徐 娟

北京聯(lián)合大學(xué)師范學(xué)院 北京 100011

眼睛被譽(yù)為心靈的窗口，它是我們信息加工過程中最重要的信息輸入系統(tǒng)。為了看清楚某一個(gè)物體，我們的眼睛必須保持一定方位，才能使物體在視網(wǎng)膜上清晰成像，這種眼睛在某個(gè)物體上的停留被稱為注視。當(dāng)我們注意的目標(biāo)發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，我們的眼睛也將從一個(gè)注視點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)注視點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為眼跳。通過研究眼睛的這些運(yùn)動(dòng)，研究者可以對(duì)人的認(rèn)知活動(dòng)規(guī)律加以探索。但是眼球運(yùn)動(dòng)速度是非常快的，典型的注視只持續(xù)0.1～0.5 s，而眼跳更是快到僅有0.01～0.1 s的時(shí)間。為了準(zhǔn)確記錄人的眼球運(yùn)動(dòng)過程，心理學(xué)家以及其他有關(guān)專家一直致力于改進(jìn)眼動(dòng)記錄技術(shù)并開發(fā)更為先進(jìn)的眼動(dòng)儀[1]。

1 眼動(dòng)研究和眼動(dòng)儀的發(fā)展歷程

人們很早就意識(shí)到眼睛和人的心理活動(dòng)相關(guān)，在漢語中有很多語言表達(dá)反映了這一點(diǎn)，例如：“他氣得目瞪口呆”“她目不轉(zhuǎn)睛，認(rèn)真聽講”“他眼珠滴溜溜亂轉(zhuǎn)，似乎在打什么壞主意”，但真正使用儀器設(shè)備對(duì)眼球運(yùn)動(dòng)進(jìn)行客觀觀察和實(shí)驗(yàn)則是近一百年來才開始的。早期的眼動(dòng)研究主要采用觀察法和機(jī)械記錄法等。其中觀察法包括直接觀察法(如主試站在被試后面，從鏡子里觀察被試的眼動(dòng))和后像法(利用閃光燈高亮度閃光產(chǎn)生的視覺后像對(duì)人的眼動(dòng)加以研究)。機(jī)械記錄法則通過把眼睛與記錄測驗(yàn)裝置用機(jī)械傳動(dòng)方法聯(lián)結(jié)起來實(shí)現(xiàn)對(duì)眼動(dòng)的記錄。機(jī)械記錄法包括頭部支點(diǎn)杠桿法、氣動(dòng)方法、角膜吸附環(huán)狀物法等多種形式。觀察法簡便易行，但結(jié)果不精確，只能對(duì)眼動(dòng)進(jìn)行比較粗略的研究。而機(jī)械記錄法則裝置復(fù)雜，使用起來十分麻煩，實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性也較低[2]。因此，研究者一直在尋找更有效、準(zhǔn)確而又簡便的測量方法。

20世紀(jì)60年代之后，微電子技術(shù)、攝像技術(shù)和紅外技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用，推動(dòng)了新型高精度眼動(dòng)儀的研制。新型眼動(dòng)追蹤技術(shù)大多采用基于瞳孔和角膜反射的視頻記錄法。

角膜反光是指角膜能夠反射著落在它表面上的光。因?yàn)榻悄な菑难矍蝮w表面凸出來的，所以在眼球運(yùn)動(dòng)過程中，角膜對(duì)來自固定光源光的反射角度也是變化的，即眼球運(yùn)動(dòng)時(shí)，角膜反光也隨之變化。這樣就可以通過普通照相法或者電影電視攝像法記錄角膜反光來分析眼動(dòng)[3]。這些眼動(dòng)儀在追蹤眼動(dòng)時(shí)，將一束光線和一臺(tái)攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)被試的眼睛，通過光線和后端分析來推斷被試注視的方向，攝像機(jī)則記錄交互的過程。

要了解眼球如何在眼窩內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在計(jì)算被試注視方向時(shí)需要一個(gè)重要的信息，即被試頭部的位置。20世紀(jì)80年代研發(fā)的第一代眼動(dòng)儀使用的方法是將被試的頭部置于一個(gè)固定的位置。20世紀(jì)90年代，眼動(dòng)追蹤設(shè)備的體積大為縮小，研究者就將其放在帽子里或固定在用戶的頭帶上。因?yàn)檠蹌?dòng)儀和頭部同步運(yùn)動(dòng)，所以要計(jì)算眼動(dòng)儀相對(duì)于用戶頭部的位置并非難事。但頭部的設(shè)備較重，很容易造成被試頸部和背部的疲勞，依然讓被試覺得不舒適。到了21世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，研究者進(jìn)一步改進(jìn)眼動(dòng)研究手段，除了配置攝像機(jī)來拍攝被試雙眼的特寫鏡頭外，還單獨(dú)配置一臺(tái)攝像機(jī)用于拍攝被試的頭部，并實(shí)時(shí)計(jì)算頭部的位置。這樣被試的頭上就可以完全不用佩戴任何電子設(shè)備。依據(jù)外形結(jié)構(gòu)的這種差異，眼動(dòng)儀可分為3類：頭部固定式、頭盔式、遙測式。

2 常見的眼動(dòng)儀及其性能比較

國外從20世紀(jì)初開始研制眼動(dòng)儀，現(xiàn)在全世界已經(jīng)有幾十家生產(chǎn)眼動(dòng)儀的廠家。盡管國內(nèi)在研制眼動(dòng)儀方面取得了一定的成績，例如20世紀(jì)80年代末，中國科學(xué)院上海生理研究所的張名魁和孫復(fù)川研制了外光電反射眼動(dòng)測量技術(shù)；20世紀(jì)90年代，西安電子科技大學(xué)研制了頭盔式眼動(dòng)儀[3]。但國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)使用的眼動(dòng)儀主要依賴國外進(jìn)口。目前國內(nèi)使用較多的有加拿大SR公司生產(chǎn)的EyelinkⅡ和Eyelink 2000型眼動(dòng)儀；美國應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(ASL)生產(chǎn)的H6型和L6型眼動(dòng)儀；瑞典Tobii公司生產(chǎn)的T60和T120型眼動(dòng)儀；德國SMI公司生產(chǎn)的iViewX RED型眼動(dòng)儀。這些眼動(dòng)儀都采用角膜反射法進(jìn)行眼動(dòng)記錄[4]。

隨著制造成本的降低，眼動(dòng)儀逐步成為教育學(xué)和心理學(xué)研究的常規(guī)儀器，國內(nèi)許多大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和公司都陸續(xù)購置或準(zhǔn)備著手購買眼動(dòng)儀。其中SR公司生產(chǎn)的Eyelink眼動(dòng)儀和瑞典Tobii公司生產(chǎn)的眼動(dòng)儀是目前用戶考慮較多的兩個(gè)品牌。下面針對(duì)這兩個(gè)系列的產(chǎn)品進(jìn)行簡單介紹和比較，以幫助研究者根據(jù)研究所需進(jìn)行合理選擇和采購。

2.1 Eyelink系列眼動(dòng)儀可選用的追蹤系統(tǒng)及特點(diǎn)

Eyelink系列眼動(dòng)儀是由加拿大SR公司研發(fā)，SR公司是最早研制眼動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的廠家之一，它進(jìn)入中國市場已有近二十年的歷史，其產(chǎn)品是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的眼動(dòng)產(chǎn)品之一。北京師范大學(xué)、首都師范大學(xué)、浙江大學(xué)、西南大學(xué)等先后購進(jìn)了Eyelink系列眼動(dòng)儀開展研究。

目前Eyelink系列眼動(dòng)儀主要包括以下幾款追蹤系統(tǒng)：

(1)Eyelink1000桌面式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)

該系統(tǒng)是世界上應(yīng)用最為廣泛、采樣率最高的眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)。它精度高，采樣頻率可以達(dá)到1 000～2 000 Hz；空間分辨率高，誤差＜ 0.01°RMS；同時(shí)能做到實(shí)時(shí)追蹤(實(shí)時(shí)追蹤延時(shí)＜1.4 ms)。它的眼動(dòng)采集裝置安置在被試顯示器下前方，被試頭部沒有電子設(shè)備，處于一種比較自然放松的狀態(tài)。這樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以更加真實(shí)可信，同時(shí)主試操作也比較便捷。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：定位簡單迅速，被試在實(shí)驗(yàn)中途離開后不需要重新定標(biāo)，適合長時(shí)間閱讀研究；它支持單眼和雙眼采集，對(duì)普通和隱性眼鏡也兼容；該系統(tǒng)還有一個(gè)突出的優(yōu)勢，即可以和腦電結(jié)合實(shí)驗(yàn)。

(2)Eyelink Remote遙測式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)

該系統(tǒng)適用于在實(shí)驗(yàn)中頭部有移動(dòng)但仍要求高精度的研究。不過它對(duì)頭動(dòng)范圍和頭動(dòng)速度都有一定的要求，允許頭動(dòng)范圍為22 cm×18 cm×20 cm(水平×垂直×深度)，允許頭動(dòng)速度必須低于100 cm/s。在這個(gè)系統(tǒng)中，被試的頭部同樣沒有任何支撐或者電子設(shè)備，因此特別適合兒童以及病患等特殊人群使用。該系統(tǒng)采用獨(dú)特的動(dòng)態(tài)靶追蹤技術(shù)，能夠在眨眼或快速頭動(dòng)后2 ms內(nèi)重新捕獲眼睛位置。該系統(tǒng)還能與上面提到的桌面式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)結(jié)合使用，只需要換一個(gè)鏡頭就可以達(dá)到移動(dòng)測量的目的，實(shí)現(xiàn)一套設(shè)備兩種功能。

(3)Eyelink Arm 嬰幼兒眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)

該追蹤系統(tǒng)將采集裝置與顯示屏整合在一起，LCD懸臂可自由調(diào)節(jié)位置，是一套可以移動(dòng)的追蹤系統(tǒng)，因而適合嬰兒、低齡兒童以及病人等難以控制頭部位置的特殊人群使用，它也可以與遙測式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)結(jié)合使用。

(4)Eyelink II 頭戴式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)

Eyelink II 是一款目前采樣率最高的頭戴式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)，其采樣率可高達(dá)500 Hz。Eyelink II的特點(diǎn)是能夠?qū)?shí)景與眼動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)結(jié)合，被試可以在多種場景甚至在運(yùn)動(dòng)中攜帶該設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，該系統(tǒng)的使用范圍十分廣泛，已經(jīng)擴(kuò)展至汽車及飛機(jī)駕駛、體育運(yùn)動(dòng)、戶外廣告等動(dòng)態(tài)環(huán)境中。盡管在實(shí)驗(yàn)中需要一直戴著頭盔，但它的頭戴裝置十分輕便，符合人體工程學(xué)，對(duì)被試影響較小，它還可以根據(jù)不同的顱型進(jìn)行多維度調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)同樣可以與普通眼鏡和隱形眼鏡兼容。

2.2 Tobii系列眼動(dòng)儀的主要型號(hào)及特點(diǎn)

Eyelink面市較早，而Tobii公司于2001年才問世。近年來，Tobii眼動(dòng)儀在中國市場反響良好，很多知名公司和著名高校都先后購買其產(chǎn)品，可謂后起之秀。

目前，Tobii眼動(dòng)儀主要有Tobii T，Tobii X和Tobii Glass三大系列。

Tobii T系列包括 T60和T120兩款，該系列采用集成式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)，主要針對(duì)基于電腦顯示器呈現(xiàn)的刺激材料眼動(dòng)追蹤，可用于對(duì)平面廣告、電視廣告、網(wǎng)頁、軟件和電腦游戲的可用性研究，也可用于閱讀、視覺等認(rèn)知領(lǐng)域的研究。

Tobii X 系列也包括X60和X120兩款，這個(gè)系列采用獨(dú)立的眼動(dòng)追蹤裝置，因此對(duì)刺激材料沒有限制，既可以是電視、電腦顯示器等，也可以是投影屏、手機(jī)等實(shí)物設(shè)備。Tobii X系列眼動(dòng)儀是目前最靈活的眼動(dòng)儀之一。

Tobii Glasses系列眼動(dòng)儀是一款可在現(xiàn)實(shí)場景中高效采集眼動(dòng)數(shù)據(jù)的工具，可應(yīng)用于基于現(xiàn)實(shí)場景或?qū)嵨锏亩ㄐ约岸垦蹌?dòng)研究。可以在被試完全的自然狀態(tài)(如運(yùn)動(dòng)中、駕駛中、購物中)下采集眼動(dòng)數(shù)據(jù)，同時(shí)確保眼動(dòng)數(shù)據(jù)的精確性。目前，該儀器廣泛用于超市購物心理、貨架管理、產(chǎn)品包裝測試及設(shè)備可用性測試、運(yùn)動(dòng)測試等相關(guān)領(lǐng)域研究。

2.3 Eyelink與Tobii的性能比較

Eyelink與Tobii作為兩種最常用的眼動(dòng)儀，設(shè)計(jì)十分先進(jìn)，功能也都比較強(qiáng)大。Eyelink和Tobii的數(shù)據(jù)分析軟件除了能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)分析，還能生成很多直觀的可視化數(shù)據(jù)，例如眼動(dòng)軌跡圖、熱點(diǎn)圖、興趣區(qū)等。這些直觀的測試方式為眼動(dòng)追蹤提供更加豐富的信息，也提高了數(shù)據(jù)的理解度和可信度。

但這兩種產(chǎn)品在設(shè)計(jì)理念上有一定差異，導(dǎo)致產(chǎn)品在一些具體的性能上存在差別。SR公司秉承高采樣率、高分辨率、高品質(zhì)的產(chǎn)品發(fā)展戰(zhàn)略，因此Eyelink系列眼動(dòng)儀的記錄數(shù)據(jù)種類、數(shù)據(jù)精度都要優(yōu)于Tobii。就Eyelink II和TobiiT120相比，兩者共同記錄的數(shù)據(jù)有注視時(shí)間、注視次數(shù)、注視點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置、瞳孔大小、眼動(dòng)軌跡圖，除此之外，Eyelink II還能記錄眼跳時(shí)間、眼跳次數(shù)、眼跳距離、眼跳角度、眼跳速度、眼跳起止位置、眨眼等七項(xiàng)數(shù)據(jù)[5]。在精度上，Eyelink II的采樣頻率是250～500 Hz，而Tobii T120為60～120 Hz。受精度差異的影響，兩者在同樣實(shí)驗(yàn)處理中采集的數(shù)據(jù)有一定差異。某試驗(yàn)中，讓被試用Eyelink II和TobiiT120觀看同樣的幾何圖片，發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)儀器上記錄到的注視次數(shù)有極其顯著的差異，EyelinkII顯著高于Tobii T120。而且發(fā)現(xiàn)Tobii的值缺失情況較嚴(yán)重，特別是戴框架眼鏡的被試值缺失情況尤為嚴(yán)重，可能是框架眼鏡的鏡片反光干擾了角膜反光。因此在對(duì)時(shí)間精確度要求較高的實(shí)驗(yàn)中，需慎重選擇Tobii作為研究儀器。

Tobii追求的是新一代全自然狀態(tài)下的眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)。它強(qiáng)調(diào)采集自然狀態(tài)下的眼動(dòng)追蹤，因此它的設(shè)備無需頭套和頭托，被試在實(shí)驗(yàn)過程中可自由移動(dòng)頭部，甚至可以在被試不知情的情況下進(jìn)行研究，適合開展低齡兒童或病患等特殊人群的研究。它還可同步記錄面部表情和聲音，而Eyelink需要佩戴頭套或設(shè)有頭托，如果實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長容易造成被試疲勞。

在配套軟件上，Eyelink的開發(fā)商SR公司提供了Eyelink對(duì)C++和Eprime軟件的接口，實(shí)驗(yàn)需自行編程，對(duì)研究者要求較高。Eyelink配套軟件較多，除了需要在主試機(jī)上裝一套軟件程序，被試機(jī)上也要安裝實(shí)驗(yàn)程序編輯軟件(EB)和數(shù)據(jù)分析軟件(Data view)。Tobii配套的實(shí)驗(yàn)軟件是Tobii Studi，是一種所見即所得的直觀軟件。實(shí)驗(yàn)程序編制時(shí)大多只需要拖拽和設(shè)置參數(shù)，且Tobii編程和數(shù)據(jù)分析均在同一個(gè)軟件上，使用起來簡單，新人也容易上手，設(shè)計(jì)難度較低。

使用的便攜性，Tobii眼動(dòng)儀所有配件可以放在一個(gè)旅行箱內(nèi)，方便攜帶，而且Tobii眼動(dòng)儀組裝方便，如果操作熟練，5分鐘就可以完成組裝任務(wù)。但是Eyelink的產(chǎn)品，譬如Eyelink 2000，EyelinkⅡ眼動(dòng)儀，必須固定在實(shí)驗(yàn)室里，如果要帶出實(shí)驗(yàn)室，一是配件太多不好搬，二是組裝起來麻煩，連線太多且容易混亂。相比之下，使用的便捷性也就成為Tobii眼動(dòng)儀的重要亮點(diǎn)和吸引購買者的重要優(yōu)勢。

3 結(jié)束語

研究者應(yīng)根據(jù)自己的研究類型、研究材料的特點(diǎn)合理選擇所需眼動(dòng)儀。Eyelink眼動(dòng)儀的客戶以科研機(jī)構(gòu)為主，特別是以閱讀、視覺加工為主要研究內(nèi)容的研究者。目前在學(xué)術(shù)刊物中發(fā)表的論文大多使用Eyelink系列眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)。截止到2010年，使用Eyelink系列眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)在國際知名科學(xué)刊物上發(fā)表的文章已多達(dá)1 100余篇。Tobill眼動(dòng)儀的客戶以公司居多，特別是需要進(jìn)行可用性測評(píng)及界面、人機(jī)交互測評(píng)、廣告評(píng)估的公司。Tobii 的用戶群包括Microsoft，IBM，Google等著名企業(yè)。簡而言之，學(xué)術(shù)型研究者應(yīng)更考慮購買和采用高精度的Eyelink系列，應(yīng)用型研究者則可以更多考慮自然化的Tobii系列。

[1]Jakob Nielsen,Kara Pernice,著.用眼動(dòng)追蹤提升網(wǎng)站可用性[M].冉令華,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[2]韓玉昌.眼動(dòng)儀和眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)法的發(fā)展歷程[J].心理科學(xué),2000,23(4):454-457.

[3]閻國利,田宏杰.眼動(dòng)記錄技術(shù)與方法綜述[J].應(yīng)用心理學(xué),2004,10(2):55-58.

[4]卞遷,齊薇,劉志方,閆國利.當(dāng)代眼動(dòng)記錄技術(shù)述評(píng)[J].心理研究,2009,2(1):34-37.

[5]徐靜儉.對(duì)Eyennk和Tobii兩種眼動(dòng)儀測量性能的比較實(shí)驗(yàn)[D].華東師范大學(xué)2009屆碩士研究生畢業(yè)論文.