所看到的比賽過程；其次，該系統(tǒng)可以記錄裁判員注視點變化過程、注視點分布、注視時間和聚焦位置等眼球運動信息。采集裁判員執(zhí)裁過程眼球運動信息可以為賽事組委會對裁判員的評分有效性作為“黑匣子”存在，并作為運動員申訴依據(jù)。

評分類項目評分過程中裁判員主觀性行為不可還原性讓裁判員主觀因素造成的誤評、誤判等不公正后果難以規(guī)避，而基于眼球追蹤技術(shù)的裁判輔助系統(tǒng)的應(yīng)用將會對諸如競技體操、武術(shù)等項目的發(fā)展產(chǎn)生革命性的影響。

2.2 眼球追蹤技術(shù)在體育賽事背景廣告曝光度定量測算的應(yīng)用前景

體育贊助收入是成熟體育賽事重要收入來源之一[33]。以在世界范圍內(nèi)具有廣泛影響力和競技水平最高的籃球職業(yè)化賽事NBA為例，2015-2016賽季全聯(lián)盟總收入約為55億美元，其中出讓轉(zhuǎn)播權(quán)收入約為9.3億美元，贊助收入約為7.39億美元，分別占總收入的16.90%和13.43%，這兩項收入之和超過總收入三成。而隨著NBA市場策略的變化這一數(shù)據(jù)將會進一步增加?，F(xiàn)場觀眾的數(shù)量影響面遠遠不如有現(xiàn)代電視傳媒或網(wǎng)絡(luò)媒體等現(xiàn)代傳媒手段對體育賽事傳播和報道影響面大，贊助高水平或者影響面廣的賽事對企業(yè)的曝光率是企業(yè)贊助體育賽事的首要因素。據(jù)Turnkey Sports & Etertainment 公司統(tǒng)計，企業(yè)贊助NBA賽場的營銷費用為其提高品牌知名度和曝光率收獲了良好效果。體育賽事贊助效果受到賽事類型、天氣條件、轉(zhuǎn)播形式和場地條件等多重因素影響。企業(yè)贊助體育賽事對提高品牌知名度、樹立企業(yè)良好形象和建立市場消費基礎(chǔ)的定性研究較多，但是如何提供讓贊助商信服的數(shù)據(jù)則主要靠前期預(yù)測和后期市場調(diào)查，這一過程漫長而繁雜，即使通過測算等方式得出的背景廣告曝光度也不能真實反映其是否引起受眾注意和為受眾所接受。

利用眼動追蹤儀獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合賽事前期預(yù)測和后期市場調(diào)查，將會有效提升體育賽事贊助商品牌曝光度評估，為企業(yè)贊助體育賽事增加信心，為體育賽事能贏得更大的贊助機遇。眼球追蹤系統(tǒng)應(yīng)用于體育賽事背景廣告曝光度設(shè)定可以體育賽事受眾入手，即現(xiàn)場觀眾和媒體轉(zhuǎn)播觀眾。分別選取一定數(shù)量的現(xiàn)場觀眾和媒體轉(zhuǎn)播觀眾佩戴眼球追蹤儀。對在賽場具有不同典型特征觀眾的眼球追蹤可以分析出賽場氛布置，如廣告牌位置和大小、廣告布置形式等引起視覺注意的程度，為賽事主辦方和贊助商評估賽事贊助效果提供依據(jù)。對媒體轉(zhuǎn)播觀眾眼球追蹤的結(jié)果不僅可以獲得賽事轉(zhuǎn)播畫面的視覺注意程度，還可以為媒體轉(zhuǎn)播機構(gòu)在賽事過程中插播的廣告提供值得信賴的數(shù)據(jù)支撐。

2.3 體育賽事直播系統(tǒng)人員知識結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用

體育賽事直播系統(tǒng)主要包括兩個重要的參與者主播機構(gòu)和持有轉(zhuǎn)播權(quán)的轉(zhuǎn)播機構(gòu)。主播機構(gòu)作為賽事的公共信號制作方，為世界范圍內(nèi)持有轉(zhuǎn)播權(quán)的機構(gòu)提供干凈中立的直播信號，而持權(quán)轉(zhuǎn)播機構(gòu)則通過購買賽事版權(quán)的方式接受由主播機構(gòu)提供的公共信號，然后對節(jié)目包裝、播出和商業(yè)開發(fā)。從賽事公共信號的制作到媒體觀眾收看賽事視頻的過程主要參與者是主播機構(gòu)的攝像組(機動車機位、固定機位、游機、航拍機位和畫面特效組等)和持權(quán)轉(zhuǎn)播機構(gòu)的導播組。導播組從多個攝像機位選取某個符合賽事特點的畫面作為節(jié)目播出畫面，這是個動態(tài)的過程。攝像組和導播組是專業(yè)性很強的工作，他們應(yīng)掌握攝像業(yè)務(wù)技術(shù)、精通畫面語言知識和了解各項體育賽事的特點，讓媒體觀眾看到體育賽事精彩畫面和滿足贊助商權(quán)益需求。他們對媒體畫面的拍攝和播放都是建立在經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，卻不能獲取媒體觀眾的真實需求。將眼動追蹤技術(shù)應(yīng)用于媒體觀眾，獲取受眾的注視點變化過程，注視點分布、注視時間和聚焦位置等眼球運動信息，并在分析這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立項目數(shù)據(jù)庫。這將有效提升體育賽事直播系統(tǒng)從業(yè)人員的專業(yè)知識，制作出符合受眾審美需求的播放畫面，讓受眾能感受體育賽事的魅力。

2.4 眼球追蹤技術(shù)在體育運動輔助裝備設(shè)計、研發(fā)方面的應(yīng)用前景

體育運動輔助裝備是運動過程中所佩戴或使用的裝備。從功能上可分為保護安全性裝備、運動舒適性裝備和挖掘潛能性裝備。體育運動輔助裝備發(fā)展與科學技術(shù)發(fā)展相互融合、相互促進。近年來利用高新技術(shù)和新興材料研發(fā)體育運動輔助裝備催生新興體育運動項目、增強運動安全性和提高運動訓練水平。

眼動追蹤技術(shù)在體育運動輔助裝備設(shè)計、研發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣泛。首先，眼動追蹤技術(shù)應(yīng)用于體育運動輔助裝備可以提高運動員的訓練水平。一級方程式賽車運動員的頭盔是高科技應(yīng)用于體育運動輔助裝備的典型案例，為保證其強度大、重量輕等特點將鈦合金作為原材料，同時要兼顧運動員呼吸順暢且通風性能良好，還要有營養(yǎng)補給設(shè)備。將眼動追蹤技術(shù)應(yīng)用于一級方程式運動員頭盔，采集運動員視覺注視特征數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以讓賽車團隊用來判斷比賽(或練習)過程中運動員的競技水平與心理狀態(tài)，對數(shù)據(jù)加以分析與計算可以建立運動員的視覺注意變化過程與所取得成績建立內(nèi)在聯(lián)系，從而為提高運動員的競技能力提供依據(jù)。其次，眼動追蹤技術(shù)應(yīng)用于體育運動輔助裝備可以增強運動員的安全性。比如，雪鏡是極限攀登運動員在高海拔登山的必要裝備，如能將眼球追蹤技術(shù)應(yīng)用于雪鏡，就可以實時獲取運動員視覺注意特征，并將數(shù)據(jù)加以分析與處理，可以實現(xiàn)隨動頭燈增加運動員視野范圍，或者是在出現(xiàn)意外狀況下因意外受傷而造成失去行動能力的情況下，用眼動控制頭燈的強度，為救援人員能提供信息。

2.5 眼球追蹤技術(shù)在體育領(lǐng)域中的其它應(yīng)用前景

眼球追蹤技術(shù)能記錄受試者目光定位順序和聚焦時間長短等信息，形成視覺熱點圖為窺見消費者心理期待和共鳴元素提供依據(jù)，能分析受眾的消費潛意識和購買可能性。從而為體育類網(wǎng)站設(shè)計優(yōu)化頁面布局、優(yōu)化廣告投放，體育賽場氛圍渲染和體育用品商店物品陳設(shè)等方面提供數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支持。

3 小結(jié)

眼球追蹤技術(shù)作為一項尖端前言技術(shù)已被運用到飛機駕駛艙設(shè)計、產(chǎn)品外包裝設(shè)計、汽車自適應(yīng)大燈、殘障人士交流設(shè)備制造和網(wǎng)頁設(shè)計等諸多方面。體育領(lǐng)域是高、尖端科技的試驗場與發(fā)酵器，眾多科技信息的產(chǎn)生與發(fā)展在體育領(lǐng)域得到驗證與完善，隨著眼球追蹤技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，該項技術(shù)的應(yīng)用成本和精確度不斷提高，眼球追蹤技術(shù)在評分類項目裁判員輔助系統(tǒng)研發(fā)、體育賽事贊助市場測評和體育輔助裝備研發(fā)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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AdvancesinEyeTrackingTechnologyandItsApplicationProspectinSports

Lu Hailin

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eye-tracking technology; referee’s auxiliary rating system; sports sponsorship；application

G804

A

1005-0256(2017)12-0162-4

10.19379/j.cnki.issn.1005-0256.2017.12.066

論文說明：2017國際體育與健康學術(shù)論文報告會暨第八屆全國青年體育科學學術(shù)會議專題口頭報告。

陸海林(1982-)，男，江蘇東海人，講師，碩士，研究方向：體操教學與訓練。

南通大學體育科學學院，江蘇 南通 226019

Sport Science College of Nantong university, Nantong 226019, Jiangsu, China.