眼動儀在認知行為實驗中的應(yīng)用及選擇

李文清 張珊珊 徐琨鵬

摘 要：眼動追蹤技術(shù)已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)認知心理學和用戶體驗等領(lǐng)域，對于不同的實驗范式和實驗場景，眼動儀的選擇既需要考慮測量數(shù)據(jù)的精確度，也需要考慮其應(yīng)用的生態(tài)效度。對眼動儀數(shù)據(jù)指標的認知意義和應(yīng)用實驗的研究范式進行簡要總結(jié)，并選取業(yè)內(nèi)最具代表性的SR公司的EyeLink系列和Tobii公司的Tobii系列眼動儀最新款產(chǎn)品，從設(shè)備性能參數(shù)、研究適用領(lǐng)域和硬件擴展空間3方面進行對比，為不同研究領(lǐng)域研究者開展實驗和選擇眼動儀提供參考。

關(guān)鍵詞：眼動儀;眼動追蹤技術(shù);認知行為實驗;生態(tài)效度

DOI：10. 11907/rjdk. 191363 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）002-0080-04

英標：The Application and Selection of Eye-trackers in Cognitive Behavioral Experiments

英作：LI Wen-qing1， ZHANG Shan-shan2， XU Kun-peng3

英單：（1. College of Marxism，Sichuan University;2. College of Literature and Journalism，Sichuan University;3. College of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Abstract： Eye-tracking technology has been widely used in basic cognitive psychology and user experience study. For different research designs and experimental context， the choice of eye trackers requires considering both reliability and ecological validity. Besides a brief summary of the index of accuracy and the cognitive meaning of eye movements data， we introduce and compare the EyeLink eye trackers of SR company and the series of eye trackers of Tobii company，so as to make reference for researchers of different research fields to choose the eye trackers.

Key Words：eye trackers; eye-tracking technology; cognitive behavioral experiments; ecological validity

0 引言

眼球運動（下稱眼動）作為視覺信息提取和加工的生理和行動表征，能客觀全面地反映視覺信息選擇、注意力變換和知覺廣度等諸多信息。與傳統(tǒng)主觀報告法和外部觀察法相比，眼動追蹤技術(shù)因其對個體內(nèi)外源性控制因素的全面考察、精細客觀、數(shù)據(jù)豐富等優(yōu)點具備獨特的應(yīng)用價值[1]。當前，為鼓勵學生自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，越來越多的高校購入眼動設(shè)備，以供學生開展跨學科、跨領(lǐng)域的研究。高速眼動追蹤儀器（簡稱“眼動儀”）的應(yīng)用已從基礎(chǔ)心理學擴展到人文社科醫(yī)多學科領(lǐng)域，如四川大學文學與新聞學院購入Tobii品牌眼動儀，用于廣告效果評估、視覺傳播等研究。市面上眼動儀品牌和系列繁多，如何正確挑選眼動儀，以保證所需測量數(shù)據(jù)的精度和實驗的生態(tài)效度，是研究者關(guān)心的關(guān)鍵問題，但鮮有文獻對此作全面梳理和介紹。本文擬對眼動儀重要數(shù)據(jù)指標的研究意義及其在認知行為實驗中的研究范式作簡要總結(jié)，在此基礎(chǔ)上對目前國內(nèi)高校和科研單位使用較為廣泛的兩個眼動儀品牌，即加拿大SR公司和瑞典Tobii公司的眼動產(chǎn)品進行設(shè)備性能、適用情境和擴展空間等方面的介紹比較，為研究者合理選擇眼動儀設(shè)備提供參考。

1 眼動技術(shù)研究與應(yīng)用

1.1 眼動指標及意義

人類眼動主要分為3種類型：注視（Fixation）、眼跳（Saccades）、追隨運動（Persuit Movement）[2]。注視是指將視網(wǎng)膜的中心凹持續(xù)對準觀察對象，從而獲得清晰的圖像信息，通常持續(xù)100ms以上;眼跳是指眼球在注視點間的快速轉(zhuǎn)移，以使對象移動到視網(wǎng)膜的中心凹上[3];追蹤運動是指眼睛隨視覺目標的移動而移動的運動。人們用眼睛觀察客觀事物的過程中，正是依靠上述3種眼動方式，完成對目標的瞄準和追蹤，高效抓取關(guān)鍵視覺信息，獲得清晰的圖像輸入[4]。

眼動儀可以采集注視、眼跳在時間、空間維度上的指標，并能呈現(xiàn)追隨眼動軌跡[5]。在眼動數(shù)據(jù)分析中，研究者按照研究需要，將視覺對象劃分成不同的興趣區(qū)（Area of Interest，AOI），并由此得出每個興趣區(qū)內(nèi)的眼動數(shù)據(jù)。本文根據(jù)相關(guān)資料[5-10]整理出主要眼動指標數(shù)據(jù)及其認知意義如表1所示。一般而言，時間維度的參數(shù)聚焦于某一特定區(qū)域，反映被試對該區(qū)域的認知加工情況;空間維度的參數(shù)則更多從整體上反映被試對材料的加工過程，研究者可以結(jié)合具體實驗靈活運用。

在時間維度上，眼動儀對不同加工時期的注視時間進行記錄，能夠反映出認知資源投入的多少。例如，白學軍、梁菲菲等[11] 對自然閱讀中兒童和成人新詞學習能力差異進行比較研究，選取首次注視時間、凝視時間、再注視概率和總注視時間4個時間維度的指標，其中，首次注視時間是反映閱讀早期階段的加工指標，而凝視時間、再注視概率是反映閱讀過程相對晚期的指標，總注視時間則是反映整體加工過程的指標。通過這4個不同時間進程上的眼動指標，研究者得以全面呈現(xiàn)成人和兒童的新詞學習過程并展開對比：在詞匯加工早期階段，成人和兒童在注視上差異不顯著，但在詞匯加工的相對晚期階段，二者的注視呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，因而表明成人新詞學習能力高于兒童主要體現(xiàn)在詞匯加工晚期。

空間維度指標主要反映個體的認知加工策略和效率。張運亮、李宗浩等[6]在專家與新手籃球后衛(wèi)運動員的眼動研究中，對被試分別呈現(xiàn)簡單、復(fù)雜籃球比賽場景的圖片，要求被試根據(jù)圖片中的比賽狀況作出決策，并用眼動儀記錄被試在觀看圖片時的眼動數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)分析階段，研究者選取眼跳距離、注視次數(shù)、注視軌跡等指標對專家和新手的注視模式進行比較。其中，眼跳距離和注視次數(shù)反映了認知加工的難度及效率，而注視軌跡則能顯示出搜索信息的整個眼動路線。這3個指標綜合反映了較之于新手籃球后衛(wèi)運動員，專家籃球后衛(wèi)運動員的眼動模式更加簡單和集中，具有更加高效的信息搜集能力。

上述研究清晰地呈現(xiàn)了時間與空間維度眼動指標的意義與應(yīng)用。在實際研究中，可根據(jù)實驗需要選取多個時間和空間維度的指標，綜合運用并分析，兩者并不割裂開。

1.2 眼動研究實驗范式

通過眼動儀發(fā)掘人類視覺信息加工規(guī)律，是眼動儀在基礎(chǔ)認知研究中的應(yīng)用。高精度的眼動信息可以實現(xiàn)對視知覺加工過程和規(guī)律的準確反映，研究者可以透過眼動數(shù)據(jù)，尋找背后的心理機制。例如在教育心理學研究中，研究者將眼動技術(shù)用于比較不同學生在解決問題時的不同信息提取方式，從而推斷其內(nèi)在學習風格。將眼動應(yīng)用于閱讀規(guī)律，可以考察不同年齡段的閱讀水平、閱讀過程中的認知加工差異等。

考察用戶體驗幫助改進產(chǎn)品或服務(wù)設(shè)計，是眼動研究的另一大應(yīng)用。在工效學方面，通過眼動追蹤技術(shù)研究如何使人—機—環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計符合人的身體機構(gòu)和心理特點，如設(shè)備操作系統(tǒng)界面設(shè)計、雜志目錄設(shè)計方式、軟件使用情況等[2]。以網(wǎng)頁廣告設(shè)計為例，廣告投放位置、廣告色彩及版面等因素都會在一定程度上影響瀏覽者注意力，而眼動追蹤技術(shù)可以幫助研究者選擇和改進設(shè)計方案[13]。

由上可見，眼動研究根據(jù)實驗?zāi)康目煞譃閺膫€體出發(fā)（內(nèi)源性刺激）和從產(chǎn)品出發(fā)（外源性刺激）兩條研究路徑，這兩種研究范式對于測量指標選擇、數(shù)據(jù)精度要求和測量情境生態(tài)效度要求不同，對眼動儀產(chǎn)品的選擇也會有所不同。比如：當目的是鑒定和分析個體在執(zhí)行特定任務(wù)（如閱讀、搜索、運動、駕駛等）時的視覺注意模式，此類基礎(chǔ)認知實驗對數(shù)據(jù)質(zhì)量要求很高[12];而對致力于產(chǎn)品效果的研究而言，可能并不需要過高精度的數(shù)據(jù)，而重在實驗情景的仿真效果，即生態(tài)效度優(yōu)先考量。

2 眼動儀比較與選擇

眼動儀系統(tǒng)的設(shè)備性能主要由采樣頻率、分辨率、精確度三大指標共同衡量。采樣頻率是指眼動儀系統(tǒng)每秒采集眼球圖像的次數(shù)，能夠判斷測量過程中兩連續(xù)眼動行為之間的相關(guān)程度，是衡量眼動儀系統(tǒng)捕獲信息的一個重要指標。分辨率是指單個注視樣本的最小空間變化，與眼動儀系統(tǒng)精確度共同反映眼動儀在測量眼球空間位置時系統(tǒng)本身的噪聲水平，直接關(guān)系到眼動儀對眼球位置變化的分辨能力[14]。以上這些性能指標直接影響數(shù)據(jù)質(zhì)量和相關(guān)研究結(jié)果的可靠性，因此是除研究情境的適用性外，衡量一款眼動儀產(chǎn)品最重要的考慮因素。

2.1 EyeLink系列眼動儀

EyeLink系列是由加拿大SR公司研發(fā)的目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的眼動產(chǎn)品之一[1]。本文選取2013年該公司發(fā)布的具有較廣應(yīng)用范圍和出色性能的EyeLink 1000 Plus，以及2016年發(fā)布的兼具便攜性和高精度的EyeLink Portable Duo兩款產(chǎn)品進行介紹，這兩款眼動儀可對精度要求較高的實驗提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持[15]。

2.1.1 EyeLink 1000 Plus眼動儀

EyeLink 1000 Plus是SR公司最精確的眼動追蹤系統(tǒng)，支持頭部固定和頭部自由移動兩種模式。該設(shè)備具有較強的兼容性，從嬰兒到老年人甚至非人類被試都可以測量。2017年升級后，在頭部固定的情況下，其采樣頻率可達2 000Hz;當允許頭部自由移動時，其采樣頻率也可達? ?1 000Hz，非常適合精細化分析實驗。此外，這款眼動儀打破了只能在桌面上進行實驗的局限，提供多種安裝方式，設(shè)備的實用性大大提高，可滿足多樣化的實驗條件，具有極強的適應(yīng)能力[16]。

2.1.2 EyeLink Portable Duo眼動儀

EyeLink Portable Duo眼動儀是一款便攜式眼動設(shè)備，它具有緊湊而強大的攝像頭硬件，所有設(shè)備可以裝在一個行李箱中，為廣泛的實驗條件和實驗環(huán)境提供高精度、高質(zhì)量的眼動記錄。它允許頭部自由移動和高精度頭部固定模式運行，頭部穩(wěn)定時高達2 000Hz，頭部移動時高達? ?1 000Hz。EyeLink Portable Duo的設(shè)計符合最嚴格的技術(shù)標準，獲得包括IEC 60601-1在內(nèi)的醫(yī)療認證，成為臨床應(yīng)用理想選擇[17]。

2.2 Tobii 系列眼動儀

根據(jù)SR與Tobii公司的產(chǎn)品手冊及用戶使用指南整理結(jié)果如表2所示[15-19]。

Tobii公司進入中國市場的時間較晚，但反響較好，很多知名企業(yè)和高校都購買其產(chǎn)品，應(yīng)用范圍非常廣[1]。本文將詳細介紹當前最有代表性的Tobii Pro Spectrum、Tobii Pro Glasses 2和Tobii Pro VR三款產(chǎn)品[18]。

2.2.1 Tobii Spectrum眼動儀

Tobii Pro Spectrum是Tobii Pro系列目前最新、最先進的眼動追蹤平臺，每只眼睛最高能以1 200Hz采樣頻率采集數(shù)據(jù)。運用Tobii開發(fā)的眼球3D位置數(shù)學模型，能在外界環(huán)境和頭部位置變動的情況下準確計算眼動數(shù)據(jù)。同時還提供眼球圖像，可以幫助研究人員更好地了解影響眼動數(shù)據(jù)的因素。

2.2.2 Tobii Pro Glasses2眼動設(shè)備

Tobii Pro Glasses2是一款可實現(xiàn)無線實時觀察功能的可穿戴式眼動設(shè)備，可提供50Hz或100Hz的采樣頻率，外形與普通眼鏡無異，重量僅45g，確保被試的佩戴舒適度和行動自由度。該設(shè)備最大的特點在于其非侵入式測量方式，使得實驗范圍被大大擴展，為真實世界環(huán)境下的眼動研究提供了極大的可操作性，研究人員可獲取到自然狀態(tài)下的眼動數(shù)據(jù)，在市場調(diào)查與消費者調(diào)研、用戶體驗與交互研究、體育運動研究中都有很強的適應(yīng)性[19]。

2.2.3 Tobii Pro VR集成方案

Tobii Pro VR集成方案將Tobii Pro 眼動追蹤技術(shù)與HTC Vive虛擬現(xiàn)實頭戴式顯示器完整、無縫地集成，為各類研究的執(zhí)行方式帶來了革新的可能性。該設(shè)備采用雙眼暗瞳追蹤技術(shù)，雙眼采樣頻率達120Hz，可為研究人員帶來完全可控的虛擬環(huán)境，方便重復(fù)呈現(xiàn)場景和刺激物，降低實驗成本，那些在真實環(huán)境中會給被試帶來危險和痛苦的實驗設(shè)計都可以由虛擬現(xiàn)實環(huán)境實現(xiàn)。且實驗過程中，眼動追蹤不會影響到被試的沉浸式體驗。同時，眼動追蹤技術(shù)的使用也會提升VR體驗，通過對注視點的渲染技術(shù)和對視線的自然交互能力，給用戶帶來更強的卷入感和沉浸感[20]。

2.3 綜合比較

以上介紹的幾款眼動儀產(chǎn)品在參數(shù)性能和應(yīng)用范圍上各有千秋，研究者可根據(jù)實驗任務(wù)類型、配套軟件使用便利性以及未來研究應(yīng)用空間3方面加以選擇。

（1）從實驗研究內(nèi)容看，如進行內(nèi)部認知規(guī)律研究，比如閱讀、決策相關(guān)實驗，則外源影響好控制，更注重內(nèi)源性反應(yīng)的考察，對眼動儀的測量性能水平要求更高，更適合選擇Eyelinke系列產(chǎn)品。如果是進行人類工效、用戶體驗類研究，則要注重外源刺激的真實性，對生態(tài)效度要求更高，可以適當犧牲對性能參數(shù)的要求，選擇Tobii Pro系列產(chǎn)品。

（2）從配套軟件看，Tobii Pro提供的實驗程序設(shè)計軟件Tobii Pro Studio界面簡潔、操作簡單，可以直接通過拖拽圖標編輯設(shè)計實驗流程，設(shè)計難度較低，可以輕易上手。而且Tobii Pro Studio軟件可同時進行數(shù)據(jù)分析，可自行選擇想要導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，并劃分興趣區(qū)，回放眼動軌跡，呈現(xiàn)熱點圖、注視軌跡圖等。而EyeLink則分別配套實驗程序編輯軟件EyeLink Builder（EB）和實驗數(shù)據(jù)分析軟件Data View，需要研究者自行編程，要求較高。

（3）從與其它研究設(shè)備的兼容擴展性看，眼動數(shù)據(jù)可以有效推測出個體的認知加工過程，但是卻不能反映認知加工的生理機制。在前沿研究中，往往將眼動追蹤技術(shù)同腦成像技術(shù)（如EEG、ERP、fRIM、PET、MEG）結(jié)合起來，對比并關(guān)聯(lián)眼動行為指標和腦成像指標。例如，2014年Choi等[20]運用眼動-fMRI聯(lián)合采集技術(shù)對自然閱讀中語言加工和眼動加工的神經(jīng)機制進行了探索，眼動技術(shù)應(yīng)用為腦成像數(shù)據(jù)提供了額外的驗證和支持。目前，EyeLink系列和Tobii系列眼動儀都支持眼動數(shù)據(jù)與其它儀器生理數(shù)據(jù)的結(jié)合，并具有較高的時間精度和兼容性。

3 結(jié)語

本文闡述了眼動儀在認知行為實驗中的主要研究范式及指標意義，介紹了國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的眼動品牌——加拿大SR公司的EyeLink 系列和瑞典Tobii公司的Tobii Pro系列，對其最新最先進眼動設(shè)備的性能參數(shù)和適用范圍進行了比較，建議從自身實驗任務(wù)類型、配套軟件使用便利性及未來研究應(yīng)用空間3方面加以考慮和選擇?？梢钥闯?，眼動追蹤設(shè)備的發(fā)展趨向于高精度、便攜靈活以及與其它生理指標的無縫對接。從眼動研究趨勢看，在當前眼動數(shù)據(jù)與腦成像數(shù)據(jù)相結(jié)合的研究中，兩種數(shù)據(jù)利用尚處在割裂狀態(tài)，尤其是眼動數(shù)據(jù)大多起輔助和驗證作用，缺乏對眼動數(shù)據(jù)的深度挖掘和分析，未來需進一步研究。此外，眼動追蹤與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合也成為一個新的突破點。隨著科學技術(shù)的進步和眼動設(shè)備性能的優(yōu)化，加上與其它生理指標設(shè)備的互補配合，該領(lǐng)域研究生態(tài)效度將不斷提升，應(yīng)用前景也會更加廣闊。

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（責任編輯：孫 娟）