揭開Tobii眼動儀的神秘面紗.doc

揭開Tobii 眼動儀的神秘面紗摘要眼動儀是一種在教育以及心理學(xué)研究中常用的精密儀器，其工作原理經(jīng)歷了從早期的直接觀察法、機(jī)械記錄法到目前角膜反射法的發(fā)展歷程。在國內(nèi)，使用較多的眼動儀主要來自加拿大SR公司、瑞典Tobii公司、美國應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)室等。河南大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院于2013年4月引進(jìn)并安裝了瑞典Tobii公司的T120系列眼動儀，本文首先回顧總結(jié)已有眼動研究方法和一些重要的眼動指標(biāo)，介紹一下眼動儀的發(fā)展歷程，重點(diǎn)闡述Tobii眼動儀的相關(guān)性能，以方便廣大師生和研究者更好地學(xué)習(xí)和使用tobii眼動儀。關(guān)鍵詞：眼動儀，Tobii，眼動追蹤前言 眼睛是心靈的窗口，它是我們信息加工過程中最重要的信息輸入系統(tǒng)。人類和很多數(shù)動物一樣，都是通過視覺、聽覺和嗅覺等方式來獲取信息、認(rèn)知事物。人類的信息八成以上是通過視覺獲得。為了看清楚某一個物體，我們的眼睛必須保持一定方位，才能使物體在視網(wǎng)膜上清晰成像，這種眼睛在某個物體上的停留被稱為注視。當(dāng)我們注意的目標(biāo)發(fā)生轉(zhuǎn)移時，我們的眼睛也將從一個注視點(diǎn)移動到另一個注視點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為眼跳。通過研究眼睛的這些運(yùn)動，研究者可以對人的認(rèn)知活動規(guī)律加以探索。但是眼球運(yùn)動速度是非?？斓?，典型的注視只持續(xù)0.10.5 s，而眼跳更是快到僅0.010.1 s的時間。為了準(zhǔn)確記錄人的眼球運(yùn)動過程，心理學(xué)家以及其他有關(guān)專家一直致力于改進(jìn)眼動記錄技術(shù)并開發(fā)更為先進(jìn)的眼動儀(Nielsen & Pernice, 2011)。1.眼動研究方法大腦 眼睛一致性假設(shè)是指人們所注視的和所想的通常是一件事。當(dāng)然有時這個假設(shè)并不成立，比如你可能在注視紅綠燈變化的過程中，卻在思考接下來的午餐要吃什么；或者只是簡單地注視圖片上的一個元素，大腦卻沒有賦予這些元素含義。但是通常這個假設(shè)是成立的，特別是關(guān)注某一特定任務(wù)時。正是因?yàn)榇竽X 眼睛一致性假設(shè)的存在，我們就可以通過捕捉眼睛運(yùn)動的情況，來了解哪些事情是我們所關(guān)注的，哪些事情是沒有吸引我們注意的；更進(jìn)一步地，可以通過眼睛運(yùn)動的軌跡來間接了解我們的思維過程。毫無疑問，眼動儀為我們了解人的思維活動提供了一條便捷而客觀的途徑。人們很早就意識到眼睛和人的心理活動相關(guān)，在漢語中有很多語言表達(dá)反映了這一點(diǎn)，例如：“他氣得目瞪口呆”“她目不轉(zhuǎn)睛，認(rèn)真聽講”“他眼珠滴溜溜亂轉(zhuǎn)，似乎在打什么壞主意”，但真正使用儀器設(shè)備對眼球運(yùn)動進(jìn)行客觀觀察和實(shí)驗(yàn)則是近一百年來才開始的。 早期的眼動研究主要采用觀察法和機(jī)械記錄法等。其中觀察法包括直接觀察法(如主試站在被試后面，從鏡子里觀察被試的眼動)和后像法(利用閃光燈高亮度閃光產(chǎn)生的視覺后像對人的眼動加以研究)。機(jī)械記錄法則通過把眼睛與記錄測驗(yàn)裝置用機(jī)械傳動方法聯(lián)結(jié)起來實(shí)現(xiàn)對眼動的記錄。機(jī)械記錄法包括頭部支點(diǎn)杠桿法、氣動方法、角膜吸附環(huán)狀物法等多種形式。觀察法簡便易行，但結(jié)果不精確，只能對眼動進(jìn)行比較粗略的研究。而機(jī)械記錄法則裝置復(fù)雜，使用起來十分麻煩，實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性也較低(韓玉昌，2000)。因此，研究者一直在尋找更有效、準(zhǔn)確而又簡便的測量方法。2.重要的眼動指標(biāo)Tobii眼動儀自帶ClearView數(shù)據(jù)分析軟件將眼動數(shù)據(jù)和實(shí)際界面、聲音、用戶動作錄像綜合進(jìn)行分析。它提供的典型分析方案有：( 1)熱點(diǎn)圖(Hotspot)，形象地分析注視點(diǎn)的集中趨勢、停留時間等；( 2)視線掃描路徑( Scanpath)， 呈現(xiàn)注視點(diǎn)的路徑與直徑變化， 用于分析單個用戶操作行為規(guī)律；( 3) 興趣區(qū)域(Area of In teres,t AOI)，分析平均注視時間、回溯性眼跳、區(qū)域間轉(zhuǎn)移等指標(biāo)，獲得特定區(qū)域上的具體數(shù)據(jù)。在心理學(xué)研究中經(jīng)常用到以下四個重要指標(biāo)：2.1 注視次數(shù)（Fixation count）指對某一區(qū)域注視點(diǎn)的數(shù)量。兩次眼跳間眼球的相對靜止?fàn)顟B(tài)稱為注視，一次注視為一個注視點(diǎn)。興趣區(qū)內(nèi)注視次數(shù)越多，表明著個區(qū)域?qū)τ谟^察者來說更為重要，更能引起注意。2.2注視時間（Fixation length）指對某一區(qū)域內(nèi)所有注視的時間之和。注視時間越長，表明提取信息更吸引人或者表明提取信息越困難。2.3首次注視時間（First fixation duration）指對某一區(qū)域第一次注視所持續(xù)的時間。即從刺激材料呈現(xiàn)到首次注視到該區(qū)域的時長。首次注視時間越短，表明它越能引起注意。2.4首次注視開始時間（Time to first fixation）指開始觀看后，經(jīng)過多長時間第一次注視某一區(qū)域。首次注視開始時間越早說明，說明這一區(qū)域越能引起注意。3.眼動儀發(fā)展歷程20世紀(jì)80年代研發(fā)的第一代眼動儀使用的方法是將被試的頭部置于一個固定的位置。20世紀(jì)90年代，眼動追蹤設(shè)備的體積大為縮小，研究者就將其放在帽子里或固定在用戶的頭帶上。因?yàn)檠蹌觾x和頭部同步運(yùn)動，所以要計(jì)算眼動儀相對于用戶頭部的位置并非難事。但頭部的設(shè)備較重，很容易造成被試頸部和背部的疲勞，依然讓被試覺得不舒適。到了21世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，研究者進(jìn)一步改進(jìn)眼動研究手段，除了配置攝像機(jī)來拍攝被試雙眼的特寫鏡頭外，還單獨(dú)配置一臺攝像機(jī)用于拍攝被試的頭部，并實(shí)時計(jì)算頭部的位置。這樣被試的頭上就可以完全不用佩戴任何電子設(shè)備。依據(jù)外形結(jié)構(gòu)的這種差異，眼動儀可分為3類：頭部固定式、頭盔式、遙測式（閆國利,田宏杰，2004)。國外從20世紀(jì)初開始研制眼動儀，現(xiàn)在全世界已經(jīng)有幾十家生產(chǎn)眼動儀的廠家。盡管國內(nèi)在研制眼動儀方面取得了一定的成績，例如20世紀(jì)80年代末，中國科學(xué)院上海生理研究所的張名魁和孫復(fù)川研制了外光電反射眼動測量技術(shù)；20世紀(jì)90年代，西安電子科技大學(xué)研制了頭盔式眼動儀。但國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)使用的眼動儀主要依賴國外進(jìn)口。目前國內(nèi)使用較多的有加拿大SR公司生產(chǎn)的Eyelink和Eyelink 2000型眼動儀；美國應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(ASL)生產(chǎn)的H6型和L6型眼動儀；瑞典Tobii公司生產(chǎn)的T60和T120型眼動儀；德國SMI公司生產(chǎn)的iViewX RED型眼動儀。這些眼動儀都采用角膜反射法進(jìn)行眼動記錄。隨著制造成本的降低，眼動儀逐步成為教育學(xué)和心理學(xué)研究的常規(guī)儀器，國內(nèi)許多大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和公司都陸續(xù)購置或準(zhǔn)備著手購買眼動儀。其中SR公司生產(chǎn)的Eyelink眼動儀和瑞典Tobii公司生產(chǎn)的眼動儀是目前用戶考慮較多的兩個品牌。Eyelink面市較早，而Tobii公司于2001年才問世。近年來，Tobii眼動儀在中國市場反響良好，很多知名公司和著名高校都先后購買其產(chǎn)品，可謂后起之秀。下文重點(diǎn)對Tobii眼動儀進(jìn)行介紹。4.Tobii 眼動儀目前，Tobii眼動儀主要有Tobii T，Tobii X和TobiiGlass三大系列。Tobii T系列包括 T60和T120兩款，該系列采用集成式眼動追蹤系統(tǒng)，主要針對基于電腦顯示器呈現(xiàn)的刺激材料眼動追蹤，可用于對平面廣告、電視廣告、網(wǎng)頁、軟件和電腦游戲的可用性研究，也可用于閱讀、視覺等認(rèn)知領(lǐng)域的研究。Tobii X 系列也包括X60和X120兩款，這個系列采用獨(dú)立的眼動追蹤裝置，因此對刺激材料沒有限制，既可以是電視、電腦顯示器等，也可以是投影屏、手機(jī)等實(shí)物設(shè)備。Tobii X系列眼動儀是目前最靈活的眼動儀之一。Tobii Glasses系列眼動儀是一款可在現(xiàn)實(shí)場景中高效采集眼動數(shù)據(jù)的工具，可應(yīng)用于基于現(xiàn)實(shí)場景或?qū)嵨锏亩ㄐ约岸垦蹌友芯俊？梢栽诒辉囃耆淖匀粻顟B(tài)(如運(yùn)動中、駕駛中、購物中)下采集眼動數(shù)據(jù)，同時確保眼動數(shù)據(jù)的精確性。目前，該儀器廣泛用于超市購物心理、貨架管理、產(chǎn)品包裝測試及設(shè)備可用性測試、運(yùn)動測試等相關(guān)領(lǐng)域研究（張麗川，李宏汀，葛列眾，2009)。4.1適用范圍廣，可采集自然狀態(tài)下數(shù)據(jù)Tobii追求的是新一代全自然狀態(tài)下的眼動追蹤系統(tǒng)。它強(qiáng)調(diào)采集自然狀態(tài)下的眼動追蹤，因此它的設(shè)備無需頭套和頭托，被試在實(shí)驗(yàn)過程中可自由移動頭部，被試在實(shí)驗(yàn)中可自由移動頭部，頭動補(bǔ)償算法使數(shù)據(jù)不受影響，甚至可以在被試不知情的情況下進(jìn)行研究，適合開展低齡兒童或病患等特殊人群的研究。它還可同步記錄面部表情和聲音，而Eyelink需要佩戴頭套或設(shè)有頭托，如果實(shí)驗(yàn)時間較長容易造成被試疲勞。4.2呈現(xiàn)刺激多樣化Tobii眼動儀內(nèi)部發(fā)射一束不可見的紅外線（光源），紅外線照射在眼睛上會發(fā)生反射，同時內(nèi)嵌的兩臺眼動攝像機(jī)實(shí)時捕捉雙眼的圖像，這樣就可以在不影響測試的前提下收集眼睛運(yùn)動的信息（Krik,E.，2005)。高質(zhì)量揚(yáng)聲器和內(nèi)置網(wǎng)路攝像機(jī)可以重播聲音刺激材料并記錄被測者的面部表情。4.3 編程和處理數(shù)據(jù)簡單，方便使用 Tobii配套的實(shí)驗(yàn)軟件是Tobii Studio，是一種所見即所得的直觀軟件。實(shí)驗(yàn)程序編制時大多只需要拖拽和設(shè)置參數(shù)，且Tobii編程和數(shù)據(jù)分析均在同一個軟件上，使用起來簡單，新人也容易上手，設(shè)計(jì)難度較低。數(shù)據(jù)處理簡單多樣化，可導(dǎo)出多樣化數(shù)據(jù)。在配套軟件上，Eyelink的開發(fā)商SR公司提供了Eyelink對C+和Eprime軟件的接口，實(shí)驗(yàn)需自行編程，對研究者要求較高。4.4 使用的便攜性Tobii眼動儀所有配件可以放在一個旅行箱內(nèi)，方便攜帶，而且Tobii眼動儀組裝方便，如果操作熟練，5分鐘就可以完成組裝任務(wù)。但是Eyelink的產(chǎn)品，譬如Eyelink 2000，Eyelink眼動儀，必須固定在實(shí)驗(yàn)室里，如果要帶出實(shí)驗(yàn)室，一是配件太多不好搬，二是組裝起來麻煩，連線太多且容易混亂。相比之下，使用的便捷性也就成為Tobii眼動儀的重要亮點(diǎn)和吸引購買者的重要優(yōu)勢。5 TobiiT120眼動儀的使用簡單介紹T120通過紅外線追蹤定位，該機(jī)器產(chǎn)生的紅光已經(jīng)過斯德哥爾摩ETLSEMKO機(jī)構(gòu)按IEC/EN 60825-1/A1-A2標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格測試過，適合長時間使用。產(chǎn)品的最佳使用距離為60-70厘米。T120 眼動儀內(nèi)置了用戶攝像機(jī)和揚(yáng)聲器，可記錄和播放刺激。眼動儀與電腦之間用一般的網(wǎng)線連接傳輸數(shù)據(jù)。在計(jì)算機(jī)上安裝Tobii Studio眼動軟件。Tobii Studio 軟件不僅能記錄眼動數(shù)據(jù)，還可以使用其他硬件、軟件記錄視頻和音頻流數(shù)據(jù)。5.1下面簡單介紹從實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建到數(shù)據(jù)分析的流程圖：5.1.1 運(yùn)行 Tobii Studio創(chuàng)建新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在Design and record可以添加圖片、視頻、網(wǎng)頁、PDF文件、問卷等試驗(yàn)材料。5.1.2 連接裝有Tobii Studio 的計(jì)算機(jī)與眼動儀，對被試進(jìn)行校準(zhǔn)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。5.1.3 在Reply可以看到動態(tài)回放眼動記錄，在Visualization部分可以查看熱點(diǎn)圖和眼動軌跡圖。5.1.4 根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑贏reas of interest畫興趣區(qū)。5.1.5 在Statistics 部分選擇實(shí)驗(yàn)需要的眼動指標(biāo)和統(tǒng)計(jì)值。5.1.6 在Date Export環(huán)節(jié)，導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一步分析。以上六部分是使用Tobii Stidio的關(guān)鍵，使用順序沒有嚴(yán)格要求。6.展望 Tobii和Eyelink眼動儀記錄的數(shù)據(jù)都有注視時間、注視次數(shù)、注視點(diǎn)對應(yīng)位置、瞳孔大小、眼動軌跡圖等，但Tobii T120的采樣率為60120 Hz，Eyelink可以達(dá)到5002 000 Hz，所以在精度上稍微差一些。而且發(fā)現(xiàn)Tobii的值缺失情況較嚴(yán)重，特別是戴框架眼鏡的被試值缺失情況尤為嚴(yán)重，可能是框架眼鏡的鏡片反光干擾了角膜反光。因此在對時間精確度要求較高的實(shí)驗(yàn)中，需慎重選擇Tobii作為研究儀器。 作為眼動技術(shù)的世界領(lǐng)先者，Tobii的產(chǎn)品可用于心理學(xué)，科研研究，產(chǎn)品可用性分析及商業(yè)市場研究等，可以分析人類的視覺，人類行為，用戶體驗(yàn)及客戶反饋等。Tobill眼動儀的客戶以公司和院校居多，特別是需要進(jìn)行可用性測評及界面、人機(jī)交互測評等。Tobii 的用戶群包括Microsoft，IBM，Google等著名企業(yè)，中國國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)有華東師范大學(xué)，上海交通大學(xué)，天津師范大學(xué)，河南大學(xué)等，而且取得了較好的研究結(jié)果，近年年發(fā)表在中國知網(wǎng)上相關(guān)文章多達(dá)150篇。因此，越來越多的院校和研究者看到了Tobii眼動儀的重要性和實(shí)用性。參考文獻(xiàn)Krik,E.(2005). Studying web pages using eye tracking. Stockhom Tobii technology whitepaper. Nielsen, J., Pernice, K. (2011). 用眼動追蹤提升網(wǎng)站可用性. 冉令華,譯.北京：電子工業(yè)出版社.韓玉昌.(2000).眼動儀和眼動實(shí)驗(yàn)法的發(fā)展歷程.心理科學(xué)，23(4)454-457.閆國利,田宏杰.(2004).眼動記錄技術(shù)與方法綜述.應(yīng)用心理學(xué), 10(2),55-58.張麗川，李宏汀，葛列眾.(2009). Tobii眼動儀在人機(jī)交互中的應(yīng)用. 人類工效學(xué)，15(2),67-69.附錄：河南大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院眼動實(shí)驗(yàn)室簡介河南大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院眼