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        眼動(dòng)追蹤技術(shù)與嬰幼兒研究:程序、方法與數(shù)據(jù)分析

        2016-12-16 12:03:03王福興童鈺錢瑩瑩謝和平
        心理與行為研究 2016年4期
        關(guān)鍵詞:眼動(dòng)數(shù)據(jù)挖掘嬰幼兒

        王福興 童鈺 錢瑩瑩 謝和平

        摘要 眼動(dòng)技術(shù)在嬰幼兒研究中成為一種流行的研究工具。如何合理地選擇和使用眼動(dòng)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及分析,是嬰幼兒眼動(dòng)研究者需要考慮的重要問題。本文從眼動(dòng)儀使用的流程出發(fā),主要對(duì)嬰幼兒眼動(dòng)研究過程中所涉及的四個(gè)方面的問題進(jìn)行了梳理和分析:(1)正確選擇儀器;(2)合理校準(zhǔn);(3)提高數(shù)據(jù)質(zhì)量;(4)有效分析和挖掘數(shù)據(jù)。同時(shí)。針對(duì)這些方面提出了相應(yīng)的操作性建議。

        關(guān)鍵詞 眼動(dòng),嬰幼兒,校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)挖掘。

        分類號(hào) B844

        隨著研究技術(shù)的進(jìn)步,心理學(xué)研究對(duì)象的年齡范圍也隨之?dāng)U展到嬰幼兒群體。由于嬰幼兒的語言和動(dòng)作尚未完全成熟,因此,在能夠完整地進(jìn)行口語報(bào)告以前,視覺則成為了解6歲以下嬰幼兒心理的最重要途徑之一。最近10年間,眼動(dòng)儀在嬰幼兒研究中(尤其是認(rèn)知研究)受到越來越多的重視(Aslin,2012;Bremner,2011;Feng,2011;Gre-deback,Johnson,&Von Hofsten,2010;Oakes,2010,2012;韓映虹,閆國(guó)利,2010)。作者使用嬰幼兒關(guān)鍵詞“infant”、“child”、“newbom”和“toddler”,眼動(dòng)關(guān)鍵詞“eve tracking”和“evemovement”在國(guó)外三大數(shù)據(jù)庫(PubMed,EBSC0,Web of Seienee)對(duì)2009至2014年的研究進(jìn)行搜索,篩選后發(fā)現(xiàn)有121篇使用眼動(dòng)追蹤技術(shù)研究嬰幼兒認(rèn)知發(fā)展的文獻(xiàn)。國(guó)內(nèi)通過CNKI數(shù)據(jù)庫。采用“幼兒”、“學(xué)前兒童”、“眼動(dòng)”、“眼動(dòng)儀”關(guān)鍵詞檢索到45篇相關(guān)的研究(2011年及以后研究39篇)。眼動(dòng)技術(shù)在嬰幼兒研究中的蓬勃發(fā)展,說明相對(duì)于早期的攝像機(jī)記錄分析嬰幼兒的注視時(shí)間,眼動(dòng)更加客觀、量化的優(yōu)勢(shì)得到了研究者的認(rèn)可(Gredeback et al.,2010)。

        檢索這些以往研究發(fā)現(xiàn),采用眼動(dòng)技術(shù)的嬰幼兒認(rèn)知研究涉及面孔知覺(Amso,Haas,&Markant,2014;Gaither,PaukeL&Johnson,2012)、客體表征(Shuwairi&Johnson,2013;Sirois&Jackson,2012)和動(dòng)作發(fā)展(Elsner,PfeifeL Parker,&Hauf,2013;Franchak&Adolph,2010)等十多個(gè)領(lǐng)域?,F(xiàn)有研究中眼動(dòng)追蹤技術(shù)可以適用的最小嬰兒被試為3個(gè)月大(Di Giorgio,Turati,Altoè,&Simion,2012;Frank,Vul,&Johnson,2009)。

        1 如何選擇適合嬰幼兒研究的眼動(dòng)儀

        由于嬰幼兒被試的特殊性,基于瞳孔/角膜反射技術(shù)(pupiil/corneal reflection)的眼動(dòng)儀在嬰幼兒研究中最為常用(Aslin&McMurray,2004:Gredeback et al.,2010)。嬰幼兒研究選擇眼動(dòng)儀時(shí),必須考慮實(shí)用性(實(shí)驗(yàn)儀器便攜、校準(zhǔn)、軟件操作)和準(zhǔn)確性(時(shí)間和空間分辨率)的問題(Morgante,Zolfaghari,&Johnson,2012)。

        從使用的便攜性來分,眼動(dòng)儀可以分為桌面/遙測(cè)式(taqble-mounted/remote/spatial fixed eyetrocker)和頭戴式(head-mounted eye tracker)(Corbetta,Guan,&Wiuiams,2012;Duchowski,2007)。桌面式眼動(dòng)儀的優(yōu)點(diǎn)是采樣率較高,校準(zhǔn)精確、簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)質(zhì)量較高和應(yīng)用群體的年齡范圍廣。應(yīng)用于嬰幼兒研究時(shí),父母需要抱著嬰幼兒完成實(shí)驗(yàn)且同時(shí)佩戴眼鏡或目光向下看(避免父母眼睛的干擾);適合對(duì)采樣率要求比較高的研究(Aslin&MeMurray,2004;Franchak,Kretch,Sos-ka,Babeoek&Adolph,2010)。但是桌面式的不足是嬰幼兒往往會(huì)因頭動(dòng)或身體移動(dòng)而影響數(shù)據(jù)質(zhì)量,不適合一些需要互動(dòng)或移動(dòng)的研究(Corbettaet al.,2012;Duchowski,2007;Feng,2011;Gre-deback et a1.,2010)。

        雖然頭戴式眼動(dòng)儀已經(jīng)有20年以上的歷史,但受到尺寸、重量和操作便捷性的限制,最近才被應(yīng)用到嬰幼兒研究中(Aslin,2012;Corbetta et al.,2012)。相對(duì)于遙測(cè)眼動(dòng)儀,頭戴式眼動(dòng)儀的最大特點(diǎn)是嬰幼兒可以任意移動(dòng)去探索其所處的真實(shí)環(huán)境。所以。在關(guān)于幼兒的動(dòng)作發(fā)展、親子互動(dòng)的研究中均使用頭戴式眼動(dòng)儀(Corbetta et al.,2012;Franchak&Adolph,2010)。然而,頭戴式眼動(dòng)儀也存在一些不足:首先,采樣率偏低(30-60Hz),校準(zhǔn)相對(duì)困難,尤其在真實(shí)場(chǎng)景中缺乏有效的校準(zhǔn)(Corbetta et al.,2012;Gredeback et al.,2010);其次,場(chǎng)景攝像機(jī)拍攝的視頻是2D。而兒童看到的世界是3D的,導(dǎo)致嬰兒在看眼前和遠(yuǎn)處物體時(shí)會(huì)存在跟蹤困難,疊加數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)丟失深度信息(Aslin,2012);再次。真實(shí)場(chǎng)景中數(shù)據(jù)疊加、導(dǎo)出和分析處理遠(yuǎn)沒有遙測(cè)式眼動(dòng)儀完備,這也限制了頭戴式眼動(dòng)儀的使用。

        除了角膜反射技術(shù),也有研究者采用了眼電圖記錄(electrooculography,EOG)的方式來記錄嬰兒的眼動(dòng),其空間采樣率也能夠達(dá)到200Hz(VonHofsten&Rosander,1996,1997)。對(duì)于具體的儀器使用現(xiàn)狀,研究者統(tǒng)計(jì)了2009年至2014年發(fā)表的105篇文獻(xiàn)(綜述和方法論文不包含在內(nèi),其中英文63篇,中文42篇,中文包含碩、博士論文),使用桌面式眼動(dòng)儀占到了很高比例,其中Tobii有77篇(占73%),ASL 11篇(10%),EveLink 8篇(8%),SMI 6篇(6%),自主設(shè)計(jì)3篇(3%)。

        綜上可以發(fā)現(xiàn),研究者可根據(jù)不同類型眼動(dòng)儀的優(yōu)缺點(diǎn)選擇合適的眼動(dòng)儀(Morgante et al.,2012)。若實(shí)驗(yàn)要求較高的采樣率和數(shù)據(jù)質(zhì)量,且實(shí)驗(yàn)任務(wù)不涉及較多頭動(dòng)、體動(dòng)等。則宜采用桌面式眼動(dòng)儀,但需由父母懷抱嬰幼兒協(xié)助完成實(shí)驗(yàn),并避免父母眼睛干擾嬰幼兒眼動(dòng)記錄:反之,若對(duì)采樣率等的要求相對(duì)較低,且關(guān)注嬰幼兒動(dòng)作或互動(dòng)性等問題,則宜選擇頭戴式眼動(dòng)儀。

        2 針對(duì)嬰幼兒的眼睛校準(zhǔn)

        針對(duì)嬰幼兒的眼動(dòng)研究要求一些比較特殊的校準(zhǔn)方式。從數(shù)據(jù)質(zhì)量的角度看,校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)越多。眼動(dòng)數(shù)據(jù)的空間準(zhǔn)確率就越高,數(shù)據(jù)也就越精確(Duchowski。2007;Morgante et al.,2012)。嬰幼兒的研究發(fā)現(xiàn),較差的校準(zhǔn)或校準(zhǔn)點(diǎn)缺失會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差增大(Leppanen,F(xiàn)orssman,Kaatiala,Yrttiaho,&Wass,2014)。所以,校準(zhǔn)質(zhì)量可以直接決定眼動(dòng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

        參照以往的研究,學(xué)齡前及更大的兒童可以使用適合成人的9點(diǎn)校準(zhǔn)或16點(diǎn)校準(zhǔn),但是小于3歲的嬰幼兒一般采取5點(diǎn)、3點(diǎn)或2點(diǎn)校準(zhǔn)(Aslin&McMurray,2004;Di Giorgio et al.,2012;Feng,2011;Gredeback et al.,2010)。對(duì)現(xiàn)有研究進(jìn)行梳理發(fā)現(xiàn),大量研究使用了5點(diǎn)校準(zhǔn)(Biro,2013;C,Elsner,Bakker,Rohlfing,&Gredeback,2014;Gaither et al.,2012;Griffey&Litde,2014;Kolling,Oturai,&Knopf,2014;Liu et al.,2011;Nawrot&Nawrot,2013;Richmond,Zhao,&Bums,2015;Shuwairi&Johnson,2013;Sirois&Jackson,2012;韓映虹,劉妮娜,閆國(guó)利,劉健,2011;劉寶根,周兢,高曉妹,李林慧,2011),較少有研究使用9點(diǎn)(Elsner et al.,2013;谷莉,白學(xué)軍,2014)、3點(diǎn)(Bulf&Valenza,2013;Di Giorgio et al.,2012;Ronconi et al.,2014)和2點(diǎn)(Amso et al.,2014;Bomstein,Mash,&Arterberry,2011;Frank,Vul,&Saxe,2012)校準(zhǔn)。在檢索到的105篇文獻(xiàn)中,5點(diǎn)校準(zhǔn)為69篇(66%),9點(diǎn)7篇(7%),3點(diǎn)6篇(6%),2點(diǎn)5篇(5%),未報(bào)告校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)的18篇(17%)。

        因?yàn)閶胗變旱淖⒁獬掷m(xù)時(shí)間較短以及注意發(fā)展不成熟。用于成人校準(zhǔn)的圓點(diǎn)并不適合于嬰幼兒。大部分嬰幼兒研究使用卡通圖片、卡通人物或閃動(dòng)的Flash等進(jìn)行校準(zhǔn),并在校準(zhǔn)過程中伴隨聲音刺激以吸引注意(Corbetta et al.。2012;Di Giorgioet al.,2012;Liu et al.,2011;Sirois&Jackson,2012;王福興,李文靜,顏志強(qiáng),段朝輝,李卉,2015)。在校準(zhǔn)時(shí)間上,應(yīng)該保證最短時(shí)間完成校準(zhǔn)。建議在1分鐘內(nèi)完成校準(zhǔn)。給實(shí)驗(yàn)留出足夠的時(shí)間(Morgante et al.,2012)。如果實(shí)驗(yàn)時(shí)間比較長(zhǎng)或在實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)注視偏移,建議在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中插入1-2次校準(zhǔn),以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。以上的這些校準(zhǔn)主要針對(duì)桌面式眼動(dòng)儀。如何針對(duì)頭戴式眼動(dòng)儀校準(zhǔn),目前沒有統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)。比如:Fran-chak等人在其研究中,仍然采用了桌面式校準(zhǔn)的方式,在2D平面上呈現(xiàn)3x3的9點(diǎn)校準(zhǔn)(Fran-chak&Adolph,2010;Franchak,Kretch,Soska,&Adolph,2011)。Corbetta等人(2012)在其研究中也使用了基于2D平面的校準(zhǔn)。

        由于受到瞳孔透光性、第一普肯野成像、虹膜顏色深淺以及鞏膜與虹膜對(duì)比的影響,照射到眼睛的紅外線反光形成的瞳孔參照會(huì)出現(xiàn)明亮或變暗的情況(Duchowski,2007)。所以基于瞳孔/角膜反射原理的眼動(dòng)校準(zhǔn)還要注意明瞳(bright pupil cornealreflection)和暗瞳(dark pupil corneal reflection)的差異。一般明瞳是指相對(duì)于鞏膜和虹膜,瞳孔紅外線反射顯示較明亮的現(xiàn)象,這種情況多發(fā)生于藍(lán)眼睛被試或嬰幼兒被試,所以嬰幼兒被試比較適合基于明瞳的眼動(dòng)追蹤:而暗瞳則更適合年齡較大的被試或深色眼睛的被試(Gredebaick et al.,2010)。就目前國(guó)內(nèi)常見的眼動(dòng)儀而言,一些適用于成人的高采樣率眼動(dòng)儀均使用暗瞳追蹤(如:EyeLink1000/2000,SMI RED 250/500/High Speed,TobiiTX300,ASL Mobile Eye),也有眼動(dòng)儀使用明瞳和暗瞳兩種方式或自適應(yīng)的方式(如:Tobii T60/120。Tobii T60 XL)或明瞳追蹤(如:ASL H6)。

        總之,嬰幼兒被試的眼睛校準(zhǔn)需要從校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)、校準(zhǔn)刺激、校準(zhǔn)時(shí)長(zhǎng)、校準(zhǔn)次數(shù)、瞳孔追蹤等多方面進(jìn)行考慮:①學(xué)齡前及更大幼兒可考慮與成人類似的9點(diǎn)或更多點(diǎn)數(shù)的校準(zhǔn):小于3歲嬰幼兒首選5點(diǎn)校準(zhǔn),若存在校準(zhǔn)困難,則可降低至3點(diǎn)或2點(diǎn)校準(zhǔn)。②嬰幼兒校準(zhǔn)時(shí)可采用高吸引力的校準(zhǔn)刺激,如:卡通人物、閃爍動(dòng)畫,并伴隨合適的聲音刺激。③整個(gè)校準(zhǔn)過程建議在1分鐘以內(nèi)完成。④若實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)或發(fā)現(xiàn)嬰幼兒被試在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)較大范圍的注視偏移,可適當(dāng)插入1-2次校準(zhǔn)。⑤基于瞳孔/角膜反射原理的嬰幼兒眼動(dòng)校準(zhǔn)可考慮采用明瞳追蹤模式。

        3 如何保證嬰幼兒研究的眼動(dòng)數(shù)據(jù)質(zhì)量

        3.1 嬰幼兒研究中眼動(dòng)數(shù)據(jù)質(zhì)量影響因素

        如前所述,由于嬰幼兒的特殊性。大部分嬰幼兒研究的眼動(dòng)數(shù)據(jù)質(zhì)量都偏低(LepNinen et al.,2014;Wass,Smith,&Johnson,2013)。比如:研究者采用相同實(shí)驗(yàn)任務(wù)對(duì)比嬰兒和成人數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),相對(duì)成人數(shù)據(jù),嬰兒的眼動(dòng)數(shù)據(jù)質(zhì)量要更差(Wass,F(xiàn)orssman,&Leppainen,2014;Wass et al.,2013)。進(jìn)一步對(duì)比還發(fā)現(xiàn),低準(zhǔn)確性、低穩(wěn)定性數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致更短的注視時(shí)間和更長(zhǎng)的首個(gè)注視到達(dá)時(shí)間(Leppanen et al.,2014;Wass et al.,2014;Wass et al.,。2013)。研究者把影響嬰幼兒眼動(dòng)數(shù)據(jù)質(zhì)量問題歸結(jié)為數(shù)據(jù)的低準(zhǔn)確性(10w preci-siort)、低穩(wěn)定性(low robustness)、空間準(zhǔn)確性(spatial accuracy)和時(shí)間延時(shí)(temporal delay)4類問題(Bliznaut&Wium,2014;Holmqvist et al.,201 1;Morgante et al.,2012;Wass et al.,2014;Wass et al.,2013)。圖1呈現(xiàn)了4種不同條件的數(shù)據(jù)質(zhì)量供讀者參照。

        眼動(dòng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量一般通過時(shí)間分辨率(tempo-ral resolution)和空間分辨率(spatial resolution)(Morgante et al.,2012)兩個(gè)方面來衡量。時(shí)間分辨率主要依賴于眼動(dòng)儀配備的高速攝像機(jī)和軟件的數(shù)學(xué)算法。嬰幼兒認(rèn)知研究中可接受的時(shí)間采樣率在50-120Hz(Aslin,2012)。目前國(guó)內(nèi)常見的眼動(dòng)儀,頭戴式一般30-120Hz(如:Tobii T120為60或120Hz,ASL H6-HS為360Hz);桌面式一般為60-2000Hz不等。大部分眼動(dòng)儀時(shí)間采樣率都能夠達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),研究者有很大的選擇空間。但是,由于眼動(dòng)儀的算法和數(shù)據(jù)生成方式的差別,研究者如果需要比較精確的時(shí)間分辨率(如:嬰兒的預(yù)測(cè)性注視),可能就需要特別關(guān)注眼動(dòng)儀在刺激呈現(xiàn)和數(shù)據(jù)記錄過程中的時(shí)鐘同步和時(shí)間準(zhǔn)確性問題(Aslin,2012;Oakes,2012;Wass et al.,2014),這個(gè)問題后面會(huì)較詳細(xì)地論述。

        空間分辨率不僅依賴于眼動(dòng)儀的硬件系統(tǒng),更依賴于校準(zhǔn)的質(zhì)量。一般校準(zhǔn)點(diǎn)越多,其空間分辨率越高。如果校準(zhǔn)質(zhì)量較差,基于視頻技術(shù)的眼動(dòng)儀(video-based eye tracker)會(huì)導(dǎo)致注視疊加出現(xiàn)偏移,從而產(chǎn)生較低空間分辨率和較大噪音的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(Aslin,2012)。比如:研究發(fā)現(xiàn)5點(diǎn)校準(zhǔn)情況下嬰兒注視的空間偏移可達(dá)1,2度,遠(yuǎn)超出說明書所標(biāo)注的0.95度(Morgante et al.,2012)。建議在條件允許的情況下,使用多點(diǎn)校準(zhǔn)(較好的校準(zhǔn)為5點(diǎn)及以上)。根據(jù)Gredeback等人(2010)研究經(jīng)驗(yàn),4月以上嬰兒一般可以完成5點(diǎn)或6點(diǎn)校準(zhǔn),小于4個(gè)月的嬰兒一般采用2點(diǎn)校準(zhǔn)。目前研究中普遍存在的一個(gè)問題是只報(bào)告眼動(dòng)的時(shí)間分辨率,而忽視了空間分辨率。檢索目前嬰幼兒研究可以發(fā)現(xiàn),很少有研究報(bào)告儀器的空間分辨率。國(guó)內(nèi)常用眼動(dòng)儀中,高時(shí)間分辨率眼動(dòng)儀的空間分辨率一般為0.01-0.03度(如:EveLink 1000/2000。SMI Hi-speed/RED),而一些針對(duì)幼兒或頭戴式眼動(dòng)儀,空間分辨率一般為0.5度左右(如:Tobii T12ffT60 XL,SMI ETG,ASL Mobile Eye,ASL H6/D6)。

        此外,大部分嬰幼兒研究都存在頭動(dòng)的問題。研究發(fā)現(xiàn)嬰幼兒在實(shí)驗(yàn)中頭動(dòng)與眼動(dòng)數(shù)據(jù)質(zhì)量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),但是這種影響僅限于數(shù)據(jù)穩(wěn)定性而不影響準(zhǔn)確性(Wass et al.,2014)。目前大部分眼動(dòng)儀都標(biāo)注了頭動(dòng)范圍(如:Tobii允許30×22×30cm(長(zhǎng)、寬、深)范圍內(nèi)頭動(dòng),SMI標(biāo)注40x20×70cm),但是也有一些眼動(dòng)儀沒有在手冊(cè)或說明書中詳細(xì)標(biāo)注可以允許頭動(dòng)范圍。雖然大部分遙測(cè)眼動(dòng)儀都宣稱可以允許一定范圍的頭動(dòng),但是頭動(dòng)問題仍然會(huì)降低數(shù)據(jù)質(zhì)量(見圖1)。對(duì)于年齡較大的幼兒而言,有效的辦法是使用托架:對(duì)于年齡較小的嬰兒則盡量由父母來控制頭動(dòng)。

        很多儀器在刺激呈現(xiàn)和數(shù)據(jù)記錄上都存在延時(shí)現(xiàn)象,這種延時(shí)更多來自刺激與記錄時(shí)鐘不同步或被試頭動(dòng)導(dǎo)致的追蹤失敗恢復(fù)延時(shí)(Aslin。2012)。一般而言,追蹤失敗后延時(shí)、刺激呈現(xiàn)與記錄同步性是衡量眼動(dòng)追蹤技術(shù)的重要參數(shù)指標(biāo)。Mor-gante、Zolfaghari和Johnson(2012)對(duì)比了TobiiT60XL眼動(dòng)儀記錄的POG(position of'gaze)數(shù)據(jù)和Tobii Studio生成的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)兩者之間的延時(shí)最高可達(dá)55ms(M=44.5ms,range=27-54.5ms)。當(dāng)使用E-prime呈現(xiàn)刺激同時(shí)使用Tobii Studio記錄數(shù)據(jù),仍然發(fā)現(xiàn)E-prime記錄的注視數(shù)據(jù)和TobiiStudio導(dǎo)出的數(shù)據(jù)之間存在不一致性。此外,Shukla等人(2011)采用基于Matlab數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn),超過95%的眼動(dòng)數(shù)據(jù)都存在大約lOOms的不一致性。由于技術(shù)障礙、刺激材料復(fù)雜性和被試的個(gè)體差異。延時(shí)的問題目前還要靠研究者自己權(quán)衡和取舍(Aslin,2012)。

        除了以上因素,一些其他因素也會(huì)降低眼動(dòng)數(shù)據(jù)質(zhì)量。比如:嬰兒的個(gè)體差異性;實(shí)驗(yàn)前有哭泣,眼淚或水汪汪的眼睛會(huì)影響角膜反光記錄:嬰幼兒在實(shí)驗(yàn)過程中分心,不能集中注意力參與實(shí)驗(yàn);較長(zhǎng)的測(cè)驗(yàn)時(shí)間導(dǎo)致被試疲勞等。另外,相對(duì)于成人的瞳孔比例,嬰幼兒瞳孔比例偏大,導(dǎo)致以成人為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的眼動(dòng)儀對(duì)嬰兒校準(zhǔn)時(shí)遇到困難,從而影響注視追蹤和數(shù)據(jù)質(zhì)量(Wass et al.,2014)。

        因此,從影響眼動(dòng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素上考慮,研究者可從以下方面保證嬰幼兒的眼動(dòng)數(shù)據(jù)質(zhì)量:①盡量選擇50-120Hz甚至更高采樣率的眼動(dòng)儀,以保證良好的時(shí)間分辨率。②條件允許情況下,可采用5點(diǎn)及以上校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù),以保證良好的空間分辨率。③減少嬰幼兒被試的頭動(dòng),年齡稍大的幼兒可借助托架記錄眼動(dòng)數(shù)據(jù),年齡較少的嬰幼兒可由父母協(xié)助控制其頭動(dòng)。④實(shí)驗(yàn)前確保嬰幼兒眼睛內(nèi)無較多(因哭泣、呵欠而致的)眼淚。⑤實(shí)驗(yàn)中盡量減少與實(shí)驗(yàn)無關(guān)的分心刺激的干擾。⑥盡量縮短單個(gè)block的實(shí)驗(yàn)時(shí)間及實(shí)驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)等。

        3.2 如何插補(bǔ)、過濾和篩選嬰幼兒眼動(dòng)數(shù)據(jù)

        針對(duì)嬰幼兒研究的眼動(dòng)數(shù)據(jù)質(zhì)量偏低的現(xiàn)象,研究者關(guān)心如何采用補(bǔ)償?shù)姆绞交驍?shù)據(jù)算法來保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性。在嬰幼兒研究中,頭動(dòng)后如何及時(shí)恢復(fù)追蹤且處理因?yàn)樽粉檨G失導(dǎo)致的延時(shí)是特別棘手的問題(Oakes,2012;Wass et al.,2014)。允許頭動(dòng)的眼動(dòng)儀都會(huì)使用插補(bǔ)(interpolation/mapping)的方式把由于頭動(dòng)而沒有追蹤到的數(shù)據(jù)基于數(shù)學(xué)算法填補(bǔ)進(jìn)來(插補(bǔ)算法可參照:Duchowski。2007)。但是,大部分眼動(dòng)儀都沒有詳細(xì)介紹頭動(dòng)后眼動(dòng)數(shù)據(jù)的插補(bǔ)算法(可能涉及到知識(shí)產(chǎn)權(quán)或保密性問題)。建議研究者在選擇眼動(dòng)儀或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),根據(jù)研究目的和被試特點(diǎn)詳細(xì)咨詢和評(píng)估頭動(dòng)的插補(bǔ)算法。對(duì)于缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ),也很少有研究報(bào)告。Wass等人(2014)在研究中對(duì)數(shù)據(jù)插補(bǔ)進(jìn)行了設(shè)定。如果數(shù)據(jù)丟失小于150ms,使用線性插補(bǔ)來彌補(bǔ)丟失數(shù)據(jù),大于150ms不進(jìn)行插補(bǔ)。也有研究者(Franket al.,2012)對(duì)單眼缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行了插補(bǔ)以保證數(shù)據(jù)完整性;同時(shí),采用雙側(cè)過濾算法(bilateralfiltering algorithm)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了平滑處理(Durand&Dorsey,2002,F(xiàn)rank et al.,2009)。

        此外,研究者也關(guān)心采集到的數(shù)據(jù)要不要過濾(filtering)、如何過濾以及如何界定過濾標(biāo)準(zhǔn)問題(Duchowski,2007;Gredeback et al.,2010;Morgante et al.,2012;Oakes,2010)。Frank等人(2009)有關(guān)3-9月大嬰兒平滑追蹤的研究中使用了注視點(diǎn)(POG)有效采樣比例不低于50%、注視點(diǎn)漂移直徑小于2度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾和篩選,過濾掉數(shù)據(jù)比例為48%。Corbetta等人(2012)的一項(xiàng)嬰兒研究中,由于數(shù)據(jù)過濾而剔除掉被試高達(dá)64%(75名被試,僅27人有效)。對(duì)于眼動(dòng)數(shù)據(jù)過濾,一些研究者采用有效采樣比例不低于70%(Nawrot&Nawrok 2013;荊偉,方俊明,趙微,2014)或50%(Brandone,Horwitz,Aslin,&Wellman,2014;Grif-fev&Little。2014)作為篩選標(biāo)準(zhǔn),也有研究者采用比較寬松的30%標(biāo)準(zhǔn)(Amso et al.,2014;Frank et al.,2012)或者比較嚴(yán)格的90%標(biāo)準(zhǔn)(谷莉,白學(xué)軍。2014)。在統(tǒng)計(jì)的105篇文獻(xiàn)中,明確報(bào)告對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和篩選的僅17篇(16%),大部分研究都未報(bào)告數(shù)據(jù)篩選或過濾的細(xì)節(jié)。

        因此,從技術(shù)層面考慮,研究者可從以下方面保證嬰幼兒眼動(dòng)研究的數(shù)據(jù)質(zhì)量:①對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ),以保證數(shù)據(jù)完整性。如:采用線性插補(bǔ)來彌補(bǔ)丟失小于150ms的數(shù)據(jù)。②設(shè)定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)過濾標(biāo)準(zhǔn)。如:對(duì)于年齡稍大的幼兒或整體質(zhì)量較好的數(shù)據(jù),可設(shè)置70%(甚至90%)的有效采樣比例過濾標(biāo)準(zhǔn):對(duì)于年齡較小的嬰幼兒或整體質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)??蛇m當(dāng)降低該過濾標(biāo)準(zhǔn)至50%(甚至30%)。

        4 如何分析嬰幼兒的眼動(dòng)數(shù)據(jù)

        4.1 嬰幼兒研究中注視的界定及常用的眼動(dòng)指標(biāo)

        梳理現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),與成人研究類似。大部分研究者在注視點(diǎn)界定上采用眼睛注視停留在一定區(qū)域(如:30像素半徑或1度視角)超過lOOms來界定注視(Amso et al.,201 4;Gaither et al.,2012;Liu et al.,2011;Ronconi et al.,2014),低于此閾值作為噪音進(jìn)行過濾。也有一些研究者采用一定區(qū)域(如:50像素半徑或1度視角半徑)停留超過200ms作為標(biāo)準(zhǔn)(Biro,2013;Bornstein et al.,2011;C,Elsner et al.,2014;Richmond et al.,2015)或1度視角內(nèi)停留超過30ms作為標(biāo)準(zhǔn)(Shuwairi&Johnson,2013)。此外,也有研究者使用眼跳速度(30°/s)和眼跳加速度(8000°/s)來界定注視(Kolling et al.,2014);也有人使用100像素范圍內(nèi)停留80ms作為界定注視標(biāo)準(zhǔn)(Taylor&Herbert,2013)。具體的標(biāo)準(zhǔn)需要研究者根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量和研究需要自己權(quán)衡。

        在嬰幼兒研究中,用到了很多眼動(dòng)指標(biāo),比如:總注視時(shí)間(total fixation time/looking time)、注視次數(shù)(fixation count/fixation number)、首次注視到達(dá)時(shí)間(time to first fixation/latencr to first fixate),這些指標(biāo)界定和分析方法與成人研究類似,在此不再贅述(Rayner,1998;閆國(guó)利等,2013)。僅介紹一些在嬰兒研究中比較特殊的指標(biāo)。

        瞳孔大小(puoil size)是一個(gè)在嬰幼兒研究中常用而成人研究中較少使用的指標(biāo)。研究認(rèn)為瞳孔放大反映了認(rèn)知難度增加、心理加工強(qiáng)度增大和對(duì)信息的興趣增加,被試需要通過瞳孔放大獲取更多的視覺信息(Ariel&Castel。2014;Goldinger&Paoesh。2012)。在嬰幼兒研究中,瞳孔大小會(huì)提供其他眼動(dòng)指標(biāo)無法發(fā)現(xiàn)的一些結(jié)果。比如:研究者在嬰兒對(duì)非預(yù)期性事件認(rèn)知和客體永存研究中,嬰兒的瞳孔大小測(cè)量可以輔助解釋可靠性不高的觀看時(shí)間(Jackson&Sirois,2009;Sirois&Jackson,2012)。由于瞳孔大小會(huì)受到低水平刺激(比如:明度)的影響(Laeng&Sulutvedt,2014),因此瞳孔直徑計(jì)算一般采用實(shí)驗(yàn)條件下的瞳孔直徑減去基線所得的差值。比如:有研究者在正式實(shí)驗(yàn)刺激之前讓其觀看中性刺激,以中性刺激條件下的瞳孔直徑(Morita et al.,2012)或控制組的瞳孔直徑大小作為基線(Frankenhuis,House,Clark Barrett,&Johnson。2013)。對(duì)比不同條件下瞳孔直徑的變化即可推測(cè)出嬰幼兒相應(yīng)的心理活動(dòng)。也有研究發(fā)現(xiàn),嬰兒對(duì)陌生人的中性情緒面孔有瞳孔放大現(xiàn)象(Gredeback,Eriksson,Schmitow,Laeng,&Sten-berg,2012)。因此,瞳孔直徑的變化對(duì)于了解嬰幼兒的認(rèn)知、情感等具有重要意義。

        眼跳潛伏期(saccade latencies)的應(yīng)用多來自一些運(yùn)動(dòng)物體感知或動(dòng)作感知的研究(Gredeback etal.,2010)。根據(jù)嬰兒研究中的界定,如果注視發(fā)生在物體或事件發(fā)生之前,被界定為預(yù)測(cè)性眼跳(predictive):如果注視發(fā)生在之后則界定為反應(yīng)性眼跳(reactive)(Falck-Ytter,Gredeback,&VonHofsten,2006;Gredeback et al.,2010)。類似地,也有研究者提出預(yù)測(cè)性注視(anticipatory fixation)來解釋嬰兒對(duì)物體或歸類的注視(McMurray&Aslin,2004)。平滑追蹤(smooth pursuit)是人們對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行持續(xù)視覺追蹤的一種眼動(dòng)模式(Duchowski,2007;王向博,丁錦紅,2011)。新生兒眼球運(yùn)動(dòng)的主要形式是跳躍式,在6-8周時(shí)嬰兒眼球追蹤物體的能力開始發(fā)展,到4-5個(gè)月時(shí)嬰兒平滑追蹤的能力才接近成人的水平(Von Hofsten&Rosander,1997)。

        4.2 嬰幼兒眼動(dòng)數(shù)據(jù)的視覺化挖掘

        眼動(dòng)儀采集到的數(shù)據(jù)既包含了時(shí)間信息也包含了空間信息。但是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析中。大多數(shù)研究者主要對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)條件下集中數(shù)據(jù)(如:平均數(shù))來揭示實(shí)驗(yàn)操作是否有差異,而這種方法會(huì)丟失很多有價(jià)值的信息,尤其是對(duì)于眼動(dòng)這種具有時(shí)空信息的數(shù)據(jù)(Duchowski,2007;Yu,Yurovsky,&Xu。2012)。如前所述,眼動(dòng)儀自帶的數(shù)據(jù)導(dǎo)出或分析軟件會(huì)使用過濾、插補(bǔ)和平滑處理(smoothing)把一些噪音過濾掉、使用數(shù)學(xué)算法插補(bǔ)因頭動(dòng)或追蹤失敗導(dǎo)致的缺失數(shù)據(jù),經(jīng)過平滑處理后,導(dǎo)出的數(shù)據(jù)就更加連續(xù)且完整(Wass et al.,2014)。所以,研究者如果需要挖掘數(shù)據(jù)的深層含義和更好地利用數(shù)據(jù)。建議使用原始數(shù)據(jù)(raw data),而不是直接使用自帶軟件生成的數(shù)據(jù)。

        針對(duì)嬰幼兒研究的特殊性和眼動(dòng)數(shù)據(jù)分析繁瑣性,Yu等人(2012)提出了一個(gè)交互式數(shù)據(jù)分析(interactive data anal3,sis)和視覺數(shù)據(jù)挖掘(visualdata mining)的方法。其核心的理念為:①不過度依賴軟件生成的數(shù)據(jù),利用原始數(shù)據(jù)自下而上進(jìn)行分析,保證數(shù)據(jù)的有效性;②利用研究者自身的經(jīng)驗(yàn),自上而下進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)律和模式;③把刺激材料(或視覺刺激場(chǎng)景)和眼動(dòng)數(shù)據(jù)放在一個(gè)時(shí)間軸上進(jìn)行基于事件的時(shí)間分析(event-based temporal analysis)(Corbetta et al.,2012),更直觀了解數(shù)據(jù)的個(gè)體差異和自變量導(dǎo)致的差異。這種視覺化數(shù)據(jù)分析方法在一些嬰幼兒研究中被借鑒和使用(Corbetta et al.,2012;Sirois&Jackson,2012)。本文以圖2為例。說明如何利用視覺化技術(shù)來呈現(xiàn)、分析和挖掘眼動(dòng)數(shù)據(jù)。

        圖2的上圖以時(shí)間為橫坐標(biāo),注視點(diǎn)的屏幕Y軸(像素)為縱坐標(biāo)。畫出了幼兒3×3矩陣中搜索目標(biāo)物的注視情況。由圖可知,當(dāng)目標(biāo)物(花)處于屏幕上方時(shí),被試的注視點(diǎn)從屏幕中間急速轉(zhuǎn)移到屏幕上方,并維持停留在屏幕上方(片段2):當(dāng)?shù)诙€(gè)刺激的目標(biāo)物(蛇)出現(xiàn)在屏幕中間時(shí)。被試的注視點(diǎn)向屏幕中間轉(zhuǎn)移(片段3-4),但是回避威脅性刺激(蛇)并向上注視(片段5)。接著當(dāng)?shù)谌齻€(gè)刺激的目標(biāo)物(花)出現(xiàn)在屏幕下方時(shí),被試的注視點(diǎn)起初會(huì)在屏幕中間短暫逗留(片段6),緊接著注視到目標(biāo)物(片段7-8)。視覺化原始眼動(dòng)數(shù)據(jù)流除了可以直觀了解被試的注視隨時(shí)間的變化外。還可以用于了解被試個(gè)體差異和去除噪音。圖中片段1、2、3、5、6、7都表明了不同個(gè)體間相似的注視模式,結(jié)合整個(gè)數(shù)據(jù)判斷片段4說明了3號(hào)被試的個(gè)體差異。而片段8中2號(hào)被試數(shù)據(jù)屬于噪音,可以剔除。因?yàn)榻Y(jié)合實(shí)驗(yàn)同步視頻發(fā)現(xiàn)被試在片段8時(shí)手機(jī)震動(dòng)。影響了其注意力。這種視覺化呈現(xiàn)眼動(dòng)的方式有助于研究者對(duì)異常眼動(dòng)行為或數(shù)據(jù)的識(shí)別,從而保證眼動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖2下圖以時(shí)間為橫坐標(biāo),注視點(diǎn)個(gè)數(shù)為縱坐標(biāo),畫出了幼兒和成人在觀看帶有不同線索的多媒體時(shí)注視點(diǎn)個(gè)數(shù)隨時(shí)間的變化情況,其中,陰影部分為統(tǒng)計(jì)顯著的區(qū)域。當(dāng)把兩組被試總體進(jìn)行比較時(shí)發(fā)現(xiàn)差異并不顯著。但是通過視覺化挖掘,統(tǒng)計(jì)特定提示線索出現(xiàn)時(shí)數(shù)據(jù)(灰色陰影區(qū)域)發(fā)現(xiàn)兩組間差異顯著。

        綜上,研究者可以考慮從以下方面合理分析嬰幼兒眼動(dòng)數(shù)據(jù):①明確界定注視點(diǎn)(例如:停留100ms及以上視為一個(gè)注視點(diǎn)),可能會(huì)得到不一樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。②嘗試分析瞳孔大小、眼跳潛伏期等較為特殊的嬰幼兒眼動(dòng)指標(biāo)。③盡量采用原始數(shù)據(jù)(而非自帶軟件生成的數(shù)據(jù))進(jìn)行視覺化挖掘。④采用基于事件的時(shí)間序列分析(如:刺激鎖時(shí)、反應(yīng)鎖時(shí))對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行視覺化挖掘。

        5 總結(jié)與展望

        眼動(dòng)技術(shù)越來越成為嬰幼兒研究中的一種流行工具,而如何充分地利用眼動(dòng)儀收集和分析嬰幼兒眼動(dòng)數(shù)據(jù),是許多眼動(dòng)研究者需要考慮的重要環(huán)節(jié)。本文從正式實(shí)驗(yàn)前的眼動(dòng)儀選擇和眼動(dòng)校準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)化以及實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)分析與挖掘等方面對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行了梳理,并就每個(gè)方面提出了相應(yīng)的操作性建議,以期為國(guó)內(nèi)嬰幼兒眼動(dòng)研究的深入開展提供一定的指導(dǎo)。

        除此之外,作者也建議在呈現(xiàn)嬰幼兒研究的眼動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn):①報(bào)告嬰幼兒眼睛距屏幕的距離,刺激像素大小或視角、屏幕可視區(qū)域的視角大??;②提供關(guān)于眼動(dòng)儀時(shí)間和空間分辨率的詳細(xì)參數(shù)、頭動(dòng)補(bǔ)償算法;③完整描述幾點(diǎn)校準(zhǔn)、校準(zhǔn)點(diǎn)大小及位置、校準(zhǔn)通過的標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)過程;④介紹如何剔除無效被試數(shù)據(jù)、如何處理缺失數(shù)據(jù)、基于什么標(biāo)準(zhǔn)過濾數(shù)據(jù)(比如:基于什么時(shí)間和空間標(biāo)準(zhǔn)界定注視點(diǎn):眼睛角速度閾值在多少以上算作眼跳);⑤詳細(xì)報(bào)告AOI的畫法、像素大小或視角大?。ˋdler&Orprecio,2006;Frank et al.,2009;Gredeback et al.,2010;Oakes,2010)。

        另外,研究者及技術(shù)開發(fā)人員仍然需要在嬰幼兒眼動(dòng)研究中注意以下問題:第一,個(gè)體成熟對(duì)嬰幼兒眼動(dòng)的影響不容忽視。不同于成人。嬰幼兒的眼動(dòng)會(huì)因個(gè)體的成熟而發(fā)展或變化(Grtinqvist,Gredeback,&Von Hofsten,2006;Kramer,Gonzalezde Sather,&Cassavaugh,2005),所以在對(duì)比不同年齡階段嬰幼兒的眼動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí),不能一味地將實(shí)驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)上的差異歸結(jié)為實(shí)驗(yàn)操控,因?yàn)檫@種差異也有可能是個(gè)體成熟本身帶來的影響。因此,需要特別關(guān)注個(gè)體成熟對(duì)眼動(dòng)的影響。

        第二,以嬰幼兒為導(dǎo)向,開發(fā)真正適合嬰幼兒研究的眼動(dòng)設(shè)備。一方面,現(xiàn)在的眼動(dòng)儀從刺激呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)分析軟件到眼動(dòng)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)算法、興趣區(qū)

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