【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

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。 

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。 

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。 

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。 

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。 

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。 

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。 

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.