【方法论精读】第三期:影响眼动追踪数据质量的因素——眼动仪和环境

在解析Kenneth Holmqvist等人发表的文章 Eye tracking: empirical foundations for a minimal reporting guideline《眼动追踪:最小报告指南的经验主义基础》的系列推文中,前两期我们已经介绍了一些基础内容: 

 

在本期推文中,基于之前的知识基础,我们将回顾论文中的第二章:A review of empirical eye-tracking studies as the basis for a reporting guideline《作为报告指南基础的眼动追踪经验主义回顾》。这一章中,作者等人主要介绍了能够对眼动追踪数据质量产生影响的各个方面的因素,主要包括: 

  1. 眼动追踪方法 

  2. 环境 

  3. 设置和空间关系 

  4. 被试 

  5. 校准 

  6. 实验相关的特征 

  7. 信号处理 

  8. 眼动事件检测 

  9. 兴趣区指标 

  10. 高阶指标 

  11. ……

 

第二章是这篇综述的主体部分,因此,我们打算使用较长的篇幅(约5-6期推文)系统地转载和介绍。了解这一部分的知识对所有将眼动追踪工具作为研究方法的研究者都大有帮助。因为: 

  • 这些知识能够促进实验中对无关变量的控制,提高眼动数据的质量,从而有助于实验内部效度的提高,减少所需的被试数量,提高实验质量的同时降低实验成本; 

  • 这些知识能够促进研究者对眼动追踪技术的理解,从而促进更好的实验报告撰写。 

 

 

Ⅳ作为报告指南基础的眼动追踪经验主义回顾 

1. 眼动追踪方法:相同点和不同点 (Eye-tracking methods: Similarities and differences)

鉴于Tobii的市场定位,我们对于不同型号的眼动仪对数据质量的影响不做转载和阐述,请感兴趣的研究者自行查阅论文原文。 

 

关于不同技术类型的眼动仪,我们在之前写作的系列推文【初识眼动】和【眼动历史】中都做过详细的阐述。读者可以结合以下链接与Holmqvist等人 (2021) 的原文进行对比参考学习。 

1. 初识眼动:眼动仪的工作原理 

 

2. 眼动历史:侵入性与准确度之争—光与电交织下的眼动历史

Retinal image-based tracking视网膜成像追踪

 

3. 眼动历史:基于光电效应的眼动追踪技术

Dual-Purkinje Imaging (DPI) 双普金野成像

Scleral search coils 巩膜搜索线圈/电磁感应法

Electrooculography (EOG) 眼电图/电流记录法

Limbus tracking 边缘追踪/虹膜-巩膜边界探测法 

 

4. 眼动历史:眼动追踪技术的现在和未来

Pupil-Corneal Reflection (P–CR) 瞳孔-角膜反射 

 

 

2. 环境 (Environment)

眼动追踪实验可以在多种环境下开展,不同环境中的光线、震动、声音或温度等情况都会各不相同。这些因素会对眼动追踪数据造成影响。 

 

2.1
 

光线条件 (Light Condition)

已经有许多研究证实了太阳光和热辐射灯泡 (Hot light bulbs, 主要是指白炽灯,编者注) 会对基于视频的瞳孔—角膜反射式眼动仪的数据造成较大的影响。一项基于真实驾驶环境的研究表明,由于数据质量的原因,研究者排除了32%的被试。在真实场景的眼动研究中,快速变化的光线条件会损害数据质量

 

另外,光线条件会通过影响瞳孔大小间接地影响眼动数据的质量。在基于视频的瞳孔—角膜反射式眼动仪中,眼动仪通过计算瞳孔的中心位置来计算凝视点的坐标值,而瞳孔随光线条件的扩张和收缩是不对称的,这改变了瞳孔的形状,导致对瞳孔中心的估算出现了误差。即使被试实际凝视的位置没有改变,瞳孔大小发生变化,也会导致眼动仪报告的凝视位置发生改变。 

 

有研究表明,光线条件对瞳孔大小的影响可能导致1-5°视角不等的准确度误差 (inaccuracy)。对于最常见的P-CR眼动仪,严格控制照明环境和较小的瞳孔直径有利于提高眼动数据的准确度。 

 

2.2
 

环境振动和外部噪音 (Environmental vibrations and ambient noise)

在实验环境中的振动源可能会导致眼动信号的变异增加。 


人走过放置眼动仪的桌子旁边发出的震动产生的数据噪声(灰色)和内部系统的数据噪声(黑色)对比。纵轴上的一个单位相当于0.02°视角。X轴代表着记录的时间,使用某品牌的眼动仪在人工眼上测得的数据(Holmqvist & Andersson, 2017)。 

 

在现场实验的情况下,例如驾驶室、飞行甲板或运动情境中,振动会对眼动仪数据质量造成较大影响。在实验室研究中,实验室附近的电梯井、功率较大的空调机组或有人在眼动仪附近的硬质地板上走路,都会对眼动仪这种敏感的设备产生一定的影响。作为另一种形式的震动,声音也会有一定的影响。 

 

2.3
 

他人在场 (Presence of others)

在收集眼动数据的过程中,其他人的存在可能会对被试的眼动和注视行为产生影响。当被试知道自己的眼动数据会被记录时,会更偏向于观看社会适宜性 (Social appropriateness) 的对象(这可能类似于“社会赞许效应”或实验中的“主试效应”,编者注)。 

 

分心 (Distraction) 是另一个可能的情况,例如婴儿被试可能会去观看其他人而不是屏幕上出现的实验刺激。 

 

2.4
 

特殊实验环境 (Special recording environments)

在核磁共振 (MRI) 环境下收集眼动数据准确度和精确度都要更差,数据丢失也更多。因为核磁共振的环境通常是阴暗逼仄的,还伴随着噪音、震动和强大的磁场。在磁共振条件下,眼跳潜伏期 (Saccadic latencies) 通常更长,这可能会导致在核磁共振环境下测得的注视持续时间 (Fixation periods) 长于正常条件下的数据。这可能是由于被试在磁共振仪器内必须保持仰卧和静止的姿态,他们可能会感觉到昏昏欲睡。 

 

在头戴式虚拟现实 (Head-mounted virtual-reality sets) 眼动仪中,设备能够完全排除外部视觉刺激的干扰,使被试的视觉输入完全受控。最近的一项研究发现,相比于某型号的头戴式眼虚拟现实眼动仪,该型号的眼镜式眼动仪准确度更高且系统延迟更低。 

 

 

3. 设置和空间关系 (Setup and geometry)

眼动追踪的实验环境不仅仅是眼动仪本身的设置方式,对于屏幕式眼动仪,还至少包括了计算机屏幕、被试的座位和放置眼动仪的桌子;而对于穿戴式(眼镜式)眼动仪,至少包括被试的特征(例如鼻梁高度,编者注)和用于固定眼动仪的框架、头带或头盔。空间关系指的分别是:眼睛、红外光发生器、眼动摄像头的绝对和相对位置。在屏幕式眼动仪的空间关系中,重要的因素还有眼动仪(红外光源、眼动摄像头)、被试和屏幕的距离和相对角度。 

 

3.1
 

凝视方向、测量空间和屏幕大小 (Gaze direction, measurement space and monitor size)

空间关系设置包括一个被试、一台眼动仪和一个电脑屏幕。三者的空间过细可以通过屏幕、眼动摄像头、红外光源以及被试的相对方向和距离来描述。一些眼动仪与电脑屏幕的位置关系可以固定(例如Tobii Pro Spectrum)而另一些则不行。眼动仪距离和屏幕距离并不是相同的,屏幕的高度和宽度通常同时用长度(例如mm,编者注)和像素(pix,编者注)描述。

 

当屏幕的尺寸大于眼动仪能够监测的范围时,多出的部分上数据质量较差。即使屏幕完全处于眼动仪工作范围内,凝视落点在屏幕外周的数据质量也比屏幕中心位置的数据质量更差。因此,一些学者建议在设计实验刺激材料时,将重要的信息放置于屏幕中央的位置,以提高用户的感知觉准确性。 

 

在大多数的P-CR眼动仪中,瞳孔大小由眼动摄像机中眼球图片的大小计算而来。因此瞳孔大小的测量值受到不同距离和角度的影响。当凝视点由屏幕中央移至外周时,摄像机中的瞳孔图像就会变形(由圆变成椭圆),瞳孔直径和面积都会被人为地缩短。 

 

3.2
 

被试和眼动仪之间的距离 (Distance between participant and eye tracker)

有研究显示,当被试自由选择坐姿和位置时,他们距离眼动仪的距离范围在40-120cm之间。这一范围比大多数眼动仪制造商建议的范围(60-70cm)要大。当被试处于建议的范围之外,数据的准确度和精确度会迅速成倍下降,数据丢失也会增加。 

 

3.3
 

限制头部 vs. 自由头动 (Restrained vs. free head movements)

在眼动追踪的数据收集过程中,对头部的限制措施可以分为三种: 

1. 下巴托 (chinrest)

2. 额托 (forehead rest)

3. 把嘴板/杆 (bite bar/board)

 

此三者可以单独使用,也可以结合使用,结合使用时,既可以防止头部旋转,也可以防止头部平移。 

 

对被试的头部动作做出限制通常基于这样的假设,即在限制头部时记录到的数据质量更高。也有一些研究表明下巴托确实是有这样的作用的。但也有研究表明使用下巴托会增加某些眼动仪中的数据噪声。 

 

在Merchant (1967) 提出P-CR眼动仪的初期,是允许被试做出微小的头动的。现在的眼动仪通过广角眼动追踪摄像机 (Wide-angled eye camera) 拓展了头动空间 (Head box) 的大小。但存在这样一种权衡取舍:眼动摄像机的采样窗口越小,就能允许越高的采样率。换句话说,由于设备性能的限制,采样率和头动空间不能同时增加。当被试移动,采样窗口要随着眼睛移动,这就会造成数据丢失。 

 

另外,当被试处于头动空间中心时,眼动数据的质量最好。越靠近头动空间的边缘,数据质量越差。 

 

当然,眼动仪对于婴儿、某些功能缺陷的个体和动物,使用头部限制措施是不现实或非人道主义的。对于这些特殊被试或特殊实验情境,允许较大头动空间的眼动仪是有优势的。但实验设置和空间关系依然是很重要的。例如有一项研究显示,坐在高脚椅上或父母腿上的婴儿相比于坐在汽车座椅中,眼动数据的质量更高。 

 

 

总结

本期推文中我们介绍了影响眼动追踪数据质量的三个因素: 

1. 眼动追踪方法

2. 环境

3. 设置和空间关系

 

在下一期【方法论精读】中,我们将会继续详细转载和解析 Eye tracking: empirical foundations for a minimal reporting guideline 中关于被试的各项特征对眼动追踪数据质量的影响,敬请期待! 

 

 

参考文献 

Holmqvist, K., Örbom, S. L., Hooge, I. T., Niehorster, D. C., Alexander, R. G., Andersson, R., ... & Hessels, R. S. (2021). Eye tracking: empirical foundations for a minimal reporting guideline. Behavior Research Methods.