Oogbewegingen gebruiken om de cognitieve processen te evalueren die betrokken zijn bij tekstbegrip

1. Eigenschappen van eye tracking apparatuur Oogtrackers variëren met betrekking tot hoe oogbewegingen worden gemeten, hoe vaak de oogpositie wordt gemeten (bemonsteringsfrequentie), nauwkeurigheid van het bepalen van de oogpositie, hoeveel hoofdbeweging is toegestaan en gebruiksgemak. Het belang van deze factoren varieert afhankelijk van het type onderzoek dat wordt uitgevoerd en de deelnemers die worden getest. In de meeste studies van lezen is bijvoorbeeld een hoge nauwkeurigheid nodig om te bepalen welk woord wordt gefixeerd. Als tweede voorbeeld is tolerantie van hoofdbewegingen en gebruiksgemak cruciaal bij het gebruik van kinderen als deelnemers. Het hier beschreven onderzoek is uitgevoerd met behulp van een SR Research EyeLink 1000 eye tracker (SR Research Ltd). Figuur 1geeft een afbeelding van het oogvolgsysteem . Het EyeLink-systeem volgt oogbewegingen door veranderingen in pupilpositie in een videobeeld te meten. Dit wordt gedaan door een verspreid infrarood licht (dat niet zichtbaar is voor deelnemers) op de ogen van de proefpersonen te schijnen en de infraroodreflectie (beeld) van één oog (of beide ogen) op te nemen met een infraroodcamera met hoge resolutie. De infrarood lichtbron en videocamera bevinden zich onder de monitor die wordt gebruikt om de stimuli weer te geven. Infrarood licht wordt gebruikt om valse reflecties van normale spectrumlampen te voorkomen. Het infraroodlicht produceert een heldere plek waar de pupil zich bevindt (de lichten komen de pupil binnen en reflecteren van het netvlies om de pupil op te fleuren) en een puntige reflectie op het oppervlak van het oog, de hoornvliesreflectie genoemd. Het videobeeld wordt gedigitaliseerd zodat horizontale en verticale bewegingen van de pupil (de lichtpunt) in het videoframe kunnen worden gemeten. De hoornvliesreflectie is een stationaire reflectie die niet beweegt tenzij het hoofd wordt bewogen (omdat het een reflectie van het oppervlak van het oog is, beweegt het niet wanneer de ogen bewegen). Het meten van de hoornvliesreflectie biedt een middel om kleine hoofdbewegingen, die leiden tot beweging van de hoornvliesreflectie, te onderscheiden van oogbewegingen alleen, die niet leiden tot beweging van de hoornvliesreflectie. Om hoofdbewegingen te minimaliseren en de deelnemer in het brandpuntsbereik van de videocamera te houden, plaatsen deelnemers hun hoofd op een voorhoofd en kinsteun tijdens het lezen van tekst die op een computermonitor wordt gepresenteerd. Verschillende kritieke kenmerken van oogvolgsystemen worden hieronder beschreven. Bemonsteringsfrequentie. Bemonsteringsfrequentie verwijst naar het aantal keren per seconde dat de oogpositie wordt gemeten. De bemonsteringsfrequentie voor het EyeLink 1000-systeem is 1.000 Hz, wat betekent dat de oogpositie 1.000 keer per seconde wordt gemeten. Gemeenschappelijke bemonsteringsfrequenties zijn 1.000 Hz, 500 Hz, 250 Hz en 60 Hz (de videoverversingsfrequentie/frequentie van veel computermonitoren).Opmerking: Bij het bestuderen van lezen is het doel om de locatie en duur van fixaties en saccades nauwkeurig te meten. Tijdens normale volwassen lezing, variëren de fixatieduur typisch van ongeveer 100-800 msec, met het gemiddelde ongeveer 250 msec (voor universiteit-oude lezers). Saccades variëren meestal in duur van ongeveer 10-20 msec wanneer lezers hun ogen van het ene woord naar het andere bewegen. Zeer grote saccades, zoals het verplaatsen van het einde van de ene lijn naar het begin van de volgende lijn, kunnen zo lang zijn als 60-80 msec in duur. Hogere bemonsteringssnelheden produceren een betere temporele nauwkeurigheid (ook wel temporele resolutie genoemd) bij het meten van de duur van fixaties en saccades. In het bijzonder zal de gemiddelde tijdsfout ongeveer de helft van de tijdsduur tussen de monsters zijn. Een bemonsteringsfrequentie van 1.000 Hz (bemonsteringsoogpositie om de 1 msec) leidt bijvoorbeeld tot een gemiddelde fout van 0,5 msec en een bemonsteringsfrequentie van 60 Hz (bemonsteringsoogpositie om de 16,7 msec) leidt tot een gemiddelde fout van ongeveer 8 msec. Een fout van 8 msec kan als te groot worden beschouwd om de duur van saccades te bestuderen, maar niet te groot om de duur van fixaties te bestuderen. Dertig jaar geleden werd het meeste leesonderzoek uitgevoerd met behulp van oogtrackers met 60 Hz bemonsteringssnelheden. Het meeste onderzoek naar lezen wordt nu uitgevoerd met behulp van oogtrackers die kunnen bemonsteren bij 500 Hz of 1.000 Hz.Tijdens het lezen is het doel om beide ogen op dezelfde locatie te richten; daarom is het gebruikelijk om oogbewegingen van één oog vast te leggen. Sommige oogvolgsystemen maken het mogelijk om beide ogen tegelijkertijd te volgen. Het voordeel van het volgen van beide ogen is dat het oog met de beste trackingnauwkeurigheid kan worden geselecteerd voor de uiteindelijke analyse. Het nadeel van het volgen van beide ogen is dat de bemonsteringsfrequentie over het algemeen met een factor twee wordt verminderd(d.w.z. een bemonsteringsfrequentie van 1.000 Hz voor één oog wordt verlaagd tot 500 Hz bij opname vanuit beide ogen). Nauwkeurigheid. Nauwkeurigheid verwijst naar hoe goed de berekende fixatielocatie overeenkomt met de werkelijke fixatielocatie. Dit wordt uitgedrukt in graden van visuele hoek (een halve cirkel heeft 180º visuele hoek). De gemiddelde nauwkeurigheid van het EyeLink 1000-systeem is 0,25-0,5º visuele hoek. Om dit in perspectief te plaatsen, wanneer u kijkt naar een 17-20 in computermonitor op een normale kijkafstand, beslaat de breedte van de monitor 20-30º visuele hoek.Opmerking: De mate van nauwkeurigheid die nodig is, hangt af van de onderzoeksdoelen. Als het doel is om te meten welk teken op een lijn is gefixeerd, is de nauwkeurigheid van de tekenpositie vereist. Als het doel is om te meten welk woord op een regel is gefixeerd, is woordpositienauwkeurigheid nodig. In het hier beschreven onderzoek werd tekst weergegeven zodat 3 tekens gelijk waren aan ongeveer 1° visuele hoek. De meting is ongeveer 3 tekens omdat de tekst in proportioneel lettertype werd weergegeven(d.w.z. tekens verschilden in breedte, zoals het teken i dat smaller is dan de w). Om de nauwkeurigheid van de tekenpositie te verkrijgen, moet de oogtracker de fixatielocatie bepalen tot 1/3° (de breedte van ongeveer één teken) over een horizontaal bereik van 30° (de breedte van het computerdisplay). Om de nauwkeurigheid van de woordpositie te verkrijgen, moet de oogtracker de fixatielocatie binnen een bereik van 1° bepalen voor woorden van 3 tekens lang. Oogtrackers zijn over het algemeen iets minder nauwkeurig bij het meten van grote verticale oogbewegingen(bijv. van de onderkant van het scherm naar de bovenkant) omdat de pupil gedeeltelijk kan worden afgesloten door de oogleden en wimpers. Dit probleem kan aanzienlijk worden verminderd of geëlimineerd door de teksten dubbel uit elkaar te brengen, waardoor gemakkelijker kan worden onderscheiden welke regel tekst wordt gelezen. Voor 17-20 in computermonitoren produceert dubbele afstand ongeveer 2,5° verticale scheiding tussen lijnen, ruim binnen het nauwkeurigheidsbereik van de EyeLink 1000 en de meeste oogtrackers van de huidige generatie. Hoofdbeweging. De toegestane kopbeweging voor het EyeLink 1000-systeem is 25 mm x 25 mm x 10 mm (horizontaal x verticaal x diepte). Dat wil gezegd, deelnemers kunnen hoofdbewegingen maken van ±12,5 mm links / rechts, ± 12,5 mm omhoog / omlaag en ±5 mm in / uit vanaf de hoofdpositie waarin de eerste kalibratie (hieronder uitgelegd) werd uitgevoerd zonder afbreuk te doen aan de nauwkeurigheid. De beperkingen links/rechts en omhoog/omlaag zijn nodig om het oog binnen het gezichtsveld van de videocamera te houden. De in/uit-beperking is nodig om het oog in het brandpuntsbereik van de videocamera te houden. Het gebruik van een combinatie voorhoofd/kinsteun houdt bewegingen gemakkelijk binnen dit bereik.Opmerking: Als grotere hoofdbewegingen nodig zijn, bijvoorbeeld als het display bestaat uit drie monitoren naast elkaar die hoofdbewegingen vereisen om naar elke monitor te kijken (zoals in een rijsimulator), is een “head mounted” versie van de oogtracker beschikbaar die geen voorhoofd / kinsteun vereist. Voor het hoofdgemonteerde systeem worden de camera’s die worden gebruikt om de oogpositie te volgen, op een verstelbare hoofdband gemonteerd, zodat deelnemers hun hoofd vrij kunnen bewegen. Een aparte camera die naar voren wijst, neemt de scène op die wordt bekeken. Oogbewegingen worden bepaald ten opzichte van de scène die wordt bekeken. Het nadeel van het hoofd gemonteerde systeem is dat de bemonsteringsfrequentie wordt verlaagd tot 500 Hz (maximaal) of minder, de nauwkeurigheid iets minder is omdat grote hoofdbewegingen fouten kunnen veroorzaken en de insteltijden iets langer zijn omdat de positie van de oogbewegingscamera’s voor elke deelnemer moet worden aangepast. De software voor het bedienen van de head mounted eye tracker is in wezen identiek aan de EyeLink 1000. Systeeminstellingstijd. De EyeLink 1000 kan meestal in 5 minuten of minder worden ingesteld en gekalibreerd, wat typisch is voor videogebaseerde oogtrackers. Dit proces wordt verder gedefinieerd in de volgende proceduresectie. 2. Stimulusvoorbereiding Bij het vergelijken van oogbewegingen voor stimuli uit twee of meer omstandigheden, moeten de stimuli worden afgestemd op kenmerken waarvan bekend is dat ze oogbewegingen beïnvloeden. De metafoorteksten die hier worden gebruikt, illustreren verschillende belangrijke eigenschappen die moeten worden gecontroleerd bij het vergelijken van hoe twee stimuli worden gelezen. Trefwoorden moeten worden afgestemd op de gemiddelde woordlengte (in aantal tekens) en woordfrequentie (meestal uitgedrukt als voorvallen/miljoen woorden) tussen de omstandigheden. Dit is van cruciaal belang omdat de fixatieduur toeneemt naarmate de woordfrequentie afneemt en de kans op het fixeren van een woord toeneemt naarmate de woordlengtetoeneemt met 10,13. In de metafoorpassages werden inhoudswoorden in bekende en onbekende metaforen vergeleken op gemiddelde woordlengte en woordfrequentie. Trefwoorden moeten in vergelijkbare posities in teksten en zinnen worden gepresenteerd. Dit is belangrijk omdat woorden aan het einde van zinnen meestal langzamer worden gelezen dan eerdere woorden in de zinnen en lezers de neiging hebben om sneller te lezen naarmate ze door een passage gaan en vervolgens vertragen op de laatste zin11,12. In de metafoorpassages werden alle metaforen aan het einde van de derde zin gepresenteerd. Het presenteren van sommige metaforen aan het begin van zinnen en andere aan het einde van zinnen zou leiden tot variatie in leestijden die niet geassocieerd worden met de metaforen zelf. Sleutelzinnen moeten ruwweg worden afgestemd op woordlengte en structuur. Dit is belangrijk omdat zinslengte en syntactische structuur de leestijd, het aantal fixaties en de waarschijnlijkheid van regressiesbeïnvloeden 13. In de metafoorpassages hadden bekende en onbekende metaforen hetzelfde aantal woorden en structuur (X is een Y). De context die onmiddellijk voorafgaat aan trefwoorden moet ruwweg worden gelijkgesteld met het aantal woorden, de opmaak en de verwerkingsmoeilijkheden. Het gelijkstellen van contexten over voorwaarden is noodzakelijk omdat contextuele beperking de fixatieduur voor volgende woordenbeïnvloedt 1,14. In de metafoorpassages had de eerste contextzin altijd betrekking op het eerste sleutelwoord in de metaforen (liefde en visser) en de tweede contextzin altijd gerelateerd aan het tweede sleutelwoord in de metaforen (bloem en spin). Trefwoorden of zinnen mogen niet het laatste woord of de laatste zin van een passage zijn. Dit is belangrijk omdat lezers het einde van een tekst langzamer lezen dan eerdere delen van de tekst, wat het passage wrap-up effect12wordt genoemd. Door een slotzin toe te voegen, kan ook de verwerking van spillover worden gemeten. Spillover verwijst naar verwerkingsmoeiingen die van de ene zin naar de volgende zin gaan. In de metafoorpassages volgde een neutrale slotzin de metaforen. Als lezers de betekenis van een metafoor niet begrepen, zouden ze misschien doorgaan naar de volgende zin in de hoop op aanwijzingen over de betekenis van de metafoor. Als zodanig was de conclusiezin opzettelijk neutraal om betekenissignalen te verwijderen.Hoewel de stimuluscontrole-eigenschappen hier werden beschreven in termen van metaforen, zijn ze van toepassing op bijna elke studie van tekstbegrip of elke studie die taalkundige stimuli manipuleert. Denk aan ons eerdere voorbeeld waarin lezers op woorden gebaseerde wiskundige problemen oplossen die variëren in complexiteit(bijv. hoge versus lage complexiteit). Men zou niet willen dat de problemen met hoge complexiteit meer ongewone (zeer lage frequentie) woorden bevatten dan de lage complexiteitsproblemen, omdat wiskundige complexiteit zou worden verward met woordfrequentie. Natuurlijk bepaalt het doel van het experiment welke functies moeten worden gecontroleerd. Als het doel van het experiment bijvoorbeeld is om te onderzoeken hoe zinsstructuur de verwerking beïnvloedt, moet de zinsstructuur worden gemanipuleerd. Om terug te keren naar ons wiskundeprobleemexperiment, zou je kunnen onderzoeken hoe verschillende grammaticale structuren de moeilijkheid beïnvloeden om de problemen op te lossen. Zinnen met belangrijke details van de problemen kunnen bijvoorbeeld worden geschreven met actieve of passieve stem. Het patroon van oogbewegingen op deze sleutelzinnen kan worden gemeten, evenals de invloed op het bepalen van de juiste oplossingen. 3. Het experiment uitvoeren De deelnemers moeten beginnen met het invullen van een geïnformeerde toestemming die de algemene procedure beschrijft. Gedragsonderzoek zoals het hier beschreven experiment wordt algemeen goedgekeurd door de gedrags-IRB (Institutional Research Board) van een instelling in tegenstelling tot een medische IRB omdat videogebaseerde oogvolgapparatuur geen contact maakt met het oog en is goedgekeurd als een KLASSE 1 LED-apparaat dat onder alle omstandigheden veilig is. Als oogvolgprocedures worden gecombineerd met medische procedures, zoals het registreren van oogbewegingen tijdens het ondergaan van een fMRI, is medische IRB noodzakelijk. Deelnemers moeten alle afleidende elektronische apparaten uitschakelen of dempen. De hoogte van de kinsteun moet zo worden ingesteld dat het oog dat wordt bewaakt ruwweg in het videoscherm is gecentreerd. Deelnemers moeten de zithoogte aanpassen zodat ze hun kin comfortabel op de kinsteun en hun voorhoofd tegen de voorhoofdsteun kunnen laten rusten. Deelnemers hebben de neiging om in de stoel te slochen terwijl ze ontspannen, wat de neiging heeft om hun voorhoofd weg te trekken van de voorhoofdsrust. Dit kan de verticale fout in de oogtraceringsrecord verhogen. Dit probleem kan worden geminimaliseerd door ervoor te zorgen dat deelnemers beginnen met hun kin iets boven de hoogte van de kinsteun, zodat ze hun kin op de kinsteun kunnen laten rusten. Deelnemers moeten worden verteld hoe de oogtracker wordt aangepast en ingesteld voordat met het experiment wordt begonnen. Het weergeven van instructies op de monitor geeft deelnemers de mogelijkheid om te zien hoe het display eruit ziet voordat ze aan het experiment beginnen en om hun positie op het voorhoofd / kinsteun indien nodig verder aan te passen. Zorg ervoor dat alleen dat oog dat wordt opgenomen zichtbaar is op het camerascherm. Dit voorkomt dat de tracker naar het andere oog “verschuift” als deelnemers een grote hoofdbeweging maken. Als beide ogen zich in het gezichtsveld van de camera bevinden, kan er worden verschoven als deelnemers hun hoofd ver genoeg bewegen, zodat het beeld van het oog dat wordt opgenomen uit het gezichtsveld van de camera wordt verplaatst en het andere oog in het zicht van de camera wordt verplaatst. De oogtracker zal dan “zoeken” naar een nieuwe leerlingreflectie. De tracker schakelt terug naar het oorspronkelijke oog wanneer het hoofd wordt teruggebracht naar de startpositie, maar het verschuiven veroorzaakt een tijdelijk verlies van de oogpositie. Stel de camera scherp (het beeld wordt weergegeven op het display van de experimenteerder). De juiste focus verhoogt het vermogen om de pupil en hoornvliesreflectie te detecteren en te volgen. Pas de infraroodgevoeligheidsdrempel van de videocamera aan. Het EyeLink-systeem heeft een “automatische drempel”-functie die de drempel voor de overgrote meerderheid van de deelnemers correct instelt. Als grote gebieden van infraroodreflectie dicht bij het oog zichtbaar zijn, kan de drempel handmatig worden verlaagd. Op dit punt moet de oogtracker de pupil- en hoornvliesreflectie detecteren en beginnen met het volgen van de oogpositie (aangegeven door kruisharen over de pupil en hoornvliesreflectie). Zorg ervoor dat de reflectie van de pupil en het hoornvlies over het hele oppervlak van het scherm wordt gevolgd door deelnemers naar elke hoek van de computermonitor te laten kijken. Als de pupil- of hoornvliesreflectie aan de randen van het display verloren gaat, lost het kantelen van het hoofd van de deelnemer door de kinsteunvoet naar voren of naar achteren te bewegen meestal het probleem op. Voor deelnemers die een bril dragen, verbergen de monturen soms een deel van het videobeeld van de ogen wanneer ze naar extreme horizontale of verticale hoeken kijken. Dit is alleen een probleem als de pupil- en hoornvliesreflectie niet kan worden gevolgd over het hele gebied waarin de stimuli worden weergegeven. De oogtracker kan indien nodig over een kleiner bereik worden gekalibreerd (hierna beschreven) om dit probleem te compenseren. Kalibratie is het proces dat wordt gebruikt om de oogvolgsoftware in te stellen om oogbewegingen nauwkeurig te volgen. Dit wordt gedaan door de oogpositie vast te leggen terwijl deelnemers een set van negen fixatiepunten (zwarte stippen) fixeren die op de monitor op bekende locaties worden weergegeven. De fixatiepunten worden in willekeurige volgorde weergegeven. Het aantal fixatiepunten kan worden gevarieerd, afhankelijk van hoeveel van het display de stimuli zullen innemen. Als passages het grootste deel van het scherm vullen, moet kalibratie een 9-punts formatie gebruiken (linksboven, boven midden, rechtsboven, midden links, midden midden, midden rechts, linksonder, middenonder, rechtsonder). Als slechts één tekstregel in het verticale midden van het display wordt weergegeven, kan het kalibratiebereik worden teruggebracht tot het centrale gebied van het display. Instrueer de deelnemers tijdens de kalibratie om elke stip te fixeren totdat deze is verdwenen en probeer de bewegingen van de stip niet te voorspellen. Als deelnemers hun ogen bewegen in een poging om de volgende locatie van de stip te voorspellen, kan de beweging van de stip handmatig worden geregeld om ervoor te zorgen dat deelnemers elke stip fixeren voordat de volgende stip wordt weergegeven. Valideer de kalibratie. Tijdens de validatie fixeren deelnemers dezelfde negen punten als tijdens de kalibratie. De berekende fixatielocaties worden vervolgens vergeleken met de bekende fixatielocaties om de mate van visuele fout in berekende fixatielocaties te bepalen. Op dit punt geeft de software informatie weer over de mate van visuele fout voor elk fixatiepunt, de gemiddelde fout op alle punten en de maximale fout op alle punten. Als de gemiddelde fout meer dan 0,5º visuele hoek bedraagt, moet de instelling van de oogtracker worden gecontroleerd en moet het kalibratieproces worden herhaald. De gemiddelde fout combineert verticale en horizontale fouten; daarom kan een aanvaardbare gemiddelde fout van 0,3º bijvoorbeeld een combinatie van kleine horizontale en verticale fouten, een combinatie van kleine horizontale fouten(bijv. 0,1º) en grote verticale fouten(bijv. 0,6º) of een wisselend foutenpatroon weerspiegelen. Bijgevolg moeten onderzoekers de horizontale en verticale verplaatsing voor elk kalibratiepunt onderzoeken en een drempel voor aanvaardbare fouten vaststellen op basis van het uitgevoerde experiment. Als de stimuli bijvoorbeeld zinnen met één regel zijn die in het midden van het scherm worden weergegeven, is verticale nauwkeurigheid minder belangrijk omdat er slechts één regel tekst is. Het eerdere voorbeeld van horizontale fouten van 0,1º en 0,6º verticale fouten kan aanvaardbaar zijn voor weergaves met één lijn. Bij het gebruik van meerregelige passages zijn verticale en horizontale nauwkeurigheid beide van cruciaal belang. Begin het experiment na het verkrijgen van een acceptabele kalibratie. Instrueer deelnemers om niet te praten wanneer stimuli worden weergegeven. Praten zorgt ervoor dat het hoofd op en neer beweegt wanneer het op de kinsteun rust en dit vermindert de nauwkeurigheid van het volgen van de ogen. Begin met het presenteren van een klein aantal oefenproeven, zodat deelnemers vertrouwd raken met de oogtracker, responscontroller (indien gebruikt) en het formaat van de stimuli. Voor elke proef wordt een fixatiepunt (vaak een driftcorrectiepunt genoemd) weergegeven waar het eerste woord van de tekst zich bevindt. Instrueer deelnemers om het driftcorrectiepunt vóór elke proef te fixeren. Als de visuele fout bij het repareren van het driftcorrectiepunt de maximaal toegestane fout (0,5º) overschrijdt, zal het systeem de proef niet laten beginnen. Op dit punt is herkalibratie nodig. Dit zorgt voor een consistent nauwkeurig spoor gedurende het hele experiment. Herkalibratie duurt meestal minder dan een minuut omdat het systeem al is ingesteld om de ogen van deelnemers te volgen. Vraag deelnemers of ze na het voltooien van de oefenproeven nog vragen hebben. Deelnemers moeten hun hoofd van het voorhoofd / kinsteun verwijderen om vragen te stellen. De nauwkeurigheid van het volgen moet opnieuw worden gecontroleerd nadat de deelnemers terugkeren naar de voorhoofd/ kinsteun, omdat hun hoofd niet in precies dezelfde positie zal zijn. Dit kan worden gedaan door deelnemers te laten kijken naar driftcorrectiepunt en de berekende positie te vergelijken met de werkelijke positie, die wordt weergegeven op de monitor van de experimenteerder. Voor de meerderheid van de deelnemers is herkalibratie meestal niet nodig na het uitstappen en vervolgens terugkeren naar de voorhoofd / kin rust. Als deelnemers op enig moment een pauze moeten nemen of de kwaliteit van de baan is verslechterd (meestal als gevolg van de herpositionering van de deelnemers in hun stoel), moet de kalibratie worden gecontroleerd en indien nodig opnieuw worden gekalibreerd. Deelnemers hebben de neiging om hun zitposities (slouch) te ontspannen tijdens een experiment, wat de hoek van het hoofd kan veranderen. Dit kan de trackingnauwkeurigheid verminderen en leiden tot de noodzaak om opnieuw te kalibreren. Het opnemen van korte pauzes elke 15-20 minuten in langere experimenten minimaliseert dit probleem. Deelnemers moeten na afloop van het experiment worden ondervraagd.