ASL-D6眼動儀刺激呈現與數據收集的功能擴展研究

何立國 高秋鳳

1.深圳大學 廣東深圳 518060 2.陜西師范大學 陜西西安 710062

ASL-D6眼動儀刺激呈現與數據收集的功能擴展研究

何立國1,2高秋鳳1

1.深圳大學 廣東深圳 518060 2.陜西師范大學 陜西西安 710062

眼動儀是教育與心理研究中開展眼動實驗所常用的一種高端設備。以ASL-D6眼動儀為例，分析了眼動實驗在刺激呈現和數據收集中遇到的瓶頸問題，闡述了利用E-Prime實驗程序開發軟件解決該問題的原理和方法。

ASL-D6眼動儀；教育與心理實驗；眼動；E-Prime

D6眼動儀是美國應用科學實驗室(Applied Science Laboratory, ASL)Eye-tracking系列產品中最新、功能最強的桌面式遠程眼睛跟蹤設備，能夠快速、準確地跟蹤被試眼睛注視點的位置，由于不用戴頭盔，檢測速度快，非常適合各年齡段人群，特別是嬰兒、兒童和老年人，在閱讀與語言認知、圖像的知覺加工、表象加工和用戶對產品的認知等教育和應用心理研究領域都得到廣泛使用。但根據筆者的經驗，用戶在開展相關的研究時往往會陷入一種實驗所需的刺激復雜化呈現與眼動數據同步化收集的兩難選擇，究其原因是該眼動儀在實驗刺激呈現上的低效能。如何實現ASL-D6眼動儀對復雜實驗刺激的呈現并對眼動進行同步記錄，是提升該眼動儀使用水平，充分滿足教育與心理研究復雜化要求的重要保證。

1 ASL-D6眼動儀的工作原理

通過系統考察人的眼球運動來研究人的心理活動開始于19世紀[1]。經過一百多年的發展，記錄眼動的技術從簡單的觀察法發展到了電磁感應法，其中使用最廣的是角膜反射法[2]。ASL-D6眼動儀就是使用角膜反射法原理，通過亮瞳孔技術，應用特制的紅外攝像頭來捕捉眼球的運動。眼動儀工作時，通過加工來自紅外線瞳孔攝像機的眼睛視頻信息，來識別和確定瞳孔中心和角膜反射點之間的距離變化。眼球的運動受3對眼肌的控制，每對眼肌控制眼球在一個平面上轉動。眼球運動的范圍約為18度，根據眼球運動特質，可分為3種基本的類型：注視、眼跳和追隨運動。

ASL-D6眼動儀由以下部件組成：Model 6000眼動追蹤系統控制單元、遙測式光學模塊、2臺視頻監視器和相關的連接電纜。相關的連接電纜是指將Model 6000控制單元與微型計算機、遙測式光學模塊和2臺監視器相連接的電纜。該眼動儀可實現對數據的實時記錄，生態學效度較高。遙測式光學模塊通過模型6000眼動追蹤系統控制單元與監視器相連。微型計算機與模型6000眼動追蹤系統控制單元相連，實現對數據的記錄和輸出。實驗時，系統的光學模塊固定在桌面上，被試者只需坐在鏡頭前1米左右處，且允許頭部在大約1平方英尺的范圍內運動，觀看放在鏡頭上方的視頻監視器所播放的畫面，ASL-D6鏡頭可以快速、準確地跟蹤被試的眼睛，并記錄下眼球運動軌跡，采樣頻率有60Hz，120Hz和240Hz三種，研究者可以根據實驗要求自行選擇。

2 ASL-D6眼動儀在刺激呈現與數據收集上的缺陷

ASL-D6眼動儀工作時一般與2臺計算機相連。一臺用來呈現實驗程序刺激，另一臺是眼動儀工作平臺，用來執行注視點校準等命令和收集、處理數據[3]。由于實驗刺激的呈現和眼動行為的記錄分別由2套獨立的計算機系統完成，所以眼動實驗對眼動行為的數據記錄和實驗刺激在空間與時間上的一致性匹配要求非常高，這也是最容易產生實驗誤差的地方。傳統的做法有兩種：一是眼動儀何時開始記錄數據由主試通過觀察實驗刺激呈現的時間進程有選擇地進行，這種方法由于人操作的個體差異和注意的穩定性等原因，通常會產生較大的誤差；二是眼動儀的數據記錄與實驗刺激呈現由計算機系統自動完成，以達到刺激呈現與眼動記錄的高度同步，這種方法精度高、誤差小，但必須編寫專門的計算程序，對一般的教育與心理研究者而言，操作難度很大，不利于普及和推廣。

針對這兩種方法的缺陷，ASL-D6專門定制了第三方軟件—Gaze Tracker。Gaze Tracker是集刺激呈現、數據同步收集、數據分析于一體的軟件。以該軟件為媒介進行刺激呈現來開展眼動研究，可通過軟件本身的數據輸出功能直接導出眼動軌跡圖、眼動時間、眼動的方向和距離、瞳孔大小等各種眼動指標，非常快捷方便，輕松達到了實驗刺激呈現與眼動記錄的同步和精確要求。但Gaze Tracker有一個主要缺點，就是在實驗刺激呈現方面功能較簡單，只能實現單一的圖片連續呈現或觀看簡單視頻和網頁，對稍復雜的研究設計方案則無法實現。例如，一般心理學實驗在正式實驗開始之前都會有練習階段，為了防止被試練習后還無法熟悉操作步驟，會在程序中設置讓被試通過按鍵選擇是否需要繼續練習(如“如果繼續練習請按Q鍵，如果進入正式實驗請按P鍵”)的實驗模塊，Gaze Tracker軟件無法實現該功能。而教育與心理實驗，特別是認知實驗，其研究設計一般都比較復雜，分成幾個步驟來進行，如果僅依靠Gaze Tracker這一軟件來實現刺激呈現，則不少實驗將無法使用ASL-D6眼動儀來開展。

3 利用E-Prime擴展ASL-D6的刺激呈現與數據收集功能

E-Prime是由Carnegie mellon university和University of Pittsburgh聯合開發的實現教育與心理實驗計算機化的一個可視化編程語言平臺，具有實驗設計、生成、運行、收集數據等功能，是一個高等的圖形設計軟件。E-Prime能呈現的刺激素材包括文本、圖像和聲音(可以同時呈現3者的任意組合)，提供了詳細的時間信息和事件細節，刺激呈現與屏幕刷新同步，精度可達毫秒。E-Prime在輸入設備、輸出設備和與外部程序連接方面都得到了專業化的提升[4]。鑒于ASL-D6眼動儀為E-prime軟件提供了并行處理接口，研究者可以使用功能強大的E-prime軟件來編制各種復雜的實驗程序用于ASL-D6的眼動研究。不過要成功實現這一功能，需解決E-prime刺激呈現與ASL-D6眼動記錄的同步問題，經研究和實驗試用，發現可用E-prime軟件中的Inline文本控件調用合適的函數來解決這一問題。

3.1 可行性分析

E-prime軟件之所以功能如此強大，可以實現諸多復雜的實驗程序，其中一個重要原因是其系統內有一個可以用來調用函數的Inline文本控件。要實現數據的同步記錄功能，可借助適當的代碼函數，使Inline文本控件根據實驗的需要適時調用函數即可。ASL Eye Tracker 6000軟件安裝目錄SDKEPrime xdat_test.es附帶有這種功能的函數。此功能函數可以讓刺激呈現系統在更換場景圖片的同時，數據記錄也會同時更換到另一個片段，以實現不同的場景圖片對應不同的數據記錄。另外對“指導語或啟動界面”等無需記錄的刺激圖片，可以不記錄其眼動數據，減少了因眼動數據繁多，增加分離難度的麻煩。在實驗刺激呈現計算機中安裝E-prime軟件并設置好同步功能函數后，實驗時只需更改眼動儀工作計算機上的眼動控制程序Eye-Trac 6. Net User Interface中的參數設置，即可實現同步記錄功能。

3.2 實驗步驟

要實現E-prime在ASL-D6眼動實驗中的應用，在利用專業的刺激呈現軟件E-prime擴展實驗材料呈現的復雜度的同時實現ASL-D6眼動數據記錄的同步性，可按如下步驟操作：

第一步，使用E-prime軟件編制好實驗程序，之后把編制好的程序復制到眼動實驗刺激呈現計算機上，并確保該計算機安裝了E-prime軟件。

第二步，在ASL Eye Tracker 6000分析系統的安裝目錄(安裝目錄SDKE-Prime)里找到文件“xdat_ test.es”，這個文件有可以實現同步功能的代碼函數，復制這個文件并雙擊打開。在打開的窗口中雙擊Structure子窗口里的SessionProc，當前程序中放置了一個Inline與Imagedisplay兩個控件，名稱分別是Init與Imagedisplay1。雙擊名為“Init”的Inline控件，將看到4個如下主要函數：

(1)ASL_BeginRecording開始記錄函數；

(2)ASL_EndRecording結束記錄函數；

(3)Sleep(里面的參數表示暫停多長時間，以毫秒為單位)；

(4)ASL_EndRecording結束記錄函數。

在實驗中通過Inline控件適當調用上述函數，即可實現刺激呈現與眼動數據記錄的同步。

第三步，把已編制好的程序的SessionProc時間軸上的控件復制到“xdat_test.es”文件中。在復制好的主線軸上插入Inline控件，并在Inline控件中改寫上面的同步代碼函數。一般包括以下幾個過程：

(1)定標、開始眼動參數同步記錄函數的編寫。雙擊Inline控件，打開該控件的屬性函數對話框，將第一行語句改為“ASL_Init ASL_Mode_Streaming, &H378, true”；實驗剛開始時，先調用定標函數“ASL_Calibrate”，接下來調用記錄函數“ASL_ BeginRecording 1”設定數據記錄進程，函數尾端的“1”表示從編號1開始[5]。

(2)結束記錄函數。直接在Inline1控件中編寫結束記錄函數“ASL_EndRecording”。

(3)重新開始記錄函數。若要重新開始眼動數據記錄，可在Inline3中編寫“ASL_BeginRecording 1”。

(4)結束記錄函數。需要記錄的眼動數據記錄完畢后，可在最后插入的Inline2控件中寫入“ASL_ EndRecording”函數語句即可。

可借助開始記錄函數及結束記錄函數隨意地掌控何時記錄眼動數據，何時停止記錄，這樣即可實現實驗刺激呈現與眼動數據記錄的同步功能。

第四步，確保插入Inline控件后所編制的E-prime軟件能在刺激電腦上正常運行。

第五步，打開眼動儀工作計算機的眼動控制軟件“Eye-Trac 6 .Net User Interface”，在菜單欄依次點擊“conf gure”→“external data and auto f le conf g”，在出現的對話框中選擇自動記錄復選框“Auto record(XDAT bit 7 or 15)”。

至此，在ASL-D6眼動實驗中用外掛的E-Prime軟件編寫實驗刺激呈現程序，并實現實驗刺激呈現與眼動數據同步收集的連接程序全部完成。

4 結束語

用專業的E-Prime軟件編寫實驗程序，克服了ASL-D6自帶的Gaze Tracker軟件在實驗刺激呈現方面功能的先天不足，極大地提高了ASL-D6眼動實驗的內容豐富性和復雜度，更適合教育與心理研究任務復雜性和多維性的特點。更重要的是，在利用E-Prime提升眼動實驗刺激呈現功能的同時，通過充分挖掘和利用E-Prime和ASL-D6眼動儀自身的擴展性能，實現了實驗刺激呈現與眼動數據記錄的同步性，彌補了單純用其他高級編程軟件，如VB等，編寫實驗程序時難以實現數據同步收集的不足。

[1] Yarbus A L. Eye movement and vision[M].Plenum press,1967.

[2] 閆國利,田宏杰.眼動記錄技術與方法綜述[J].應用心理學,2004,2:55-58.

[3] 白學軍,閆國利.眼動研究在中國[M].天津:天津教育出版社,2009.

[4] 周鵬生.眼動實驗中的操作和數據統計[J].中國現代教育裝備,2009,11:43-45.

[5] 曾祥炎,陳軍.E-Prime實驗設計技術[M].廣州:暨南大學出版社,2009.

[6] Sara Burgess. E-Prime USER’S GUIDE[J].U.S.A: Psychology Software Tools, Inc., 2002.

Function expansion of stimulus presentation and data collected of ASL-D6 Eye-tracking

He Liguo1,2Gao Qiufeng1
1. Shenzhen university, Shenzhen, 518060, China 2. Shaanxi normal university, Xian, 710062, China

Eye-tracking is a high-end equipment used in educational and psychological research. Based on ASL-D6 Eye-tracking, the bottleneck of stimulus presentation and data collection is analyzed, and the principle and method using E-Prime software to solve the problem is described.

ASL-D6 Eye-tracking; educational and psychological experiment; eye movement; E-Prime

2011-08-06

何立國，在讀博士研究生，講師。

本研究得到深圳大學實驗室與設備管理基金資助(編號：2010006)。