鄭成艷 王 哲 嚴璘璘

(浙江理工大學(xué)理學(xué)院心理學(xué)系，杭州 310018)

眼睛是注意的窗口，人類利用該視覺系統(tǒng)可以從外界獲取大量的信息，由此產(chǎn)生的眼動特征能提示人們的認知規(guī)律。以往的研究通過分析受測者的眼動指標，例如注視時間、注視次數(shù)、眼跳及瞳孔大小等可以獲取個體的認知特征[1]。本研究述評從眼動追蹤儀的基本原理及其種類、眼動追蹤指標及心理含義、眼動追蹤技術(shù)的應(yīng)用三個方面展開。

1 眼動追蹤儀的基本原理及種類

眼動追蹤是通過測量眼睛的注視點的位置或者眼球相對頭部的運動而實現(xiàn)對眼球運動的追蹤。眼動追蹤技術(shù)所借助的媒介一般分為硬件和軟件為兩種[2]。以硬件為基礎(chǔ)的視線跟蹤技術(shù)的基本原理是利用圖像處理技術(shù),通過眼攝像機的使用去鎖定眼睛，利用從人眼角膜和瞳孔反射的紅外線連續(xù)地記錄視線變化,從而達到記錄并分析視線跟蹤過程的目的。這種方法往往需要對用戶的頭部進行固定, 會對用戶產(chǎn)生很大的干擾；以軟件為基礎(chǔ)的視線跟蹤技術(shù)是通過攝像機去獲取眼睛或臉部圖像, 再利用軟件去定位與跟蹤圖像中人臉和人眼, 從而對用戶在屏幕上的注視位置進行估算。

眼動技術(shù)經(jīng)歷過觀察記錄法、機械記錄法、光學(xué)記錄法、影視記錄法等幾代記錄方法，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，當前的眼動研究使用的多為現(xiàn)代化大型精密的眼動儀，擁有集光學(xué)技術(shù)、攝影技術(shù)、計算機硬件技術(shù)和計算機軟件技術(shù)為一體的眼動追蹤記錄系統(tǒng)[3]。根據(jù)眼動儀的外形特征，一般可分為頭戴式、遙感式以及頭部固定式。頭戴式一般用于分析眼睛對移動景物的注視軌跡，如用于運動分析、人機工程界面設(shè)計等研究；遙感式對頭部的運動沒有限制，適用于閱讀分析、網(wǎng)頁設(shè)計等，尤其適用于兒童；固定式一般將被試的下巴固定在可調(diào)的下巴托架上，然后進行眼動數(shù)據(jù)的收集，其精確度較高，適用于多種理論研究。國內(nèi)常用的眼動儀品牌主要有加拿大SR公司生產(chǎn)的EyeLink系列眼動追蹤記錄系統(tǒng)和美國“應(yīng)用科學(xué)實驗室”( Applied Sciences Laboratories, 簡稱ASL) 研發(fā)的頭戴式H6系列、遙感式R6系列以及高速固定式C型。，瑞士Tobii公司生產(chǎn)的T60和T120型眼動儀，以及德國SMI公司生產(chǎn)的眼鏡式HED系列、 固定式HS系列和遙測眼動儀RED系列眼動追蹤系統(tǒng)(SMI Eye Tracking System)。上述眼動追蹤儀器均為集成的眼動追蹤系統(tǒng)，通過對1980-2009期間發(fā)表的370篇眼動研究文獻的分析發(fā)現(xiàn)，Eyelink-Ⅱ型眼動儀使用頻率較高，其次是ASL-504系列[4]。而Tobii系列眼動儀和Eyelink-2000型眼動儀為近些年研發(fā)出來的新型設(shè)備，在2008 年后的研究中使用較多。相比之下，Eyelink系列精度高，多用于如閱讀[5]、視覺加工[6]等理論研究；Tobii系列精度略低但靈活性較高，用于可用性測評[7]、視覺要素排版[8]、界面設(shè)計[9]、人機交互[10]等應(yīng)用研究。ASL系列眼動儀與德國SMI的眼動儀器近年來在國內(nèi)使用較少[11,12]。

2 眼動追蹤指標的選取及心理含義

眼動追蹤存在注視( fixation )、眼跳( saccades) 和追隨運動( pursuit movement) 3種基本形式[13]。注視指的是指將眼睛的中央窩對準某一物體的時間超過10毫秒,被注視的物體在此期間成像在中央窩上, 在獲得充分的加工后形成清晰的像[3]。注視不是眼球的絕對靜止，此過程往往伴隨著自發(fā)性的高頻眼球微顫、慢速漂移和微跳，它們是視覺信息加工所必須的信息提取機制。眼跳是個體往往意識不到的注視點或注視方位的突然改變，它的速度很快, 最高可達每秒450度, 其幅度范圍為2分度到20度。眼跳過程中雖然也能獲取到刺激的時空信息, 但幾乎無法形成清晰的刺激像，所以一般利用眼跳快速搜索視野以及選擇刺激信息。追隨運動是指當眼睛與被觀察物體之間存在相對運動時, 眼球會追隨物體移動以保證眼睛對這個物體的持續(xù)注視。追隨運動常常伴隨較大的眼跳和微跳, 它是“由運動目標的速度信息輸人到中樞神經(jīng)系統(tǒng), 眼睛為了追隨這個目標而引起的一種連續(xù)反饋的伺服運動”[14]。

眼動追蹤指標一般分為時間和空間兩類。眼動的時空特征是視覺信息提取過程中的生理和行為表現(xiàn)。其中時間指標包括注視時間(如單一注視時間、總注視時間和平均注視時間等)、眼跳時間、眼跳潛伏期、追隨運動時間、回視時間等[3]。這些指標可以精細地從時程上揭示不同的信息加工過程。例如，在閱讀領(lǐng)域的研究中，注視次數(shù)和注視時間用來反映學(xué)習者對視覺材料的加工程度；利用回視時間來揭示詞匯通達的加工過程以及后期句子整合的加工過程[15]。而空間指標包括注視點、各種不同眼動的次數(shù)、眼跳距離、眼動軌跡圖、熱點圖等。這些指標可以從空間上揭示不同區(qū)域的加工模式。例如，在用戶研究領(lǐng)域中，被試往往會表現(xiàn)出對關(guān)鍵信息區(qū)域的興趣和關(guān)注，所以常采用第一注視點這個指標來反映被試的興趣點；眼跳相關(guān)指標用作解釋用戶視覺信息加工過程以及其與注意轉(zhuǎn)移之間的關(guān)系[16]；眼動軌跡被用于反映用戶的瀏覽和注視情況以及視覺刺激在大腦中被處理的順序[17]；以及使用熱點圖來直觀地反映被試在刺激材料的注意分配，以揭示其的瀏覽和注視行為[18]。除此之外，瞳孔的大小與眨眼也是視覺注意狀態(tài)的重要指標，與上述時空指標相結(jié)合可解釋個體的知覺廣度或者注意廣度等。

3 眼動追蹤技術(shù)的應(yīng)用

眼動追蹤技術(shù)始于19 世紀末20 世紀初, 心理學(xué)家利用簡單的眼動儀記錄個體在文字閱讀及圖形掃描中的眼動軌跡, 并探究其與視覺信息加工之間的關(guān)系。直至20世紀中期前,許多用于心理學(xué)研究的眼動追蹤技術(shù)還存在誤差大、操作難和被試眼動負擔大等缺點。20 世紀中期后, 隨著攝像技術(shù)的引入,特別是計算機技術(shù)的快速發(fā)展推動了高精度眼動儀的研發(fā), 極大地擴展了眼動追蹤技術(shù)應(yīng)用。從1980～2009年有關(guān)國內(nèi)眼動研究的文獻計量分析數(shù)據(jù)來看，閱讀研究占據(jù)眼動實證研究的半壁江山，而在消費、病理、思維、運動、工程等領(lǐng)域相對較少[4]。接下來主要從基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究兩個方面來介紹眼動追蹤技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

4 基礎(chǔ)研究

首先，近20年眼動追蹤技術(shù)廣泛應(yīng)用于閱讀研究。該領(lǐng)域主要集中在句子及句子以下層次的認知加工機制[19]。在此基礎(chǔ)上，針對學(xué)障、聽障等特殊兒童在閱讀過程中眼跳距離、眼跳幅度、注視時間及注視次數(shù)等眼動模式[20]來探究這些特殊兒童的知覺廣度和注意分配[21]及其閱讀障礙的根源[22]。

其次，眼動追蹤技術(shù)還用于社會交往研究，如自閉癥兒童和老年人的社會認知障礙。通過利用眼動追蹤技術(shù)比較自閉癥兒童與正常兒童在熟悉與陌生面孔的加工[23]、面部情緒識別[24]、以及面孔特征辨別[25]等過程中的眼動模式差異來揭示該群體社交障礙的原因。此外，人臉識別的眼動模式與年齡相關(guān)的認知能力下降之間具有高度相關(guān)，這使得眼動追蹤技術(shù)可用于篩選評估老年人的認知衰退狀態(tài)。

眼動追蹤技術(shù)實時且精準地反映了個體的視覺加工過程，為進一步的技術(shù)應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

5 應(yīng)用研究

首先，眼動追蹤技術(shù)主要應(yīng)用于以學(xué)生為主體的教育領(lǐng)域，為師生間的教與學(xué)提供幫助與建議。通過眼動追蹤技術(shù)可以實時獲取學(xué)生在線學(xué)習時的注視點、注視時間、眼跳距離等指標，相關(guān)數(shù)據(jù)可以了解學(xué)生的關(guān)注點和學(xué)習狀態(tài)，而且可以針對學(xué)生教師制定個性化的教學(xué)和學(xué)習方案[27]。

其次，眼動追蹤技術(shù)主要應(yīng)用于廣告設(shè)計等消費領(lǐng)域。例如，通過分析被試的注視時間和注視次數(shù)來確定廣告的最佳呈現(xiàn)位置，以提升被試加工廣告信息的效率及深度[8];通過比較被試觀看廣告圖片及文本時的瞳孔大小及注視時間，結(jié)合被試的評價及再認成績，以確定最佳廣告文本設(shè)計[28, 29]；通過分析被試觀看動、靜以及動靜結(jié)合的廣告的注視時間及注視次數(shù)來優(yōu)化網(wǎng)頁廣告的載體[30]，為廣告頁面優(yōu)化提供參考依據(jù)。此外，眼動追蹤技術(shù)還可為廣告設(shè)計者精準定位產(chǎn)品[31]以及選取合適的產(chǎn)品代言人[32]提供依據(jù)，進而達到營銷目的。

第三，眼動追蹤技術(shù)還可用于道路交通安全等工程領(lǐng)域，主要從“人-車-路(環(huán)境)”三個方面進行探究[33]。如利用眼動技術(shù)可以對駕駛者視覺信息搜索模式[34]及疲勞狀態(tài)進行檢測[35]，通過設(shè)計車內(nèi)信息顯示設(shè)備的安放位置可以比較駕駛員讀取信息時的眼動特征的不同[36]，以及通過研究不同的交通道路環(huán)境下駕駛員視覺特性變化規(guī)律，可以減少交通事故，保證道路交通安全[37]。此外，眼動追蹤技術(shù)還可用于用戶界面的設(shè)計，通過眼動指標數(shù)據(jù)可以對界面大小、用戶界面的布局方式、界面的交互設(shè)計、用戶界面的情感體驗以及用戶群的劃分等等提供更合理的建議，從而喚起用戶對界面的最優(yōu)視覺體驗[38]。

6 結(jié)語

眼動追蹤指標可直觀精準地反映個體的視覺加工模式，借助這些指標可以實現(xiàn)對個體認知水平以及心理狀態(tài)的推測，甚至于在此基礎(chǔ)上可形成可交互的眼控設(shè)備。眼動追蹤技術(shù)在基礎(chǔ)領(lǐng)域的視覺加工中發(fā)展相對成熟，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用中也有著不少的貢獻，但總體來說眼動追蹤技術(shù)的應(yīng)用仍處于初步發(fā)展階段，研究人員需繼續(xù)深入探索其多樣化的應(yīng)用。