Использование движений глаз для оценки когнитивных процессов, участвующих в понимании текста

1. Свойства оборудования слежения за глазами Глаз трекеры варьируются в зависимости от того, как движения глаз измеряются, как часто положение глаз измеряется (скорость выборки), точность определения положения глаз, сколько движения головы допускается, и простота использования. Важность этих факторов варьируется в зависимости от типа выполняемых исследований и участников тестирования. Например, в большинстве исследований чтения, высокая точность необходима, чтобы определить, какое слово фиксируется. Во втором примере при использовании детей в качестве участников решающее значение имеет терпимость к движениям головы и простота использования. Исследование, описанное здесь, было проведено с помощью SR Research EyeLink 1000 глаз трекер (SR Research Ltd). Изображение системы слежения за глазами представлено на рисунке 1. Система EyeLink отслеживает движения глаз, измеряя изменения в положении ученика на видео- изображении. Это делается путем сияния рассеянного инфракрасного света (который не виден участникам) на глаза испытуемых и записи инфракрасного отражения (изображения) от одного глаза (или обоих глаз) с высоким разрешением инфракрасного зондирования видеокамеры. Инфракрасный источник света и видеокамера расположены под монитором, который используется для отображения стимулов. Инфракрасный свет используется, чтобы избежать ложных отражений от нормального спектра огней. Инфракрасный свет производит яркое пятно, где находится зрачок (свет входит в зрачок и отражается от сетчатки, чтобы украсить зрачок) и точное отражение на поверхности глаза называется отражение роговицы. Видео изображение оцифровывается таким образом, что горизонтальные и вертикальные движения зрачка (яркое пятно) в видеорамке могут быть измерены. Отражение роговицы является стационарным отражением, которое не двигается, если голова не перемещается (потому что это отражение от поверхности глаза, он не двигается, когда глаза двигаются). Измерение отражения роговицы дает возможность отличить небольшие движения головы, которые приводят к движению отражения роговицы, от движений глаз в одиночку, которые не приводят к движению отражения роговицы. Чтобы свести к минимуму движения головы и удержать участника в фокусном диапазоне видеокамеры, участники при чтении текста, представленного на мониторе компьютера, наводят голову на лоб и подбородок. Ниже описаны некоторые важные особенности систем слежения за глазами. Скорость выборки. Скорость выборки относится к тому, сколько раз в секунду глаз позиция измеряется. Скорость выборки для системы EyeLink 1000 составляет 1000 Гц, что означает, что положение глаз измеряется 1000 раз/сек. Общие частоты выборки 1000 Гц, 500 Гц, 250 Гц и 60 Гц (скорость обновления видео / частота многих компьютерных мониторов).Примечание: При изучении чтения, цель состоит в том, чтобы точно измерить местоположение и продолжительность фиксаций и saccades. Во время нормального чтения взрослых, фиксация продолжительности обычно варьируются от около 100-800 мсек, в среднем составляет около 250 мсек (для читателей в возрасте колледжа). Саккады обычно варьируются по продолжительности от 10-20 мсек, когда читатели перемещают глаза от одного слова к следующему. Очень большие саккады, такие как переход от конца одной линии к началу следующей линии, могут быть до тех пор, как 60-80 мсек в продолжительности. Более высокие показатели выборки дают лучшую височную точность (также называемую временным разрешением) при измерении продолжительности фиксаций и саккад. В частности, средняя временная погрешность будет примерно в два раза времени между образцами. Например, выборка частоты 1000 Гц (выборка глаз положение каждые 1 мсек) приведет к средней погрешности 0,5 мсек и выборки 60 Гц (выборка глаз положение каждые 16,7 мсек) приведет к средней погрешности около 8 мсек. Ошибка в 8 мсек может считаться слишком большой для изучения продолжительности саккад, но не слишком большой, чтобы изучить продолжительность фиксаций. Тридцать лет назад большинство исследований чтения было проведено с использованием глаз трекеров с 60 Гц частоты выборки. Большинство исследований по чтению в настоящее время осуществляется с помощью глаз трекеров, способных выборки на 500 Гц или 1000 Гц.Во время чтения, цель состоит в том, чтобы сосредоточить оба глаза на том же месте; поэтому обычной практикой является запись движений глаз от одного глаза. Некоторые системы слежения за глазами позволяют отслеживать оба глаза одновременно. Преимущество отслеживания обоих глаз в том, что глаз с лучшей точностью отслеживания может быть выбран для окончательного анализа. Недостатком отслеживания обоих глаз является то, что скорость отбора проб, как правило, уменьшается в два раз(т.е. скорость выборки 1000 Гц на один глаз уменьшается до 500 Гц при записи с обоих глаз). Точность. Точность относится к тому, насколько хорошо рассчитанное местоположение фиксации соответствует фактическому местоположению фиксации. Это выражается в степени визуального угла (половина круга имеет 180o визуального угла). Средняя точность системы EyeLink 1000 составляет 0,25-0,5o визуального угла. Для того чтобы положить это в перспективу, смотрящ 17-20 в мониторе компьютера на нормальном расстоянии просмотра, ширина монитора покрывает 20-30o визуально угла.Примечание: Степень точности, необходимая зависит от целей исследования. Если цель состоит в том, чтобы измерить, какой символ на линии фиксируется, то точность положения персонажа необходима. Если цель состоит в том, чтобы измерить, какое слово на линии зацикленено, то точность положения слова необходима. В исследовании, описанное здесь, текст отображался так, что 3 символа равнялись примерно 1 “визуального угла. Измерение составляет примерно 3 символа, потому что текст отображался пропорциональным шрифтом(т.е. символы отличались по ширине, например, символ i будучи более узким, чем w). Чтобы получить точность положения персонажа, глаз трекер должен определить местоположение фиксации до 1/3 “(ширина примерно одного символа) через 30 “горизонтальный диапазон (ширина дисплея компьютера). Чтобы получить точность положения слова, глаз трекер должен определить местоположение фиксации в пределах 1 “диапазона слов 3 символов в длину. Глаз трекеры, как правило, немного менее точным при измерении больших вертикальных движений глаз(например, перемещение из нижней части дисплея на вершину), потому что зрачок может быть частично occluded на глаза крышки и ресницы. Эта проблема может быть существенно уменьшена или устранена путем двойного интервала между текстами, что облегчает просмотр строки текста. Для 17-20 в компьютерных мониторах, двойное расстояние производит примерно 2,5 “вертикального разделения между линиями, а в пределах диапазона точности EyeLink 1000 и наиболее текущего поколения глаз трекеров. Движение головы. Допускается движение головки для системы EyeLink 1000 составляет 25 мм х 25 мм х 10 мм (горизонтальная х вертикальная глубина x). То есть участники могут делать движения головки от ±12,5 мм влево/вправо, ±12,5 мм вверх/вниз и ±5 мм в/из положения головы, в котором первоначальная калибровка (объясняется ниже) была выполнена без ущерба для точности. Левые/правые и вверх/вниз ограничения необходимы, чтобы держать глаз в поле зрения видеокамеры. Ограничение в/из необходимо, чтобы держать глаз в фокусном диапазоне видеокамеры. Используя комбинацию лоб / подбородок отдых легко держит движения в этом диапазоне.Примечание: Если необходимы большие движения головы, например, если дисплей состоял из трех мониторов бок о бок, которые требовали движения головы, чтобы посмотреть на каждый монитор (как в симуляторе вождения), “голова установлена” версия глаз трекер доступен, который не требует лоб / подбородок отдыха. Для головной установленной системы камеры, используемые для отслеживания положения глаз, устанавливаются на регулируемой повязке, чтобы участники могли свободно перемещать головы. Отдельная камера, которая указывает вперед, записывает просматриваемую сцену. Движения глаз определяются относительно рассматриваемой сцены. Недостатком головной установленной системы является то, что скорость выборки снижается до 500 Гц (максимум) или меньше, точность, как правило, немного меньше, потому что большие движения головы могут ввести ошибку, и время установки, как правило, немного больше, потому что положение камер движения глаз должны быть скорректированы для каждого участника. Программное обеспечение для работы головы установлен глаз трекер по существу идентичны EyeLink 1000. Время установки системы. EyeLink 1000 обычно может быть настроен и откалиброван в 5 минут или меньше, что характерно для видео-трекеров глаз. Этот процесс далее определяется в следующем разделе процедуры. 2. Стимул подготовка При сравнении движений глаз для стимулов, взятых из двух или более условий, стимулы должны быть сопоставлены на особенности, которые, как известно, влияют на движения глаз. Тексты метафор, используемые здесь, иллюстрируют несколько важных свойств, которые следует контролировать при сравнении того, как читаются два стимула. Ключевые слова должны быть сопоставиты по средней длине слова (по количеству символов) и частоте слов (обычно выраженных как случаи/миллион слов) в разных условиях. Это имеет решающее значение, потому что продолжительность фиксации увеличивается по мере уменьшения частоты слов и увеличивается вероятность фиксации слова по мере увеличения длины слова10,13. В метафорических пассажах содержание слов в знакомых и незнакомых метафорах соответствовало средней длине слова и частоте слов. Ключевые слова должны быть представлены на аналогичных должностях в текстах и предложениях. Это важно, потому что слова в конце предложения, как правило, читать медленнее, чем предыдущие слова в предложениях и читатели, как правило, читать быстрее, как они прогресс через проход, а затем замедлить напоследнем предложении 11,12. В метафорических пассажах все метафоры были представлены в конце третьего предложения. Представление некоторых метафор в начале предложений, а другие в конце предложений приведет к изменению времени чтения, не связанных с самими метафорами. Ключевые фразы должны быть примерно совпадают по длине слова и структуре. Это важно, потому что длина предложения и синтаксическая структура влияют на время чтения, количество фиксаций и вероятность регрессий13. В метафорических пассажах знакомые и незнакомые метафоры имели одинаковое количество слов и структуры (X is a Y). Контекст, непосредственно предшествующий ключевым словам, следует примерно приравнять к количеству слов, формату и сложности обработки. Приравнивание контекстов к условиям необходимо, поскольку контекстуальное ограничение влияет на продолжительность фиксации последующихслов 1,14. В метафорических пассажах первое контекстное предложение всегда связано с первым ключевым словом вметафорах (любовь и рыбак),а второе контекстное предложение всегда связано со вторым ключевым словом в метафорах(цветок и паук). Ключевые слова или фразы не должны быть последним словом или фразой отрывка. Это важно, потому что читатели читают окончание текста медленнее, чем предыдущие части текста, который называется эффектом итогового прохода12. Добавление заключительного предложения также позволяет измерять обработку побочных эффектов. Побочный эффект относится к сложности обработки, которая переносится из одного предложения в последующее предложение. В метафорических пассажах нейтральное заключение предложения последовало за метафорами. Если читатели не понимают смысла метафоры, они могут перейти к следующему предложению в надежде на сигналы о значении метафоры. Таким образом, заключение предложение было намеренно нейтральным, чтобы удалить смысл сигналы.Хотя свойства контроля стимулов были описаны здесь с точки зрения метафор, они применяются к большинству любого исследования понимания текста или любого исследования, которое манипулирует языковыми стимулами. Рассмотрим наш предыдущий пример, в котором читатели решают математические задачи на основе слов, которые различаются по сложности(например, высокая и низкая сложность). Не хотелось бы, чтобы проблемы с высокой сложностью включают в себя более необычные (очень низкочастотные) слова, чем проблемы низкой сложности, поскольку математическая сложность будет спутать с частотой слов. Конечно, цель эксперимента диктует, какие функции необходимо контролировать. Например, если цель эксперимента состоит в том, чтобы изучить, как структура предложения влияет на обработку, то структурой предложения необходимо манипулировать. Чтобы вернуться к нашему математического эксперимента проблемы, можно было бы изучить, как различные грамматические структуры влияют на сложность решения проблем. Например, предложения, содержащие ключевые детали проблем, могут быть написаны активным или пассивным голосом. Модель движений глаз на этих ключевых предложениях может быть измерена, а также влияние на определение правильных решений. 3. Запуск эксперимента Участники должны начать с получения информированного согласия, описывая общую процедуру. Поведенческие исследования, такие как эксперимент, описанный здесь, как правило, одобрены поведенческих IRB учреждения (Институциональный научно-исследовательский совет), в отличие от медицинского IRB, потому что видео-оборудование слежения за глазами не в состоянии установить контакт с глазом и одобрен как класс 1 светодиодное устройство, которое является безопасным при любых условиях. Если процедуры слежения за глазами сочетаются с медицинскими процедурами, такими как запись движений глаз во время прохождения МРТ, медицинский IRB будет необходимо. Участники должны выключить или отключить все отвлекающие электронные устройства. Высота подбородка должна быть установлена таким образом, чтобы глаз, который контролируется, был примерно по центру видео-дисплея. Участники должны настроить высоту сиденья, чтобы они могли комфортно отдыха подбородок на подбородок и лоб против лба отдыха. Участники, как правило, сутулиться в кресле, как они расслабляются, который, как правило, тянуть лоб от лба отдыха. Это может увеличить вертикальную ошибку в записи отслеживания глаз. Эта проблема может быть сведена к минимуму, убедившись, что участники начинают с их подбородки немного выше высоты подбородка отдыха, так что они могут отдохнуть подбородок на подбородке отдыха. Участникам следует рассказать, как настраивается глазной трекер и настраивается перед началом эксперимента. Отображение инструкций на мониторе дает участникам возможность увидеть, как выглядит дисплей перед началом эксперимента, и при необходимости скорректировать свое положение на лбу/подбородке. Убедитесь, что на дисплее камеры виден только тот глаз, который записывается. Это предотвратит “смещение” трекера на другой глаз, если участники сделают большое движение головой. Если оба глаза находятся в поле зрения камеры, смещение может произойти, если участники двигают головой достаточно далеко, так что изображение глаза записывается перемещается из поля зрения камеры, а другой глаз перемещается в поле зрения камеры. Глаз трекер будет “поиск” для нового отражения ученика. Трекер будет смещаться обратно к исходному глазу, когда голова возвращается в исходное положение, но смещение приводит к временной потере положения глаз. Сосредоточьте камеру (изображение будет показано на дисплее экспериментатора). Правильное внимание увеличивает способность обнаруживать и отслеживать отражение зрачка и роговицы. Отрегулируйте порог инфракрасной чувствительности видеокамеры. Система EyeLink имеет функцию «авто порог», которая правильно устанавливает порог для подавляющего большинства участников. Если большие участки инфракрасного отражения видны близко к глазу, порог может быть уменьшен вручную. В этот момент глаз трекер должен обнаружить зрачок и отражение роговицы и начать отслеживать положение глаз (указывается перекрестия над зрачком и отражение роговицы). Убедитесь, что зрачок и отражение роговицы отслеживаются по всей поверхности дисплея, имея участников смотреть на каждый угол монитора компьютера. Если зрачок или отражение роговицы теряется по краям дисплея, наклоняя голову участника, перемещая основание отдыха подбородка вперед или назад, обычно решает проблему. Для участников, которые носят очки, кадры иногда затмевают часть видео изображения глаз при взгляде на крайние горизонтальные или вертикальные углы. Это только проблема, если зрачок и отражение роговицы не могут быть отслеированы по всей области, в которой стимулы будут показаны. Глаз трекер может быть откалиброван (описан следующий) на меньший диапазон, если это необходимо, чтобы компенсировать эту проблему. Калибровка — это процесс, используемый для настройки программного обеспечения для отслеживания глаз для точного отслеживания движений глаз. Это делается путем записи положения глаз, в то время как участники фиксируют набор из девяти точек фиксации (черных точек), отображаемых на мониторе в известных местах. Точки фиксации представлены случайным образом. Количество точек фиксации может быть различным в зависимости от того, сколько отображения стимулы будут занимать. Если проходы заполняют большую часть дисплея, калибровка должна использовать 9-точечное образование (верхний левый, верхний центр, верхний правый, средний левый, средний центр, средний правый, нижний левый, нижний центр, нижний правый). Если в вертикальном центре дисплея представлена только одна строка текста, диапазон калибровки может быть уменьшен до центральной области дисплея. Во время калибровки поручить участникам фиксировать каждую точку до тех пор, пока она не исчезнет, и постарайтесь не предсказывать движения точки. Если участники двигают глазами в попытке предсказать следующее местоположение точки, движение точки можно управлять вручную, чтобы гарантировать, что участники фиксируют каждую точку до того, как будет показана следующая точка. Проверка калибровки. Во время проверки участники фиксируют те же девять точек, что и во время калибровки. Затем вычисляемые местоположения фиксации сравниваются с известными местоположениями фиксации для определения степени визуальной ошибки в расчетных местах фиксации. На данный момент программное обеспечение отображает информацию о степени визуальной ошибки для каждой точки фиксации, средняя ошибка во всех точках, и максимальная ошибка во всех точках. Если средняя погрешность превышает 0,5o визуального угла, необходимо проверить настройку трекера глаз и повторить процесс калибровки. Средняя погрешность сочетает в себе вертикальные и горизонтальные ошибки; таким образом, приемлемая средняя погрешность 0,3o может, например, отражать сочетание небольших горизонтальных и вертикальных ошибок, сочетание небольших горизонтальных ошибок (например, 0,1o) и большихвертикальных ошибок (например, 0,6o) или различной картины ошибок. Следовательно, исследователи должны изучить горизонтальное и вертикальное смещение для каждой точки калибровки и установить порог приемлемой ошибки на основе выполняемого эксперимента. Например, если стимулы являются однольними предложениями, которые появятся в центре экрана, вертикальная точность менее важна, поскольку существует только одна строка текста. Предыдущий пример горизонтальных ошибок 0.1o и 0.6o вертикальных ошибок может быть приемлемым для однольных дисплеев. При использовании многослойных проходов вертикальная и горизонтальная точность имеют решающее значение. Начните эксперимент после получения приемлемой калибровки. Проинструктируй участников не говорить, когда отображаются стимулы. Говоря вызывает голову двигаться вверх и вниз, когда опираясь на подбородок отдыха, и это снижает точность отслеживания глаз. Начните с представления небольшого количества практических испытаний, чтобы участники чувствовали себя комфортно с глаз трекер, контроллер ответа (если используется), и формат стимулов. Перед каждым испытанием отображается точка фиксации (часто называемая точкой коррекции дрейфа), где будет расположено первое слово текста. Поручите участникам зафиксировать точку коррекции дрейфа перед каждым испытанием. Если визуальная ошибка при фиксации точки коррекции дрейфа превышает максимально допустимую ошибку (0,5o), система не позволит начать пробную версию. На этом этапе необходима перекалибровка. Это обеспечивает последовательно точный трек на протяжении всего эксперимента. Перекалибровка обычно занимает менее одной минуты, потому что система уже настроена для отслеживания глаз участников. Спросите участников, есть ли у них какие-либо вопросы после завершения практических испытаний. Участники должны удалить голову со лба / подбородка отдыха задавать вопросы. Точность отслеживания должна быть перепроверена после того, как участники вернутся на лоб/ подбородок отдыха, потому что их головы не будут в точно том же положении. Это можно сделать, взглянув на точку коррекции дрейфа и сравнив расчетную позицию с фактическим положением, которое отображается на мониторе экспериментатора. Для большинства участников, перекалибровка, как правило, не требуется после сходят, а затем вернуться в лоб / подбородок отдыха. Если в любое время участникам необходимо сделать перерыв или качество трассы ухудшилось (обычно из-за того, что участники перепозиционируют себя в кресле), калибровку следует проверять и перекалибровать по мере необходимости. Участники, как правило, расслабляют свои сидения позиции (сутулость) во время эксперимента, который может изменить угол головы. Это может снизить точность отслеживания и привести к необходимости перекалибровки. В том числе короткие перерывы каждые 15-20 минут в более длительных экспериментов сводит к минимуму эту проблему. Участники должны быть подведены итоги после завершения эксперимента.