眼動儀的發展和性能比較

徐 娟

北京聯合大學師范學院 北京 100011

眼睛被譽為心靈的窗口，它是我們信息加工過程中最重要的信息輸入系統。為了看清楚某一個物體，我們的眼睛必須保持一定方位，才能使物體在視網膜上清晰成像，這種眼睛在某個物體上的停留被稱為注視。當我們注意的目標發生轉移時，我們的眼睛也將從一個注視點移動到另一個注視點，這種現象稱為眼跳。通過研究眼睛的這些運動，研究者可以對人的認知活動規律加以探索。但是眼球運動速度是非常快的，典型的注視只持續0.1～0.5 s，而眼跳更是快到僅有0.01～0.1 s的時間。為了準確記錄人的眼球運動過程，心理學家以及其他有關專家一直致力于改進眼動記錄技術并開發更為先進的眼動儀[1]。

1 眼動研究和眼動儀的發展歷程

人們很早就意識到眼睛和人的心理活動相關，在漢語中有很多語言表達反映了這一點，例如：“他氣得目瞪口呆”“她目不轉睛，認真聽講”“他眼珠滴溜溜亂轉，似乎在打什么壞主意”，但真正使用儀器設備對眼球運動進行客觀觀察和實驗則是近一百年來才開始的。早期的眼動研究主要采用觀察法和機械記錄法等。其中觀察法包括直接觀察法(如主試站在被試后面，從鏡子里觀察被試的眼動)和后像法(利用閃光燈高亮度閃光產生的視覺后像對人的眼動加以研究)。機械記錄法則通過把眼睛與記錄測驗裝置用機械傳動方法聯結起來實現對眼動的記錄。機械記錄法包括頭部支點杠桿法、氣動方法、角膜吸附環狀物法等多種形式。觀察法簡便易行，但結果不精確，只能對眼動進行比較粗略的研究。而機械記錄法則裝置復雜，使用起來十分麻煩，實驗結果準確性也較低[2]。因此，研究者一直在尋找更有效、準確而又簡便的測量方法。

20世紀60年代之后，微電子技術、攝像技術和紅外技術的發展，特別是計算機技術的運用，推動了新型高精度眼動儀的研制。新型眼動追蹤技術大多采用基于瞳孔和角膜反射的視頻記錄法。

角膜反光是指角膜能夠反射著落在它表面上的光。因為角膜是從眼球體表面凸出來的，所以在眼球運動過程中，角膜對來自固定光源光的反射角度也是變化的，即眼球運動時，角膜反光也隨之變化。這樣就可以通過普通照相法或者電影電視攝像法記錄角膜反光來分析眼動[3]。這些眼動儀在追蹤眼動時，將一束光線和一臺攝像機對準被試的眼睛，通過光線和后端分析來推斷被試注視的方向，攝像機則記錄交互的過程。

要了解眼球如何在眼窩內運動，在計算被試注視方向時需要一個重要的信息，即被試頭部的位置。20世紀80年代研發的第一代眼動儀使用的方法是將被試的頭部置于一個固定的位置。20世紀90年代，眼動追蹤設備的體積大為縮小，研究者就將其放在帽子里或固定在用戶的頭帶上。因為眼動儀和頭部同步運動，所以要計算眼動儀相對于用戶頭部的位置并非難事。但頭部的設備較重，很容易造成被試頸部和背部的疲勞，依然讓被試覺得不舒適。到了21世紀，隨著計算機性能的不斷提高，研究者進一步改進眼動研究手段，除了配置攝像機來拍攝被試雙眼的特寫鏡頭外，還單獨配置一臺攝像機用于拍攝被試的頭部，并實時計算頭部的位置。這樣被試的頭上就可以完全不用佩戴任何電子設備。依據外形結構的這種差異，眼動儀可分為3類：頭部固定式、頭盔式、遙測式。

2 常見的眼動儀及其性能比較

國外從20世紀初開始研制眼動儀，現在全世界已經有幾十家生產眼動儀的廠家。盡管國內在研制眼動儀方面取得了一定的成績，例如20世紀80年代末，中國科學院上海生理研究所的張名魁和孫復川研制了外光電反射眼動測量技術；20世紀90年代，西安電子科技大學研制了頭盔式眼動儀[3]。但國內科研機構使用的眼動儀主要依賴國外進口。目前國內使用較多的有加拿大SR公司生產的EyelinkⅡ和Eyelink 2000型眼動儀；美國應用科學實驗室(ASL)生產的H6型和L6型眼動儀；瑞典Tobii公司生產的T60和T120型眼動儀；德國SMI公司生產的iViewX RED型眼動儀。這些眼動儀都采用角膜反射法進行眼動記錄[4]。

隨著制造成本的降低，眼動儀逐步成為教育學和心理學研究的常規儀器，國內許多大學、科研機構和公司都陸續購置或準備著手購買眼動儀。其中SR公司生產的Eyelink眼動儀和瑞典Tobii公司生產的眼動儀是目前用戶考慮較多的兩個品牌。下面針對這兩個系列的產品進行簡單介紹和比較，以幫助研究者根據研究所需進行合理選擇和采購。

2.1 Eyelink系列眼動儀可選用的追蹤系統及特點

Eyelink系列眼動儀是由加拿大SR公司研發，SR公司是最早研制眼動跟蹤系統的廠家之一，它進入中國市場已有近二十年的歷史，其產品是目前國內外應用最為廣泛的眼動產品之一。北京師范大學、首都師范大學、浙江大學、西南大學等先后購進了Eyelink系列眼動儀開展研究。

目前Eyelink系列眼動儀主要包括以下幾款追蹤系統：

(1)Eyelink1000桌面式眼動追蹤系統

該系統是世界上應用最為廣泛、采樣率最高的眼動追蹤系統。它精度高，采樣頻率可以達到1 000～2 000 Hz；空間分辨率高，誤差＜ 0.01°RMS；同時能做到實時追蹤(實時追蹤延時＜1.4 ms)。它的眼動采集裝置安置在被試顯示器下前方，被試頭部沒有電子設備，處于一種比較自然放松的狀態。這樣，實驗結果可以更加真實可信，同時主試操作也比較便捷。該系統的主要特點有：定位簡單迅速，被試在實驗中途離開后不需要重新定標，適合長時間閱讀研究；它支持單眼和雙眼采集，對普通和隱性眼鏡也兼容；該系統還有一個突出的優勢，即可以和腦電結合實驗。

(2)Eyelink Remote遙測式眼動追蹤系統

該系統適用于在實驗中頭部有移動但仍要求高精度的研究。不過它對頭動范圍和頭動速度都有一定的要求，允許頭動范圍為22 cm×18 cm×20 cm(水平×垂直×深度)，允許頭動速度必須低于100 cm/s。在這個系統中，被試的頭部同樣沒有任何支撐或者電子設備，因此特別適合兒童以及病患等特殊人群使用。該系統采用獨特的動態靶追蹤技術，能夠在眨眼或快速頭動后2 ms內重新捕獲眼睛位置。該系統還能與上面提到的桌面式眼動追蹤系統結合使用，只需要換一個鏡頭就可以達到移動測量的目的，實現一套設備兩種功能。

(3)Eyelink Arm 嬰幼兒眼動追蹤系統

該追蹤系統將采集裝置與顯示屏整合在一起，LCD懸臂可自由調節位置，是一套可以移動的追蹤系統，因而適合嬰兒、低齡兒童以及病人等難以控制頭部位置的特殊人群使用，它也可以與遙測式眼動追蹤系統結合使用。

(4)Eyelink II 頭戴式眼動追蹤系統

Eyelink II 是一款目前采樣率最高的頭戴式眼動追蹤系統，其采樣率可高達500 Hz。Eyelink II的特點是能夠將實景與眼動數據實時結合，被試可以在多種場景甚至在運動中攜帶該設備進行實驗。因此，該系統的使用范圍十分廣泛，已經擴展至汽車及飛機駕駛、體育運動、戶外廣告等動態環境中。盡管在實驗中需要一直戴著頭盔，但它的頭戴裝置十分輕便，符合人體工程學，對被試影響較小，它還可以根據不同的顱型進行多維度調節。該系統同樣可以與普通眼鏡和隱形眼鏡兼容。

2.2 Tobii系列眼動儀的主要型號及特點

Eyelink面市較早，而Tobii公司于2001年才問世。近年來，Tobii眼動儀在中國市場反響良好，很多知名公司和著名高校都先后購買其產品，可謂后起之秀。

目前，Tobii眼動儀主要有Tobii T，Tobii X和Tobii Glass三大系列。

Tobii T系列包括 T60和T120兩款，該系列采用集成式眼動追蹤系統，主要針對基于電腦顯示器呈現的刺激材料眼動追蹤，可用于對平面廣告、電視廣告、網頁、軟件和電腦游戲的可用性研究，也可用于閱讀、視覺等認知領域的研究。

Tobii X 系列也包括X60和X120兩款，這個系列采用獨立的眼動追蹤裝置，因此對刺激材料沒有限制，既可以是電視、電腦顯示器等，也可以是投影屏、手機等實物設備。Tobii X系列眼動儀是目前最靈活的眼動儀之一。

Tobii Glasses系列眼動儀是一款可在現實場景中高效采集眼動數據的工具，可應用于基于現實場景或實物的定性及定量眼動研究。可以在被試完全的自然狀態(如運動中、駕駛中、購物中)下采集眼動數據，同時確保眼動數據的精確性。目前，該儀器廣泛用于超市購物心理、貨架管理、產品包裝測試及設備可用性測試、運動測試等相關領域研究。

2.3 Eyelink與Tobii的性能比較

Eyelink與Tobii作為兩種最常用的眼動儀，設計十分先進，功能也都比較強大。Eyelink和Tobii的數據分析軟件除了能對數據進行量化統計分析，還能生成很多直觀的可視化數據，例如眼動軌跡圖、熱點圖、興趣區等。這些直觀的測試方式為眼動追蹤提供更加豐富的信息，也提高了數據的理解度和可信度。

但這兩種產品在設計理念上有一定差異，導致產品在一些具體的性能上存在差別。SR公司秉承高采樣率、高分辨率、高品質的產品發展戰略，因此Eyelink系列眼動儀的記錄數據種類、數據精度都要優于Tobii。就Eyelink II和TobiiT120相比，兩者共同記錄的數據有注視時間、注視次數、注視點對應位置、瞳孔大小、眼動軌跡圖，除此之外，Eyelink II還能記錄眼跳時間、眼跳次數、眼跳距離、眼跳角度、眼跳速度、眼跳起止位置、眨眼等七項數據[5]。在精度上，Eyelink II的采樣頻率是250～500 Hz，而Tobii T120為60～120 Hz。受精度差異的影響，兩者在同樣實驗處理中采集的數據有一定差異。某試驗中，讓被試用Eyelink II和TobiiT120觀看同樣的幾何圖片，發現兩臺儀器上記錄到的注視次數有極其顯著的差異，EyelinkII顯著高于Tobii T120。而且發現Tobii的值缺失情況較嚴重，特別是戴框架眼鏡的被試值缺失情況尤為嚴重，可能是框架眼鏡的鏡片反光干擾了角膜反光。因此在對時間精確度要求較高的實驗中，需慎重選擇Tobii作為研究儀器。

Tobii追求的是新一代全自然狀態下的眼動追蹤系統。它強調采集自然狀態下的眼動追蹤，因此它的設備無需頭套和頭托，被試在實驗過程中可自由移動頭部，甚至可以在被試不知情的情況下進行研究，適合開展低齡兒童或病患等特殊人群的研究。它還可同步記錄面部表情和聲音，而Eyelink需要佩戴頭套或設有頭托，如果實驗時間較長容易造成被試疲勞。

在配套軟件上，Eyelink的開發商SR公司提供了Eyelink對C++和Eprime軟件的接口，實驗需自行編程，對研究者要求較高。Eyelink配套軟件較多，除了需要在主試機上裝一套軟件程序，被試機上也要安裝實驗程序編輯軟件(EB)和數據分析軟件(Data view)。Tobii配套的實驗軟件是Tobii Studi，是一種所見即所得的直觀軟件。實驗程序編制時大多只需要拖拽和設置參數，且Tobii編程和數據分析均在同一個軟件上，使用起來簡單，新人也容易上手，設計難度較低。

使用的便攜性，Tobii眼動儀所有配件可以放在一個旅行箱內，方便攜帶，而且Tobii眼動儀組裝方便，如果操作熟練，5分鐘就可以完成組裝任務。但是Eyelink的產品，譬如Eyelink 2000，EyelinkⅡ眼動儀，必須固定在實驗室里，如果要帶出實驗室，一是配件太多不好搬，二是組裝起來麻煩，連線太多且容易混亂。相比之下，使用的便捷性也就成為Tobii眼動儀的重要亮點和吸引購買者的重要優勢。

3 結束語

研究者應根據自己的研究類型、研究材料的特點合理選擇所需眼動儀。Eyelink眼動儀的客戶以科研機構為主，特別是以閱讀、視覺加工為主要研究內容的研究者。目前在學術刊物中發表的論文大多使用Eyelink系列眼動追蹤系統。截止到2010年，使用Eyelink系列眼動追蹤系統在國際知名科學刊物上發表的文章已多達1 100余篇。Tobill眼動儀的客戶以公司居多，特別是需要進行可用性測評及界面、人機交互測評、廣告評估的公司。Tobii 的用戶群包括Microsoft，IBM，Google等著名企業。簡而言之，學術型研究者應更考慮購買和采用高精度的Eyelink系列，應用型研究者則可以更多考慮自然化的Tobii系列。

[1]Jakob Nielsen,Kara Pernice,著.用眼動追蹤提升網站可用性[M].冉令華,譯.北京:電子工業出版社,2011.

[2]韓玉昌.眼動儀和眼動實驗法的發展歷程[J].心理科學,2000,23(4):454-457.

[3]閻國利,田宏杰.眼動記錄技術與方法綜述[J].應用心理學,2004,10(2):55-58.

[4]卞遷,齊薇,劉志方,閆國利.當代眼動記錄技術述評[J].心理研究,2009,2(1):34-37.

[5]徐靜儉.對Eyennk和Tobii兩種眼動儀測量性能的比較實驗[D].華東師范大學2009屆碩士研究生畢業論文.