Окулография (отслеживание глаз, трекинг глаз; айтрекинг) — определение координат взора («точки пересечения оптической оси глазного яблока и плоскости наблюдаемого объекта или экрана, на котором предъявляется некоторый зрительный раздражитель»). Отслеживатель глаз — устройство, используемое для определения ориентации оптической оси глазного яблока в пространстве (то есть для отслеживания глаз). Отслеживатели глаз используются в исследованиях зрительной системы, психологии, когнитивной лингвистике. Для отслеживания глаз используется несколько методов. Самый популярный — покадровый анализ видеосъёмки глаза, также используются контактные методы, такие как электроокулография.
История В XIX веке все исследования в области отслеживания глаз проводились исключительно методом наблюдения.
В 1879 году в Париже Луи Эмиль Жаваль обнаружил, что в процессе чтения напечатанного текста глазные яблоки не движутся монотонно, как предполагали ранее. Вместо этого они совершают короткие остановки, которые Жаваль назвал фиксациями, и резкие передвижения — саккадыReported in Huey 1908/1968. Данное наблюдение привело к возникновению важных вопросов о природе процесса чтения, которые были решены уже в XX веке: На каких словах концентрирует своё внимание человек? Как долго это происходит? Зачем нужен возврат взгляда к словам, которые испытуемый уже видел?
Эдмунд Хью создал первое устройство для отслеживания глаз. Устройство представляло собой некоторое подобие контактной линзы с отверстием для зрачка. Устройство соединялось с алюминиевой указкой, которая двигалась синхронно с глазным яблоком. Хью использовал квантованные регрессии (только малая доля саккад являются регрессиями на самом деле).
Первый неинвазивный отслеживатель глаз был создан Ги Томасом Бушвеллом в Чикаго. Бушвелл использовал отражения световых лучей от глазного яблока на светочувствительную плёнку. Таким образом он проводил исследования процессов чтенияBuswell (1922, 1937) и изучения статических изображений(1935).
В 1950-х годах в Москве советский физиолог Альфред Ярбус проделал важные исследования в области отслеживания глаз. Он показал, что формальная задача, поставленная испытуемому, имеет огромное влияние на результат эксперимента по отслеживанию глаз. Его монография 1967 годаYarbus (1967) была высоко оценена мировым научным сообществом.
Он также писал о взаимосвязи между мотивацией испытуемого и фиксациях его взгляда: «Проведенные исследования… показывают, что характер движения глаз либо совсем независим, либо крайне мало зависим от содержимого зрительного стимула». Серия экспериментов показала, что результат эксперимента зависим не только от визуального стимула, но и от задачи, поставленной испытуемому, а также от информации, которую испытуемый рассчитывает получить из визуального стимула(Yarbus 1967:194).
Записи экспериментов по оценке движения глаз показали, что только небольшая часть элементов изображения привлекает внимание испытуемого и его глаза совершают фиксации на этих элементах. Процесс движения глаз отражает процесс мышления человека. Взгляд с некоторым отставанием следует за точкой, куда направлено внимание испытуемого. Таким образом, достаточно просто определить, какие элементы изображения привлекают внимание испытуемого, в каком порядке и как часто(Yarbus 1967:190).
Часто внимание испытуемого привлекали элементы, которые не могут дать важной информации, но по его личному мнению могут это сделать. Часто глаз испытуемого фиксируется на элементах, которые просто напросто необычны в данной обстановке(Yarbus 1967:191).
Двигаясь от одной точки фиксации к другой, глаз испытуемого часто возвращается к тем элементам изображения, которые он уже видел, то есть дополнительное время используется на вторичный осмотр наиболее важных элементов вместо осмотра менее важных элементов(Yarbus 1967:193).
В 1970-е годы исследования по отслеживанию глаз резко ускорились, особенно в области теории чтения. Хороший обзор этих исследований был проведён РайнеромRayner (1978).
В 1980 году Джаст и КарпентерJust and Carpenter (1980) сформулировали гипотезу о взаимосвязи визуальной системы и сознания человека. «Не существует значительного расхождения между тем, на чём фиксирует свой взгляд человек и тем, что он пытается осмыслить». Если эта гипотеза верна, то когда испытуемый смотрит на слово или на объект, он или она думает о нём (когнитивный процесс), причем данный процесс сопоставим по длительности с записанной длительностью фиксации. На данную гипотезу часто ссылаются современные исследователи в области айтрекинга.
В 80-е года данная гипотеза развивалась в свете проблемы скрытого вниманияPosner (1980)Wright & Ward (2008). Вопрос скрытого внимания расшифровывается таким образом, что люди не всегда смотрят на то, что на самом деле вызывает их внимание. Скрытое внимание наблюдается на записях движения глаз, во время которых след взгляда и точки фиксации часто проходят мимо объектов, к которым реально привлекалось внимание, и только иногда показывают непродолжительные по времени фиксации. Из этого следует, что не во всех случаях существует однозначная взаимосвязь между результатами эксперимента по айтрекингу и когнитивным процессом.
В соответствии с работой Хофмана, точка, к которой привязано внимание испытуемого, всегда слегка (на 100—250 мс) опережает движение глазHoffman 1998. Однако непременно при передвижении точки внимания на новую позицию глаза будут пытаться следовать за ней.
Все ещё невозможно установить механизм протекания когнитивных процессов напрямую из результатов экспериментов по отслеживанию глазHolsanova 2007. Например, фиксация взгляда на лице или картинке не может показывать, что лицо или картинка нравится или не нравится испытуемому. Поэтому технология айтрекинга часто используется с такими методами, как интроспективный вербальный протокол.
Методы и их реализация
На сегодняшний день самыми широко применяемыми являются отслеживатели глаз на основе видеозаписи глаз. Камера снимает один или оба глаза и регистрирует их движения, пока испытуемый рассматривает визуальный стимул. Большинство современных отслеживателей глаз используют контраст между зрачком и радужной оболочкой, который возникает при инфракрасной подсветке. Кроме того, анализируется положение блика инфракрасной подсветки, благодаря чему становится возможным определить ориентацию оптической оси глазного яблока.
Используется два основных типа подобных систем: системы, основанные на методе яркого зрачка; системы, основанные на методе тёмного зрачка. Их разница заключается в расположении источника подсветки относительно камеры. В случае, если подсветка расположена параллельно оптической оси камеры, глаз работает как вторичный отражатель света, который поступает от подсветки и отражается от сетчатки, создавая эффект яркого зрачка, аналогичный эффекту красных глаз в фотографии. В случае, если источник подсветки сдвинут относительно оптической оси камеры, зрачок становится чёрным, поскольку вторичное отражение от сетчатки не поступает в камеру. Эффект яркого зрачка позволяет вести айтрекинг в не зависимости от цвета радужной оболочки испытуемого. Это также способствует преодолению влияния тёмной глазной туши и ресниц, частично закрывающих зрачок. Это также позволяет проводить отслеживания глаз при световых условиях от полной темноты до высокой освещенности, однако техники яркого глаза не эффективны для отслеживания глаз в условиях улицы, вследствие наличия дополнительных источников инфракрасного излучения.
Устройства для отслеживания глаз в своей аппаратной реализации очень сильно отличаются. Некоторые из них монтируются на голову испытуемого, другие требуют неподвижного закрепления головы испытуемого, остальные функционируют удаленно и автоматически компенсируют движения головы. Большинство систем функционируют при скорости съёмки не менее 30 кадров в секунду. Несмотря на то, что наиболее часто используемой скоростью съёмки является 50/60 кадров в секунду, большинство отслеживателей глаз, основанных на видео съёмке глаз работают на скоростях 12, 300, 500 или даже 1000/1250 кадров в секунду. Это необходимо для обеспечения регистрации 100 % движений глаз.
Движения глаза традиционно разделяются на фиксации и саккады, то есть глаз фиксируется в некоторых позициях и затем быстро передвигается на следующую позицию. Результирующие серии фиксаций и саккад называются путём взгляда (scanpath). Основное количество информации зрительный анализатор человеческого мозга получает во время фиксации. Центр зрительного поля, который образован телесным углом в 2 стерадиана даёт большую часть визуальной информации. Сигнал с оставшейся части зрительного поля менее информативен. Как следствие положения точек фиксаций, которые нам даёт scanpath объективно показывают точки привлекающие внимание на зрительном стимуле. Средняя продолжительность фиксаций находится в диапазоне от 200 мс во время чтения текста до 350 мс во время изучения статического изображения. Процесс движения взгляда от одной точки фиксации к другой (саккада) занимает до 200 мс.
Пути взгляда полезны при анализе когнитивных процессов, а также выявлении точек интереса. Другие биологические факторы, например пол, также могут оказать влияние на путь взгляда. Таким образом айтрекинг может быть использован в юзабилити исследованиях, а также в управлении внешними устройствами с помощью контроля движений глаз.
Виды отслеживателей глаз Отслеживатели глаз определяют ориентацию оптической оси глазного яблока и динамику изменения этой ориентации во времени. Это делается несколькими способами, но их можно разделить на три больших группы.
Первый тип использует механический контакт с глазом. Это могут быть контактные линзы со встроенными зеркалами, это может быть миниатюрное устройство, создающее магнитное поле. Измерения, проведённые с помощью специальных контактных линз показали записи, чрезвычайно чувствительные к движению глаз. Данные методы часто используются исследователями, изучающими динамику и скрытую физиологию движения глаз.
Следующая обширная категория использует бесконтактные оптические методы регистрации движения глаз. Как правило используется инфракрасная подсветка, которая отражается глазным яблоком и регистрируется видеокамерой или другим специально разработанным оптическим сенсором. В процессе обработки видеозаписи получается информация о ориентации глазного яблока в пространстве и её временная динамика. Отслеживатели глаз, основанные на видеозаписи, часто используют отражение инфракрасной подсветки от роговицы глаз (первое изображение Пуркине) для расчёта направления на центр глазного яблока и дальнейшего сравнения с координатами центра зрачка. Более сложный тип айтрекера использует как отражение от роговицы, так и отражение от хрусталика глаза. Наиболее сложные айтрекеры данного типа анализируют также расположение сосудов на роговице глаза и его сетчатке. Данная категория отслеживателей глаз наиболее часто используется в задачах гейзтрекинга (нахождение точки пересечения оптической оси глазного яблока и плоскости экрана, на котором предъявляется некоторый визуальный стимул), которые требуют, чтобы процедура эксперимента была неинвазивна, а оборудование было относительно недорогим.