如何构建包含眼动仪的双目视觉呈现系统

摘要

我们近期提出了一种可同时实现双目分视视觉刺激呈现与双眼眼动追踪的方法¹。其关键在于结合红外眼动追踪仪与相应的红外透射镜。本文提供了该系统初始安装及日常操作的详细实验方案。

摘要

将不同刺激呈现给双眼（即双眼分离呈现）对于涉及三维视觉和眼间抑制的研究至关重要。近年来，关于瞳孔和眼动测量独特实验价值的文献日益增多，尤其是在眼间抑制研究领域。因此，获取眼动追踪数据将有助于采用双目分离呈现的研究。然而，实现双目分离呈现所必需的硬件（例如镜子）常常会干扰高质量的眼动追踪，特别是在使用基于视频的眼动仪时。我们近期描述了一种实验装置，该装置通过使用红外透射镜，将标准的双目分离呈现系统与红外眼动仪相结合¹。该装置兼容标准显示器和眼动仪，易于实施，且成本较低（约1000美元）。与现有方法相比，该装置的优势在于无需特殊设备，并且对视觉刺激的性质和质量限制较少。本文提供了该装置构建与使用的可视化指南。

引言

在正常观察条件下，我们的每只眼睛接收到的视觉输入略有不同。这些输入随后被处理，以产生一个连贯的、三维的世界表征。双目独立呈现（dichoptic presentation）是指独立控制呈现给两只眼睛的视觉输入，这种方法使研究人员能够研究人类如何从两幅二维视网膜图像重建出三维视觉^2,3,4。此外，如果两只眼睛的图像差异过大，则双眼信息无法成功融合，观察者会报告在某一时刻仅感知到其中一幅图像，而另一幅图像则被抑制，这种现象见于双眼竞争（binocular rivalry）⁵和持续闪光抑制（continuous flash suppression）⁶。研究此类眼间抑制现象的研究人员同样采用双目独立呈现方法，以探讨与意识的神经基础⁷、知觉选择^8,9以及无意识加工¹⁰等相关的问题。

在人类行为与感知研究中，注视方向和瞳孔动态被记录用于多种目的。注视方向可以反映注意力分配^11,10,13和决策过程¹⁴，而瞳孔大小则可揭示视觉加工^15,16、任务参与度¹⁷或流体智力水平¹⁸等方面的信息。

将眼动追踪与双目分视呈现相结合，在例如三维（3D）感知^19,20,21,22 或双眼抑制期间视觉输入引起的瞳孔反应^23,24,25 等研究中具有重要价值。例如，已有研究发现，在连续闪光抑制期间，眼动可揭示无主观感知情况下的无意识信息加工过程²³。临床视觉研究人员可利用双目分视呈现期间同步追踪双眼的能力，研究影响双眼不对称的视功能疾病，例如监测弱视²⁶ 和黄斑病变²⁷ 中出现的单眼及双眼视觉畸变。

我们最近描述了一种装置¹，该装置能够实现高质量的基于视频的眼动追踪与双目分视刺激相结合，且对刺激的大小或颜色限制较小，并已对其性能进行了评估。下文将对该装置的构建和使用进行简要总结。

方案

本方案已获得密歇根州立大学机构审查委员会的批准。

1. 构建系统

1. 原理
   1. 准备镜像装置，该装置是经典惠斯通立体镜²⁸的一种变体，如图1所示，由两面镜子组成，相对于受试者的中线呈45°角放置。镜子将位于桌子两端、彼此相对的两个屏幕上的刺激反射出来。
   2. 让受试者坐在镜子前方，使其每只眼睛通过不同的镜子观察不同的屏幕。为获得最佳效果，使用头部固定架以稳定受试者的头部。
   3. 在受试者前方、镜子后方放置一个基于红外敏感视频的眼动仪，包括摄像头和照明器。眼动仪在图1中以方框表示。
      注意：在此类常规装置中进行眼动追踪时的一个挑战是，镜子会遮挡眼睛。
   4. 使用两个前表面镜，通常被宣传为"冷镜"（入射角：45°），其对可见光波长具有近乎完全的反射性，同时对近红外波长具有近乎完全的透射性（有关镜子的详细信息见表1）。
      注意：此类镜子可通过供应科研与工业用途光学设备的公司获得，这些公司通常将此类组件列为“冷镜”或某种“二向色镜”（详见材料/设备表）。

      		装置1	装置2
      镜子	尺寸	10.10 × 12.70 cm	10.10 × 12.70 cm
      	反射率	400 ~ 690 nm	425 ~ 650 nm
      	透射率	750 ~ 1200 nm	800 ~ 1200 nm
      眼动仪	品牌	科研级眼动仪	商用级眼动仪
      	透射波长	890 ~ 940 nm	约850 nm

      
      表1. 我们所使用的两种装置版本的详细信息。
      眼动仪的透射波长范围处于镜子在45°入射角下的透射范围内，但位于其反射范围之外。
2. 装置结构
   1. 将整个装置搭建在桌面上。除镜子和眼动仪外，仅包含三个由纤维板制成的定制部件（见图2中的组装指南），以及两个安装在普通办公用品商店可购得的显示器支架上的平板显示器。
   2. 纤维板部件
      1. 使用三块纤维板组件构建装置的框架：一个中央组件和两侧各一个参考板（一般位置参见图1，详细尺寸见表2，各组件组装指南见图2）。将所有部件涂成哑光黑色，以减少光线散射。
         注意：中央组件（见图2B和2D）用于固定镜子和眼动仪。两者位于同一平台上，从而确保眼动仪与受试者眼睛处于同一水平高度。
      2. 放置该组件的顶部元件时，使其在桌面前端留出8 cm的深度。这种布置方式可在受试者头部被固定于头架上时为其面部留出足够空间，并避免呼气时在镜子表面产生冷凝水，同时尽量缩短受试者眼睛与镜子之间的距离，以最大化利用其视野范围。
      3. 将两个参考板直接置于显示器正下方（位置参见图1，组装指南见图2中的A和C图），以便于手动校准屏幕。请注意，图1中屏幕与板之间看似存在偏移，这是由于图像深度线索有限所致；实际上两侧的参考板均位于显示器正下方。
      4. 将长水平边与桌面边缘精确对齐，而长垂直边则从桌面前端向外延伸4 cm，以便于将校准板（见下文）稳定地固定在这些板上。两个小垂直板将确保长垂直板保持竖直，作为显示器的参考基准。
      5. 可选地，使用另一块纤维板作为校准板（见图3）。在这种情况下，在确定显示器的最佳位置后，将校准板紧贴参考板放置，并在该校准板上标记出参考板和显示器的位置（如图3示例中，使用木条进行标记）。
      6. 当所需显示器位置丢失（无论是意外还是因其他实验需要不同位置）时，可通过校准板上的标记将其重新准确放置到相对于固定在桌面上的参考板的相同位置，并再次移动显示器使其与相应标记对齐（详见步骤2.1.1.）。

         组件	尺寸（cm）	数量	备注
         中央组件	80 × 25 × 2	1	顶部水平板
         	23 × 25 × 2	1	底部水平板
         	21 × 32 × 2	1	中央垂直板
         	32 × 25 × 2	1	前向垂直板
         参考板	61 × 11 × 2	2	长水平板
         	66 × 29 × 2	2	长垂直板
         	11 × 15 × 2	4	小垂直板

         
         表2. 纤维板组件的详细信息。
   3. 显示器与镜子
      1. 将装置放置在标准办公桌面上。
      2. 将两个平板显示器安装在标准显示器支架上，支架夹紧在桌面侧面（同时夹紧参考板和桌面）。这些支架支持三维平移以及屏幕平面内的旋转。传统的CRT显示器显然也可与此装置兼容，但在定位和重新定位方面不具备同等灵活性。
      3. 将镜子安装在专为冷镜供应商提供的镜架上，并将这些镜架连接至位于受试者眼睛水平高度的纤维板上。调整镜子位置，使其在中心处以90°角相接，正好位于受试者鼻前。
   4. 其余组件
      注意：某些实验要求受试者无法用余光看到屏幕，因此应避免视线直接通向屏幕（见图4A中的虚线）。
      1. 在此情况下，可制作由黑色卡纸和涂黑的泡沫衬垫孔带制成的"遮光罩"，并将其固定在头架的立柱上（见图4B）。根据个体受试者情况调整遮光罩的高度和角度。若受试者前方墙面反光较强，悬挂一块黑色布料有助于改善此问题。

2. 系统的使用

1. 硬件校准
   注意：校准的目的是实现两个显示器的良好对齐，以便每位参与者能够轻松融合两个显示器的图像。这可以通过两个步骤完成：硬件校准（如下所述）和软件校准（见下文）。
   1. 如上所述使用校准板时，将其与其中一个参考板对齐，必要时用C型夹固定位置，然后移动相应的显示器，使其与校准板上的目标参考线对齐。两个显示器应彼此平行，且每个显示器应正好位于其对应参考板的正上方。
   2. 当使用遮光板时，将其调整至受试者的眼睛水平，并相对于显示器的方向略微向中线旋转，即更向内侧倾斜。确保每只眼睛都能在镜面中看到完整的视觉刺激，而不会直接看到任何部分。将遮光板朝向中线而非远离中线转动，可最大限度减少受试者接触其他视觉输入。
2. 软件校准
   1. 尽管使用了头部固定装置，受试者的眼位仍可能存在差异，因此在开始实验前需进一步校准。此步骤最好通过软件完成，即不再移动设备的任何部件。有两种可行方法。
      1. 第一种方法：在两个屏幕上交替呈现一个点，指导受试者通过移动其中一个屏幕（或两个屏幕以相反方向）上的点，消除所感知的位置变化。
      2. 第二种方法：指导受试者对齐实验刺激的框架而非两个点，从而使与特定实验相关的双眼视觉视野精确对齐。
   2. 应用任一方法后，将实验中的刺激居中于最终的屏幕位置。有关双目分视显示和刺激设置的其他方面，可参见其他文献⁵。

结果

在完成本方案中所述的校准后，我们在放置镜子的情况下顺利进行了校准-验证程序。该方法的有效性在图5中得到清晰展示，该图显示了使用科研用内眼追踪系统时相机所采集的图像（镜子已就位）。沿受试者鼻部两侧以及眉毛上方的两组平行线为镜子的边缘，但尽管如此，框架内部的面部图像与外部同样清晰。这突显了在相机记录的波长范围内无信号损失。先前的一项正式评估已表明，使用镜子与不使用镜子在瞳孔大小、扫视及平滑追踪结果上具有等效性¹。下文将描述该评估中的一个代表性部分。

进行了一项简短的实验，仅放置一面镜子，以比较有无镜子时的结果。受试者对屏幕上的不同位置进行了扫视。眼动仪未丢失任一眼睛的任何采样数据。水平注视角和垂直注视角的平均相关系数均为0.99（见 图6).

讨论

本文介绍了一种实验装置的构建与使用方法，该装置可实现双眼同时追踪以及视觉刺激的双目分视呈现。在许多使用双目分视刺激的实验场景中，阻碍有效眼动追踪的关键问题是：用于双目分视呈现的镜子会遮挡基于视频的眼动仪视线。本方案通过采用红外透射镜和红外敏感型眼动仪解决了这一问题。该装置使从事三维视觉、双眼抑制或临床研究的研究人员能够在使用大尺寸、任意颜色刺激材料的同时，采集高质量的眼动追踪数据。

可根据实验需求修改该设置。如果双眼的刺激足够小⁵，能够同时显示在单个屏幕上，则使用四个反射镜和一个屏幕可能足以实现双目异视呈现下的眼动追踪。在这种情况下，需在现有反射镜的外周平行放置另外两个前表面反射镜（无需红外透射性），将屏幕上显示的视觉刺激反射至当前的反射镜上（有关标准镜面立体镜中反射镜的放置方式，参见参考文献⁵）。

本实验设置存在一些局限性。其一是代表结果中提到的眼动仪照明光源可能产生视觉污染。其次，如果视觉刺激的颜色无关紧要，使用红蓝眼镜可能是更...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
装置1中的反射镜	Edmund Optics	#64-452	尺寸 10.10 × 12.70 cm；反射波段：400 ~ 690 nm；透射波段：750 ~ 1200 nm
装置2中的反射镜	Edmund Optics	产品已停产	尺寸 10.10 × 12.70 cm；反射波段：425 ~ 650 nm；透射波段：800 ~ 1200 nm
其他反射镜选项	Edmund Optics	#62-634	尺寸 12.50 × 12.50 cm；反射波段：425 ~ 650 nm；透射波段：800 ~ 1200 nm
装置1中的眼动仪	SR Research Ltd., Mississauga, Ontario, Canada	Eyelink 1000	透射波段：890 ~ 940 nm
装置2中的眼动仪	The Eye Tribe Aps, Copenhagen, Denmark	Eye Tribe（产品已停产）	透射波段：约 850 nm