Айтрекинг в психологической науке и практике

Таким образом, проблема соотношения направленности взора и расположения (зрительного направления) предмета восприятия трансформируется в проблему соотношения функционального поля зрения и оперативной зоны фиксации, закономерности которого требуют более внимательного исследования. На сегодняшний день описаны два крайних способа восприятия объекта: симультанный («амбьентный», «глобальный») и сукцессивный («фокальный», «локальный»). Первый обеспечивает общую ориентировку в объекте, когда взор направлен в область его геометрического центра, второй – получение более детальной информации о фрагментах (элементах) объекта, когда направленность взора локализуется в пределах сравнительно узкого участка поля зрения. Нетрудно предположить существование промежуточных, или переходных, способов восприятия, которые расширяют и конкретизируют картину перцептивно-окуломоторных отношений. Добавим, что выполнение человеком не зрительной, а интеллектуальной задачи (решение «в уме») сопровождается длительным дрейфом глаз, не связанным с содержанием и структурой окружающей среды.

При повторных решениях однотипных зрительных задач характер окуломоторной активности также меняется. С укрупнением оперативных единиц восприятия стратегия и тактика решения оптимизируются, а объем движений глаз сводится к минимуму. Благодаря этим тенденциям окулография является эффективным методом изучения и/или контроля за формированием зрительных (когнитивных) действий.

В число важных детерминант окуломоторной активности входят пространственно-временные свойства окружающей среды, локализация предмета в поле зрения, стадия или этап осуществления перцептивного процесса, социокультурный опыт наблюдателя и др.

Текущая позиция взора в значительной степени определяется конфигурацией объекта восприятия и его расположением в поле зрения. Целевые и фоновые стимулы визуально объединяются в фигуры, имеющие собственный «центр тяжести». Воздействие стимулов на параметры саккад асимметрично: чаще всего амплитуда первой саккады меньше расстояния до цели, а фиксационный поворот как целое включает несколько саккад, прерывающихся короткими фиксациями; с увеличением расстояния до цели количество дополнительных саккад возрастает. Субъективно систематическое отклонение взора от предмета восприятия, как и наличие сложных по структуре поворотов глаз, наблюдателями не замечаются. Расположение предмета восприятия в зрительном поле, его значимость для наблюдателя, а также конфигурационный контекст оказывают влияние и на продолжительность латентного периода саккад.

При восприятии контурных фигур точки фиксации располагаются внутри ее границ и могут как совпадать, так и не совпадать с геометрическим центром. Точность выполнения саккады зависит от того, на какой стадии зрительного микропроцесса принимается решение о движении. Локальному выделению целевого стимула предшествует глобальное восприятие объекта и его ближайшего окружения. Чем продолжительней латентный период саккады (и, соответственно, длительность предшествующей фиксации), тем выше ее точность. Распределение фиксаций зависит от конфигурации объекта, его симметричности, размера, полноты и завершенности. Скопление фиксаций, или «зона интереса», соответствует тем областям среды, где существует наибольшая вероятность получения прогностической информации. Вместе с тем при экспозиции комплексного объекта фиксации могут как «притягиваться» к позиции целевого стимула (якорный эффект), так и «выталкиваться» им в свободное пространство, окружающее стимул (эффект вытеснения). В общем случае зрительный и фиксационный «центры тяжести» одной и той же фигуры не совпадают.

К числу детерминант, обусловливающих динамику направленности взора, относятся социокультурные навыки человека, включая навыки чтения, письма и рисования, а также выработанные в онтогенезе индивидуальные стили восприятия и действия. В частности, фиксационные повороты глаз и распределения зрительных фиксаций русскоязычных и арабоязычных наблюдателей в одних и тех же частях поля зрения, как правило, различны, а в некоторых случаях – диаметрально противоположны.

Совокупность всех возможных направлений взора при неизменном положении головы образует окуломоторное поле человека. Его структура включает 1) центральную область (от нескольких угловых минут до 1,5°); 2) парацентральную область (до 3–6°); 3) зону оптимальных поворотов (до 12–15°); 4) область, прилегающую к функциональной границе (до 25–30°); и 5) зону морфологической границы (до 40–45°). При выполнении сходных зрительных задач параметры окуломоторной активности в каждой из зон могут иметь различные значения. Окуломоторное поле асимметрично относительно вертикальной и горизонтальной осей и функционально изменчиво.

Таким образом, в каждый момент времени направленность взора полидетерминирована, причем уже в следующем микроакте восприятия структура детерминации может быть изменена. Зрительное выделение элемента среды ведет не только к увеличению, но и к уменьшению частоты фиксаций. Используемый наблюдателями способ восприятия играет роль катализатора, усиливающего действие одной из детерминант (или их группы) и меняющего соотношение остальных. В данном контексте степень точности зрительных фиксаций определяется не метрикой их отношения к зрительному направлению предмета восприятия, а положением относительно его «центра тяжести», т. е. является функциональным параметром. С изменением структуры детерминант (даже если проксимальная стимуляция остается той же самой) «эталон точности» направленности глаз меняется.

Влияние поведенческих детерминант опосредовано собственными механизмами регуляции движений глаз. Без их учета анализ окулограмм оказывается как минимум неполным.

Глазодвигательная система человека представляет собой сложноорганизованное многомерное целое, каждый акт которого складывается в самом процессе зрительного восприятия. Он включает моменты побуждения, прогнозирования, эфферентной готовности, двигательных синергии, полисенсорности и многоуровневости процессов управления. И целенаправленное смещение взора, и его устойчивая фиксация подчиняются принципам функциональной системы. В архитектонику окуломоторных актов входят: афферентный синтез – интеграция исходных предпосылок движений, принятие решения, которое реализуется путем формирования программы поворота глаз и акцептора результата действия, исполнение целенаправленных движений и обратная связь, или реафферентация, позволяющая контролировать ход выполнения программы. В терминах теории автоматического регулирования ГДС рассматривается как следящая система с отрицательной обратной связью.

Соотношение направленности взора с положением головы контролируется системой центрации, которая стремится удерживать глаз в позиции покоя. При неизменном положении головы система центрации ограничивает возможности смещения взора, устанавливая функциональную границу окуломоторного поля.

Зрительная фиксация объекта, или относительная стабилизация направленности взора, осуществляется с помощью разнонаправленного дрейфа и микросаккад. Их соотношение широко варьирует, конституируя индивидуальный тип фиксаций. Параметры (скорость, направление, амплитуда, ускорение) дрейфов и микросаккад тесно связаны с требованиями решаемой задачи, параметрами оптической стимуляции (среды), настройками внимания и др., а их биодинамические возможности в ходе устойчивой фиксации реализуются в зависимости от конкретного сочетания внешних и внутренних условий выполнения окуломоторного акта.

Большая часть фазических микродвижений глаз обеспечивает обследование миниатюрных объектов. Около трети микросаккад корректируют дрейфовые сплывы глаз во время фиксаций. По сравнению с макросаккадами, микросаккады более независимы от параметров среды и более привязаны к центральной точке фиксации.

Нечувствительность ГДС к непроизвольному смещению оптических осей порождает «зону блуждания» взора. Ее величина редко выходит за пределы 1°, варьируя в зависимости от стимульных условий, решаемой наблюдателем задачи, его состояния и др. обстоятельств. С увеличением продолжительности фиксации или в условиях безориентирного поля зрения она расширяется, при уменьшении размеров объекта восприятия – сужается.

Отсутствие реакции ГДС на небольшие по величине (2-50°) оптические изменения среды указывает на существование «мертвого пространства», или зоны нечувствительности сетчатки. Она носит функциональный характер, зависит от способа схематизации зрительного пространства и установок наблюдателя.

При дискоординациях сенсорных и моторных компонентов ГДС запускается адаптивный процесс, направленный на воссоздание согласованности компонентов и оптимальность выполнения перцептивных актов. Окуломоторная адаптация протекает в двух формах: оперативной и консервативной. Оперативное перепрограммирование ГДС выражается в быстрой (практически мгновенной) корректировке параметров цели и критериев оценки результатов движений глаз. Консервативная форма адаптации, предполагает длительную (от нескольких дней) перестройку всей системы обеспечения окуломоторного акта, включая его нормы и эталоны. Условием адаптации ГДС является активное включение субъекта в решение зрительных и двигательных задач. Психологически и целенаправленный поворот глаз и устойчивая фиксация строятся как волевое действие, достигающее заданного результата путем преодоления внешне навязанных движений. Этот процесс принимает вид приспособления субъекта к необычным условиям восприятия, зависит от величины рассогласования зрительного и эгоцентрического направлений объекта восприятия и включает этапы: 1) компенсации рассогласования; 2) оптимизации двигательного состава фиксационного поворота глаз и 3) закрепления и стабилизации окуломоторного навыка. В результате адаптации складывается новый «функциональный орган», способный обеспечить оптимальное взаимодействие субъекта восприятия с окружающим миром. В ходе адаптации ГДС выступает в трех ипостасях, как а) поисковая, б) обучающаяся и в) следящая.

Экспериментальный анализ гносеологической функции ГДС – ее способности непосредственно снимать информацию о пространственно-временных свойствах среды – показывает наличие широкого диапазона рассогласований между направлением взора и зрительным направлением объекта. Существует функциональный зазор между восприятием и действием, который характеризует меру относительной независимости параметров зрительного образа от движений глаз и одновременно пространство их ближайших преобразований. В обычной ситуации он проявляется в виде оперативной зоны фиксаций и в зависимости от условий восприятия меняет размер. До тех пор пока рассогласование зрительных и окуломоторных компонентов совершается внутри «функционального зазора», оно не оказывает серьезного влияния ни на ход восприятия, ни на характер движений глаз. Лишь выйдя за его пределы, тот или иной параметр окуломоторной активности приобретает статус внешнего, возмущающего перцептивный процесс «лимитирующего» фактора. С этой точки зрения уподобление отдельных параметров движений глаз пространственно-временным свойствам объекта выражает акт приспособления индивида к среде. Согласованность окуломоторных и собственно зрительных компонентов перцептивного процесса, а не воспроизведение «геометрии предмета» в «геометрии движений (направленности) глаз» является главным условием адекватного отражения действительности.

Рассмотренные представления образуют каркас психологической теории окуломоторной активности человека. В ее основе лежит идея системной организации психических явлений (Ломов, 1984, 1991, 1996, 2006) и положения онтологического подхода в исследованиях перцептивного процесса (Барабанщиков, 2002, 2006; Современная экспериментальная психология, 2011).

* * *

Российская психология накопила серьезный методический и концептуальный потенциал, ориентированный на решение проблем природы окуломоторной активности человека и ее использования в исследовательских и практических целях. Важным ресурсом дальнейшего развития отечественной науки является освоение новых методов регистрации и оценки движений глаз, опирающихся на широкое использование современных информационных технологий. К их числу относится айтрекинг^[2] – совокупность инструментов и процедур видеорегистрации взора человека.

Литература

Андреева Е. А., Вергилес Н. Ю., Ломов Б. Ф. Механизм элементарных движений глаз как следящая система // Моторные компоненты зрения. М.: Наука, 1975. С. 7–55.

Барабанщиков В. А., Жердев И. Ю. Восприятие сложных социально значимых объектов во время быстрых движений глаз наблюдателя // Экспериментальная психология. 2014. Т. 7. № 2. С. 5–25.

Барабанщиков В. А. Восприятие и событие. СПб.: Алетейя, 2002.

Барабанщиков В. А. Динамика зрительного восприятия. М.: Наука, 1990.

Барабанщиков В. А. Жегалло А. В. Айтрекинг: методы регистрации движений глаз в психологических исследованиях и практике. М.: Когито-Центр,2014.

Барабанщиков В. А. Окуломоторные структуры восприятия. М.: Изд-во «Институт психологии РАН», 1997.

Барабанщиков В. А. Психология восприятия. Организация и развитие перцептивного процесса. М.: Когито-Центр, 2006.

Барабанщиков В. А. Экспрессии лица и их восприятие. М.: Изд-во «Институт психологии РАН», 2012.

Барабанщиков В. А., Белопольский В. И. Стабильность видимого мира. М.: Изд-во «Институт психологии РАН», 2008.

Барабанщиков В. А., Белопольский В. И., Вергилес Н. Ю. Оптические методы трансформации зрительной обратной связи // Психологический журнал. 1980. № 3. С. 35–90.

Барабанщиков В. А., Жегалло А. В. Распознавание экспрессии лица в ближней периферии зрительного поля // Экспериментальная психология. 2013. № 2. С. 59–85.

Белопольский В. И. Взор человека: механизмы, модели, функции. М.: Изд-во «Институт психологии РАН», 2007.

Владимиров А. Д., Хомская Е. Д. Процессы экстраполяции в глазодвигательной системе. М.: Наука, 1981.

Гатев В. А. Развитие зрительно-двигательной координации в детском возрасте. София: Изд-во Болгарской Академии наук, 1973.

Гиппенрейтер Ю. Б. Движение человеческого глаза. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1978.

Гуревич Б. Х. Движения глаз как основа пространственного зрения и как модель поведения. Л.: Наука, 1971.

Запорожец А. В., Ветер Л. А., Зинченко В. П., Рузская А. Г. Восприятие и действие. М.: Просвещение, 1967.

Зинченко В. П., Вергилес Н. Ю. Формирование зрительного образа. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1969.

Карпов Б. А., Карпова А. Н., Зеленкин В. В. Амплитудно-частотный и автокорреляционный анализ фиксационных микроскачков глаз // Сенсорные системы. Зрение. Л.: Наука, 1982. С. 196–207.

КурашвилиА.Е., БабиякВ.И. Физиологические функции вестибулярной системы. Л.: Медицина, 1975.

Леушина Л. И. Глазодвигательная система и ее функция // Физиология сенсорных систем. М.-Л.: Наука, 1971. Ч. 1: Физиология зрения. С. 60–77.

Леушина Л. И. Движение глаз и пространственное зрение // Вопросы физиологии сенсорных систем. М.-Л.: Наука, 1966. С. 60–77.

Моторные компоненты зрения / Отв. ред. Б. Ф. Ломов, Н. Ю. Вергилес. М.: Наука, 1975.

Нотон Н., СтаркЛ. Движения глаз и зрительное восприятие// Восприятие: механизмы и модели. М.: Мир, 1974. С. 226–240.

Современная экспериментальная психология / Отв. ред. В. А. Барабанщиков. М.: Изд-во «Институт психологии РАН», 2011.

Филин В. А. Автоматия саккад. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002.

Филин В. А. О механизме непроизвольных скачков и их роли в зрительном процессе // Моторные компоненты зрения. М.: Наука, 1975. С. 69–101.

Шахнович А. Р. О роли афферентации в регуляции двигательных функций глаз // Бионика. М., 1965. С. 110–115.

ЯрбусА.Л. Роль движений глаз в процессе зрения. М.: Наука, 1965.

Alpern M. Eye movements // Handbook of sensory physiology / Eds D. Jameson, L. Hurvich. Berlin: Springer, 1972. V. 7/4. P. 303–330.

Bach Y-Rita P., Collins С. С (Eds). The control of eye movements. N. Y.: Acad. Press., 1971.

Becker W., Jurgens R. An analysis of the saccadic system by means of double step stimuli //Vision Research. 1979. V. 19. P. 967–983.

Bender M. B. The eye-centering system: a theoretical consideration //Arch. Neurol. Psychiatr. 1955. V. 73. P. 685–699.

Bizzi E. The coordination of eye-head movements // Scientific American. 1974. V. 231. P. 100–106.

Coven S. An efferent component in the visual perception of direction and extent // Psychological Review. 1986. V. 93. P. 391–410.

Dell'Osso L. F., Flynn J. Т., Daroff R. B. Hereditary congenital nystagmus // Archives of Ophthalmology. 1974. V. 92. P. 366–374.

DitchburnR. W. Eye movements and visual perception. Oxford: Clarendon. 1973.

Duchowski A. Eyetracking methodology: Theory and Practice. L.: Springer-Verlag, 2003.

Ebenholtz S. M., Shebilske W. L. The doll reflex: ocular counterrolling with head-body tilt in the median plane // Vision Research. 1975. V. 15. P. 713–717.

EngbertR. Microsaccades: A microcosm for research on oculomotor control, attention, and visual perception // Progress in Brain Research. 2006. V. 154. P. 177–192.

FestingerL., Canon L. Information about spatial location based on knowledge about efference // Psychological Review. 1965. V. 72. P. 373–384.

FestingerL., EastonA. M. Inferences about the efferent system based on a perceptual illusion produced by eye movements // Psychological Review. 1974. v. 84. P. 44–58.

Fisher D. F., Monty R. A., Senders J. W. (Eds). Eye movements: cognition and visual perception. Hillsdale, N.J.: Erlbaum, 1981.

Gale A. G., JohnsonF. (Eds). Theoretical and applied aspects of eye movement research. Amsterdam: North-Holland, 1984.

GauthierG.M., Hofferer J. M. Eye tracking of self-moved targets in absence of vision // Experimental Brain Research. 1976. V. 26. P. 121–139.

Groner R., Menz Ch., Fisher D. F., Monty T. A. (Eds). Eye movements and psychological functions; International views. N. J.: Erlbaum, 1983.

Holmqvist K., Nystrom M., Andersson R., Dewhurst R., Jarodzka H., Weijer J. Eye Tracking. A comprehensive Guide to Methods and Measures. N.Y.: Oxford University Press, 2011.

Monty R. A., Senders J. W. (Eds). Eye movements and psychological processes. Hillsdale, N. J.: Erlbaum, 1976.

RaynerK. Eye movements in reading and information processing: 20 years of research // Psychological Bulletin. 1998. V. 124. P. 372–422.

Robinson D. A. The mechanics of human pursuit movements // The Journal of Physiology. 1965. V. 180. P. 569–591.

Robinson D. A. The mechanisms of human saccadic eye movement //The Journal of Physiology. 1964. V. 174. P. 245–264.

Shebilske W. L. Visuamotor coordination in visual direction and position constancies // Stability and constancy in visual perception. N. Y.: Wiley, 1978. P. 21–70.

Steinbach M. J. Proprioceptive knowledge of eye position // Vision Research. 1987. V. 27. P. 1737–1744.

Steinman R. M. Role of eye movements in maintaining a phenomenally clear and stable world // Eye movements and psychological processes. N. J.:

Erlbaum. 1976. P. 73–83. Underwood G. (Ed.). Eye Guidance in Reading, Driving and Scene Perception.

N.Y.:Elsever, 1998. Walls G. L. The evolutionary history of eye movements //Vis. Res. 1962. V 2. P. 69–80. col1_0 Eye Movement Disorders. Oxford: Oxford University Press, 2008.

Технологии айтрекинга: от видеорегистрации до наложения треков на изображение^[3]
В. Н. Анисимов, А. В. Краснопёрое, Ф. Л. Серженко, Л. В. Терещенко

1

Введение

Нашим научным коллективом разработана установка для регистрации движений глаз на основе скоростной цифровой видеокамеры. Для обеспечения синхронизации компонентов системы, записи данных и их обработки создано оригинальное программное обеспечение. Преимуществом работы с нашей системой является доступ к полному циклу обработки регистрируемых данных, что позволяет быстро и эффективно решать задачи идентификации событий, а также визуально контролировать полученные результаты с помощью синхронного вывода видеозаписи изображения глаза. Также важной является возможность синхронизации регистрации треков движений глаз с внешними устройствами, например, с электроэнцефалографом или полиграфом. Известно, что подобная задача часто возникает при проведении научных или практических исследований и не всегда легко и корректно реализуется на основе решений, предлагаемых производителями айтрекеров.

2

Скоростная цифровая видеокамера Fastvideo

Движения глаз регистрируются монокулярно с использованием цифровой видеокамеры Fastvideo-ЗОО (Стандартная система скоростной видеозаписи, электронный ресурс) производства компании «Фаствидео», Россия. Камера позволяет вести видеосъемку с частотой до 300 кадров в секунду при разрешении 640x480 пикселей и разрядности аналого-цифрового преобразования 10 бит. В основе камеры используется монохромный сенсор «ШРА-300» (Скоростная матрица ШРА-300, электронный ресурс), максимум спектральной чувствительности которого лежит в области длин волн порядка 700 нм, поэтому при работе применяется инфракрасная (ИК) подсветка. ИК подсветка также позволяет добиться максимальной контрастности зрачка на регистрируемом изображении. Камера соединена специальным высокочастотным кабелем с установленной в персональном компьютере (ПК) платой ввода изображения PIXCI® EB1 (PIXCI® EB1 PCI Express xl Base Camera Link Frame Grabber, электронный ресурс). Плата обеспечивает передачу управляющих сигналов в камеру, прием в непрерывном режиме захваченных кадров от камеры и сохранение кадров в оперативной памяти ПК. Обмен данными между камерой и платой ввода осуществляется по протоколу Base Camera Link, поток данных достигает 960 Мегабит в секунду при настройках камеры по умолчанию (640x480,10 бит, 300 кадров в секунду).

3

Программное обеспечение

Для обеспечения синхронизации компонентов системы, записи данных и их обработки разработано оригинальное программное обеспечение. Оно включает в себя две программы: программное обеспечение Fastvideo Lab для скоростной видеосъемки (Программное обеспечение Fastvideo Lab для скоростной видеосъемки, электронный ресурс) и разработанная нами программа VisualStimulator.

3.1

Программное обеспечение Fastvideo Lab и параметры съемки

Программное обеспечение, поставляемое с камерой, дает пользователю широкий спектр возможностей для ведения высокоскоростной съемки. Доступны, в частности, настройка режимов работы камеры – изменение области сканирования сенсора, частоты захвата кадров, времени экспозиции, выделение фрагмента кадра и др., просмотр изображения на экране монитора, непрерывная запись видеопотока в память ПК или в файл на жесткий диск, чтение, просмотр и преобразование записанных данных.

Регистрация движений зрачка в ИК свете, направленном под углом к оптической оси камеры, основана на эффекте «темного зрачка», когда вторичное отражение от сетчатки глаза не поступает в камеру. Отображение зрачка на кадре является, как правило, самой затемненной областью, интенсивность пикселей в которой меньше, чем интенсивность пикселей в других частях кадра. Наиболее распространенное и простое определение центра положения зрачка сводится к усреднению х и у координат пикселей, интенсивность которых не превышает заранее выбранного порогового значения. Заметим, что точность этого метода ограничена наличием светодиодных бликов подсветки на роговице глаза, так как положение этих бликов может совпадать с положением зрачка. Кроме того, на точность могут влиять области с еще большим затемнением (ресницы, затемнения у краев кадра и др.). С другой стороны, результат зависит от выбора порога бинаризации изображения, а фиксированное значение порога делает этот метод практически неприменимым в режиме реального времени из-за изменений затемнения зрачка в процессе съемки.

Стандартное программное обеспечение камеры было дополнено автоматическим алгоритмом (фильтром) распознавания зрачка на изображении (Программное обеспечение для видео нистагмографии, электронный ресурс), изначально разработанным «Фаствидео» для медицинских систем видеонистагмографии на основе аналоговых ИК камер (Видео нистагмограф, электронный ресурс). Координаты зрачка на изображении определяются по его эллиптическому контуру, который является проекцией контура зрачка на плоскость сенсора камеры при любом направлении взора испытуемого. Заметим, что метод нечувствителен к бликам ИК подсветки и работает в случаях, когда зрачок частично прикрыт веками или ресницами (рисунок 1).

Рис. 1

В используемой нами версии алгоритм был в значительной степени переработан с целью увеличения производительности, что позволило применять его в режиме реального времени со 100 %-й эффективностью при частоте работы камеры 300 кадров в секунду и выше и размерах изображения от 320x240 до 640x480 пикселей. Измерения показали, что время, необходимое для выделения зрачка на кадре с размером 640x480 пикселей, не превышает 3 мс на ПК с процессором уровня Intel® Core™ i7-920 (2,66 ГГц).

Предельная точность определения центра эллиптической области оценивалась в модельном эксперименте с изображением черного круга на белом фоне. Было установлено, что при различных проекциях изображения на плоскость матрицы видеокамеры, координаты центра определяются с точностью лучшей, чем один пиксель сенсора, что соответствует предельной точности угла поворота глаза 0,5 градуса. Эта точность ограничена шумами матрицы, механическими колебаниями установки, стабильностью освещенности изображения, а также точностью работы выбранного алгоритма.

В наших измерениях камера, программа и фильтр настраиваются на непрерывную съемку и запись видео в файл. Временная привязка координат зрачка ведется от момента запуска камеры по порядковому номеру кадра с учетом периода следования кадров. Координаты, время и номера кадров передаются в программу VisualStimualtor по мере регистрации с помощью интерфейса межпроцессного взаимодействия mailslot (Центр разработки Windows, электронный ресурс).

3.2

Программа VisualStimulator

Для анализа движений глаз нами было разработано оригинальное программное обеспечение VisualStimulator, использующее в качестве предъявляемых стимулов статические изображения (рисунки), динамические ряды (видеофайлы), а также имеющее возможность реализовывать захват экрана монитора, на котором происходит предъявление. Последний пункт может быть очень важен при решении задач, связанных с процессами навигации по сайтам, анализу расположения элементов на рабочем столе и т. д.

3.2.1

Отображающая координатная функция и калибровка

Программа управления камерой определяет координаты взора в системе координат сенсора, переход от измеренных координат к координатам предъявляемого изображения производится в программе VisualStimulator. Детальный обзор методов, позволяющих связать координаты «сенсор-стимул», представлен в работе Шила (Sheela, 2011). В нашей программе переход от измеренных координат (х, у) к предъявляемым (X, У) осуществляется с помощью отображающей функции вида:

где коэффициенты и (i = 1.. 6) определяются методом наименьших квадратов из калибровочного измерения.

Калибровка состоит в последовательной демонстрации на экране монитора точек с известными координатами (X, Y) с синхронной регистрацией направленного на них взора испытуемого с координатами (х, у) (рисунок 2). Точки расположены в узлах калибровочной сетки монитора, число узлов по вертикали и по горизонтали задается в настройках программы. При демонстрации изображений на мониторе с соотношением сторон 16:9 использовалось 18 точек, соответствующих шести узлам сетки по горизонтали и трем – по вертикали. Предъявление точек проводится с заданной длительностью по одной, друг за другом.

Рис. 2. Пример удачной калибровки с наложенными на калибровочные точки восстановленными позициями взора. Фиксация в центре – начальная позиция взора испытуемого

3.2.2

Выделение фиксаций и саккад

Первоначально координаты трека анализируются независимо друг от друга. Каждый временной ряд аппроксимируется кусочной ступенчатой функцией (Lemire, 2007), разбивающей последовательность на интервалы, в пределах которых координата не изменяется или изменяется незначительно. Пересечения полученных интервалов во времени определяют положения фиксаций на треке (рисунок 3). Восстановление положения фиксаций на экране монитора проводится с помощью отображающей функции по координатам, полученным из усреднения измерений на выделенных временных интервалах. Угловое изменение направления взора между двумя последовательными фиксациями определяет амплитуду саккады. В случае, когда амплитуда не превышает 1,4°, две последовательные фиксации объединяются в одну. Выбор данного критерия многократно обсуждался в литературе (Velichkovsky et al., 2005) и может быть обусловлен целями эксперимента, а также анатомо-физиологическими свойствами сетчатки. Так, известно, что угловой размер фовеа глаза человека составляет около 2°. Примером причины выбора иного амплитудного критерия, обусловленного целями эксперимента, может быть, например, необходимость оценки стабильности фиксации взора на одной точке длительное время. В этом случае критичными могут быть также микросаккады и дрейф. Отметим также, что в программе предусмотрена возможность опциональной настройки данного критерия.

Рис. 3. Зарегистрированные X и Y координаты взора в зависимости от времени. Найденные интервалы фиксаций показаны горизонтальными линиями с подписями, соответствующими их длительности в миллисекундах

В случае, когда изучается зрительное внимание в стандартных глазодвигательных парадигмах, интерес представляют саккадические движения глаз. При объединении фиксаций, которые отстоят друг от друга на угол, меньший, чем заданный параметр, происходит пересчет лежащих рядом амплитуд саккад, а также общей длительности полученной новой фиксации, которая является суммой двух объединяемых.

4

Методика предъявления и регистрации

Камера устанавливается сбоку под прямым углом к направлению взора испытуемого и регистрирует изображение глаза, отраженное от «теплого зеркала» – специального эмиссионного фильтра, пропускающего свет видимого спектра и отражающего волны инфракрасного диапазона (более 800 нм). Эмиссионный фильтр располагается в плоскости, расположенной под углом 45° к плоскости зрачка. Это позволяет убрать видеокамеру из поля зрения испытуемого, а также расположить ее в плоскости, параллельной плоскости зрачка. Такое расположение видеокамеры позволяет избежать погрешностей, обусловленных угловыми искажениями при вычислении координат центра зрачка.