Sledování pohybu očí

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání

Sledování pohybu očí (též eye tracking) je proces měření pohybu očí v hlavě, případně pohledu. Sledování pohybu očí a pohledu má uplatnění ve studiu vizuálního vnímání a diagnostice, v oboru HCI (human-computer interaction, interakce člověk - počítač), v psychologii a v kognitivní vědě. Tradiční uplatnění nachází sledování pohybu očí ve výzkumu čtení. Dostupnost metod pro sledování očí založených na analýze videozáznamu oka umožňuje využití i v komerční sféře, zvláště v designu a marketingovém výzkumu.

Historie[editovat | editovat zdroj]

Počátky sledování pohybu očí sahají do 19. století a jsou spjaty se studiem čtení. V roce 1879 Louis Émile Javal pomocí zrcátka umístěným před subjektem pozoroval oči čtenáře pouhým pohledem, aby objevil fixace a sakády namísto předpokládaného plynulého pohybu. [1]

Příklad zobrazení fixací a sakád během čtení.

Na přelomu století Edmund Huey[2] popsal jednu z prvních mechanických metod sledování a zaznamenávání pohybu očí. Neprůhledná plastová destička ve tvaru čočky s průřezem pro zornici byla spojena lankem s jehlou, která zapisovala pohyb očí na běžící papírový pás. Mezi problémy těchto metod patřila nutnost anestézie oka, otázka kompromitace ekologické validity studie nepřirozeným zařízením a těžké přesvědčování subjektů.

V roce 1911 Marx a Trendelenburg na čočku připevnili zrcátko, od něhož odráželi paprsek světla na fotosenzitivní pásku. Tato metoda umožňovala získání velice přesných dat o pohybu očí, ale stále vyžadovala aplikaci kontaktní čočky, což ne vždy bylo možné. I v případech, kdy tuto metodu šlo použít samotná hmotnost zařízení ovlivňovala rychlost pohybu oka a čočka se navíc mohla smýknout po povrchu bulvy.[3]

Paralelně k mechanickým metodám používali někteří autoři již od roku 1901 fotografie, později video, pro analýzu pohybu očí. Tato metoda byla velmi pracná na zpracování a poskytovala informace pouze o výrazných pohybech očí.[4] U dnes používaných systémů se používá výpočetní technika, která snižuje časovou náročnost analýzy. Pro měření pohybu očí se používá úhel odrazu, zpravidla infračerveného, paprsku ze stacionárního zdroje od jednotlivých vrstev oka. Tyto odrazy se navzájem liší kvůli rozdílným poloměrům zakřivení jednotlivých povrchů rohovky a čočky, vznikají tzv. Purkyňovo obrazy.

V druhé polovině 30. let byl popsán potenciálový rozdíl mezi rohovkou a sítnicí. Při natočení oka se mění potenciál v blízkosti oka; tuto změnu lze zachytit pomocí dvojice elektrod umístěných po stranách nebo nad a pod okem. Získaný signál se nazývá elektrookulogram a díky lineární závislosti mezi úhlem otočení a změnou potenciálu lze zpětně určit směr pohledu oka.[5]

Studie využívající sledování pohybu očí se dlouho omezovaly na porozumění pohybu očí (sakády a jejich délka, zpoždění sakád, oblast pozornosti, ostrost vidění) zvláště při čtení textu. Technologický rozvoj umožnil od konce 70. let širší a dostupnější využití sledování pohybu očí a podnítil aplikace i v jiných oblastech.[6]

Mezi novější aplikace sledování pohybu očí patří oblast interakce člověk-počítač, testování použitelnosti, ale i pro ovládání počítače invalidními pacienty. Další oblastí s rostoucím využitím je vizuálně orientovaný reklamní průmysl.[7]

Silná hypotéza oko-mysl předpokládající přímý vztah mezi pohledem a kognitivními procesy byla dlouhodobě brána jako předpoklad při sledování pohybu očí, ale výzkum pozornosti v 80. letech[8] upozornil na fakt, že směr pohledu nemusí být nutně shodný s objektem pozornosti. Ačkoliv existují experimenty prokazující tento rozdíl, předpokládá se, že při komplexních úlohách zpracování informací je vztah pohledu a pozornosti těsný[6] a sledování pohybu očí tedy má vypovídací hodnotu. Závislost dalších kognitivních procesů na pohledu zůstává stále nejistá.

Metody[editovat | editovat zdroj]

Metody pro sledování pohybu očí lze rozdělit do tří základních kategorií podle využitého principu. Metody první skupiny jsou založeny na měření pohybu očí pomocí speciálně upravených kontaktních čoček, další skupinu tvoří metody založené na neinvazivním optickém sledování oka, třetí skupinu tvoří metody snímající elektrické potenciály v okolí oka pomocí elektrod.

Cílem většiny aplikací je sledování pohledu subjektu, ne pouze pohybu očí. V závislosti na použité metodě a podmínkách je nutné tyto pojmy rozlišovat. V nejjednodušším případě je hlava subjektu fixována a směr otočení očí je shodný s pohledem. Pokud má subjekt volnost pohybu hlavou a snímací zařízení je stacionární, je měřen pohled. Pokud je zařízení umístěno na hlavě subjektu, je měřen pouze pohyb očí a pro určení pohledu je třeba zohlednit pozici a orientaci hlavy v prostoru.

Mechanické metody[editovat | editovat zdroj]

Mechanické metody jsou založené na aplikaci kontaktních čoček se zrcadlovou plochou, od které se odráží paprsek světla, který lze zaznamenat. Alternativou je cívka zabudovaná v kontaktní čočce, jejíž pohyb lze měřit prostřednictvím elektrického napětí generovaného v magnetickém poli.[9] Tato skupina metod umožňuje velmi přesné měření pohybu oka, ale zatěžuje oko hmotností čočky.

Videookulografie[editovat | editovat zdroj]

Oční kamera umístěná na hlavě subjektu.

Videookulografie je skupina metod využívajících videozáznam oka pro určování jeho pohybu. Lze sledovat polohu zornice, snímat infračervený paprsek odražený od oka, sledovat polohu kapilár na sítnici oka nebo porovnávat dva Purkyňovy obrazy.[6] Volba sledovaného jevu ovlivňuje přesnost získaných dat, ale musí být uvážena s ohledem na podmínky a cíle pozorování. Výhodou této skupiny metod je neinvazivnost přístupu a podle konkrétní technologie a podmínek i vysoká dosažitelná přesnost. Nevýhodou je problém odlišení pohybu očí od pohybu hlavy.

Elektrookulografie[editovat | editovat zdroj]

Třetí skupina metod je založena na měření změn elektrického potenciálu pomocí elektrod umístěných okolo očí. Rotace oka vyvolává změnu elektrického potenciálu ve svém bezprostředním okolí, protože oko se chová jako elektrický dipól se záporným pólem na sítnici a kladným pólem na rohovce. Elektrody umístěné na obličeji na opačných stranách oka jsou tak při jeho pohybu vystaveny více jednomu či druhému pólu, což vyvolá měřitelnou změnu napětí. Pomocí dvou dvojic elektrod je možné měřit horizontální i vertikální pohyb oka.[10]

Významnou výhodou elektrookulografie je možnost sledování pohybu očí za různých světelných podmínek i se zavřenými víčky. Metoda je tak vhodná pro spánkové studie i studie mimo laboratoř s variabilními světelnými podmínkami. Další výhodou okulografie je nízká výpočetní náročnost ve srovnání s videookulografií, díky níž je možné celé měřící zařízení uzpůsobit tak, aby jej subjekt mohl nosit v běžných podmínkách i mimo laboratoř (tato výhoda je spíše historická, protože v současnosti existují i mobilní videookulografické systémy).[11] Nevýhodou elektrookulografie je nižší přesnost v určování směru pohledu, ačkoliv čas pohybu oka lze určit velmi přesně.

Prezentace dat[editovat | editovat zdroj]

Pro prezentaci dat o pohybu očí a pohledu se běžně používá promítání fixací a sakád jako trasy pohledu na scénu, kterou subjekt sledoval. Podle typu scény a účelu experimentu jsou k dispozici různé reprezentace dat. Pro promítání pohledu do dynamické scény je typická animace aktuálního pohledu s případným znázorněním bezprostředně předcházející sakády. Pro statické scény, jako je stránka textu nebo obrázek, je nejčastější zobrazení fixací a sakád souhrně za celou dobu expozice. Pro zobrazení agregace dat od více subjektů se používají tzv. heat mapy, které pomocí barevné škály zobrazují, které oblasti byly sledovány jak dlouho.[12]

Využití[editovat | editovat zdroj]

Sledování pohybu očí je využíváno v široké paletě oblastí od výzkumu pozornosti, přes diagnostiku mentálních poruch až po návrh uživatelských rozhraní a reklamy.

Medicína[editovat | editovat zdroj]

Sledování pohybu očí se využívá při studiu některých nemocí a poruch, mezi které patří například posttraumatická stresová porucha[13] nebo schizofrenie[14], ale i při diagnóze[15]. Elektrookulografie je též součástí elektronystagmografie (nověji též videonystagmografie využívající videookulografie), metody pro diagnózu poruch okulomotorického a vestibulárního systému (závrať, problémy s udržením rovnováhy, nevolnost).


Ukázka různého vzoru pohybu očí na dle zadaného úkolu za tři minuty. Po řádcích zleva: zobrazená scéna, (1) volné prohlížení, (2) odhad majetkového postavení rodiny, (3) odhad věku postav, (4) popis scény před příchodem návštěvníka, (5) zapamatování oblečení postav, (6) zapamatování postav a předmětů v místnosti, (7) odhad po jak dlouhé době se rodina s návštěvníkem setkává [16]

Výzkum[editovat | editovat zdroj]

Sledování pohybu očí je tradičně spjato s výzkumem čtení a souvisejícími poruchami. Studované oblasti zahrnují čtení textu potichu a nahlas, čtení hudebních not, psaní na stroji, rychločtení či dyslexii.[6] Další skupina studií se zaměřuje na zkoumání pohledu při prezentaci vizuálních scén s různými úkoly.[7] Zvlášť intenzivní výzkum probíhá v oblasti mechanismu a strategie vizuálního hledání či sledování jednoho i více podnětů.[17]

Kognitivní věda využívá sledování pohybu očí pro zkoumání kapacity pracovní paměti pro vizuální stimuly[18], kognitivní offloading (využívání pomůcek vnějšího světa během mentálních procesů, např. fyzické přeskládávání písmen ve hře scrabble namísto mentálního) při řešení vizuálně založených problémů[19] , jak vizuální podněty pomáhají při integraci vícemodálního zpracování informací[20] i strategie při učení[21].

Dalším aktuálním směrem studia jsou dopady kognitivních procesů, zvlášť rozhodování, na pohyb očí a další motorické akce.[22]

Sledování pohybu očí se též využívá ve studiu sociálních interakcí, kde doplňuje pozorování a introspektivní dotazníky[23][24]

Stále též zůstávají aktuální témata samotného fungování pohybu očí, různých druhů pohybu, vlivu věku, únavy a dalších faktorů, jejichž význam může ovlivnit jak aplikace, tak metodiku zpracování dat z očních kamer v jiných oblastech výzkumu.[25]

Automobilový průmysl[editovat | editovat zdroj]

Ztráta pozornosti a ospalost patří mezi časté příčiny dopravních nehod. Sledování pohybu očí spolu s dalšími charaketeristikami (pohyb víček, natočení tváře) pomocí neinvazivní analýzy videozáznamu obličeje řidiče v reálném čase a zvukovým upozorněním umožňuje obnovit pozornost řidiče a předcházet nehodám.[26][7]

Marketing[editovat | editovat zdroj]

Díky klesajícím nákladům se metody založené na analýze videozáznamu používají v komerční sféře, zvlášť v marketingovém výzkumu, návrhu obalu a použitelnosti.[7] Marketingové studie se od výzkumu liší, jejich cílem zpravidla bývá zodpovězení konkrétních otázek, případně návrh opatření pro zadavatele, např. srovnání reklamy s konkurencí, identifikace a fixace loga, přehlednost a srozumitelnost reklamy či televizního spotu.[27]

Interakce člověk - počítač[editovat | editovat zdroj]

Oblast interakce člověk - počítač (HCI, human-computer interaction) využívá sledování pohybu očí k analýze vhodnosti počítačových rozhraní a jejich vizuálního uspořádání. Příkladem odvětví, které z těchto experimentů těží, je návrh webových stránek, kde se v rámci uživatelského testování zaznamenává oční kamerou pohled subjektu, na jehož základě se usuzuje o přehlednosti a použitelnosti návrhu.[28] Existují i experimentální systémy měnící zobrazené informace na základě směru pohledu uživatele.[7][29]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. YARBUS, Alfred L.. Eye Movements and Vision. New York : Plenum Press, 1967. S. 19. (anglicky) 
  2. HUEY, Edmund Burke. The Psychology and Pedagogy of Reading. Cambridge : MIT Press, 1968. S. 17. (anglicky) 
  3. Yarbus, str. 21
  4. Yarbus, str. 23
  5. Yarbus, str. 26
  6. a b c d RAYNER, Keith. Eye Movements in Reading and Infomration Porcessing: 20 Years of Research. Psychological Bulletin. , roč. 1998, čís. 124, s. 372–422. (anglicky) 
  7. a b c d e DUCHOWSKI, Andrew T.. A breadth-first survey of eye-tracking applications. Behavior Research Methods, Instruments, & Computers. , roč. 2002, čís. 34, s. 455-470. Dostupné online [cit. 2014-01-14]. (anglicky) 
  8. POSNER, Michael I.. Orienting of attention. Quarterly Journal of Experimental Psychology. 1980-02-01, roč. 32, čís. 1, s. 3–25. DOI:10.1080/00335558008248231.  
  9. ROBINSON, David A.. A method of measuring eye movemnent using a scieral search coil in a magnetic field. IEEE Transactions on Bio-medical Electronics. , roč. 1963, čís. 10.4, s. 137-145. Dostupné online. (anglicky) 
  10. Yarbus, str. 25-26
  11. BULLING, Andreas; ROGGEN, Daniel; TÖRSTER, Gerhard. Wearable EOG goggles: Seamless sensing and context-awareness in everyday environments. Journal of Ambient Intelligence and Smart Environments. , roč. 2009, čís. 1.2, s. 157-171. Dostupné online [cit. 2014-01-14]. DOI:10.3233/AIS-2009-0020. (anglicky) 
  12. HOLMQVIST, Kenneth; NYSTRÖM, Marcus; ANDERSSON, Richard. [s.l.] : Oxford University Press, 2011. 560 s. ISBN 9780191625428. Kapitola 7. (anglicky) 
  13. FELMINGHAM, Kim L., Rennie, Chris; Manor, Barry; Bryant, Richard A. Eye tracking and physiological reactivity to threatening stimuli in posttraumatic stress disorder. Journal of Anxiety Disorders. 2011-06-01, roč. 25, čís. 5, s. 668–673. DOI:10.1016/j.janxdis.2011.02.010. (anglicky) 
  14. HOLZMAN, Philip S.. Eye-Tracking Dysfunctions in Schizophrenic Patients and Their Relatives. Archives of General Psychiatry. 1974-08-01, roč. 31, čís. 2, s. 143. DOI:10.1001/archpsyc.1974.01760140005001. (anglicky) 
  15. NEWMAN-TOKER, D. E., Saber Tehrani, A. S.; Mantokoudis, G.; Pula, J. H.; Guede, C. I.; Kerber, K. A.; Blitz, A.; Ying, S. H.; Hsieh, Y.-H.; Rothman, R. E.; Hanley, D. F.; Zee, D. S.; Kattah, J. C. Quantitative Video-Oculography to Help Diagnose Stroke in Acute Vertigo and Dizziness: Toward an ECG for the Eyes. Stroke. 2013-03-05, roč. 44, čís. 4, s. 1158–1161. DOI:10.1161/​STROKEAHA.111.000033. (anglicky) 
  16. Yarbus, str. 174
  17. LUKAVSKY, J.. Eye movements in repeated multiple object tracking. Journal of Vision. 2013-06-13, roč. 13, čís. 7, s. 9–9. DOI:10.1167/13.7.9. (anglicky) 
  18. LUCK, Steven J., Vogel, Edward K. Visual working memory capacity: from psychophysics and neurobiology to individual differences. Trends in Cognitive Sciences. 2013-08-01, roč. 17, čís. 8, s. 391–400. DOI:10.1016/j.tics.2013.06.006. (anglicky) 
  19. INAMBDAR, I.; POMPLUN, Marc. Comparative search reveals the tradeoff between eye movements and working memory use in visual tasks. In Proceedings of the 25th Annual Meeting of the Cognitive Science Society. Boston : [s. n.], 2003. S. 599-604. (anglicky)
  20. KNOEFERLE, Pia; CROCKER, Matthew W.. The Coordinated Interplay of Scene, Utterance, and World Knowledge: Evidence From Eye Tracking. Cognitive Science. 2006-05-06, roč. 30, čís. 3, s. 481–529. DOI:10.1207/s15516709cog0000_65. (anglicky) 
  21. THIBAUT, Jean-Pierre; FRENCH, R. M.; MISSAULT, A., et al. In the Eyes of the Beholder: What Eye-Tracking Reveals About Analogy-Making Strategies in Children and Adults. In Proceedings of the thirty-third Annual Meeting of the Cognitive Science Society. [s. l.] : [s. n.], 2011. S. 453-458. (anglicky)
  22. PÄRNAMETS, Philip, et al. Changing minds by tracking eyes: Dynamical systems, gaze and moral decisions. In Proceedings of the 35th Annual Conference of the Cognitive Science Society. Berlin, Germany : Cognitive Science Society, 2013. 4175058.  (anglicky)
  23. WU, David W.-L., et al. Why we Should Not Forget About the Non-social World: Subjective Preferences, Exploratory Eye-movements, and Individual Differences. In 35th Annual Meeting of the Cognitive Science Society. Berlin, Germany : Cognitive Science Society, 2013. S. 3801-3806. (anglicky)
  24. HANNA, Joy E., Brennan, Susan E. Speakers’ eye gaze disambiguates referring expressions early during face-to-face conversation. Journal of Memory and Language. 2007-11-01, roč. 57, čís. 4, s. 596–615. DOI:10.1016/j.jml.2007.01.008. (anglicky) 
  25. LANTHIER, S. N.. Measuring the separate effects of practice and fatigue on eye movements during visual search. In Proceedings of the 25th Annual Meeting of the Cognitive Science Society. Berlin, Germany : Cognitive Science Society, 2013.  (anglicky)
  26. JI, Q. Real-Time Eye, Gaze, and Face Pose Tracking for Monitoring Driver Vigilance. Real-Time Imaging. 2002-10-01, roč. 8, čís. 5, s. 357–377. DOI:10.1006/rtim.2002.0279.  
  27. KLIMEŠ, Jeroným. Využití Oční kamery ve výzkumu reklamních materiálů [online]. 2002, [cit. 2014-01-14]. Dostupné online. (česky) 
  28. NIELSEN, Jakob; PERNICE, Kara. Eyetracking Web Usability. [s.l.] : New Riders, 2009. 456 s. ISBN 978-0321498366. (anglicky) 
  29. MANHARTSBERGER, Martina. Eye tracking in usability research: What users really see. In Usability Symposium. [s. l.] : [s. n.], 2005. S. 141-152. (anglicky)