李文清 張珊珊 徐琨鵬

摘 要：眼動(dòng)追蹤技術(shù)已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)認(rèn)知心理學(xué)和用戶體驗(yàn)等領(lǐng)域，對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)范式和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，眼動(dòng)儀的選擇既需要考慮測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度，也需要考慮其應(yīng)用的生態(tài)效度。對(duì)眼動(dòng)儀數(shù)據(jù)指標(biāo)的認(rèn)知意義和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的研究范式進(jìn)行簡要總結(jié)，并選取業(yè)內(nèi)最具代表性的SR公司的EyeLink系列和Tobii公司的Tobii系列眼動(dòng)儀最新款產(chǎn)品，從設(shè)備性能參數(shù)、研究適用領(lǐng)域和硬件擴(kuò)展空間3方面進(jìn)行對(duì)比，為不同研究領(lǐng)域研究者開展實(shí)驗(yàn)和選擇眼動(dòng)儀提供參考。

關(guān)鍵詞：眼動(dòng)儀;眼動(dòng)追蹤技術(shù);認(rèn)知行為實(shí)驗(yàn);生態(tài)效度

DOI：10. 11907/rjdk. 191363 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）002-0080-04

英標(biāo)：The Application and Selection of Eye-trackers in Cognitive Behavioral Experiments

英作：LI Wen-qing1， ZHANG Shan-shan2， XU Kun-peng3

英單：（1. College of Marxism，Sichuan University;2. College of Literature and Journalism，Sichuan University;3. College of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Abstract： Eye-tracking technology has been widely used in basic cognitive psychology and user experience study. For different research designs and experimental context， the choice of eye trackers requires considering both reliability and ecological validity. Besides a brief summary of the index of accuracy and the cognitive meaning of eye movements data， we introduce and compare the EyeLink eye trackers of SR company and the series of eye trackers of Tobii company，so as to make reference for researchers of different research fields to choose the eye trackers.

Key Words：eye trackers; eye-tracking technology; cognitive behavioral experiments; ecological validity

0 引言

眼球運(yùn)動(dòng)（下稱眼動(dòng)）作為視覺信息提取和加工的生理和行動(dòng)表征，能客觀全面地反映視覺信息選擇、注意力變換和知覺廣度等諸多信息。與傳統(tǒng)主觀報(bào)告法和外部觀察法相比，眼動(dòng)追蹤技術(shù)因其對(duì)個(gè)體內(nèi)外源性控制因素的全面考察、精細(xì)客觀、數(shù)據(jù)豐富等優(yōu)點(diǎn)具備獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值[1]。當(dāng)前，為鼓勵(lì)學(xué)生自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，越來越多的高校購入眼動(dòng)設(shè)備，以供學(xué)生開展跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的研究。高速眼動(dòng)追蹤儀器（簡稱“眼動(dòng)儀”）的應(yīng)用已從基礎(chǔ)心理學(xué)擴(kuò)展到人文社科醫(yī)多學(xué)科領(lǐng)域，如四川大學(xué)文學(xué)與新聞學(xué)院購入Tobii品牌眼動(dòng)儀，用于廣告效果評(píng)估、視覺傳播等研究。市面上眼動(dòng)儀品牌和系列繁多，如何正確挑選眼動(dòng)儀，以保證所需測(cè)量數(shù)據(jù)的精度和實(shí)驗(yàn)的生態(tài)效度，是研究者關(guān)心的關(guān)鍵問題，但鮮有文獻(xiàn)對(duì)此作全面梳理和介紹。本文擬對(duì)眼動(dòng)儀重要數(shù)據(jù)指標(biāo)的研究意義及其在認(rèn)知行為實(shí)驗(yàn)中的研究范式作簡要總結(jié)，在此基礎(chǔ)上對(duì)目前國內(nèi)高校和科研單位使用較為廣泛的兩個(gè)眼動(dòng)儀品牌，即加拿大SR公司和瑞典Tobii公司的眼動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)備性能、適用情境和擴(kuò)展空間等方面的介紹比較，為研究者合理選擇眼動(dòng)儀設(shè)備提供參考。

1 眼動(dòng)技術(shù)研究與應(yīng)用

1.1 眼動(dòng)指標(biāo)及意義

人類眼動(dòng)主要分為3種類型：注視（Fixation）、眼跳（Saccades）、追隨運(yùn)動(dòng)（Persuit Movement）[2]。注視是指將視網(wǎng)膜的中心凹持續(xù)對(duì)準(zhǔn)觀察對(duì)象，從而獲得清晰的圖像信息，通常持續(xù)100ms以上;眼跳是指眼球在注視點(diǎn)間的快速轉(zhuǎn)移，以使對(duì)象移動(dòng)到視網(wǎng)膜的中心凹上[3];追蹤運(yùn)動(dòng)是指眼睛隨視覺目標(biāo)的移動(dòng)而移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。人們用眼睛觀察客觀事物的過程中，正是依靠上述3種眼動(dòng)方式，完成對(duì)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)和追蹤，高效抓取關(guān)鍵視覺信息，獲得清晰的圖像輸入[4]。

眼動(dòng)儀可以采集注視、眼跳在時(shí)間、空間維度上的指標(biāo)，并能呈現(xiàn)追隨眼動(dòng)軌跡[5]。在眼動(dòng)數(shù)據(jù)分析中，研究者按照研究需要，將視覺對(duì)象劃分成不同的興趣區(qū)（Area of Interest，AOI），并由此得出每個(gè)興趣區(qū)內(nèi)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)。本文根據(jù)相關(guān)資料[5-10]整理出主要眼動(dòng)指標(biāo)數(shù)據(jù)及其認(rèn)知意義如表1所示。一般而言，時(shí)間維度的參數(shù)聚焦于某一特定區(qū)域，反映被試對(duì)該區(qū)域的認(rèn)知加工情況;空間維度的參數(shù)則更多從整體上反映被試對(duì)材料的加工過程，研究者可以結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)靈活運(yùn)用。

在時(shí)間維度上，眼動(dòng)儀對(duì)不同加工時(shí)期的注視時(shí)間進(jìn)行記錄，能夠反映出認(rèn)知資源投入的多少。例如，白學(xué)軍、梁菲菲等[11] 對(duì)自然閱讀中兒童和成人新詞學(xué)習(xí)能力差異進(jìn)行比較研究，選取首次注視時(shí)間、凝視時(shí)間、再注視概率和總注視時(shí)間4個(gè)時(shí)間維度的指標(biāo)，其中，首次注視時(shí)間是反映閱讀早期階段的加工指標(biāo)，而凝視時(shí)間、再注視概率是反映閱讀過程相對(duì)晚期的指標(biāo)，總注視時(shí)間則是反映整體加工過程的指標(biāo)。通過這4個(gè)不同時(shí)間進(jìn)程上的眼動(dòng)指標(biāo)，研究者得以全面呈現(xiàn)成人和兒童的新詞學(xué)習(xí)過程并展開對(duì)比：在詞匯加工早期階段，成人和兒童在注視上差異不顯著，但在詞匯加工的相對(duì)晚期階段，二者的注視呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，因而表明成人新詞學(xué)習(xí)能力高于兒童主要體現(xiàn)在詞匯加工晚期。

空間維度指標(biāo)主要反映個(gè)體的認(rèn)知加工策略和效率。張運(yùn)亮、李宗浩等[6]在專家與新手籃球后衛(wèi)運(yùn)動(dòng)員的眼動(dòng)研究中，對(duì)被試分別呈現(xiàn)簡單、復(fù)雜籃球比賽場(chǎng)景的圖片，要求被試根據(jù)圖片中的比賽狀況作出決策，并用眼動(dòng)儀記錄被試在觀看圖片時(shí)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)分析階段，研究者選取眼跳距離、注視次數(shù)、注視軌跡等指標(biāo)對(duì)專家和新手的注視模式進(jìn)行比較。其中，眼跳距離和注視次數(shù)反映了認(rèn)知加工的難度及效率，而注視軌跡則能顯示出搜索信息的整個(gè)眼動(dòng)路線。這3個(gè)指標(biāo)綜合反映了較之于新手籃球后衛(wèi)運(yùn)動(dòng)員，專家籃球后衛(wèi)運(yùn)動(dòng)員的眼動(dòng)模式更加簡單和集中，具有更加高效的信息搜集能力。

上述研究清晰地呈現(xiàn)了時(shí)間與空間維度眼動(dòng)指標(biāo)的意義與應(yīng)用。在實(shí)際研究中，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選取多個(gè)時(shí)間和空間維度的指標(biāo)，綜合運(yùn)用并分析，兩者并不割裂開。

1.2 眼動(dòng)研究實(shí)驗(yàn)范式

通過眼動(dòng)儀發(fā)掘人類視覺信息加工規(guī)律，是眼動(dòng)儀在基礎(chǔ)認(rèn)知研究中的應(yīng)用。高精度的眼動(dòng)信息可以實(shí)現(xiàn)對(duì)視知覺加工過程和規(guī)律的準(zhǔn)確反映，研究者可以透過眼動(dòng)數(shù)據(jù)，尋找背后的心理機(jī)制。例如在教育心理學(xué)研究中，研究者將眼動(dòng)技術(shù)用于比較不同學(xué)生在解決問題時(shí)的不同信息提取方式，從而推斷其內(nèi)在學(xué)習(xí)風(fēng)格。將眼動(dòng)應(yīng)用于閱讀規(guī)律，可以考察不同年齡段的閱讀水平、閱讀過程中的認(rèn)知加工差異等。

考察用戶體驗(yàn)幫助改進(jìn)產(chǎn)品或服務(wù)設(shè)計(jì)，是眼動(dòng)研究的另一大應(yīng)用。在工效學(xué)方面，通過眼動(dòng)追蹤技術(shù)研究如何使人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合人的身體機(jī)構(gòu)和心理特點(diǎn)，如設(shè)備操作系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)、雜志目錄設(shè)計(jì)方式、軟件使用情況等[2]。以網(wǎng)頁廣告設(shè)計(jì)為例，廣告投放位置、廣告色彩及版面等因素都會(huì)在一定程度上影響瀏覽者注意力，而眼動(dòng)追蹤技術(shù)可以幫助研究者選擇和改進(jìn)設(shè)計(jì)方案[13]。

由上可見，眼動(dòng)研究根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康目煞譃閺膫€(gè)體出發(fā)（內(nèi)源性刺激）和從產(chǎn)品出發(fā)（外源性刺激）兩條研究路徑，這兩種研究范式對(duì)于測(cè)量指標(biāo)選擇、數(shù)據(jù)精度要求和測(cè)量情境生態(tài)效度要求不同，對(duì)眼動(dòng)儀產(chǎn)品的選擇也會(huì)有所不同。比如：當(dāng)目的是鑒定和分析個(gè)體在執(zhí)行特定任務(wù)（如閱讀、搜索、運(yùn)動(dòng)、駕駛等）時(shí)的視覺注意模式，此類基礎(chǔ)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量要求很高[12];而對(duì)致力于產(chǎn)品效果的研究而言，可能并不需要過高精度的數(shù)據(jù)，而重在實(shí)驗(yàn)情景的仿真效果，即生態(tài)效度優(yōu)先考量。

2 眼動(dòng)儀比較與選擇

眼動(dòng)儀系統(tǒng)的設(shè)備性能主要由采樣頻率、分辨率、精確度三大指標(biāo)共同衡量。采樣頻率是指眼動(dòng)儀系統(tǒng)每秒采集眼球圖像的次數(shù)，能夠判斷測(cè)量過程中兩連續(xù)眼動(dòng)行為之間的相關(guān)程度，是衡量眼動(dòng)儀系統(tǒng)捕獲信息的一個(gè)重要指標(biāo)。分辨率是指單個(gè)注視樣本的最小空間變化，與眼動(dòng)儀系統(tǒng)精確度共同反映眼動(dòng)儀在測(cè)量眼球空間位置時(shí)系統(tǒng)本身的噪聲水平，直接關(guān)系到眼動(dòng)儀對(duì)眼球位置變化的分辨能力[14]。以上這些性能指標(biāo)直接影響數(shù)據(jù)質(zhì)量和相關(guān)研究結(jié)果的可靠性，因此是除研究情境的適用性外，衡量一款眼動(dòng)儀產(chǎn)品最重要的考慮因素。

2.1 EyeLink系列眼動(dòng)儀

EyeLink系列是由加拿大SR公司研發(fā)的目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的眼動(dòng)產(chǎn)品之一[1]。本文選取2013年該公司發(fā)布的具有較廣應(yīng)用范圍和出色性能的EyeLink 1000 Plus，以及2016年發(fā)布的兼具便攜性和高精度的EyeLink Portable Duo兩款產(chǎn)品進(jìn)行介紹，這兩款眼動(dòng)儀可對(duì)精度要求較高的實(shí)驗(yàn)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持[15]。

2.1.1 EyeLink 1000 Plus眼動(dòng)儀

EyeLink 1000 Plus是SR公司最精確的眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)，支持頭部固定和頭部自由移動(dòng)兩種模式。該設(shè)備具有較強(qiáng)的兼容性，從嬰兒到老年人甚至非人類被試都可以測(cè)量。2017年升級(jí)后，在頭部固定的情況下，其采樣頻率可達(dá)2 000Hz;當(dāng)允許頭部自由移動(dòng)時(shí)，其采樣頻率也可達(dá)? ?1 000Hz，非常適合精細(xì)化分析實(shí)驗(yàn)。此外，這款眼動(dòng)儀打破了只能在桌面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的局限，提供多種安裝方式，設(shè)備的實(shí)用性大大提高，可滿足多樣化的實(shí)驗(yàn)條件，具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力[16]。

2.1.2 EyeLink Portable Duo眼動(dòng)儀

EyeLink Portable Duo眼動(dòng)儀是一款便攜式眼動(dòng)設(shè)備，它具有緊湊而強(qiáng)大的攝像頭硬件，所有設(shè)備可以裝在一個(gè)行李箱中，為廣泛的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)環(huán)境提供高精度、高質(zhì)量的眼動(dòng)記錄。它允許頭部自由移動(dòng)和高精度頭部固定模式運(yùn)行，頭部穩(wěn)定時(shí)高達(dá)2 000Hz，頭部移動(dòng)時(shí)高達(dá)? ?1 000Hz。EyeLink Portable Duo的設(shè)計(jì)符合最嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，獲得包括IEC 60601-1在內(nèi)的醫(yī)療認(rèn)證，成為臨床應(yīng)用理想選擇[17]。

2.2 Tobii 系列眼動(dòng)儀

根據(jù)SR與Tobii公司的產(chǎn)品手冊(cè)及用戶使用指南整理結(jié)果如表2所示[15-19]。

Tobii公司進(jìn)入中國市場(chǎng)的時(shí)間較晚，但反響較好，很多知名企業(yè)和高校都購買其產(chǎn)品，應(yīng)用范圍非常廣[1]。本文將詳細(xì)介紹當(dāng)前最有代表性的Tobii Pro Spectrum、Tobii Pro Glasses 2和Tobii Pro VR三款產(chǎn)品[18]。

2.2.1 Tobii Spectrum眼動(dòng)儀

Tobii Pro Spectrum是Tobii Pro系列目前最新、最先進(jìn)的眼動(dòng)追蹤平臺(tái)，每只眼睛最高能以1 200Hz采樣頻率采集數(shù)據(jù)。運(yùn)用Tobii開發(fā)的眼球3D位置數(shù)學(xué)模型，能在外界環(huán)境和頭部位置變動(dòng)的情況下準(zhǔn)確計(jì)算眼動(dòng)數(shù)據(jù)。同時(shí)還提供眼球圖像，可以幫助研究人員更好地了解影響眼動(dòng)數(shù)據(jù)的因素。

2.2.2 Tobii Pro Glasses2眼動(dòng)設(shè)備

Tobii Pro Glasses2是一款可實(shí)現(xiàn)無線實(shí)時(shí)觀察功能的可穿戴式眼動(dòng)設(shè)備，可提供50Hz或100Hz的采樣頻率，外形與普通眼鏡無異，重量僅45g，確保被試的佩戴舒適度和行動(dòng)自由度。該設(shè)備最大的特點(diǎn)在于其非侵入式測(cè)量方式，使得實(shí)驗(yàn)范圍被大大擴(kuò)展，為真實(shí)世界環(huán)境下的眼動(dòng)研究提供了極大的可操作性，研究人員可獲取到自然狀態(tài)下的眼動(dòng)數(shù)據(jù)，在市場(chǎng)調(diào)查與消費(fèi)者調(diào)研、用戶體驗(yàn)與交互研究、體育運(yùn)動(dòng)研究中都有很強(qiáng)的適應(yīng)性[19]。

2.2.3 Tobii Pro VR集成方案

Tobii Pro VR集成方案將Tobii Pro 眼動(dòng)追蹤技術(shù)與HTC Vive虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器完整、無縫地集成，為各類研究的執(zhí)行方式帶來了革新的可能性。該設(shè)備采用雙眼暗瞳追蹤技術(shù)，雙眼采樣頻率達(dá)120Hz，可為研究人員帶來完全可控的虛擬環(huán)境，方便重復(fù)呈現(xiàn)場(chǎng)景和刺激物，降低實(shí)驗(yàn)成本，那些在真實(shí)環(huán)境中會(huì)給被試帶來危險(xiǎn)和痛苦的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都可以由虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境實(shí)現(xiàn)。且實(shí)驗(yàn)過程中，眼動(dòng)追蹤不會(huì)影響到被試的沉浸式體驗(yàn)。同時(shí)，眼動(dòng)追蹤技術(shù)的使用也會(huì)提升VR體驗(yàn)，通過對(duì)注視點(diǎn)的渲染技術(shù)和對(duì)視線的自然交互能力，給用戶帶來更強(qiáng)的卷入感和沉浸感[20]。

2.3 綜合比較

以上介紹的幾款眼動(dòng)儀產(chǎn)品在參數(shù)性能和應(yīng)用范圍上各有千秋，研究者可根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)類型、配套軟件使用便利性以及未來研究應(yīng)用空間3方面加以選擇。

（1）從實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容看，如進(jìn)行內(nèi)部認(rèn)知規(guī)律研究，比如閱讀、決策相關(guān)實(shí)驗(yàn)，則外源影響好控制，更注重內(nèi)源性反應(yīng)的考察，對(duì)眼動(dòng)儀的測(cè)量性能水平要求更高，更適合選擇Eyelinke系列產(chǎn)品。如果是進(jìn)行人類工效、用戶體驗(yàn)類研究，則要注重外源刺激的真實(shí)性，對(duì)生態(tài)效度要求更高，可以適當(dāng)犧牲對(duì)性能參數(shù)的要求，選擇Tobii Pro系列產(chǎn)品。

（2）從配套軟件看，Tobii Pro提供的實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)軟件Tobii Pro Studio界面簡潔、操作簡單，可以直接通過拖拽圖標(biāo)編輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，設(shè)計(jì)難度較低，可以輕易上手。而且Tobii Pro Studio軟件可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可自行選擇想要導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，并劃分興趣區(qū)，回放眼動(dòng)軌跡，呈現(xiàn)熱點(diǎn)圖、注視軌跡圖等。而EyeLink則分別配套實(shí)驗(yàn)程序編輯軟件EyeLink Builder（EB）和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟件Data View，需要研究者自行編程，要求較高。

（3）從與其它研究設(shè)備的兼容擴(kuò)展性看，眼動(dòng)數(shù)據(jù)可以有效推測(cè)出個(gè)體的認(rèn)知加工過程，但是卻不能反映認(rèn)知加工的生理機(jī)制。在前沿研究中，往往將眼動(dòng)追蹤技術(shù)同腦成像技術(shù)（如EEG、ERP、fRIM、PET、MEG）結(jié)合起來，對(duì)比并關(guān)聯(lián)眼動(dòng)行為指標(biāo)和腦成像指標(biāo)。例如，2014年Choi等[20]運(yùn)用眼動(dòng)-fMRI聯(lián)合采集技術(shù)對(duì)自然閱讀中語言加工和眼動(dòng)加工的神經(jīng)機(jī)制進(jìn)行了探索，眼動(dòng)技術(shù)應(yīng)用為腦成像數(shù)據(jù)提供了額外的驗(yàn)證和支持。目前，EyeLink系列和Tobii系列眼動(dòng)儀都支持眼動(dòng)數(shù)據(jù)與其它儀器生理數(shù)據(jù)的結(jié)合，并具有較高的時(shí)間精度和兼容性。

3 結(jié)語

本文闡述了眼動(dòng)儀在認(rèn)知行為實(shí)驗(yàn)中的主要研究范式及指標(biāo)意義，介紹了國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的眼動(dòng)品牌——加拿大SR公司的EyeLink 系列和瑞典Tobii公司的Tobii Pro系列，對(duì)其最新最先進(jìn)眼動(dòng)設(shè)備的性能參數(shù)和適用范圍進(jìn)行了比較，建議從自身實(shí)驗(yàn)任務(wù)類型、配套軟件使用便利性及未來研究應(yīng)用空間3方面加以考慮和選擇?？梢钥闯觯蹌?dòng)追蹤設(shè)備的發(fā)展趨向于高精度、便攜靈活以及與其它生理指標(biāo)的無縫對(duì)接。從眼動(dòng)研究趨勢(shì)看，在當(dāng)前眼動(dòng)數(shù)據(jù)與腦成像數(shù)據(jù)相結(jié)合的研究中，兩種數(shù)據(jù)利用尚處在割裂狀態(tài)，尤其是眼動(dòng)數(shù)據(jù)大多起輔助和驗(yàn)證作用，缺乏對(duì)眼動(dòng)數(shù)據(jù)的深度挖掘和分析，未來需進(jìn)一步研究。此外，眼動(dòng)追蹤與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合也成為一個(gè)新的突破點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和眼動(dòng)設(shè)備性能的優(yōu)化，加上與其它生理指標(biāo)設(shè)備的互補(bǔ)配合，該領(lǐng)域研究生態(tài)效度將不斷提升，應(yīng)用前景也會(huì)更加廣闊。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）