眼动仪在认知行为实验中的应用及选择

李文清 张珊珊 徐琨鹏

摘 要：眼动追踪技术已广泛应用于基础认知心理学和用户体验等领域，对于不同的实验范式和实验场景，眼动仪的选择既需要考虑测量数据的精确度，也需要考虑其应用的生态效度。对眼动仪数据指标的认知意义和应用实验的研究范式进行简要总结，并选取业内最具代表性的SR公司的EyeLink系列和Tobii公司的Tobii系列眼动仪最新款产品，从设备性能参数、研究适用领域和硬件扩展空间3方面进行对比，为不同研究领域研究者开展实验和选择眼动仪提供参考。

关键词：眼动仪;眼动追踪技术;认知行为实验;生态效度

DOI：10. 11907/rjdk. 191363 開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）002-0080-04

英标：The Application and Selection of Eye-trackers in Cognitive Behavioral Experiments

英作：LI Wen-qing1， ZHANG Shan-shan2， XU Kun-peng3

英单：（1. College of Marxism，Sichuan University;2. College of Literature and Journalism，Sichuan University;3. College of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Abstract： Eye-tracking technology has been widely used in basic cognitive psychology and user experience study. For different research designs and experimental context， the choice of eye trackers requires considering both reliability and ecological validity. Besides a brief summary of the index of accuracy and the cognitive meaning of eye movements data， we introduce and compare the EyeLink eye trackers of SR company and the series of eye trackers of Tobii company，so as to make reference for researchers of different research fields to choose the eye trackers.

Key Words：eye trackers; eye-tracking technology; cognitive behavioral experiments; ecological validity

0 引言

眼球运动（下称眼动）作为视觉信息提取和加工的生理和行动表征，能客观全面地反映视觉信息选择、注意力变换和知觉广度等诸多信息。与传统主观报告法和外部观察法相比，眼动追踪技术因其对个体内外源性控制因素的全面考察、精细客观、数据丰富等优点具备独特的应用价值[1]。当前，为鼓励学生自主创新创业，越来越多的高校购入眼动设备，以供学生开展跨学科、跨领域的研究。高速眼动追踪仪器（简称“眼动仪”）的应用已从基础心理学扩展到人文社科医多学科领域，如四川大学文学与新闻学院购入Tobii品牌眼动仪，用于广告效果评估、视觉传播等研究。市面上眼动仪品牌和系列繁多，如何正确挑选眼动仪，以保证所需测量数据的精度和实验的生态效度，是研究者关心的关键问题，但鲜有文献对此作全面梳理和介绍。本文拟对眼动仪重要数据指标的研究意义及其在认知行为实验中的研究范式作简要总结，在此基础上对目前国内高校和科研单位使用较为广泛的两个眼动仪品牌，即加拿大SR公司和瑞典Tobii公司的眼动产品进行设备性能、适用情境和扩展空间等方面的介绍比较，为研究者合理选择眼动仪设备提供参考。

1 眼动技术研究与应用

1.1 眼动指标及意义

人类眼动主要分为3种类型：注视（Fixation）、眼跳（Saccades）、追随运动（Persuit Movement）[2]。注视是指将视网膜的中心凹持续对准观察对象，从而获得清晰的图像信息，通常持续100ms以上;眼跳是指眼球在注视点间的快速转移，以使对象移动到视网膜的中心凹上[3];追踪运动是指眼睛随视觉目标的移动而移动的运动。人们用眼睛观察客观事物的过程中，正是依靠上述3种眼动方式，完成对目标的瞄准和追踪，高效抓取关键视觉信息，获得清晰的图像输入[4]。

眼动仪可以采集注视、眼跳在时间、空间维度上的指标，并能呈现追随眼动轨迹[5]。在眼动数据分析中，研究者按照研究需要，将视觉对象划分成不同的兴趣区（Area of Interest，AOI），并由此得出每个兴趣区内的眼动数据。本文根据相关资料[5-10]整理出主要眼动指标数据及其认知意义如表1所示。一般而言，时间维度的参数聚焦于某一特定区域，反映被试对该区域的认知加工情况;空间维度的参数则更多从整体上反映被试对材料的加工过程，研究者可以结合具体实验灵活运用。

在时间维度上，眼动仪对不同加工时期的注视时间进行记录，能够反映出认知资源投入的多少。例如，白学军、梁菲菲等[11] 对自然阅读中儿童和成人新词学习能力差异进行比较研究，选取首次注视时间、凝视时间、再注视概率和总注视时间4个时间维度的指标，其中，首次注视时间是反映阅读早期阶段的加工指标，而凝视时间、再注视概率是反映阅读过程相对晚期的指标，总注视时间则是反映整体加工过程的指标。通过这4个不同时间进程上的眼动指标，研究者得以全面呈现成人和儿童的新词学习过程并展开对比：在词汇加工早期阶段，成人和儿童在注视上差异不显著，但在词汇加工的相对晚期阶段，二者的注视呈现出不同的变化趋势，因而表明成人新词学习能力高于儿童主要体现在词汇加工晚期。

空间维度指标主要反映个体的认知加工策略和效率。张运亮、李宗浩等[6]在专家与新手篮球后卫运动员的眼动研究中，对被试分别呈现简单、复杂篮球比赛场景的图片，要求被试根据图片中的比赛状况作出决策，并用眼动仪记录被试在观看图片时的眼动数据。在数据分析阶段，研究者选取眼跳距离、注视次数、注视轨迹等指标对专家和新手的注视模式进行比较。其中，眼跳距离和注视次数反映了认知加工的难度及效率，而注视轨迹则能显示出搜索信息的整个眼动路线。这3个指标综合反映了较之于新手篮球后卫运动员，专家篮球后卫运动员的眼动模式更加简单和集中，具有更加高效的信息搜集能力。

上述研究清晰地呈现了时间与空间维度眼动指标的意义与应用。在实际研究中，可根据实验需要选取多个时间和空间维度的指标，综合运用并分析，两者并不割裂开。

1.2 眼动研究实验范式

通过眼动仪发掘人类视觉信息加工规律，是眼动仪在基础认知研究中的应用。高精度的眼动信息可以实现对视知觉加工过程和规律的准确反映，研究者可以透过眼动数据，寻找背后的心理机制。例如在教育心理学研究中，研究者将眼动技术用于比较不同学生在解决问题时的不同信息提取方式，从而推断其内在学习风格。将眼动应用于阅读规律，可以考察不同年龄段的阅读水平、阅读过程中的认知加工差异等。

考察用户体验帮助改进产品或服务设计，是眼动研究的另一大应用。在工效学方面，通过眼动追踪技术研究如何使人—机—环境系统的设计符合人的身体机构和心理特点，如设备操作系统界面设计、杂志目录设计方式、软件使用情况等[2]。以网页广告设计为例，广告投放位置、广告色彩及版面等因素都会在一定程度上影响浏览者注意力，而眼动追踪技术可以帮助研究者选择和改进设计方案[13]。

由上可见，眼动研究根据实验目的可分为从个体出发（内源性刺激）和从产品出发（外源性刺激）两条研究路径，这两种研究范式对于测量指标选择、数据精度要求和测量情境生态效度要求不同，对眼动仪产品的选择也会有所不同。比如：当目的是鉴定和分析个体在执行特定任务（如阅读、搜索、运动、驾驶等）时的视觉注意模式，此类基础认知实验对数据质量要求很高[12];而对致力于产品效果的研究而言，可能并不需要过高精度的数据，而重在实验情景的仿真效果，即生态效度优先考量。

2 眼动仪比较与选择

眼动仪系统的设备性能主要由采样频率、分辨率、精确度三大指标共同衡量。采样频率是指眼动仪系统每秒采集眼球图像的次数，能够判断测量过程中两连续眼动行为之间的相关程度，是衡量眼动仪系统捕获信息的一个重要指标。分辨率是指单个注视样本的最小空间变化，与眼动仪系统精确度共同反映眼动仪在测量眼球空间位置时系统本身的噪声水平，直接关系到眼动仪对眼球位置变化的分辨能力[14]。以上这些性能指标直接影响数据质量和相关研究结果的可靠性，因此是除研究情境的适用性外，衡量一款眼动仪产品最重要的考虑因素。

2.1 EyeLink系列眼动仪

EyeLink系列是由加拿大SR公司研发的目前国内外应用最为广泛的眼动产品之一[1]。本文选取2013年该公司发布的具有较广应用范围和出色性能的EyeLink 1000 Plus，以及2016年发布的兼具便携性和高精度的EyeLink Portable Duo两款产品进行介绍，这两款眼动仪可对精度要求较高的实验提供高质量的数据支持[15]。

2.1.1 EyeLink 1000 Plus眼动仪

EyeLink 1000 Plus是SR公司最精确的眼动追踪系统，支持头部固定和头部自由移动两种模式。该设备具有较强的兼容性，从婴儿到老年人甚至非人类被试都可以测量。2017年升级后，在头部固定的情况下，其采样频率可达2 000Hz;当允许头部自由移动时，其采样频率也可达   1 000Hz，非常适合精细化分析实验。此外，这款眼动仪打破了只能在桌面上进行实验的局限，提供多种安装方式，设备的实用性大大提高，可满足多样化的实验条件，具有极强的适应能力[16]。

2.1.2 EyeLink Portable Duo眼动仪

EyeLink Portable Duo眼动仪是一款便携式眼动设备，它具有紧凑而强大的摄像头硬件，所有设备可以装在一个行李箱中，为广泛的实验条件和实验环境提供高精度、高质量的眼动记录。它允许头部自由移动和高精度头部固定模式运行，头部稳定时高达2 000Hz，头部移动时高达   1 000Hz。EyeLink Portable Duo的设计符合最嚴格的技术标准，获得包括IEC 60601-1在内的医疗认证，成为临床应用理想选择[17]。

2.2 Tobii 系列眼动仪

根据SR与Tobii公司的产品手册及用户使用指南整理结果如表2所示[15-19]。

Tobii公司进入中国市场的时间较晚，但反响较好，很多知名企业和高校都购买其产品，应用范围非常广[1]。本文将详细介绍当前最有代表性的Tobii Pro Spectrum、Tobii Pro Glasses 2和Tobii Pro VR三款产品[18]。

2.2.1 Tobii Spectrum眼动仪

Tobii Pro Spectrum是Tobii Pro系列目前最新、最先进的眼动追踪平台，每只眼睛最高能以1 200Hz采样频率采集数据。运用Tobii开发的眼球3D位置数学模型，能在外界环境和头部位置变动的情况下准确计算眼动数据。同时还提供眼球图像，可以帮助研究人员更好地了解影响眼动数据的因素。

2.2.2 Tobii Pro Glasses2眼动设备

Tobii Pro Glasses2是一款可实现无线实时观察功能的可穿戴式眼动设备，可提供50Hz或100Hz的采样频率，外形与普通眼镜无异，重量仅45g，确保被试的佩戴舒适度和行动自由度。该设备最大的特点在于其非侵入式测量方式，使得实验范围被大大扩展，为真实世界环境下的眼动研究提供了极大的可操作性，研究人员可获取到自然状态下的眼动数据，在市场调查与消费者调研、用户体验与交互研究、体育运动研究中都有很强的适应性[19]。

2.2.3 Tobii Pro VR集成方案

Tobii Pro VR集成方案将Tobii Pro 眼动追踪技术与HTC Vive虚拟现实头戴式显示器完整、无缝地集成，为各类研究的执行方式带来了革新的可能性。该设备采用双眼暗瞳追踪技术，双眼采样频率达120Hz，可为研究人员带来完全可控的虚拟环境，方便重复呈现场景和刺激物，降低实验成本，那些在真实环境中会给被试带来危险和痛苦的实验设计都可以由虚拟现实环境实现。且实验过程中，眼动追踪不会影响到被试的沉浸式体验。同时，眼动追踪技术的使用也会提升VR体验，通过对注视点的渲染技术和对视线的自然交互能力，给用户带来更强的卷入感和沉浸感[20]。

2.3 综合比较

以上介绍的几款眼动仪产品在参数性能和应用范围上各有千秋，研究者可根据实验任务类型、配套软件使用便利性以及未来研究应用空间3方面加以选择。

（1）从实验研究内容看，如进行内部认知规律研究，比如阅读、决策相关实验，则外源影响好控制，更注重内源性反应的考察，对眼动仪的测量性能水平要求更高，更适合选择Eyelinke系列产品。如果是进行人类工效、用户体验类研究，则要注重外源刺激的真实性，对生态效度要求更高，可以适当牺牲对性能参数的要求，选择Tobii Pro系列产品。

（2）从配套软件看，Tobii Pro提供的实验程序设计软件Tobii Pro Studio界面简洁、操作简单，可以直接通过拖拽图标编辑设计实验流程，设计难度较低，可以轻易上手。而且Tobii Pro Studio软件可同时进行数据分析，可自行选择想要导出的数据，并划分兴趣区，回放眼动轨迹，呈现热点图、注视轨迹图等。而EyeLink则分别配套实验程序编辑软件EyeLink Builder（EB）和实验数据分析软件Data View，需要研究者自行编程，要求较高。

（3）从与其它研究设备的兼容扩展性看，眼动数据可以有效推测出个体的认知加工过程，但是却不能反映认知加工的生理机制。在前沿研究中，往往将眼动追踪技术同脑成像技术（如EEG、ERP、fRIM、PET、MEG）结合起来，对比并关联眼动行为指标和脑成像指标。例如，2014年Choi等[20]运用眼动-fMRI联合采集技术对自然阅读中语言加工和眼动加工的神经机制进行了探索，眼动技术应用为脑成像数据提供了额外的验证和支持。目前，EyeLink系列和Tobii系列眼动仪都支持眼动数据与其它仪器生理数据的结合，并具有较高的时间精度和兼容性。

3 结语

本文阐述了眼动仪在认知行为实验中的主要研究范式及指标意义，介绍了国内应用最广泛的眼动品牌——加拿大SR公司的EyeLink 系列和瑞典Tobii公司的Tobii Pro系列，对其最新最先进眼动设备的性能参数和适用范围进行了比较，建议从自身实验任务类型、配套软件使用便利性及未来研究应用空间3方面加以考虑和选择。可以看出，眼动追踪设备的发展趋向于高精度、便携灵活以及与其它生理指标的无缝对接。从眼动研究趋势看，在当前眼动数据与脑成像数据相结合的研究中，两种数据利用尚处在割裂状态，尤其是眼动数据大多起辅助和验证作用，缺乏对眼动数据的深度挖掘和分析，未来需进一步研究。此外，眼动追踪与虚拟现实技术的结合也成为一个新的突破点。随着科学技术的进步和眼动设备性能的优化，加上与其它生理指标设备的互补配合，该领域研究生态效度将不断提升，应用前景也会更加广阔。

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（责任编辑：孙 娟）