什么是眼球运动测试?
眼球运动测试是通过眼球追踪技术,监测用户在注视特定目标时的眼球运动和注视方向,并进行相关性分析的过程。过程中需要眼动仪和相关软件。早期人们主要用摄影、胶片摄影等方式记录眼球运动。现在,使用眼动仪等先进工具,我们可以获得更准确的记录。
眼动实验原理如下:现在流行的眼动追踪技术主要是基于眼动视频分析(VOG,视频
Oculographic)是一种“无创”技术,即通过摄像头记录眼球运动,然后通过图像分析判断视线,传感器与用户没有直接接触。一些使用该技术的仪器可以允许用户自由移动,例如Tobii的X60/120和T60/120系列裸机,但有时用户的活动范围会受到一些方式的限制,例如要求用户将下巴放在固定的支架上,以获得更准确的数据。
我们知道用户的视线在移动,眼球也在旋转,所以要计算用户的视线方向,就要找到眼球旋转时眼睛图像中保持不变的一些特征,计算它们与瞳孔中心(其中心线就是视线方向)的矢量关系。
视线跟踪技术中广泛使用的方法称为“瞳孔中心角膜反射”。
Technique),利用眼球运动过程中的不变特征,是眼球角膜外表面的浦肯野(Purkinje)。
图像)-眼球角膜上的一个亮点,是由进入瞳孔的光线在角膜外表面的角膜反射产生的。
因为相机的位置是固定的,屏幕(光源)的位置是固定的,眼球的中心位置是不变的(假设眼球是球形的,头部不动),所以普钦斑的绝对位置不随眼球的转动而变化(其实头部的一个小的移动也可以通过角膜反射计算出来)。但是它相对于瞳孔和眼球的位置是不断变化的——比如,当你盯着镜头的时候,Purchin点就在你的瞳孔之间;当你抬头看时,普钦点就在你瞳孔的下方。这样,只要实时定位眼睛图像上的瞳孔和普钦斑的位置,并计算角膜反射向量,就可以利用几何模型来估计用户的视线方向。然后,基于在之前的校准过程中建立的用户的眼睛特征(即让用户看着计算机屏幕上的特定点)与计算机屏幕上呈现的内容之间的关系,仪器可以判断用户在屏幕上看的是什么。
定位瞳孔中心是眼球追踪技术中的关键一步,但是有一个问题是瞳孔和虹膜的分界线相对于虹膜和眼白之间极其明显的分界线来说并不是那么清晰,尤其是我们的黑眼睛和黄皮肤。因此,为了提高这一步的准确性,研究人员还设计了一种“明暗瞳孔差方案”,即交替使用不同方向的光源向人眼发射近红外线,然后在每两幅相邻图像中获取用户的明亮瞳孔。
瞳孔(亮瞳)和暗瞳(暗瞳)叠加区分,更清晰地“挖出”瞳孔,进而计算出瞳孔的形心、形状等参数。
拍摄的是“亮瞳”还是“暗瞳”,取决于相机是否与光源共线。如果相机和光源在一条直线上,相机拍摄的瞳孔被光照亮,就是“亮瞳”。这类似于相机闪光灯直接对着拍摄对象时,照片中会出现“红眼”的原理(忍不住提一下,百科上说红眼是因为闪光灯暂时放大瞳孔造成的,其实有点可笑。首先,无关紧要。其次,强光下瞳孔会变小,否则会被闪光弄瞎)。如果它们不共线,则捕获正常的“暗瞳孔”。所以在支持明暗瞳孔追踪的眼动仪上,有两套不同位置的近红外光源。
之所以使用近红外线,是因为人眼无法察觉,所以不会炫目,影响用户。这些光束很弱。只要研究人员安排用户坐在眼动仪说明书上标明的距离(比如距离眼动仪60cm以上),即使用户在工作的眼动仪前停留8小时,也不会有放射性危险。
与上述“非侵入式”技术相对应的眼动跟踪技术需要用户直接接触测试设备上的传感器。比如早期的眼球运动测试,会在测试者的眼睛里插入一个类似于硬性隐形眼镜的东西,来监测随眼球运动而变化的磁场,从而知道自己在看哪里,或者在测试者的眼睛周围贴上电极来监测电位变化。这些方法令人望而生畏,操作起来也很麻烦,但获得的数据却更加准确。
那么,普通的商业眼球运动测试能有多准确呢?这取决于用于测试的眼动仪的具体参数。有两个维度:空间和时间:空间中的相关参数是精度、漂移和屏幕尺寸,时间中的参数是采样率(延迟)。例如:Tobii
X120的精度为0.5度,随时间的漂移在0.3度以内。如果用户距离屏幕60cm,偏移量约为0.13mm;;当采样率为120Hz时,延迟为17ms,因为每两帧只能计算一次瞳孔。但有研究人员发现,实际测试中的位置偏差远大于这里计算的值,这可能与用户移动头部或缩放问题有关。如果用tobii系列做阅读测试,可能无法准确定位用户在界面上看的是哪一行字。所以在做分析的时候,要避免过于相信结果中给出的注视点。
同时,在做试验时,也要尽量遵守实验规范。现在商用的眼动仪一般都能补偿头部运动,但即使眼动仪允许用户自由运动,也有规定的头部运动范围,比如Tobii。
X60和T60型号的头部活动范围为44×22×30cm(长宽高),而X120和T120的频率更高,允许的头部活动范围更小,为30×22×30cm(长宽高)。测试时,应确保使用者的头部活动范围在此范围内。在校准中,应允许用户在指定范围内移动头部,并且在校准阶段应考虑头部移动。
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