眼动仪的发展和性能的前景分析

　眼睛被誉为心灵的窗口，它是我们信息加工过程中最重要的信息输入系统。为了看清楚某一个物体，我们的眼睛必须保持一定方位，才能使物体在视网膜上清晰成像，这种眼睛在某个物体上的停留被称为注视。当我们注意的目标发生转移时，我们的眼睛也将从一个注视点移动到另一个注视点，这种现象称为眼跳。通过研究眼睛的这些运动，研究者可以对人的认知活动规律加以探索。但是眼球运动速度是非常快的，典型的注视只持续0.1～0.5 s，而眼跳更是快到仅有0.01～0.1 s的时间。为了准确记录人的眼球运动过程，心理学家以及其他有关专家一直致力于改进眼动记录技术并开发更为先进的眼动仪[1]。
　　1 眼动研究和眼动仪的发展历程
　　人们很早就意识到眼睛和人的心理活动相关，在汉语中有很多语言表达反映了这一点，例如：“他气得目瞪口呆”“她目不转睛，认真听讲”“他眼珠滴溜溜乱转，似乎在打什么坏主意”，但真正使用仪器设备对眼球运动进行客观观察和实验则是近一百年来才开始的。早期的眼动研究主要采用观察法和机械记录法等。其中观察法包括直接观察法（如主试站在被试后面，从镜子里观察被试的眼动）和后像法（利用闪光灯高亮度闪光产生的视觉后像对人的眼动加以研究）。机械记录法则通过把眼睛与记录测验装置用机械传动方法联结起来实现对眼动的记录。机械记录法包括头部支点杠杆法、气动方法、角膜吸附环状物法等多种形式。观察法简便易行，但结果不精确，只能对眼动进行比较粗略的研究。而机械记录法则装置复杂，使用起来十分麻烦，实验结果准确性也较低[2]。因此，研究者一直在寻找更有效、准确而又简便的测量方法。
　　20世纪60年代之后，微电子技术、摄像技术和红外技术的发展，特别是计算机技术的运用，推动了新型高精度眼动仪的研制。新型眼动追踪技术大多采用基于瞳孔和角膜反射的视频记录法。
　　角膜反光是指角膜能够反射着落在它表面上的光。因为角膜是从眼球体表面凸出来的，所以在眼球运动过程中，角膜对来自固定光源光的反射角度也是变化的，即眼球运动时，角膜反光也随之变化。这样就可以通过普通照相法或者电影电视摄像法记录角膜反光来分析眼动[3]。这些眼动仪在追踪眼动时，将一束光线和一台摄像机对准被试的眼睛，通过光线和后端分析来推断被试注视的方向，摄像机则记录交互的过程。
　　要了解眼球如何在眼窝内运动，在计算被试注视方向时需要一个重要的信息，即被试头部的位置。20世纪80年代研发的第一代眼动仪使用的方法是将被试的头部置于一个固定的位置。20世纪90年代，眼动追踪设备的体积大为缩小，研究者就将其放在帽子里或固定在用户的头带上。因为眼动仪和头部同步运动，所以要计算眼动仪相对于用户头部的位置并非难事。但头部的设备较重，很容易造成被试颈部和背部的疲劳，依然让被试觉得不舒适。到了21世纪，随着计算机性能的不断提高，研究者进一步改进眼动研究手段，除了配置摄像机来拍摄被试双眼的特写镜头外，还单独配置一台摄像机用于拍摄被试的头部，并实时计算头部的位置。这样被试的头上就可以完全不用佩戴任何电子设备。依据外形结构的这种差异，眼动仪可分为3类：头部固定式、头盔式、遥测式。
　　2 常见的眼动仪及其性能比较
　　国外从20世纪初开始研制眼动仪，现在全世界已经有几十家生产眼动仪的厂家。尽管国内在研制眼动仪方面取得了一定的成绩，例如20世纪80年代末，中国科学院上海生理研究所的张名魁和孙复川研制了外光电反射眼动测量技术；20世纪90年代，西安电子科技大学研制了头盔式眼动仪。
　随着制造成本的降低，眼动仪逐步成为教育学和心理学研究的常规仪器，国内许多大学、科研机构和公司都陆续购置或准备着手购买眼动仪。其中SR公司生产的Eyelink眼动仪和瑞典Tobii公司生产的眼动仪是目前用户考虑较多的两个品牌。下面针对这两个系列的产品进行简单介绍和比较，以帮助研究者根据研究所需进行合理选择和采购。
　　2.1 Eyelink系列眼动仪可选用的追踪系统及特点
　　Eyelink系列眼动仪是由加拿大SR公司研发，SR公司是最早研制眼动跟踪系统的厂家之一，它进入中国市场已有近二十年的历史，其产品是目前国内外应用最为广泛的眼动产品之一。北京师范大学、首都师范大学、浙江大学、西南大学等先后购进了Eyelink系列眼动仪开展研究。
　　目前Eyelink系列眼动仪主要包括以下几款追踪系统：
　　（1）Eyelink1000桌面式眼动追踪系统
　　该系统是世界上应用最为广泛、采样率最高的眼动追踪系统。它精度高，采样频率可以达到1 000～2 000 Hz；空间分辨率高，误差< 0.01°RMS；同时能做到实时追踪（实时追踪延时<1.4 ms）。它的眼动采集装置安置在被试显示器下前方，被试头部没有电子设备，处于一种比较自然放松的状态。这样，实验结果可以更加真实可信，同时主试操作也比较便捷。该系统的主要特点有：定位简单迅速，被试在实验中途离开后不需要重新定标，适合长时间阅读研究；它支持单眼和双眼采集，对普通和隐性眼镜也兼容；该系统还有一个突出的优势，即可以和脑电结合实验。
　　（2）Eyelink Remote遥测式眼动追踪系统
　　该系统适用于在实验中头部有移动但仍要求高精度的研究。不过它对头动范围和头动速度都有一定的要求，允许头动范围为22 cm×18 cm×20 cm（水平×垂直×深度），允许头动速度必须低于100 cm/s。在这个系统中，被试的头部同样没有任何支撑或者电子设备，因此特别适合儿童以及病患等特殊人群使用。该系统采用独特的动态靶追踪技术，能够在眨眼或快速头动后2 ms内重新捕获眼睛位置。该系统还能与上面提到的桌面式眼动追踪系统结合使用，只需要换一个镜头就可以达到移动测量的目的，实现一套设备两种功能。
　　（3）Eyelink Arm 婴幼儿眼动追踪系统
　　该追踪系统将采集装置与显示屏整合在一起，LCD悬臂可自由调节位置 ，是一套可以移动的追踪系统，因而适合婴儿、低龄儿童以及病人等难以控制头部位置的特殊人群使用，它也可以与遥测式眼动追踪系统结合使用。
　　（4）Eyelink II 头戴式眼动追踪系统
　　Eyelink II 是一款目前采样率最高的头戴式眼动追踪系统，其采样率可高达500 Hz。Eyelink II的特点是能够将实景与眼动数据实时结合，被试可以在多种场景甚至在运动中携带该设备进行实验。因此，该系统的使用范围十分广泛，已经扩展至汽车及飞机驾驶、体育运动、户外广告等动态环境中。尽管在实验中需要一直戴着头盔，但它的头戴装置十分轻便，符合人体工程学，对被试影响较小，它还可以根据不同的颅型进行多维度调节。该系统同样可以与普通眼镜和隐形眼镜兼容。
　　2.2 Tobii系列眼动仪的主要型号及特点
　　Eyelink面市较早，而Tobii公司于2001年才问世。近年来，Tobii眼动仪在中国市场反响良好，很多知名公司和著名高校都先后购买其产品，可谓后起之秀。
　　目前，Tobii眼动仪主要有Tobii T，Tobii X和Tobii Glass三大系列。
　　Tobii T系列包括 T60和T120两款，该系列采用集成式眼动追踪系统，主要针对基于电脑显示器呈现的刺激材料眼动追踪，可用于对平面广告、电视广告、网页、软件和电脑游戏的可用性研究，也可用于阅读、视觉等认知领域的研究。
　　Tobii X 系列也包括X60和X120两款，这个系列采用独立的眼动追踪装置，因此对刺激材料没有限制，既可以是电视、电脑显示器等，也可以是投影屏、手机等实物设备。Tobii X系列眼动仪是目前最灵活的眼动仪之一。
　　Tobii Glasses系列眼动仪是一款可在现实场景中高效采集眼动数据的工具，可应用于基于现实场景或实物的定性及定量眼动研究。可以在被试完全的自然状态（如运动中、驾驶中、购物中）下采集眼动数据，同时确保眼动数据的精确性。目前，该仪器广泛用于超市购物心理、货架管理、产品包装测试及设备可用性测试、运动测试等相关领域研究。
　　2.3 Eyelink与Tobii的性能比较
　　Eyelink与Tobii作为两种最常用的眼动仪，设计十分先进，功能也都比较强大。Eyelink和Tobii的数据分析软件除了能对数据进行量化统计分析，还能生成很多直观的可视化数据，例如眼动轨迹图、热点图、兴趣区等。这些直观的测试方式为眼动追踪提供更加丰富的信息，也提高了数据的理解度和可信度。
　　但这两种产品在设计理念上有一定差异，导致产品在一些具体的性能上存在差别。SR公司秉承高采样率、高分辨率、高品质的产品发展战略，因此Eyelink系列眼动仪的记录数据种类、数据精度都要优于Tobii。就Eyelink II和TobiiT120相比，两者共同记录的数据有注视时间、注视次数、注视点对应位置、瞳孔大小、眼动轨迹图，除此之外，Eyelink II还能记录眼跳时间、眼跳次数、眼跳距离、眼跳角度、眼跳速度、眼跳起止位置、眨眼等七项数据[5]。在精度上，Eyelink II的采样频率是250～500 Hz，而Tobii T120为60～120 Hz。受精度差异的影响，两者在同样实验处理中采集的数据有一定差异。某试验中，让被试用Eyelink II和TobiiT120观看同样的几何图片，发现两台仪器上记录到的注视次数有极其显著的差异，EyelinkII显著高于Tobii T120。而且发现Tobii的值缺失情况较严重，特别是戴框架眼镜的被试值缺失情况尤为严重，可能是框架眼镜的镜片反光干扰了角膜反光。因此在对时间精确度要求较高的实验中，需慎重选择Tobii作为研究仪器。
Tobii追求的是新一代全自然状态下的眼动追踪系统。它强调采集自然状态下的眼动追踪，因此它的设备无需头套和头托，被试在实验过程中可自由移动头部，甚至可以在被试不知情的情况下进行研究，适合开展低龄儿童或病患等特殊人群的研究。它还可同步记录面部表情和声音，而Eyelink需要佩戴头套或设有头托，如果实验时间较长容易造成被试疲劳。
　　在配套软件上，Eyelink的开发商SR公司提供了Eyelink对C++和Eprime软件的接口，实验需自行编程，对研究者要求较高。Eyelink配套软件较多，除了需要在主试机上装一套软件程序，被试机上也要安装实验程序编辑软件（EB）和数据分析软件（Data view）。Tobii配套的实验软件是Tobii Studi，是一种所见即所得的直观软件。实验程序编制时大多只需要拖拽和设置参数，且Tobii编程和数据分析均在同一个软件上，使用起来简单，新人也容易上手，设计难度较低。
　　使用的便携性，Tobii眼动仪所有配件可以放在一个旅行箱内，方便携带，而且Tobii眼动仪组装方便，如果操作熟练，5分钟就可以完成组装任务。但是Eyelink的产品，譬如Eyelink 2000，EyelinkⅡ眼动仪，必须固定在实验室里，如果要带出实验室，一是配件太多不好搬，二是组装起来麻烦，连线太多且容易混乱。相比之下，使用的便捷性也就成为Tobii眼动仪的重要亮点和吸引购买者的重要优势。
　　3 结束语
　　研究者应根据自己的研究类型、研究材料的特点合理选择所需眼动仪。Eyelink眼动仪的客户以科研机构为主，特别是以阅读、视觉加工为主要研究内容的研究者。目前在学术刊物中发表的论文大多使用Eyelink系列眼动追踪系统。截止到2010年，使用Eyelink系列眼动追踪系统在国际知名科学刊物上发表的文章已多达1 100余篇。Tobill眼动仪的客户以公司居多，特别是需要进行可用性测评及界面、人机交互测评、广告评估的公司。Tobii 的用户群包括Microsoft，IBM，Google等著名企业。简而言之，学术型研究者应更考虑购买和采用高精度的Eyelink系列，应用型研究者则可以更多考虑自然化的Tobii系列。
　　参考文献
　　[1] Jakob Nielsen，Kara Pernice，著.用眼动追踪提升网站可用性[M].冉令华，译.北京：电子工业出版社，2011.
　　[2] 韩玉昌.眼动仪和眼动实验法的发展历程[J].心理科学，2000，23（4）：454-457.
　　[3] 阎国利，田宏杰.眼动记录技术与方法综述[J].应用心理学，2004，10（2）：55-58.
　　[4] 卞迁，齐薇，刘志方，闫国利.当代眼动记录技术述评[J].心理研究，2009，2（1）：34-37.
　　[5] 徐静俭.对Eyennk和Tobii两种眼动仪测量性能的比较实验[D].华东师范大学2009届硕士研究生毕业论文.