Okulografie ( eye tracking , eye tracking ; eye tracking ) - určení souřadnic pohledu („průsečík optické osy oční bulvy a roviny pozorovaného předmětu nebo obrazovky, na které je prezentován nějaký vizuální podnět“).
Eye tracker je zařízení používané k určení orientace optické osy oční bulvy v prostoru (tedy ke sledování očí ). Eye trackery se používají ve výzkumu vizuálního systému , psychologii, kognitivní lingvistice . Pro sledování očí se používá několik metod. Nejoblíbenější je videoanalýza oka snímek po snímku , používají se i kontaktní metody jako elektrookulografie .
V 19. století byl veškerý výzkum v oblasti sledování očí prováděn výhradně pozorováním.
V roce 1879 v Paříži Louis-Émile Javal zjistil, že při čtení tištěného textu se oční bulvy nepohybují monotónně, jak se dříve myslelo. Místo toho dělají krátké zastávky, které Javal nazýval fixacemi , a prudké pohyby – sakády [1] . Toto pozorování vedlo ke vzniku důležitých otázek o povaze procesu čtení, které byly vyřešeny již ve 20. století : Na jaká slova člověk soustředí svou pozornost? Jak dlouho to trvá? Proč je nutné vracet pohled ke slovům, která subjekt již viděl?
Edmund Hugh [2] vytvořil první zařízení pro sledování očí. Tím zařízením byla nějaká kontaktní čočka s otvorem pro zornici . Zařízení bylo připojeno k hliníkovému ukazovátku, které se pohybovalo synchronizovaně s oční bulvou. Hugh použil kvantované regrese (pouze malý zlomek sakád je ve skutečnosti regrese).
První neinvazivní eye tracker vytvořil Guy Thomas Bushwell v Chicagu . Bushwell použil odrazy světelných paprsků z oční bulvy na fotosenzitivní film . Provedl tedy výzkum procesů čtení [3] a studia statických obrazů [4] .
V 50. letech 20. století v Moskvě ruský vědec Alfred Yarbus [5] provedl důležitý výzkum v oblasti sledování pohybu očí a jeho monografie z roku 1967 byla vysoce oceněna světovou vědeckou komunitou. Ukázal, že formální úkol daný subjektu měl obrovský dopad na výsledek experimentu se sledováním očí.
O vztahu mezi motivací subjektu a fixacemi jeho pohledu také napsal: „Provedené studie... ukazují, že povaha pohybu očí je buď zcela nezávislá, nebo velmi málo závislá na obsahu zrakového podnětu. " Série experimentů ukázala, že výsledek experimentu závisí nejen na zrakovém podnětu, ale také na úkolu, který je subjektu přidělen, a také na informacích, které subjekt očekává, že od zrakového podnětu obdrží [6] .
Záznamy experimentů s hodnocením pohybu očí ukázaly, že pouze malá část prvků obrazu přitahuje pozornost subjektu a jeho oči na tyto prvky fixují. Proces pohybu očí odráží proces lidského myšlení. Pohled s určitým zpožděním sleduje bod, kam směřuje pozornost subjektu. Je tedy celkem jednoduché určit, které prvky obrazu přitahují pozornost subjektu, v jakém pořadí a jak často [7] .
Pozornost subjektu byla často přitahována prvky, které nemusí poskytovat důležité informace, ale podle jeho osobního názoru je mohou poskytnout. Často je zrak objektu upřen na prvky, které jsou v daném prostředí prostě neobvyklé [8] .
Pohybem z jednoho bodu fixace do druhého se oko subjektu často vrací k těm prvkům obrazu, které již viděl, to znamená, že další čas je využit k sekundárnímu zkoumání nejdůležitějších prvků namísto zkoumání méně důležitých prvků [ 9] .
V 70. letech se dramaticky zrychlil výzkum sledování očí, zejména v oblasti teorie čtení. Dobrý přehled těchto studií provedl Reiner [13] .
V roce 1980 Just a Carpenter [14] formulovali hypotézu o vztahu mezi zrakovým systémem a lidským vědomím. "Neexistuje žádný významný rozpor mezi tím, na co člověk upírá svůj pohled, a tím, co se snaží pochopit." Je-li tato hypotéza správná, pak když se subjekt podívá na slovo nebo předmět, přemýšlí o tom ( kognitivní proces) a tento proces je z hlediska trvání srovnatelný se zaznamenaným trváním fixace. Na tuto hypotézu se často odvolávají moderní výzkumníci v oblasti sledování očí.
V 80. letech 20. století byla tato hypotéza vyvinuta ve světle problému skryté pozornosti [15] [16] . Otázka skryté pozornosti je dešifrována tak, že se lidé ne vždy dívají na to, co vlastně přitahuje jejich pozornost. Skrytá pozornost je pozorována na záznamech očních pohybů, během nichž stopa pohledu a fixační body často procházejí kolem předmětů, na které byla skutečně pozornost upoutána, a jen někdy vykazují krátkodobé fixace. Z toho vyplývá, že ne ve všech případech existuje jednoznačný vztah mezi výsledky eye-tracking experimentu a kognitivním procesem.
V souladu s prací Hoffmanna je bod, ke kterému je připoutána pozornost subjektu, vždy mírně (o 100-250 ms) před pohybem oka [17] . Když se však bod pozornosti přesune do nové polohy, oči se jej jistě pokusí sledovat [18] .
Stále není možné stanovit mechanismus kognitivních procesů přímo z výsledků experimentů se sledováním očí [19] . Například upřený pohled na obličej nebo obrázek nemůže znamenat, že se subjektu líbí nebo nelíbí obličej nebo obrázek. Proto se technologie sledování očí často používá s metodami, jako je introspektivní verbální protokol.
Zdaleka nejpoužívanější jsou sledovače očí založené na videu. Kamera natáčí jedno nebo obě oči a registruje jejich pohyby, zatímco subjekt sleduje vizuální podnět. Většina moderních eye trackerů využívá kontrastu mezi zornicí a duhovkou, ke kterému dochází při infračerveném osvětlení. Kromě toho je analyzována poloha záblesku infračerveného osvětlení, což umožňuje určit orientaci optické osy oční bulvy.
Existují dva hlavní typy takových systémů:
Jejich rozdíl spočívá v umístění světelného zdroje vzhledem ke kameře. Pokud je protisvětlo rovnoběžné s optickou osou fotoaparátu, oko funguje jako sekundární reflektor světla, které vychází z protisvětla a odráží se od sítnice, čímž vzniká efekt jasné zornice, podobný efektu červených očí ve fotografii. Pokud se zdroj osvětlení posune vzhledem k optické ose kamery, zornice zčerná, protože sekundární odraz od sítnice do kamery nevstupuje. Efekt jasné zornice umožňuje sledování očí bez ohledu na barvu duhovky testovaného subjektu. Pomáhá také překonat vliv tmavé řasenky a řas, které částečně zakrývají zornici. Umožňuje také sledování očí ve světelných podmínkách od úplné tmy až po silné světelné podmínky, avšak techniky jasných očí nejsou účinné pro sledování očí ve venkovních podmínkách kvůli přítomnosti dalších zdrojů infračerveného záření.
Zařízení pro sledování očí se velmi liší ve své hardwarové implementaci. Některé z nich jsou namontovány na hlavě subjektu, jiné vyžadují pevnou fixaci hlavy subjektu, ostatní fungují na dálku a automaticky kompenzují pohyby hlavy. Většina systémů pracuje se snímkovou frekvencí alespoň 30 snímků za sekundu. Ačkoli nejběžněji používaná snímková frekvence je 50/60 fps, většina videosledovačů očí pracuje při 12, 300, 500 nebo dokonce 1000/1250 fps. To je nezbytné, aby bylo zajištěno, že bude zaznamenáno 100 % pohybů očí.
Pohyby očí se tradičně dělí na fixace a sakády, to znamená, že oko je v některých polohách fixováno a poté rychle přechází do další polohy. Výsledná série fixací a sakád se nazývá scanpath. Vizuální analyzátor lidského mozku přijímá hlavní množství informací během fixace. Střed zorného pole, který je tvořen prostorovým úhlem 2 steradů, poskytuje většinu vizuální informace. Signál ze zbytku zorného pole je méně informativní. V důsledku polohy fixačních bodů, které nám scanpath poskytuje, objektivně ukázat body, které přitahují pozornost na vizuální podnět. Průměrná délka fixací se pohybovala od 200 ms při čtení textu do 350 ms při studiu statického obrazu. Proces pohybu oka z jednoho fixačního bodu do druhého (sakády) trvá až 200 ms.
Cesty pohledu jsou užitečné při analýze kognitivních procesů a také při identifikaci bodů zájmu. Dráhu pohledu mohou ovlivnit i další biologické faktory, jako je pohlaví. Sledování očí tak může být použito ve studiích použitelnosti, stejně jako při ovládání externích zařízení pomocí ovládání pohybů očí.
Eye trackery určují orientaci optické osy oční bulvy a dynamiku této orientace v čase. To se provádí několika způsoby, ale lze je rozdělit do tří velkých skupin.
První typ využívá mechanický kontakt s okem. Mohou to být kontaktní čočky s vestavěnými zrcátky , nebo to mohou být miniaturní zařízení, která vytvářejí magnetické pole . Měření provedená speciálními kontaktními čočkami ukázala záznamy extrémně citlivé na pohyb očí. Tyto metody často používají výzkumníci studující dynamiku a skrytou fyziologii pohybu očí.
Další široká kategorie využívá bezkontaktní optické metody pro záznam pohybu očí. Zpravidla se používá infračervené osvětlení , které se odráží od oční bulvy a zaznamenává videokamerou nebo jiným speciálně navrženým optickým senzorem. V procesu zpracování videozáznamu jsou získávány informace o orientaci oční bulvy v prostoru a její časové dynamice. Oční sledovače založené na videu často využívají odraz infračerveného osvětlení od oční rohovky ( první Purkyňův obrázek ) k výpočtu směru do středu oční bulvy a dále k porovnání se souřadnicemi středu zornice. Sofistikovanější typ eye trackeru využívá jak odraz od rohovky, tak odraz od oční čočky [20] . Nejsložitější eye trackery tohoto typu analyzují také umístění krevních cév na rohovce a sítnici. Tato kategorie eye trackerů se nejčastěji používá v úlohách sledování pohledu (vyhledání průsečíku optické osy oční bulvy a roviny obrazovky, na které je prezentován nějaký vizuální podnět), které vyžadují, aby experimentální postup nebyl -invazivní a zařízení musí být relativně levné.
Třetí kategorie využívá elektrické potenciály měřené elektrodami umístěnými kolem očí. Každé oko je zdrojem stabilního elektrického pole, které lze detekovat v úplné tmě nebo když subjekt zavře oči. Oko lze přirovnat k dipólu, jehož kladný pól je na rohovce a záporný pól na sítnici. Elektrický signál lze získat pomocí dvou párů elektrod umístěných na kůži kolem jednoho z očí, což je technika nazývaná elektrookulogram (EOG). Pokud se oči přesunou z centrální polohy do periferní, pak se sítnice přiblíží k jedné elektrodě a rohovka k druhé. Tento proces mění orientaci dipólu, v důsledku toho se mění elektrické pole a následně se mění měřený EOG signál. Analýzu těchto elektrických signálů lze tedy použít pro sledování očí. Díky použití dvou párů elektrod je možné oddělit horizontální a vertikální složku pohybu oka. Třetí EOG složkou je radiální EOG kanál [21] , což je rozdíl mezi průměrnou hodnotou 4 EOG elektrod a přídavnou elektrodou upevněnou na hlavě. Tento radiální kanál je citlivý na potenciály vyvolané sakadickými hroty okohybných svalů, což umožňuje detekovat i extrémně malé sakády [22] .
Vzhledem k časové nestabilitě signálních potenciálů EOG a trvání sakád je obtížné používat EOG k měření pomalých pohybů očí a určení polohy pohledu. EOG je však velmi stabilní technika pro detekci sakadického pohybu očí spojeného se změnou směru pohledu a také pro detekci mrkání očí. Na rozdíl od metod založených na videu umožňuje EOG zaznamenávat pohyby očí, i když jsou oči zavřené, a proto lze EOG použít při studiích spánku. Jedná se o přístup velmi náročný na zdroje, který na rozdíl od metod založených na videu nevyžaduje výkonný počítač, funguje za různých světelných podmínek a lze jej snadno implementovat jako mobilní zařízení [23] . Tato metoda je tedy dobrá pro mobilní sledování očí v každodenních situacích a také při studiích fáze rychlého pohybu očí během spánku.
Eye trackery určují orientaci oční bulvy vzhledem k nějakému souřadnicovému systému. Pokud je eye tracker namontován na hlavě subjektu, například jako v systému založeném na EOG, pak je nutné kompenzovat pohyb hlavy subjektu vzhledem k tomuto souřadnicovému systému. V důsledku toho se úkol určit úhel pohledu subjektu stává složitějším. Pokud je eye tracker fixní, pak výpočet úhlu pohledu vede k nižším nákladům na výpočet. V mnoha systémech je hlava subjektu fixována pomocí očního rámu, v důsledku čehož je možné vyhnout se dalším výpočtům spojeným s pohybem hlavy subjektu. Jiné systémy kompenzují pohyb hlavy pomocí magnetických senzorů nebo dodatečné videoanalýzy.
U zařízení namontovaných přímo na hlavě subjektu se poloha hlavy a její orientace v prostoru přidávají ke směrovému vektoru pohledu osoby. U pevných eyetracker systémů se směr hlavy odečte od směru pohledu, aby se určila poloha očí na obličeji.
Informace o mechanismu a dynamice pohybu oční bulvy jsou ve vědeckém výzkumu velmi žádané, nicméně ve většině případů je konečným úkolem sledování očí určit úhel pohledu, tedy sledování pohledu .
Jednou z obtíží při vyhodnocování systémů sledování očí je, že oko subjektu je extrémně zřídka ve stacionárním stavu, může být extrémně obtížné posoudit malé, ale extrémně rychlé a někdy chaotické pohyby spojené s vlivem zdroje hluku v mechanismu. systémů sledování očí. Jednou z užitečných metod boje proti tomuto efektu je paralelní záznam dvou očí objektu a kontrola polohy jednoho oka v druhém oku. Oči zdravého člověka jsou velmi dobře propojeny a rozdíl ve směru optických os ve vertikálním směru obvykle nepřesahuje ± 2 úhlové minuty. Správně fungující a citlivý systém sledování očí by měl tento stupeň konzistence očí u subjektu vykazovat. Jakýkoli výskyt většího úhlového rozdílu lze považovat za chybu měření.
Koncového uživatele může například zajímat, které konkrétní fragmenty obrazu přitahovaly pozornost subjektu. Důležité je, že eye tracker v zásadě nemůže přesně určit bod, který upoutal pozornost subjektu. Eye-tracking je však docela účinný při určování přibližné posloupnosti bodů zájmu. Aby bylo možné určit úhel pohledu subjektu, je nutné provést kalibrační postup. Během těchto procedur je subjekt požádán, aby postupně nasměroval svůj pohled na řadu kalibračních značek. Paralelně sledovač očí zaznamenává souřadnice zornice, které odpovídají každé z poloh kalibračních značek. Ani ty techniky, které zkoumají umístění cév na sítnici, neumožňují vytvořit zařízení, které je kalibrováno jednou pro všechny možné subjekty, protože umístění cév na sítnici je pro každý subjekt jedinečné. Přesná a spolehlivá kalibrace je nezbytná pro získání správných a reprodukovatelných experimentálních dat. To může být významnou překážkou při provádění experimentů se sledováním očí u subjektů s nestabilním pohledem.
Každá metoda sledování očí má své výhody a nevýhody a výběr zařízení pro sledování očí závisí na jeho ceně a rozsahu. Existují offline a online metody. Existuje vztah mezi cenou a přesností systému. Většina vysoce citlivých systémů stojí desítky tisíc dolarů a vyžaduje vysoce vyškolený personál k nastavení zařízení pro experimenty koncových uživatelů. Rychlý rozvoj výpočetní techniky a technologie zpracování videa vedl ke vzniku relativně levných systémů, které jsou vhodné pro většinu aplikací pro sledování očí a snadno se spravují. Interpretace výsledků stále vyžaduje určitou úroveň školení a špatně zkalibrovaný systém může vést k významným chybám během experimentu.
Pohyby očí dvou skupin řidičů byly natočeny pomocí eye trackeru namontovaného na hlavě subjektu. Výzkum byl proveden na Švédském federálním technologickém institutu. Tohoto experimentu se zúčastnili jezdci nováčků a řidiči s mnohaletými zkušenostmi. Experiment spočíval v jízdě po velmi úzké silnici. Série obrázků začínajícího řidiče a zkušeného řidiče je na obrázku [24] Sekvence obrázků pokrývá časový interval 0,5 sekundy.
Série záběrů ukazuje, jak byly fixace rozděleny mezi začínajícího a zkušeného řidiče. Porovnání prvních záběrů ukazuje, že zkušený řidič hledá především zakřivení vozovky, zatímco začínající řidič je zafixovaný na zaparkovaném autě. Na prostředních záběrech je vidět, že zkušený řidič se soustředí na oblast, kde by se teoreticky mohlo objevit protijedoucí auto, zatímco začínající řidič se stále dívá na zaparkovaná auta. Na spodních záběrech je vidět, že začínající řidič odhaduje vzdálenost mezi zdí vlevo a zaparkovaným autem, zatímco zkušený řidič může využít periferního vidění a přesto zaměřit zrak na nebezpečnou zatáčku vozovky: pokud protijedoucí se v této oblasti objeví auto, bude mít výjezdovou cestu, to znamená zajet na kraj silnice a zastavit mezi zaparkovanými auty [25] .
Speciální zařízení "Eye-Tracker" sleduje trajektorii pohybu pohledu při čtení a cvičení. Program analyzuje informace o pohybu očí v reálném čase a automaticky kontroluje správnost úkolu. Informace jsou rychle předávány učiteli, který pomáhá opravit chyby a zefektivnit učení [26] .
Starší subjekty více spoléhají na centrální vidění. Jejich rychlost chůze je nižší než u mladších jedinců. Mladší subjekty využívají při chůzi centrální i periferní vidění. Jejich periferní vidění jim umožňuje lépe ovládat prostředí kolem sebe a díky tomu rychleji chodit [27] .
Široká škála oborů, které využívají systémy sledování očí, zahrnují: kognitivní vědu , psychologii (zejména psycholingvistiku a studium procesů čtení), interakci mezi člověkem a strojem , marketingový výzkum, lékařský výzkum ( neurologická diagnostika ). Mezi konkrétní aplikace patří studium pohybu očí při čtení v různých jazycích, čtení hudebních not, studium interakce mezi lidmi, vnímání reklamy, sportovní soutěže [28] . Použití zahrnuje:
V posledních letech se složitost a snadnost použití systémů pro sledování očí dramaticky zvýšila, což má za následek prudký nárůst zájmu o ně z komerčního sektoru. Aplikace systémů zahrnují použitelnost webu, reklamu, optimalizaci návrhu předního produktu a automatizaci vývoje. Obecně platí, že většina komerčních využití sledování očí zahrnuje předložení stejného vizuálního podnětu skupině spotřebitelů při sledování pohybů očí. Příklady koncových podnětů zahrnují webové stránky, televizní programy, sportovní přenosy, filmy, reklamy, stránky časopisů, stránky novin, obaly některých produktů a pulty obchodů, bankomaty a uživatelská rozhraní softwaru. Výsledná data mohou být statisticky analyzována a graficky zobrazena, aby se ukázala platnost vyvozených závěrů. Zkoumáním fixací, sakád, změn velikosti zornic, mrkání a řady dalších parametrů mohou výzkumníci do značné míry určit efektivitu vytvořeného informačního zdroje nebo produktu. Zatímco některé společnosti se snaží tyto problémy řešit interně, jiné přitahují firmy, které nabízejí služby sledování očí.
Nejslibnější oblastí komerčního sledování očí je použitelnost webu . Zatímco tradiční techniky použitelnosti poskytují poměrně dostatečná data analýzou kliknutí myší a posouvání, sledování očí umožňuje analyzovat vztah mezi chováním uživatele a kliknutím myši. To přináší výrazné zlepšení při posuzování, které části webu jsou pro uživatele nejatraktivnější, které části webu způsobují koncovému uživateli potíže a které části webu si uživatel nevšimne. Sledování očí lze také použít k měření výkonu vyhledávání , konceptu značky, online výzkumu, použitelnosti přechodu stránek, celkové efektivity designu a mnoha dalších aspektů webdesignu. V procesu výzkumu lze provést srovnání dvou konkurenčních lokalit.
Sledování očí se tradičně používá k měření účinnosti reklamy v různých médiích . TV videa , letáky , reklamy na internetových stránkách , zobrazování loga sponzora v TV pořadech, to vše otevírá široké pole působnosti pro komerční sledování očí. Analyzována je viditelnost obalu produktu nebo nějakého loga na výloze, novinách, webových stránkách a televizním programu. To umožňuje výzkumníkům velmi podrobně posoudit, jak si spotřebitelé všimnou nebo nevšimnou loga koncového produktu, obalu, POS. Reklamní specialista tak může vyhodnotit efektivitu reklamní kampaně prostřednictvím reálného vizuálního vjemu.
Sledování očí umožňuje návrhářům obalů produktů vyhodnotit efektivitu balení produktů. Tímto způsobem lze posoudit viditelnost, atraktivitu a vývoj trendů zkoumaných obalů, aby bylo možné učinit nejlepší volbu. Sledování očí se často používá, když je komerční produkt stále ve fázi prototypu. Prototypy se často testují ve dvojicích, aby se zjistilo, zda je jejich návrh nejúčinnější, a srovnávají se s řešeními konkurence.
Jednou z nejslibnějších aplikací sledování očí je optimalizace návrhu pouličních terminálů . V současnosti zašli výzkumníci tak daleko, že navrhli integraci eye trackerů do sériově vyráběných pouličních terminálů. Hlavním cílem je zkrátit dobu interakce mezi osobou a zařízením.
Eye trackery lze také použít k optimalizaci systému automatického ostření digitálního fotoaparátu (zaostření tam, kam se uživatel dívá).
Národní úřad pro bezpečnost silničního provozu (NHTSA) tvrdí, že integrace eye-trackerů do auta by mohla snížit počet nehod o 100 000 ročně. Podle jejich výzkumu se až 80 % nehod stane v důsledku nesprávného jednání řidiče do 3 sekund před nehodou. Vybavení vozů eye-trackery výrazně zvýší bezpečnostní třídu těchto vozů. Lexus slibuje, že vybaví LS460 vestavěným eye trackerem, který vás upozorní, pokud bude řidič odvádět pozornost od vozovky [32] .
Od roku 2005 se systém sledování očí používá v komunikačních zařízeních pro zcela ochrnuté osoby . Umožňují jim psát textové zprávy, posílat e-maily, surfovat po internetu pouze očima [33] . Sledováním očí lze dosáhnout pozitivních výsledků i v případě dětské mozkové obrny , kdy pacient dělá mimovolní pohyby. Eye tracker a rozhraní oko-myš vám umožní ovládat počítač nebo učit lidi s narušenou motorickou koordinací.