眼動(dòng)追蹤技術(shù)的研究述評(píng)

鄭成艷 王 哲 嚴(yán)璘璘

(浙江理工大學(xué)理學(xué)院心理學(xué)系，杭州 310018)

眼睛是注意的窗口，人類(lèi)利用該視覺(jué)系統(tǒng)可以從外界獲取大量的信息，由此產(chǎn)生的眼動(dòng)特征能提示人們的認(rèn)知規(guī)律。以往的研究通過(guò)分析受測(cè)者的眼動(dòng)指標(biāo)，例如注視時(shí)間、注視次數(shù)、眼跳及瞳孔大小等可以獲取個(gè)體的認(rèn)知特征[1]。本研究述評(píng)從眼動(dòng)追蹤儀的基本原理及其種類(lèi)、眼動(dòng)追蹤指標(biāo)及心理含義、眼動(dòng)追蹤技術(shù)的應(yīng)用三個(gè)方面展開(kāi)。

1 眼動(dòng)追蹤儀的基本原理及種類(lèi)

眼動(dòng)追蹤是通過(guò)測(cè)量眼睛的注視點(diǎn)的位置或者眼球相對(duì)頭部的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)對(duì)眼球運(yùn)動(dòng)的追蹤。眼動(dòng)追蹤技術(shù)所借助的媒介一般分為硬件和軟件為兩種[2]。以硬件為基礎(chǔ)的視線(xiàn)跟蹤技術(shù)的基本原理是利用圖像處理技術(shù),通過(guò)眼攝像機(jī)的使用去鎖定眼睛，利用從人眼角膜和瞳孔反射的紅外線(xiàn)連續(xù)地記錄視線(xiàn)變化,從而達(dá)到記錄并分析視線(xiàn)跟蹤過(guò)程的目的。這種方法往往需要對(duì)用戶(hù)的頭部進(jìn)行固定, 會(huì)對(duì)用戶(hù)產(chǎn)生很大的干擾；以軟件為基礎(chǔ)的視線(xiàn)跟蹤技術(shù)是通過(guò)攝像機(jī)去獲取眼睛或臉部圖像, 再利用軟件去定位與跟蹤圖像中人臉和人眼, 從而對(duì)用戶(hù)在屏幕上的注視位置進(jìn)行估算。

眼動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷過(guò)觀察記錄法、機(jī)械記錄法、光學(xué)記錄法、影視記錄法等幾代記錄方法，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前的眼動(dòng)研究使用的多為現(xiàn)代化大型精密的眼動(dòng)儀，擁有集光學(xué)技術(shù)、攝影技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)為一體的眼動(dòng)追蹤記錄系統(tǒng)[3]。根據(jù)眼動(dòng)儀的外形特征，一般可分為頭戴式、遙感式以及頭部固定式。頭戴式一般用于分析眼睛對(duì)移動(dòng)景物的注視軌跡，如用于運(yùn)動(dòng)分析、人機(jī)工程界面設(shè)計(jì)等研究；遙感式對(duì)頭部的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有限制，適用于閱讀分析、網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)等，尤其適用于兒童；固定式一般將被試的下巴固定在可調(diào)的下巴托架上，然后進(jìn)行眼動(dòng)數(shù)據(jù)的收集，其精確度較高，適用于多種理論研究。國(guó)內(nèi)常用的眼動(dòng)儀品牌主要有加拿大SR公司生產(chǎn)的EyeLink系列眼動(dòng)追蹤記錄系統(tǒng)和美國(guó)“應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”( Applied Sciences Laboratories, 簡(jiǎn)稱(chēng)ASL) 研發(fā)的頭戴式H6系列、遙感式R6系列以及高速固定式C型。，瑞士Tobii公司生產(chǎn)的T60和T120型眼動(dòng)儀，以及德國(guó)SMI公司生產(chǎn)的眼鏡式HED系列、 固定式HS系列和遙測(cè)眼動(dòng)儀RED系列眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)(SMI Eye Tracking System)。上述眼動(dòng)追蹤儀器均為集成的眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)1980-2009期間發(fā)表的370篇眼動(dòng)研究文獻(xiàn)的分析發(fā)現(xiàn)，Eyelink-Ⅱ型眼動(dòng)儀使用頻率較高，其次是ASL-504系列[4]。而Tobii系列眼動(dòng)儀和Eyelink-2000型眼動(dòng)儀為近些年研發(fā)出來(lái)的新型設(shè)備，在2008 年后的研究中使用較多。相比之下，Eyelink系列精度高，多用于如閱讀[5]、視覺(jué)加工[6]等理論研究；Tobii系列精度略低但靈活性較高，用于可用性測(cè)評(píng)[7]、視覺(jué)要素排版[8]、界面設(shè)計(jì)[9]、人機(jī)交互[10]等應(yīng)用研究。ASL系列眼動(dòng)儀與德國(guó)SMI的眼動(dòng)儀器近年來(lái)在國(guó)內(nèi)使用較少[11,12]。

2 眼動(dòng)追蹤指標(biāo)的選取及心理含義

眼動(dòng)追蹤存在注視( fixation )、眼跳( saccades) 和追隨運(yùn)動(dòng)( pursuit movement) 3種基本形式[13]。注視指的是指將眼睛的中央窩對(duì)準(zhǔn)某一物體的時(shí)間超過(guò)10毫秒,被注視的物體在此期間成像在中央窩上, 在獲得充分的加工后形成清晰的像[3]。注視不是眼球的絕對(duì)靜止，此過(guò)程往往伴隨著自發(fā)性的高頻眼球微顫、慢速漂移和微跳，它們是視覺(jué)信息加工所必須的信息提取機(jī)制。眼跳是個(gè)體往往意識(shí)不到的注視點(diǎn)或注視方位的突然改變，它的速度很快, 最高可達(dá)每秒450度, 其幅度范圍為2分度到20度。眼跳過(guò)程中雖然也能獲取到刺激的時(shí)空信息, 但幾乎無(wú)法形成清晰的刺激像，所以一般利用眼跳快速搜索視野以及選擇刺激信息。追隨運(yùn)動(dòng)是指當(dāng)眼睛與被觀察物體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí), 眼球會(huì)追隨物體移動(dòng)以保證眼睛對(duì)這個(gè)物體的持續(xù)注視。追隨運(yùn)動(dòng)常常伴隨較大的眼跳和微跳, 它是“由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度信息輸人到中樞神經(jīng)系統(tǒng), 眼睛為了追隨這個(gè)目標(biāo)而引起的一種連續(xù)反饋的伺服運(yùn)動(dòng)”[14]。

眼動(dòng)追蹤指標(biāo)一般分為時(shí)間和空間兩類(lèi)。眼動(dòng)的時(shí)空特征是視覺(jué)信息提取過(guò)程中的生理和行為表現(xiàn)。其中時(shí)間指標(biāo)包括注視時(shí)間(如單一注視時(shí)間、總注視時(shí)間和平均注視時(shí)間等)、眼跳時(shí)間、眼跳潛伏期、追隨運(yùn)動(dòng)時(shí)間、回視時(shí)間等[3]。這些指標(biāo)可以精細(xì)地從時(shí)程上揭示不同的信息加工過(guò)程。例如，在閱讀領(lǐng)域的研究中，注視次數(shù)和注視時(shí)間用來(lái)反映學(xué)習(xí)者對(duì)視覺(jué)材料的加工程度；利用回視時(shí)間來(lái)揭示詞匯通達(dá)的加工過(guò)程以及后期句子整合的加工過(guò)程[15]。而空間指標(biāo)包括注視點(diǎn)、各種不同眼動(dòng)的次數(shù)、眼跳距離、眼動(dòng)軌跡圖、熱點(diǎn)圖等。這些指標(biāo)可以從空間上揭示不同區(qū)域的加工模式。例如，在用戶(hù)研究領(lǐng)域中，被試往往會(huì)表現(xiàn)出對(duì)關(guān)鍵信息區(qū)域的興趣和關(guān)注，所以常采用第一注視點(diǎn)這個(gè)指標(biāo)來(lái)反映被試的興趣點(diǎn)；眼跳相關(guān)指標(biāo)用作解釋用戶(hù)視覺(jué)信息加工過(guò)程以及其與注意轉(zhuǎn)移之間的關(guān)系[16]；眼動(dòng)軌跡被用于反映用戶(hù)的瀏覽和注視情況以及視覺(jué)刺激在大腦中被處理的順序[17]；以及使用熱點(diǎn)圖來(lái)直觀地反映被試在刺激材料的注意分配，以揭示其的瀏覽和注視行為[18]。除此之外，瞳孔的大小與眨眼也是視覺(jué)注意狀態(tài)的重要指標(biāo)，與上述時(shí)空指標(biāo)相結(jié)合可解釋個(gè)體的知覺(jué)廣度或者注意廣度等。

3 眼動(dòng)追蹤技術(shù)的應(yīng)用

眼動(dòng)追蹤技術(shù)始于19 世紀(jì)末20 世紀(jì)初, 心理學(xué)家利用簡(jiǎn)單的眼動(dòng)儀記錄個(gè)體在文字閱讀及圖形掃描中的眼動(dòng)軌跡, 并探究其與視覺(jué)信息加工之間的關(guān)系。直至20世紀(jì)中期前,許多用于心理學(xué)研究的眼動(dòng)追蹤技術(shù)還存在誤差大、操作難和被試眼動(dòng)負(fù)擔(dān)大等缺點(diǎn)。20 世紀(jì)中期后, 隨著攝像技術(shù)的引入,特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了高精度眼動(dòng)儀的研發(fā), 極大地?cái)U(kuò)展了眼動(dòng)追蹤技術(shù)應(yīng)用。從1980～2009年有關(guān)國(guó)內(nèi)眼動(dòng)研究的文獻(xiàn)計(jì)量分析數(shù)據(jù)來(lái)看，閱讀研究占據(jù)眼動(dòng)實(shí)證研究的半壁江山，而在消費(fèi)、病理、思維、運(yùn)動(dòng)、工程等領(lǐng)域相對(duì)較少[4]。接下來(lái)主要從基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究?jī)蓚€(gè)方面來(lái)介紹眼動(dòng)追蹤技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

4 基礎(chǔ)研究

首先，近20年眼動(dòng)追蹤技術(shù)廣泛應(yīng)用于閱讀研究。該領(lǐng)域主要集中在句子及句子以下層次的認(rèn)知加工機(jī)制[19]。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)學(xué)障、聽(tīng)障等特殊兒童在閱讀過(guò)程中眼跳距離、眼跳幅度、注視時(shí)間及注視次數(shù)等眼動(dòng)模式[20]來(lái)探究這些特殊兒童的知覺(jué)廣度和注意分配[21]及其閱讀障礙的根源[22]。

其次，眼動(dòng)追蹤技術(shù)還用于社會(huì)交往研究，如自閉癥兒童和老年人的社會(huì)認(rèn)知障礙。通過(guò)利用眼動(dòng)追蹤技術(shù)比較自閉癥兒童與正常兒童在熟悉與陌生面孔的加工[23]、面部情緒識(shí)別[24]、以及面孔特征辨別[25]等過(guò)程中的眼動(dòng)模式差異來(lái)揭示該群體社交障礙的原因。此外，人臉識(shí)別的眼動(dòng)模式與年齡相關(guān)的認(rèn)知能力下降之間具有高度相關(guān)，這使得眼動(dòng)追蹤技術(shù)可用于篩選評(píng)估老年人的認(rèn)知衰退狀態(tài)。

眼動(dòng)追蹤技術(shù)實(shí)時(shí)且精準(zhǔn)地反映了個(gè)體的視覺(jué)加工過(guò)程，為進(jìn)一步的技術(shù)應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

5 應(yīng)用研究

首先，眼動(dòng)追蹤技術(shù)主要應(yīng)用于以學(xué)生為主體的教育領(lǐng)域，為師生間的教與學(xué)提供幫助與建議。通過(guò)眼動(dòng)追蹤技術(shù)可以實(shí)時(shí)獲取學(xué)生在線(xiàn)學(xué)習(xí)時(shí)的注視點(diǎn)、注視時(shí)間、眼跳距離等指標(biāo)，相關(guān)數(shù)據(jù)可以了解學(xué)生的關(guān)注點(diǎn)和學(xué)習(xí)狀態(tài)，而且可以針對(duì)學(xué)生教師制定個(gè)性化的教學(xué)和學(xué)習(xí)方案[27]。

其次，眼動(dòng)追蹤技術(shù)主要應(yīng)用于廣告設(shè)計(jì)等消費(fèi)領(lǐng)域。例如，通過(guò)分析被試的注視時(shí)間和注視次數(shù)來(lái)確定廣告的最佳呈現(xiàn)位置，以提升被試加工廣告信息的效率及深度[8];通過(guò)比較被試觀看廣告圖片及文本時(shí)的瞳孔大小及注視時(shí)間，結(jié)合被試的評(píng)價(jià)及再認(rèn)成績(jī)，以確定最佳廣告文本設(shè)計(jì)[28, 29]；通過(guò)分析被試觀看動(dòng)、靜以及動(dòng)靜結(jié)合的廣告的注視時(shí)間及注視次數(shù)來(lái)優(yōu)化網(wǎng)頁(yè)廣告的載體[30]，為廣告頁(yè)面優(yōu)化提供參考依據(jù)。此外，眼動(dòng)追蹤技術(shù)還可為廣告設(shè)計(jì)者精準(zhǔn)定位產(chǎn)品[31]以及選取合適的產(chǎn)品代言人[32]提供依據(jù)，進(jìn)而達(dá)到營(yíng)銷(xiāo)目的。

第三，眼動(dòng)追蹤技術(shù)還可用于道路交通安全等工程領(lǐng)域，主要從“人-車(chē)-路(環(huán)境)”三個(gè)方面進(jìn)行探究[33]。如利用眼動(dòng)技術(shù)可以對(duì)駕駛者視覺(jué)信息搜索模式[34]及疲勞狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)[35]，通過(guò)設(shè)計(jì)車(chē)內(nèi)信息顯示設(shè)備的安放位置可以比較駕駛員讀取信息時(shí)的眼動(dòng)特征的不同[36]，以及通過(guò)研究不同的交通道路環(huán)境下駕駛員視覺(jué)特性變化規(guī)律，可以減少交通事故，保證道路交通安全[37]。此外，眼動(dòng)追蹤技術(shù)還可用于用戶(hù)界面的設(shè)計(jì)，通過(guò)眼動(dòng)指標(biāo)數(shù)據(jù)可以對(duì)界面大小、用戶(hù)界面的布局方式、界面的交互設(shè)計(jì)、用戶(hù)界面的情感體驗(yàn)以及用戶(hù)群的劃分等等提供更合理的建議，從而喚起用戶(hù)對(duì)界面的最優(yōu)視覺(jué)體驗(yàn)[38]。

6 結(jié)語(yǔ)

眼動(dòng)追蹤指標(biāo)可直觀精準(zhǔn)地反映個(gè)體的視覺(jué)加工模式，借助這些指標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)體認(rèn)知水平以及心理狀態(tài)的推測(cè)，甚至于在此基礎(chǔ)上可形成可交互的眼控設(shè)備。眼動(dòng)追蹤技術(shù)在基礎(chǔ)領(lǐng)域的視覺(jué)加工中發(fā)展相對(duì)成熟，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用中也有著不少的貢獻(xiàn)，但總體來(lái)說(shuō)眼動(dòng)追蹤技術(shù)的應(yīng)用仍處于初步發(fā)展階段，研究人員需繼續(xù)深入探索其多樣化的應(yīng)用。