眼动实验的应用
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发布时间：2022-04-28 11:02
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时间：2023-10-01 22:47
视线追踪技术中广泛运用的方法叫做“瞳孔—角膜反射方法”（the pupil center cornea reflection technique），其所利用的眼动过程中保持不变的特征，是眼球角膜外表面上的普尔钦斑（Purkinje image）——眼球角膜上的一个亮光点，由进入瞳孔的光线在角膜外表面上反射（corneal reflection）而产生。
由于摄像机的位置固定、屏幕（光源）的位置固定、眼球中心位置不变（假设眼球为球状，且头部不动），普尔钦斑的绝对位置并不随眼球的转动而变化（其实，头部的小幅度运动也能通过角膜反射计算出来）。但其相对于瞳孔和眼球的位置则是在不断变化的——比如，当你盯着摄像头时，普尔钦斑就在你瞳孔之间；而当你抬起头时，普尔钦斑就在你的瞳孔下方。这样一来，只要实时定位眼睛图像上的瞳孔、和普尔钦斑的位置，计算出角膜反射向量，便能利用几何模型，估算得到用户的视线方向。再基于前期定标过程（即让用户注视电脑屏幕上特定的点）中所建立的用户眼睛特征与电脑屏幕呈现内容之间的关系，仪器就能判断出用户究竟在看屏幕上的什么内容了。
定位瞳孔中心的位置是视线追踪技术中的关键一步，但一个问题是，相比于虹膜与眼白之间的极其明显的分界线来说，瞳孔和虹膜之间的分界线并没那么清晰，特别是咱黑眼睛黄皮肤。因此，研究者为了提高这一步的精准度，又设计了“亮、暗瞳差分方案”，即：交替用不同方位的光源向人眼发出近红外线，然后在每两帧相邻的图像中，分别获取用户明亮的瞳孔（bright pupil，亮瞳）和暗淡的瞳孔（dark pupil，暗瞳），进行叠加差分，从而更清晰地“抠”出瞳孔，再计算瞳孔的质心和形状等参数。
究竟拍到的是“亮瞳”还是“暗瞳”，这取决于摄像头是否与光源共线。如果摄像头与光源在同一条线上，则摄像头拍到的瞳孔是被光照亮的，也就是“亮瞳”。这和拍照时，相机闪光灯直对着拍摄对象时照片上会出现“红眼”的原理是类似的（忍不住想提一下，百科说红眼是因为闪光灯使瞳孔暂时变大，其实有点扯，首先不相关，其次瞳孔在强光下会变小，不然岂不被闪瞎了眼）。如果二者不共线，则拍到的就是正常的“暗瞳”了。所以，支持亮暗瞳追踪的眼动仪上都有两套位置不同的近红外光源。
之所以要用近红外线，是因为人眼无法察觉到，不至于晃眼，影响用户。这些光束很弱，只要研究者按照眼动仪说明书上指示的距离安排用户就坐（比如离眼动仪60cm以上），用户即便在工作的眼动仪前待8个小时也不会有放射性危险。
与上述“非侵入式”技术相对应的视线追踪技术，则需要用户与测试设备上的传感器直接接触。比如早期的眼动测试会在测试者的眼睛里塞进一个类似硬质*眼镜的东西，监测随着眼睛运动而不断变化的磁场，从而知道你在看什么地方，或者在测试者的眼睛周围贴上电极，监测电位变化。这些方法听着有点慑人，操作起来也麻烦，但获取的数据比较准确。
那么，普通的商用眼动测试究竟能有多精确呢？这就得看测试用眼动仪的具体参数了。分空间和时间两个维度：空间上的相关参数有精确度、漂移和屏幕尺寸，时间上的参数是采样率（延时）。比如：Tobii X120的精确度是0.5度，随时间的漂移在0.3度内，如果以用户距离屏幕60cm计算的话，则偏移量约在0.13mm；其采样率为120Hz，则延时在17ms，因为每隔两帧才能算一次瞳孔。但有研究者发现，实际测试中的位置偏差要比这里算出来的值大很多，可能与用户移动头部、或定标问题有关。如果用tobii这一系列做阅读测试的话，很可能无法准确定位用户到底在看界面上的哪一行字。因此在作分析时，要避免太相信结果中所给出的注视点。
同时在做测试时，也应尽量遵守实验规范。现在的商用眼动仪一般都能对头动进行补偿计算，但是，即便眼动仪允许用户自由活动，也有一个规定的头动范围，比如Tobii X60和T60型号的头动范围在44×22×30cm（长宽高），而X120和T120的频率高、允许的头动范围更小，为30×22×30cm（长宽高），测试时应保证用户的头动幅度在此范围内。而在定标时，则应允许用户在规定范围内的移动头部，在定标阶段将头动纳入考虑。
