眼动追踪技术

简单地说,眼动追踪是测量眼睛运行的过程。眼动追踪研究的最关注的事件是确定人类或者动物看的地方(比如:“注视点”或“凝视点”)。更准确来说是通过仪器设备进行图像处理技术,定位瞳孔位置,获取坐标,并通过一定的算法,计算眼睛注视或者凝视的点,让计算机知道你正在看哪里,何时看的,为什么看的?眼动追踪技术是历经了一个长期的发展过程才慢慢成熟起来的。这个过程也见证了眼动技术的成长,目前热门的眼动追踪技术主要是基于眼睛视频分析(VOG,Video oculographic)的“非侵入式”技术,其基本原理是:将一束光线(近红外光)和一台摄像机对准被试者的眼睛,通过光线和后端分析来推断被试者注视的方向,摄像机则记录交互的过程。为此,现在的研究者通常使用基于视频的眼睛跟踪器,如Eyellink 1000 Plus。基于视频的眼睛跟踪器,除了监视注视,还可以显示其它有用的测量指标,包括瞳孔大小和眨眼率等。加拿大SR Research公司生产的Eyelink系列眼动仪由于其高采样率,高精度和低噪声等优秀特性一直是各个研究领域首选。 眼动追踪原理 眼动追踪最常见的一个基本原理是“脑-眼假说”。它认为,我们在看某些信息时,这是我们的大脑在控制的。所以说,通过监测眼动的变化,就可以推断出大脑中正在发生的事情。

为了更好地理解“眼-脑假说”,有必要简要解释一下眼睛生理构造。视网膜上的中央凹只有相对很小的一部分,但包含足够密集的视锥细胞(对颜色敏感的细胞),可以非常详细地分辨视觉世界。中央凹本身仅覆盖1-2度视角(视角在后期的文章中会介绍)的区域。场景的其余部分则主要由视杆状细胞处理。视杆细胞:对暗光敏感,光敏感度较高,但分辨能力差,在弱光下只能看到物体粗略的轮廓,可以检测到较大的形状和变化,但不能检测到精细的运动过程。下图显示了视锥细胞和视杆细胞的密度和分布。

眼动与眼动假设

由于相对较小中央凹,大脑在控制眼睛运动时,大约要做出非常重要的决定:

眼睛应该怎么样移动?眼睛什么时候移动?眼睛移动到哪里去?

Saccades are decisions: Each time we move our eyes we have had to decide where to move them to and when to move them.

–These decisions are not based purely on “exogenous” information (such as stimulusonset / contrast).

这些决定受许多因素影响,例如我们以前对类似情况的经验以及我们当前的情绪状态等。

–Like all decisions, the outcome can be influenced by our expectations, memories,intentions, predictions, beliefs, desires, goals, personalities etc

这些相同的因素也可能影响着我们对下一步目标的决定。我们的意图,目标,期望,记忆,信念,甚至我们的性格类型都会影响我们选择看的地方等等。

眼动追踪如何工作

所有SR Research EyeLink系统都采用基于视频的眼动仪,其它大多数市面上销售的眼动仪也是如此(如果不是,请慎选)。那么基于视频的眼动追踪实际上是如何工作的呢?

眼动追踪如何运作?

所有基于视频的眼动追踪的核心是一个或多个摄像头,它们可以拍摄一系列的眼睛图像。无论是EyeLink 1000 plus和便携式Portable Duo的仪器均使用能够每秒拍摄多达2000张双眼图像的摄像机。EyeLink系统在距所拍摄眼睛图像不到3毫秒内,即可计算出受试者正在看屏幕的坐标位置,并将此信息传递回控制刺激信号的计算机。眼动跟踪软件使用图像处理算法来识别眼睛跟踪相机发送的每个图像上的两个关键位置—瞳孔中心和角膜反射中心。角膜反射点是固定光源(红外照明器)的发出的光在角膜上反射回来的点,如下图所示。

瞳孔角膜反射(Pupil-CR)眼动追踪

眼睛旋转时,相机传感器上瞳孔中心的位置会改变。但是,(当头部稳定时),角膜反射(CR)的位置相对固定在摄像头传感器上(因为反射源不会相对于摄像头移动)。下图说明了当眼睛向前看,然后旋转到一侧然后再旋转到另一侧时相机所看到的眼图像。如您所见,CR的中心保持在大致相同的位置(就相机像素坐标而言),而瞳孔的中心在移动。

如果眼睛完全固定在空间中并简单地绕其自身的中心旋转,则仅在摄像机传感器上跟踪瞳孔中心的变化就可以确定注视/凝视的位置。实际上,仅瞳孔跟踪仍可以在某些头戴式或基于“眼镜”的眼动仪中使用,无论头部如何移动,相机和眼睛之间的关系都保持相对固定。但是,对于台式或遥测式眼动仪,即使使用下巴/前额托来稳定头部,也无法防止头部的微小移动(与眼睛相反),并且这些头部动作也会改变瞳孔的位置在眼睛跟踪相机传感器上。

角膜反射点很重要

在上面情况下,瞳孔和角膜反射都在相机传感器上移动。那么,眼动仪如何区分由眼睛旋转引起的相机传感器上的瞳孔位置变化与由头部运动引起的瞳孔位置变化呢?还有一点很重要的是,随着头部的移动,瞳孔中心和角膜反射中心之间的关系保持不变,而当眼睛旋转时,该关系发生变化。当前的基于视频的眼动仪利用Pupil-CR关系中的这种差异来补偿头部运动。在“ Pupil-CR”跟踪中,CR位置的变化实际上是从“瞳孔”位置的变化中“减去”的。

眼动追踪如何帮助研究?

通过分析眼动数据,例如人们注视位置以及注视时间,研究人员可以获得对涉及多种行为的多种认知操作的解释。例如,利用眼动追踪数据,消费者研究人员可以研究购物者如何做出购买决定,应用研究人们可以知道放射科医生如何解释X射线图像。语言研究人员可以使用眼动追踪来检查人们如何阅读和理解口语。此外,通过研究婴儿,儿童和成人,发育研究人员可以了解这些过程如何发展和变化。通过研究患有阿尔茨海默氏病或精神分裂症等疾病的患者的眼球运动,临床研究人员可以深入了解疾病过程本身。通过将眼动追踪与EEG,fNIRS和fMRI等其他神经影像技术相集成,研究人员可以获得更多的认知理解。

本文内容参考EyeLink眼动仪博客文章,仅学习使用,不作其它用途。