眼動追蹤技術的研究述評

鄭成艷 王 哲 嚴璘璘

(浙江理工大學理學院心理學系，杭州 310018)

眼睛是注意的窗口，人類利用該視覺系統可以從外界獲取大量的信息，由此產生的眼動特征能提示人們的認知規律。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、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、眼動追蹤技術的應用三個方面展開。

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對眼球運動的追蹤。眼動追蹤技術所借助的媒介一般分為硬件和軟件為兩種[2]。以硬件為基礎的視線跟蹤技術的基本原理是利用圖像處理技術,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, 會對用戶產生很大的干擾；以軟件為基礎的視線跟蹤技術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。

眼動技術經歷過觀察記錄法、機械記錄法、光學記錄法、影視記錄法等幾代記錄方法，隨著科學技術的進步，當前的眼動研究使用的多為現代化大型精密的眼動儀，擁有集光學技術、攝影技術、計算機硬件技術和計算機軟件技術為一體的眼動追蹤記錄系統[3]。根據眼動儀的外形特征，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、網頁設計等，尤其適用于兒童；固定式一般將被試的下巴固定在可調的下巴托架上，然后進行眼動數據的收集，其精確度較高，適用于多種理論研究。國內常用的眼動儀品牌主要有加拿大SR公司生產的EyeLink系列眼動追蹤記錄系統和美國“應用科學實驗室”( Applied Sciences Laboratories, 簡稱ASL) 研發的頭戴式H6系列、遙感式R6系列以及高速固定式C型。，瑞士Tobii公司生產的T60和T120型眼動儀，以及德國SMI公司生產的眼鏡式HED系列、 固定式HS系列和遙測眼動儀RED系列眼動追蹤系統(SMI Eye Tracking System)。上述眼動追蹤儀器均為集成的眼動追蹤系統，通過對1980-2009期間發表的370篇眼動研究文獻的分析發現，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出來的新型設備，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]、界面設計[9]、人機交互[10]等應用研究。ASL系列眼動儀與德國SMI的眼動儀器近年來在國內使用較少[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系統, 眼睛為了追隨這個目標而引起的一種連續反饋的伺服運動”[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。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，在閱讀領域的研究中，注視次數和注視時間用來反映學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、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域的加工模式。例如，在用戶研究領域中，被試往往會表現出對關鍵信息區域的興趣和關注，所以常采用第一注視點這個指標來反映被試的興趣點；眼跳相關指標用作解釋用戶視覺信息加工過程以及其與注意轉移之間的關系[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的重要指標，與上述時空指標相結合可解釋個體的知覺廣度或者注意廣度等。

3 眼動追蹤技術的應用

眼動追蹤技術始于19 世紀末20 世紀初, 心理學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系。直至20世紀中期前,許多用于心理學研究的眼動追蹤技術還存在誤差大、操作難和被試眼動負擔大等缺點。20 世紀中期后, 隨著攝像技術的引入,特別是計算機技術的快速發展推動了高精度眼動儀的研發, 極大地擴展了眼動追蹤技術應用。從1980～2009年有關國內眼動研究的文獻計量分析數據來看，閱讀研究占據眼動實證研究的半壁江山，而在消費、病理、思維、運動、工程等領域相對較少[4]。接下來主要從基礎研究和應用研究兩個方面來介紹眼動追蹤技術的應用現狀。

4 基礎研究

首先，近20年眼動追蹤技術廣泛應用于閱讀研究。該領域主要集中在句子及句子以下層次的認知加工機制[19]。在此基礎上，針對學障、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的認知能力下降之間具有高度相關，這使得眼動追蹤技術可用于篩選評估老年人的認知衰退狀態。

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

5 應用研究

首先，眼動追蹤技術主要應用于以學生為主體的教育領域，為師生間的教與學提供幫助與建議。通過眼動追蹤技術可以實時獲取學生在線學習時的注視點、注視時間、眼跳距離等指標，相關數據可以了解學生的關注點和學習狀態，而且可以針對學生教師制定個性化的教學和學習方案[27]。

其次，眼動追蹤技術主要應用于廣告設計等消費領域。例如，通過分析被試的注視時間和注視次數來確定廣告的最佳呈現位置，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，結合被試的評價及再認成績，以確定最佳廣告文本設計[28, 29]；通過分析被試觀看動、靜以及動靜結合的廣告的注視時間及注視次數來優化網頁廣告的載體[30]，為廣告頁面優化提供參考依據。此外，眼動追蹤技術還可為廣告設計者精準定位產品[31]以及選取合適的產品代言人[32]提供依據，進而達到營銷目的。

第三，眼動追蹤技術還可用于道路交通安全等工程領域，主要從“人-車-路(環境)”三個方面進行探究[33]。如利用眼動技術可以對駕駛者視覺信息搜索模式[34]及疲勞狀態進行檢測[35]，通過設計車內信息顯示設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境下駕駛員視覺特性變化規律，可以減少交通事故，保證道路交通安全[37]。此外，眼動追蹤技術還可用于用戶界面的設計，通過眼動指標數據可以對界面大小、用戶界面的布局方式、界面的交互設計、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視覺體驗[38]。

6 結語

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對個體認知水平以及心理狀態的推測，甚至于在此基礎上可形成可交互的眼控設備。眼動追蹤技術在基礎領域的視覺加工中發展相對成熟，在其他領域的應用中也有著不少的貢獻，但總體來說眼動追蹤技術的應用仍處于初步發展階段，研究人員需繼續深入探索其多樣化的應用。