动态行为中儿童动态视觉注意的头戴式眼动追踪研究

摘要

幼儿并非被动地观察世界，而是主动探索并积极与周围环境互动。本方案提供了使用头戴式眼动仪记录婴儿和幼儿在自然行为情境下动态视觉环境及视觉注意力的指导原则和实用建议。

摘要

幼儿的视觉环境是动态变化的，随着儿童对空间、物体进行身体和视觉探索，并与周围人互动，其视觉场景时刻发生改变。头戴式眼动追踪技术为捕捉儿童动态的以自我为中心的视觉画面，以及他们在这些画面中如何分配视觉注意力，提供了独特的机会。本方案为研究人员在实验室环境以及更接近自然的情境下使用头戴式眼动仪，提供了指导原则和实用建议。与基于屏幕的眼动追踪相比，头戴式眼动追踪具有更高的便携性，允许头部和身体更自由地活动，从而在生态效度更高的情境中拓展了数据采集的可能性，是对其他实验方法的有力补充。该方案还可与其他技术（如动作追踪和心率监测）相结合，以获取高密度的多模态数据集，从而更深入地研究自然行为、学习过程与发展机制。本文通过一项旨在探究幼儿在自然情境下视觉注意力的研究——与父母自由玩耍玩具的过程——展示了头戴式眼动追踪所产生的数据类型。成功应用本方案将使研究人员能够收集到不仅可用于分析视觉注意力，还可用于探讨广泛的其他感知、认知和社会技能及其发展过程的科学问题的数据。

引言

近几十年来，人们对婴幼儿视觉注意力发展的研究兴趣日益增长。这一兴趣在很大程度上源于将注视时间测量作为评估婴儿期其他认知功能的主要手段，并逐渐发展为对婴幼儿视觉注意力本身的独立研究。当前对婴幼儿视觉注意力的研究主要通过基于屏幕的眼动追踪任务来测量眼动行为。婴儿坐在椅子上或家长的膝上，面对屏幕，在静态图像或事件呈现过程中其眼动被持续监测。然而，此类任务未能捕捉到自然视觉注意力的动态特性，也未能反映儿童如何通过主动探索来构建其自然视觉环境。

婴儿和幼儿是活跃的生物，他们会通过移动双手、头部、眼睛和身体来探索周围的物体、人物和空间。身体形态、运动技能和行为的每一次新发展——如爬行、行走、抓取物体、与社交伙伴互动——都伴随着早期视觉环境的相应变化。由于婴儿的行为决定了他们所看到的内容，而他们所看到的内容又服务于视觉引导下的行为活动，因此对视觉注意力自然发展的研究最好在自然行为的背景下进行¹。

头戴式眼动仪（ETs）已被发明并用于成人研究数十年^2,3。直到最近，技术进步才使得头戴式眼动追踪技术适用于婴儿和幼儿。参与者头部佩戴两个轻量级摄像头：一个朝外的场景摄像头，用于记录参与者的第一人称视角；另一个朝内的摄像头，用于捕捉眼睛图像。校准过程为算法提供训练数据，以尽可能准确....

方案

本教程基于印第安纳大学机构审查委员会批准的学步儿童头戴式眼动追踪数据采集程序。在学步儿童参与实验前，已获得家长的知情同意。

1. 研究的准备工作

1. 眼动追踪设备。选择市面上可购得的多种头戴式眼动追踪系统之一，可选用专为儿童设计的型号，或对系统进行改装以适配定制的婴儿帽，例如图1和图2所示。请通过以下步骤确保所选眼动追踪系统具备测试婴儿和/或幼儿所需的必要功能：
   1. 选择一个位置可调节且视角足够宽广的场景相机，以捕捉符合研究问题所需的视野范围。为了在如本文所述的自由游戏环境中记录到幼儿大部分活动，应选择能够捕捉至少100度对角线视野的相机。
   2. 选择一个位置可调节的眼球相机，并配备内置或紧邻相机的红外LED灯，其位置应确保能够使光线反射于眼睛角膜。请注意，某些眼动追踪设备的定位是固定的，但建议选用支持灵活调节的型号。
   3. 选择尽可能无干扰且轻便的眼动追踪系统，以最大程度提高婴儿/幼儿佩戴设备的耐受性。
      1. 通过将场景相机和眼球相机固定在魔术贴带上，再将该带子粘附于缝制在帽子另一侧的对应魔术贴上，从而将系统嵌入帽子中，并将相机置于偏离幼儿视线中心的位置。
         注意：设计类似眼镜的系统并非最佳选择。幼儿面部形态与成人不同，任何接触其鼻部或耳部的部件都可能对受试者造成干扰或不适。

结果

本文讨论的方法应用于幼儿与其父母之间的自由流动式玩具游戏情境中。该研究旨在探究在杂乱环境中自然的视觉注意力。要求亲子对在六分钟内自由地与24件玩具进行游戏。通过编码幼儿注视特定兴趣区域（ROIs）的起始与结束时间——包括24件玩具中的每一件以及父母的面部——并分析对每个兴趣区域的注视时长和注视时间比例，来测量幼儿的视觉注意力。结果如图5所示。

图5A展示了两名18个月大儿童的样本兴趣区（ROI）序列。序列中每个彩色块代表儿童持续注视某一特定兴趣区的连续帧。所获得的眼动数据揭示了自然视觉注意的若干有趣特性。

首先，儿童在对不同玩具子集的选择性上表现出个体差异。

讨论

本方案为在婴儿和幼儿中实施头戴式眼动追踪提供了指导原则和实用建议。该方案基于在实验室环境中父母与幼儿自由玩玩具时观察幼儿自然行为的研究。校准和数据编码使用了实验室自有的眼动追踪设备和软件。尽管如此，本方案旨在广泛适用于使用各种头戴式眼动追踪系统的研究人员，用于研究婴儿和儿童发展的多种课题。虽然本方案的最佳使用需要根据具体研究进行调整，但采用这些通用实践已在多种情境下成功应用（见图1），包括父母与幼儿的同时头戴式眼动追踪^7,8,9,10，以及临床人群的头戴式眼动追踪，包括佩戴人工耳蜗的儿童¹⁵和被诊断为自闭症谱系障碍的儿童^16,17。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
头戴式眼动仪	Pupil Labs	场景相机和眼相机