Oculography ( eye tracking , eye tracking ; eye tracking ) - bestämning av koordinaterna för blicken ("skärningspunkten för ögonglobens optiska axel och planet för det observerade objektet eller skärmen på vilken någon visuell stimulans presenteras"). En eyetracker är en enhet som används för att bestämma orienteringen av ögonglobens optiska axel i rymden (det vill säga för att spåra ögon ). Eye trackers används i visuell systemforskning , psykologi, kognitiv lingvistik . Flera metoder används för eyetracking. Den mest populära är bild-för- bild- videoanalys av ögat, kontaktmetoder som elektrookulografi används också .
På 1800-talet utfördes all forskning inom området eyetracking uteslutande genom observation.
År 1879 i Paris upptäckte Louis-Émile Javal att när man läste tryckt text rörde sig ögongloberna inte monotont, som man tidigare trott. Istället gör de korta stopp, som Javal kallade fixationer , och abrupta rörelser - sackader [1] . Denna observation ledde till uppkomsten av viktiga frågor om läsprocessens natur, som redan löstes på 1900-talet : På vilka ord koncentrerar en person sin uppmärksamhet? Hur lång tid tar det? Varför är det nödvändigt att återvända blicken till ord som ämnet redan har sett?
Edmund Hugh [2] skapade den första ögonspårningsenheten. Apparaten var någon form av kontaktlins med ett hål för pupillen . Enheten var ansluten till en aluminiumpekare som rörde sig i synk med ögongloben. Hugh använde kvantiserade regressioner (endast en liten del av saccaderna är faktiskt regressioner).
Den första icke-invasiva eyetrackern skapades av Guy Thomas Bushwell i Chicago . Bushwell använde reflektioner av ljusstrålar från ögongloben på fotokänslig film . Således bedrev han forskning om läsprocesser [3] och studier av statiska bilder [4] .
På 1950-talet i Moskva gjorde den ryske vetenskapsmannen Alfred Yarbus [5] viktig forskning inom området eyetracking, och hans monografi från 1967 var mycket uppskattad av världsvetenskapssamfundet. Han visade att den formella uppgiften som fick försökspersonen hade en enorm inverkan på resultatet av eyetracking-experimentet.
Han skrev också om förhållandet mellan motivationen hos motivet och fixeringen av hans blick: "De studier som gjorts ... visar att ögonrörelsens natur är antingen helt oberoende eller mycket lite beroende av innehållet i den visuella stimulansen. " En serie experiment visade att resultatet av experimentet inte bara beror på den visuella stimulansen, utan också på den uppgift som tilldelats försökspersonen, såväl som på den information som försökspersonen förväntar sig att få från den visuella stimulansen [6] .
Inspelningar av experiment för att utvärdera ögonrörelser visade att endast en liten del av elementen i bilden drar till sig motivets uppmärksamhet och hans ögon fixerar dessa element. Processen med ögonrörelse återspeglar processen för mänskligt tänkande. Blicken följer med viss fördröjning punkten dit motivets uppmärksamhet riktas. Det är alltså ganska enkelt att avgöra vilka delar av bilden som drar till sig motivets uppmärksamhet, i vilken ordning och hur ofta [7] .
Ofta uppmärksammades försökspersonen på element som kanske inte ger viktig information, men som enligt hans personliga åsikt kan göra det. Ofta är motivets blick fäst vid element som helt enkelt är ovanliga i den givna inställningen [8] .
När man flyttar från en fixeringspunkt till en annan återvänder motivets öga ofta till de delar av bilden som han redan har sett, det vill säga att ytterligare tid används för en sekundär undersökning av de viktigaste delarna istället för att undersöka mindre viktiga element [ 9] .
Under 1970-talet accelererade eyetracking-forskningen dramatiskt, särskilt inom lästeori. En bra genomgång av dessa studier har gjorts av Reiner [13] .
1980 formulerade Just and Carpenter [14] en hypotes om förhållandet mellan det visuella systemet och det mänskliga medvetandet. "Det finns ingen betydande diskrepans mellan vad en person fäster sin blick på och vad han försöker förstå." Om denna hypotes är korrekt, då när subjektet tittar på ett ord eller ett objekt, tänker han eller hon på det ( kognitiv process), och denna process är jämförbar i varaktighet med den registrerade fixeringstiden. Denna hypotes hänvisas ofta till av moderna forskare inom området eye tracking.
På 1980-talet utvecklades denna hypotes mot bakgrund av problemet med hemlig uppmärksamhet [15] [16] . Frågan om hemlig uppmärksamhet är dechiffrerad på ett sådant sätt att människor inte alltid tittar på vad som faktiskt drar till sig deras uppmärksamhet. Hemlig uppmärksamhet observeras i ögonrörelseinspelningar, under vilka blickspåren och fixeringspunkterna ofta passerar de föremål som uppmärksamheten faktiskt drogs till, och endast ibland visar kortvariga fixeringar. Av detta följer att det inte i alla fall finns ett entydigt samband mellan resultaten av eyetracking-experimentet och den kognitiva processen.
I enlighet med Hoffmanns arbete är punkten som motivets uppmärksamhet fästs alltid något (med 100-250 ms) före ögonrörelsen [17] . Men när uppmärksamhetspunkten flyttas till en ny position kommer ögonen säkert att försöka följa den [18] .
Det är fortfarande inte möjligt att fastställa mekanismen för kognitiva processer direkt från resultaten av eye-tracking-experiment [19] . Att till exempel fästa blicken på ett ansikte eller en bild kan inte indikera att motivet gillar eller ogillar ansiktet eller bilden. Därför används eyetracking-teknik ofta med metoder som det introspektiva verbala protokollet.
Videobaserade eyetrackers är de överlägset mest använda. Kameran filmar ett eller båda ögonen och registrerar deras rörelser medan motivet ser den visuella stimulansen. De flesta moderna eyetrackers använder kontrasten mellan pupillen och iris som uppstår med infraröd belysning. Dessutom analyseras positionen för den infraröda belysningsblossen, vilket gör det möjligt att bestämma orienteringen av ögonglobens optiska axel.
Det finns två huvudtyper av sådana system:
Deras skillnad ligger i ljuskällans placering i förhållande till kameran. Om bakgrundsbelysningen är parallell med kamerans optiska axel, fungerar ögat som en sekundär reflektor av ljus som kommer från bakgrundsbelysningen och reflekteras från näthinnan, vilket skapar en ljus pupilleffekt, liknande effekten av röda ögon vid fotografering. Om belysningskällan förskjuts i förhållande till kamerans optiska axel blir pupillen svart, eftersom den sekundära reflektionen från näthinnan inte kommer in i kameran. Effekten av en ljus pupill tillåter eyetracking oavsett färgen på iris hos testpersonen. Det hjälper också till att övervinna påverkan av mörk ögonmascara och ögonfransar som delvis täcker pupillen. Den tillåter också eyetracking under ljusförhållanden som sträcker sig från totalt mörker till höga ljusförhållanden, men tekniker för ljusa ögon är inte effektiva för eyetracking i utomhusförhållanden på grund av närvaron av ytterligare källor för infraröd strålning.
Eye tracking-enheter är mycket olika i sin hårdvaruimplementering. Vissa av dem är monterade på motivets huvud, andra kräver en fast fixering av motivets huvud, resten fungerar på distans och kompenserar automatiskt för huvudrörelser. De flesta system arbetar med en bildhastighet på minst 30 bilder per sekund. Även om den vanligaste bildhastigheten är 50/60 fps, fungerar de flesta videobaserade eyetrackers med 12, 300, 500 eller till och med 1000/1250 fps. Detta är nödvändigt för att säkerställa att 100 % av ögonrörelserna registreras.
Ögonrörelser delas traditionellt in i fixationer och sackader, det vill säga att ögat fixeras i vissa positioner och går sedan snabbt till nästa position. Den resulterande serien av fixationer och saccader kallas scanpath. Den visuella analysatorn av den mänskliga hjärnan tar emot huvudmängden information under fixering. Mitten av synfältet, som bildas av en hel vinkel på 2 sterads, tillhandahåller det mesta av den visuella informationen. Signalen från resten av synfältet är mindre informativ. Som en konsekvens av placeringen av fixeringspunkterna som scanpath ger oss, objektivt visa punkter som drar till sig uppmärksamhet på en visuell stimulans. Den genomsnittliga varaktigheten av fixeringarna varierade från 200 ms när man läste text till 350 ms när man studerade en statisk bild. Processen med ögonrörelse från en fixeringspunkt till en annan (saccade) tar upp till 200 ms.
Blicksvägar är användbara för att analysera kognitiva processer samt identifiera intressanta platser. Andra biologiska faktorer, såsom kön, kan också påverka blickens väg. Således kan eye tracking användas i användbarhetsstudier, såväl som för att kontrollera externa enheter genom att kontrollera ögonrörelser.
Eye trackers bestämmer orienteringen av ögonglobens optiska axel och dynamiken i denna orientering över tiden. Detta görs på flera sätt, men de kan delas in i tre stora grupper.
Den första typen använder mekanisk kontakt med ögat. Dessa kan vara kontaktlinser med inbyggda speglar , eller de kan vara miniatyrenheter som skapar ett magnetfält . Mätningar gjorda med speciella kontaktlinser visade rekord som var extremt känsliga för ögonrörelser. Dessa metoder används ofta av forskare som studerar ögonrörelsens dynamik och dolda fysiologi.
Nästa breda kategori använder beröringsfria optiska metoder för att registrera ögonrörelser. Som regel används infraröd belysning , som reflekteras av ögongloben och spelas in av en videokamera eller annan specialdesignad optisk sensor. I processen att bearbeta videoinspelningen erhålls information om ögonglobens orientering i rymden och dess tidsmässiga dynamik. Videobaserade ögonspårare använder ofta reflektionen av infraröd belysning från ögonens hornhinna ( Purkynes första bild ) för att beräkna riktningen till ögonglobens mitt och jämföra vidare med koordinaterna för pupillens centrum. En mer sofistikerad typ av eyetracker använder både reflektion från hornhinnan och reflektion från ögats lins [20] . De mest komplexa eyetrackers av denna typ analyserar också placeringen av blodkärlen på hornhinnan och näthinnan. Denna kategori av ögonspårare används oftast i uppgifterna för blickspårning (att hitta skärningspunkten för ögonglobens optiska axel och skärmens plan där viss visuell stimulans presenteras), vilket kräver att den experimentella proceduren inte är -invasiv och utrustningen ska vara relativt billig.
Den tredje kategorin använder elektriska potentialer som mäts av elektroder placerade runt ögonen. Varje öga är en källa till ett stabilt elektriskt fält som kan upptäckas i totalt mörker eller när motivet sluter ögonen. Ögat kan likställas med en dipol, vars positiva pol är på hornhinnan och den negativa polen på näthinnan. En elektrisk signal kan erhållas genom att använda två par elektroder placerade på huden runt ett av ögat, en teknik som kallas ett elektrookulogram (EOG). Om ögonen rör sig från en central position till en perifer, närmar sig näthinnan en elektrod och hornhinnan närmar sig den andra. Denna process ändrar dipolens orientering, som ett resultat ändras det elektriska fältet och följaktligen ändras den uppmätta EOG-signalen. Således kan analysen av dessa elektriska signaler användas för eyetracking. På grund av det faktum att två par elektroder används är det möjligt att separera de horisontella och vertikala komponenterna i ögonrörelsen. Den tredje EOG-komponenten är den radiella EOG-kanalen [21] , som är skillnaden mellan medelvärdet av 4 EOG-elektroder och en extra elektrod fixerad på huvudet. Denna radiella kanal är känslig för potentialer som framkallas av saccadiska spikar i de oculomotoriska musklerna, vilket gör det möjligt att upptäcka även extremt små saccader [22] .
På grund av den tidsmässiga instabiliteten hos EOG-signalpotentialerna och varaktigheten av saccader, blir det svårt att använda EOG för att mäta långsamma ögonrörelser och bestämma blickpositionen. Emellertid är EOG en mycket stabil teknik för att upptäcka saccadisk ögonrörelse i samband med en förändring i blickens riktning, samt för att upptäcka ögonblinkningar. I motsats till videobaserade metoder tillåter EOG att ögonrörelser registreras även när ögonen är stängda, och därmed kan EOG användas i sömnstudier. Detta är ett mycket resurskrävande tillvägagångssätt som, i motsats till videobaserade metoder, inte kräver en kraftfull dator, fungerar under olika ljusförhållanden och enkelt kan implementeras som en mobil enhet [23] . Den här metoden är således bra för mobil eyetracking i vardagliga situationer, såväl som i studier av det snabba ögonrörelsestadiet under sömnen.
Eye trackers bestämmer ögonglobens orientering i förhållande till något koordinatsystem. Om eyetrackern är monterad på motivets huvud, till exempel som i ett EOG-baserat system, så är det nödvändigt att kompensera för rörelsen av motivets huvud i förhållande till detta koordinatsystem. Som ett resultat blir uppgiften att bestämma ämnets synvinkel mer komplicerad. Om eyetrackern är fixerad leder beräkningen av synvinkeln till lägre beräkningskostnader. I många system är motivets huvud fixerat med hjälp av en oftalmisk ram, som ett resultat av vilket det blir möjligt att undvika ytterligare beräkningar i samband med rörelsen av motivets huvud. Andra system kompenserar för huvudrörelser med hjälp av magnetiska sensorer eller ytterligare videoanalys.
För enheter monterade direkt på motivets huvud läggs huvudets position och dess orientering i rymden till riktningsvektorn för personens blick. För fasta eyetracker-system subtraheras huvudets riktning från blickriktningen för att bestämma ögonens position i ansiktet.
Information om mekanismen och dynamiken i ögonglobens rörelse är mycket efterfrågad i vetenskaplig forskning, men i de flesta fall är den ultimata uppgiften med ögonspårning att bestämma synvinkeln, det vill säga blickspårning .
En av svårigheterna med att utvärdera eye-tracking-system är att patientens öga extremt sällan befinner sig i ett stationärt tillstånd, det kan vara extremt svårt att bedöma små, men extremt snabba och ibland kaotiska rörelser i samband med påverkan av en bullerkälla inom mekanismen av eyetracking-system. En av de användbara metoderna för att bekämpa denna effekt är parallell inspelning av två ögon på motivet och kontroll av det ena ögats position i det andra ögat. Ögonen hos en frisk person är mycket väl sammankopplade och skillnaden i riktningen för de optiska axlarna i vertikal riktning överstiger vanligtvis inte ± 2 bågminuter. Ett korrekt fungerande och känsligt eyetracking-system bör visa denna grad av ögonkonsistens hos motivet. Varje förekomst av en högre vinkelskillnad kan betraktas som ett mätfel.
Slutanvändaren kan till exempel vara intresserad av vilka särskilda fragment av bilden som väckte motivets uppmärksamhet. Det viktiga är att eyetrackern i princip inte kan exakt bestämma den punkt som väckte motivets uppmärksamhet. Eye-tracking är dock ganska effektivt för att bestämma den ungefärliga sekvensen av intressanta platser. För att bestämma ämnets synvinkel är det nödvändigt att utföra en kalibreringsprocedur. Under dessa procedurer uppmanas försökspersonen att sekventiellt rikta sin blick mot en serie kalibreringsmarkörer. Parallellt registrerar eyetrackern pupillkoordinaterna som motsvarar var och en av positionerna för kalibreringsmarkörerna. Inte ens de tekniker som undersöker kärlens placering på näthinnan tillåter dig inte att skapa en enhet som är kalibrerad en gång för alla möjliga försökspersoner, eftersom kärlens placering på näthinnan är unik för varje individ. Noggrann och pålitlig kalibrering är avgörande för att få korrekta och reproducerbara experimentella data. Detta kan vara ett betydande hinder när man utför eyetracking-experiment med försökspersoner med instabil blick.
Varje eye tracking-metod har sina fördelar och nackdelar, och valet av eye tracking-utrustning beror på dess kostnad och omfattning. Det finns offline- och online-metoder. Det finns ett samband mellan pris och systemnoggrannhet. De flesta högkänsliga system kostar tiotusentals dollar och kräver högutbildad personal för att installera utrustningen för slutanvändarexperiment. Den snabba utvecklingen av datorteknik och videobehandlingsteknik har lett till framväxten av relativt billiga system som lämpar sig för de flesta eyetracking-applikationer och är lätta att hantera. Tolkning av resultaten kräver fortfarande en viss nivå av träning, och ett dåligt kalibrerat system kan leda till betydande fel under experimentet.
Ögonrörelserna hos två grupper av förare filmades med en eyetracker monterad på försökspersonens huvud. Forskningen har utförts vid Tekniska högskolan. Nyförare och förare med många års erfarenhet deltog i detta experiment. Experimentet bestod i att köra på en mycket smal väg. En serie bilder på en nybörjare och en erfaren förare visas i figur [24] . Bildsekvensen täcker ett tidsintervall på 0,5 sekunder.
En serie bilder visar hur fixeringarna fördelades mellan en nybörjare och en erfaren förare. En jämförelse av de första bilderna visar att en erfaren förare i första hand letar efter kurvatur i vägbanan, medan en nybörjare är fixerad på en parkerad bil. I mittenbilderna kan man se att den rutinerade föraren koncentrerar sig på området där en mötande bil teoretiskt sett skulle kunna dyka upp, medan nybörjarföraren fortfarande tittar på de parkerade bilarna. I de nedre bilderna kan du se att en nybörjarförare uppskattar avståndet mellan väggen till vänster och en parkerad bil, medan en erfaren förare kan använda perifert syn och fortfarande fokusera sina ögon på en farlig kurva på vägen: om en mötande bil dyker upp i detta område, kommer han att ha utfartsväg, det vill säga att dra över till sidan av vägen och stanna mellan parkerade bilar [25] .
Specialutrustning "Eye-Tracker" spårar blickens rörelsebana när du läser och gör övningar. Programmet analyserar information om ögonrörelser i realtid och kontrollerar automatiskt att uppgiften är korrekt. Information överförs snabbt till läraren, som hjälper till att rätta till misstag och göra lärandet mer effektivt [26] .
Äldre ämnen förlitar sig mer på central syn. Deras gånghastighet är lägre än för yngre försökspersoner. Yngre försökspersoner använder både centralt och perifert syn när de går. Deras perifera syn tillåter dem att bättre kontrollera miljön runt dem och, som ett resultat, gå snabbare [27] .
Det stora utbudet av discipliner som använder ögonspårningssystem inkluderar: kognitionsvetenskap , psykologi (särskilt psykolingvistik och studiet av läsprocesser), interaktion mellan människa och maskin , marknadsforskning, medicinsk forskning ( neurologisk diagnostik ). Specifika tillämpningar inkluderar studiet av ögonrörelser vid läsning på olika språk, läsning av musiknoter, studiet av interaktion mellan människor, uppfattningen av reklam, sporttävlingar [28] . Användning inkluderar:
De senaste åren har komplexiteten och användarvänligheten för eyetracking-system ökat dramatiskt, vilket resulterat i ett kraftigt ökat intresse för dem från den kommersiella sektorn. Tillämpningar av systemen inkluderar webbanvändbarhet, reklam, front-end produktdesignoptimering och utvecklingsautomation. I allmänhet innebär de flesta kommersiella användningarna av eyetracking att presentera samma visuella stimulans för en grupp konsumenter samtidigt som ögonrörelser spåras. Exempel på slutstimuli inkluderar webbplatser, tv-program, sportutsändningar, filmer, reklam, tidskriftssidor, tidningssidor, vissa produktförpackningar och butiksdiskar, bankomater och användargränssnitt för programvara. De resulterande data kan analyseras statistiskt och grafiskt visas för att visa giltigheten av de slutsatser som dragits. Genom att undersöka fixationer, saccader, förändringar i pupillstorlek, blinkningar och ett antal andra parametrar kan forskare i stor utsträckning fastställa effektiviteten hos den skapade informationsresursen eller produkten. Medan vissa företag försöker lösa sådana problem internt, lockar andra företag som erbjuder eyetracking-tjänster.
Det mest lovande området för kommersiell eyetracking är webbanvändbarhet . Medan traditionella användbarhetstekniker ger ganska adekvata data genom att analysera musklick och rullningar, gör eye-tracking det möjligt att analysera sambandet mellan användarbeteende och musklick. Detta ger en betydande förbättring i bedömningen av vilka delar av webbplatsen som är mest attraktiva för användaren, vilka delar av webbplatsen som orsakar svårigheter för slutanvändaren och vilka delar av webbplatsen som inte uppmärksammas av användaren. Ögonspårning kan också användas för att mäta sökresultat , varumärkeskoncept, onlineforskning, användbarhet av sidövergångar, övergripande designeffektivitet och många andra aspekter av webbdesign. Under forskningsprocessen kan en jämförelse av två konkurrerande platser göras.
Eye tracking har traditionellt använts för att mäta effektiviteten av reklam i en mängd olika medier . TV- videor , flygblad , annonser på webbplatser , visning av sponsorns logotyp i TV-program, allt detta öppnar upp ett brett verksamhetsområde för kommersiell eyetracking. Synligheten av en produktförpackning eller någon logotyp på ett skyltfönster, tidning, hemsida och TV-program analyseras. Detta gör det möjligt för forskare att i detalj bedöma hur konsumenter märker eller inte lägger märke till slutproduktens logotyp, förpackning, POS. Således kan en reklamspecialist utvärdera effektiviteten av en reklamkampanj genom verklig visuell uppfattning.
Eye tracking gör att produktförpackningsdesigners kan utvärdera produktförpackningens effektivitet. På så sätt kan synligheten, attraktiviteten och trendsättningen hos de förpackningar som undersöks bedömas för att göra det bästa valet. Eye tracking används ofta medan en kommersiell produkt fortfarande är i prototypstadiet. Prototyper testas ofta i par för att se om deras design är mest effektiv och jämfört med konkurrenternas lösningar.
En av de mest lovande tillämpningarna av eyetracking är att optimera utformningen av gatuterminaler . För närvarande har forskare gått så långt som att föreslå att eyetrackers integreras i massproducerade gatuterminaler. Huvudsyftet med detta är att minska tiden för interaktion mellan en person och en enhet.
Eye trackers kan också användas för att optimera en digitalkameras autofokussystem (fokuserar där användaren tittar).
National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) hävdar att integration av eyetrackers i en bil kan minska antalet olyckor med 100 000 per år. Enligt deras forskning inträffar upp till 80 % av olyckorna som ett resultat av felaktiga handlingar från föraren inom 3 sekunder före olyckan. Att utrusta bilar med eyetrackers kommer att höja säkerhetsklassen avsevärt för dessa bilar. Lexus lovar att utrusta LS460 med en inbyggd eyetracker som varnar dig om föraren distraheras från vägen [32] .
Sedan 2005 har eyetracking-systemet använts i kommunikationsutrustning för helt förlamade personer . De låter dem skriva textmeddelanden, skicka e-post, surfa på Internet med bara ögonen [33] . Ögonspårning kan ge positiva resultat även vid cerebral pares , där patienten gör ofrivilliga rörelser. Eye tracker och ögon-mus-gränssnittet låter dig styra en dator eller lära personer med nedsatt motorisk koordination.