眼動儀的開發(fā)現(xiàn)狀及其在運(yùn)動心理領(lǐng)域的應(yīng)用

摘要：目前眼動儀的開發(fā)主要采用電流記錄法、電磁感應(yīng)法和光學(xué)記錄法（包括角膜反射法和虹膜—鞏膜反射法）三種技術(shù)；高速、高精確度，與高新技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)與應(yīng)用更趨于自然，多樣化是眼動儀的發(fā)展特點(diǎn)；在運(yùn)動心理領(lǐng)域應(yīng)用眼動儀呈現(xiàn)了研究生態(tài)學(xué)效度的提高，視覺信息的有效獲得與反饋的特點(diǎn)；本領(lǐng)域先進(jìn)儀器的應(yīng)用比其他領(lǐng)域少，自然環(huán)境條件下儀器的使用受限，記錄視覺縱深變化的功能不能較好地實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有頭盔式眼動儀在數(shù)據(jù)采集和處理上還未達(dá)到記錄閱讀眼動狀況儀器系統(tǒng)的水平，眼動儀與反應(yīng)時測試儀等反映心理認(rèn)知特點(diǎn)的儀器的結(jié)合還未能實(shí)現(xiàn)是當(dāng)前運(yùn)動心理領(lǐng)域應(yīng)用眼動儀存在的主要局限。

關(guān)鍵詞：眼動儀；電流記錄法；電磁感應(yīng)記錄法；光學(xué)記錄法；角膜反射法；虹膜—鞏膜反射法

中圖分類號：G804.8文章編號：1009-783X(2007)02-0043-03文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2006-05-23

作者簡介：張森（1982-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檫\(yùn)動心理學(xué)；李京城（1960-），男，湖南人，博士，教授，研究方向?yàn)榍嗌倌陮W(xué)生體育參與的心理動力。

作者單位：首都體育學(xué)院，北京100088

CapitalInstituteofPhysicalEducation，Beijing100088，China.眼睛是外界信息進(jìn)入人腦的主要通道，對其活動情況的研究有助于理解人類的信息加工過程。對眼動的關(guān)注，引起了人們對眼動記錄法的開發(fā)興趣。眼動記錄法是指利用眼動記錄儀記錄和分析人們在注視過程中的各項(xiàng)眼動指標(biāo)，并以此揭示人們的心理加工過程和規(guī)律的一種研究方法。一百多年來，科學(xué)家們一直致力于改進(jìn)眼動記錄技術(shù)的工作，并取得了一定的成就。

隨著運(yùn)動心理學(xué)的迅速發(fā)展，越來越多的體育運(yùn)動實(shí)踐者和科研人員更加清晰地認(rèn)識到運(yùn)動心理學(xué)的重要性，對運(yùn)動心理學(xué)的研究提出了更高的要求，越來越多先進(jìn)的研究方法和工具被應(yīng)用到此領(lǐng)域的研究中去。眼動儀正是其中一種重要的研究工具。

1眼動儀的開發(fā)現(xiàn)狀

眼動儀是測試人眼活動情況和研究有關(guān)心理過程的專用儀器。它的研制很早就已經(jīng)開始了，到現(xiàn)在，眼動記錄技術(shù)已發(fā)展得比較完善，很多公司已將眼動儀開發(fā)成產(chǎn)品。根據(jù)英國Derby大學(xué)行為科學(xué)研究所DavidWoodling教授建立的眼動儀數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站公布的結(jié)果，目前世界上約有44家生產(chǎn)眼動儀的廠家^［1］。

1.1國外眼動儀的開發(fā)現(xiàn)狀

韓玉昌(2000)^［2］認(rèn)為，有代表性的眼動記錄方法有：1)直接觀察法，即用肉眼直接觀察被試的眼動情況。2)后像法，即利用閃光燈的高亮度閃光產(chǎn)生的視覺后像來研究人的眼動。3)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。4)電流記錄法，包括電流記錄法和電磁感應(yīng)法。5)光學(xué)記錄法，包括反光記錄法、影視法、角膜反光法、光電記錄法。隋雪(2003)^［3］認(rèn)為，隨著眼動研究方法的不斷更新，新型儀器也將不斷出現(xiàn)。

由于直接觀察法、后像法和機(jī)械記錄法的技術(shù)落后、準(zhǔn)確性和精確性差，現(xiàn)代研究已不采用。從當(dāng)前眼動研究的文獻(xiàn)可以看出，電流記錄法、電磁感應(yīng)記錄法和光學(xué)記錄法及其相應(yīng)的儀器設(shè)備應(yīng)用得最多。

1.1.1應(yīng)用電流記錄法的眼動儀

利用電流記錄法生產(chǎn)的眼動儀有法國Metrovision公司生產(chǎn)的ModelMonEOG眼動儀。這種儀器不能夠記錄和分析眼動軌跡和瞳孔直徑，但可以記錄水平和垂直方向的眼動情況及幼兒的眼動軌跡^［1］。

應(yīng)用電流記錄法的眼動儀有兩點(diǎn)好處：1)頭部的運(yùn)動不會影響記錄結(jié)果；2)記錄時不用直接接觸眼睛。其不足是：用它記錄的不是眼球的實(shí)際運(yùn)動情況，而是電位差的相對數(shù)值，需要進(jìn)一步推算才能把眼動的確切運(yùn)動情況計(jì)算出來^［1］。同時每個人的電位差不同，差異很大，甚至同一被試在不同時間接受同一實(shí)驗(yàn)也存在差別，這就使測試數(shù)據(jù)可能存在較大誤差。

1.1.2應(yīng)用電磁感應(yīng)法的眼動儀

利用電磁感應(yīng)法生產(chǎn)的眼動儀有荷蘭SKALAR公司生產(chǎn)的電磁感應(yīng)眼動記錄系統(tǒng)（ScleraSearchCoilsSystems）。它使用硅膠隱性眼鏡片，其中裝有探測線圈。線圈中存在感應(yīng)電壓，通過對感應(yīng)電壓的檢測，可以精確地測量垂直和水平方向的眼動。使用它時，由于眼部佩戴了隱形鏡片，會導(dǎo)致被試的視敏度下降以及在實(shí)驗(yàn)中存在不適感；實(shí)驗(yàn)中被試的頭部也不能夠移動。

1.1.3應(yīng)用光學(xué)記錄法的眼動儀

利用光學(xué)原理直接記錄眼動，是眼動實(shí)驗(yàn)中歷史最長，研究成果最多的方法，也是現(xiàn)代眼動儀中最主要的類型。其中包括根據(jù)瞳孔/角膜的反射法原理生產(chǎn)的眼動儀和根據(jù)虹膜-鞏膜反射法原理生產(chǎn)的眼動儀。下面介紹其中一些儀器的性能和特點(diǎn)（見表1）。

根據(jù)角膜反射法原理生產(chǎn)的眼動儀有美國應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（ASL）生產(chǎn)的EVM3200型眼動儀、R6型和H6型單目眼動系統(tǒng)、4000型和6000型系列眼動儀；加拿大SR公司生產(chǎn)的EyelinkⅡ型頭盔式眼動儀；法國Metrovision公司生產(chǎn)的MonVOG1型和MonVOG2型眼動儀；美國FourwardOpticalTechnology公司生產(chǎn)的第六代雙普金野眼動儀；德國SMI公司生產(chǎn)的iViewX眼動儀、3DVOG三維眼動儀、MeyeTrack型眼動儀；澳大利亞SEEINGMACHINE公司的faceLAB4型眼動儀等。根據(jù)虹膜-鞏膜反射法原理生產(chǎn)的眼動儀有ASL-310型眼動儀，荷蘭的IRIS型眼動儀等。

1.2國內(nèi)眼動儀的開發(fā)

國內(nèi)在眼動儀的研制與開發(fā)方面起步較晚。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)川研制了紅外光電反射眼動測量系統(tǒng)。它通過紅外發(fā)光管、光敏管發(fā)射和接收眼球左右運(yùn)動時角膜與鞏膜反射紅外光線大小的變化來測量眼動^［1，5］。

表1五種眼動儀的性能和特點(diǎn)

名稱EVM3200型R6型單目眼動系統(tǒng)EyelinkⅡ型iViewX（包括①iViewXHED，②iViewXRED，③iViewXHi-Speed）ASL-310型系統(tǒng)構(gòu)造包括：控制單元（包括電子單元、主處理機(jī)和視頻監(jiān)視器）、光學(xué)探頭（包括瞳孔攝像機(jī)、定位攝像機(jī)和照燈）和場景攝像機(jī)。包括：6000系列控制單元，遠(yuǎn)置光學(xué)系統(tǒng)，遠(yuǎn)置彩色攝像頭，2個（9英寸）黑白監(jiān)視器，EYEPOS操作軟件，EYENAL數(shù)據(jù)分析軟件，軟件開發(fā)工具包。包括：測試主計(jì)算機(jī)、圖像顯示計(jì)算機(jī)和頭盔。①頭盔式視覺追蹤眼動儀，包括：iViewPC測試計(jì)算機(jī)、StimulusPC圖像顯示計(jì)算機(jī)和1個頭盔。②遙控視線追蹤眼動儀，包括：iViewPC測試計(jì)算機(jī)、StimulusPC圖像顯示計(jì)算機(jī)和RED-Ⅲ攝像頭。③高速視線追蹤眼動儀，包括：iViewPC測試計(jì)算機(jī)、StimulusPC圖像顯示計(jì)算機(jī)和測試托架。包括一個小型控制單元和一個傳感器組件。技術(shù)參數(shù)采樣率：50Hz，即以50次/秒的速度紀(jì)錄被試的注視時間、次數(shù)等眼動數(shù)據(jù)；實(shí)際眼位與測量計(jì)算的誤差≤1°；視覺范圍：水平40°，垂直30°^［4］。采樣率：50Hz或60Hz、120Hz和240Hz，系統(tǒng)精確度：0.5°視角范圍，頭部移動范圍：1平方英尺，光學(xué)系統(tǒng)距眼睛最大距離：40英寸，視覺范圍：水平50°，垂直40°。采樣率：500Hz；頭部旋轉(zhuǎn)校正范圍：±15°；準(zhǔn)確度、平均注視位置誤差<0.5°，視角約為28×22°。實(shí)時操作反饋，最小時滯<3毫妙（ms）。①采樣率：50/60Hz，注視點(diǎn)精確度：0.5°～1.0°，視覺范圍：水平±30°、垂直±25°。②采樣率：50/60Hz，注視點(diǎn)精確度：0.5°～1.0°，物象—捕捉攝像機(jī)操作距離：0.4～1m，頭部注視區(qū)域?yàn)樵?0cm遠(yuǎn)處形成40×40cm范圍。③采樣率：1250Hz/350Hz，注視點(diǎn)精確度<0.5°，視覺范圍：水平±30°，垂直30°/-45°。采樣率：1000Hz，系統(tǒng)精確度：水平1°、垂直2°，系統(tǒng)精密度：水平0.25°、垂直1°，視覺范圍：水平30°、垂直30°。特點(diǎn)采用了計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)紅外線定位和攝像等高新技術(shù)，數(shù)據(jù)系統(tǒng)記錄容量大、速度快、精度高。被試不用帶頭盔，但所提供的刺激物僅限于單一平面；采用亮瞳孔技術(shù)，捕獲能力高、對比效果好。準(zhǔn)確度高、誤差小，頭盔輕便，和大多數(shù)眼鏡或隱形眼鏡兼容，易于設(shè)置、定標(biāo)和校正。操作簡單易學(xué)、使用靈活、性能穩(wěn)定、記錄準(zhǔn)確、頭盔輕便、可與其他儀器或軟件結(jié)合使用等。輸出的是電信號，易于與計(jì)算機(jī)連接；具有高頻特性。

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—西電.3B型頭盔式眼動測量儀^［1，6］。該系統(tǒng)主要由頭箍及光學(xué)系統(tǒng)、瞳孔中心提取系統(tǒng)、視景和瞳孔坐標(biāo)疊加系統(tǒng)、圖像和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)后處理軟件組成。它是一種中精度的雙眼眼動儀，利用紅外攝像法原理獲取雙眼的圖像，用高速信號處理的方法實(shí)時提取瞳孔中心的坐標(biāo)，再與外景圖像迭合^［7］。這款儀器的優(yōu)點(diǎn)：1)價格低，不到進(jìn)口產(chǎn)品的十分之一；2)具有全部的自主知識產(chǎn)權(quán)，便于自行擴(kuò)展和改進(jìn)。其缺點(diǎn)：1)采樣頻率較低，只有50Hz；2)頭盔系手工制造，重量偏大。

1.3眼動儀的發(fā)展特點(diǎn)

通過分析眼動記錄法的發(fā)展歷程及目前一些常用眼動儀的性能，可以對眼動儀的發(fā)展特點(diǎn)進(jìn)行初步的總結(jié)：第一，一些粗糙的眼動記錄方法逐漸被淘汰，眼動儀的記錄速度和精度等將不斷提高。一些高新技術(shù)，如紅外線定位技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)等與眼動儀有機(jī)結(jié)合。第二，開發(fā)與應(yīng)用將更加趨于自然。眼動儀逐漸由固定、體積大且不便攜向著可移動、小型化和便攜式的方向發(fā)展。小型化和便攜式眼動儀使得眼動研究可以更加深入到人們的工作、學(xué)習(xí)和生活情境中^［8］。第三，應(yīng)用將朝著多樣化方向發(fā)展。眼動儀與其他儀器聯(lián)合使用，使得人們對心理現(xiàn)象的生理機(jī)制研究更深入了一步^［9］。同時一些研究者還將盡可能拓寬眼動儀的功能，使之既可用于視覺的科學(xué)研究也可用于臨床醫(yī)療診斷^［2］。

2眼動儀在運(yùn)動心理領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1運(yùn)動心理領(lǐng)域應(yīng)用眼動儀的一般特點(diǎn)

運(yùn)動心理領(lǐng)域已有的眼動研究大多都是采用上述公司生產(chǎn)的眼動儀。如張運(yùn)亮等（2004），張忠秋等（2001），蔡賡等（2001），Petrakis（1993），Helsen和Pauwels（1993），Ripoll等(1993)，Mockel和Heemsoth（1984），Bard和Fleury(1981)等研究^［10-17］（見表2）。

分析已有研究可以看出，應(yīng)用眼動儀開展運(yùn)動心理學(xué)研究有以下特點(diǎn)：第一，提高了研究的生態(tài)學(xué)效度。這些實(shí)驗(yàn)都盡力使實(shí)驗(yàn)情境與真實(shí)情境二者更加接近；此外一些更加適合在現(xiàn)實(shí)情境中使用的新型儀器也逐漸被應(yīng)用到體育運(yùn)動中，這樣獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有實(shí)際意義。第二，有利于了解運(yùn)動員在運(yùn)動實(shí)踐過程中每一時刻的視覺信息。這種信息一方面，有利于運(yùn)動員和裁判員賽后獲得準(zhǔn)確的信息反饋，提高運(yùn)動水平和裁判水平；另一方面，有利于教練員有的放矢地對運(yùn)動員進(jìn)行指導(dǎo)^［18］。

2.2運(yùn)動心理領(lǐng)域應(yīng)用眼動儀存在的局限及其趨勢

目前，關(guān)于眼動的研究文獻(xiàn)和硬件設(shè)備很多，由于每個作者和設(shè)備生產(chǎn)商使用的概念和參數(shù)指標(biāo)不同，造成了各種方法、模型和設(shè)備性能無法比較，給眼動的研究帶來許多困難^［19］。運(yùn)動心理領(lǐng)域同樣也存在這個問題。

本文所涉及的儀器有許多已被應(yīng)用到交通、廣告心理學(xué)等領(lǐng)域中，但還未被應(yīng)用到運(yùn)動心理領(lǐng)域。多數(shù)運(yùn)動心理領(lǐng)域的眼動研究采用的是固定式眼動儀，如張運(yùn)亮等人的研究應(yīng)用固定的U型托將被試的頭固定，然后用眼動儀測試其眼動。而在現(xiàn)實(shí)情境中運(yùn)動員的頭部不可能保持靜止，這或多或少會影響研究的生態(tài)學(xué)效度。

頭盔式視覺追蹤眼動儀及分析系統(tǒng)的發(fā)展，使得被試在實(shí)驗(yàn)時可以移動頭部和身體，進(jìn)而使眼動記錄的儀器更加適用于運(yùn)動實(shí)踐情境，研究的生態(tài)學(xué)效度有所提高。但由于頭盔上的場景和眼部攝像頭以及各種連線而導(dǎo)致被試不能快速運(yùn)動、在自然環(huán)境條件下儀器精密度的下降等因素的限制，研究的應(yīng)用場所受到局限；運(yùn)動員頭戴“測試帽”進(jìn)行運(yùn)動會干擾他們的技能操作，分散他們的注意。此外，目前的眼動儀只能記錄眼睛在某個縱深距離平面維度上的移動，記錄視覺縱深變化的功能還不能較好地實(shí)現(xiàn)。如何開發(fā)出更加適合在自然環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場研究的儀器以及擁有記錄視覺縱深變化功能的儀器將是儀器開發(fā)商的一個努力方向。

現(xiàn)有的頭盔式眼動儀在數(shù)據(jù)采集和處理上還未達(dá)到記錄閱讀眼動狀況儀器系統(tǒng)的水平。因此，對能夠適用于體育運(yùn)動領(lǐng)域眼動研究需要的儀器軟件進(jìn)行研制、開發(fā)，將會給體育運(yùn)動心理領(lǐng)域的眼動研究帶來更加實(shí)用的手段和應(yīng)用推廣的動力，這也將是它的一個重要趨勢。

從運(yùn)動員的專項(xiàng)認(rèn)知水平角度探討專項(xiàng)運(yùn)動心理能力的發(fā)展特征，揭示有關(guān)專項(xiàng)心理能力的培養(yǎng)機(jī)制，是當(dāng)今運(yùn)動心理學(xué)的重要研究課題。但目前本領(lǐng)域的眾多研究中，研究者主要通過記錄和分析瞳孔直徑、注視位置及次數(shù)等指標(biāo)來探討注視與視覺搜索特征。這些都是眼動的外部特征，難以反映運(yùn)動員決策時等心理認(rèn)知特點(diǎn)。若能將眼動儀與反應(yīng)時測試儀等反映心理認(rèn)知特點(diǎn)的儀器有機(jī)結(jié)合，探討運(yùn)動員眼動注視觀察過程中的內(nèi)部心理活動內(nèi)容與過程，研究的指標(biāo)將更加全面，研究也將更加深入，這也將是眼動儀發(fā)展的一個重要趨勢。但在結(jié)合中要解決好眼動與認(rèn)知決策過程的同步測量問題。眼動儀與反應(yīng)時測量儀的同步操作，將是實(shí)現(xiàn)指標(biāo)綜合的重要環(huán)節(jié)^［20］。

目前運(yùn)動心理領(lǐng)域?qū)ρ蹌觾x的應(yīng)用都是用它來研究專家與新手的眼動特征，這只是從探索與揭示規(guī)律的角度應(yīng)用儀器。但隨著儀器用途的拓寬，從更加實(shí)用的角度應(yīng)用眼動儀也將成為可能，即應(yīng)用儀器對新手運(yùn)動員進(jìn)行一些視覺信息處理及認(rèn)知決策等方面的眼動訓(xùn)練。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。