Wykorzystanie ruchów gałek ocznych do oceny procesów poznawczych związanych ze zrozumieniem tekstu

Summary

Niniejszy artykuł opisuje, jak używać metodologii śledzenia ruchu gałek ocznych do badania procesów poznawczych związanych ze zrozumieniem tekstu. Dołączono opisy sprzętu do śledzenia ruchu gałek ocznych, sposób opracowywania bodźców eksperymentalnych oraz zalecenia proceduralne. Przedstawione informacje można zastosować do większości badań z wykorzystaniem bodźców werbalnych.

Abstract

Niniejszy artykuł opisuje, jak używać metodologii śledzenia ruchu gałek ocznych do badania procesów poznawczych związanych ze zrozumieniem tekstu. Pomiar ruchów gałek ocznych podczas czytania jest jedną z najbardziej precyzyjnych metod pomiaru zapotrzebowania na przetwarzanie w każdej chwili (online) podczas rozumienia tekstu. Wymagania dotyczące przetwarzania poznawczego są odzwierciedlone w kilku aspektach zachowania ruchu gałek ocznych, takich jak czas trwania fiksacji, liczba fiksacji i liczba regresji (powrót do poprzednich części tekstu). Opisano ważne właściwości sprzętu do śledzenia ruchu gałek ocznych, które naukowcy muszą wziąć pod uwagę, w tym częstotliwość pomiaru pozycji oczu (częstotliwość próbkowania), dokładność określania pozycji oczu, dozwolony ruch głowy i łatwość użytkowania. Opisano również właściwości bodźców wpływających na ruchy gałek ocznych, które muszą być kontrolowane w badaniach rozumienia tekstu, takie jak pozycja, częstotliwość i długość słów docelowych. Podano zalecenia proceduralne związane z przygotowaniem uczestnika, ustawieniem i kalibracją sprzętu oraz przeprowadzeniem badania. Przedstawiono reprezentatywne wyniki, aby zilustrować, w jaki sposób można oceniać dane. Chociaż metodologia jest opisana w kategoriach czytania ze zrozumieniem, wiele z przedstawionych informacji można zastosować do dowolnego badania, w którym uczestnicy czytają bodźce werbalne.

Introduction

Gdy czytelnicy czytają tekst, przenoszą swoje oczy od słowa do słowa poprzez naprzemienny wzór fiksacji (punkty, w których oczy są nieruchome i skupione na słowie) i sakkad (punkty, w których oko porusza się między słowami). Fiksacje następujące po sakkadach, które przesuwają czytelnika do przodu przez tekst, nazywane są fiksacjami do przodu, a fiksacje następujące po sakkadach, które przenoszą czytelnika do wcześniejszych punktów w tekście, nazywane są fiksacjami regresywnymi. Podstawowym założeniem metod śledzenia ruchu gałek ocznych jest to, że zwiększone wymagania dotyczące przetwarzania wiążą się ze zwiększonym czasem przetwarzania lub zmianami we wzorcu fiksacji. Wydłużony czas przetwarzania może być odzwierciedlony przez fiksacje o dłuższym czasie trwania lub większą liczbę fiksacji (do przodu i regresywny).

Ruchy gałek ocznych dostarczają kilku ważnych zalet jako miara zachowania podczas czytania w porównaniu do mierzenia czasu czytania całego fragmentu lub czasu czytania zdanie po zdaniu. Po pierwsze, monitorowanie ruchów gałek ocznych tworzy ciągły zapis wydajności czytania online. Daje to możliwość badania wymagań dotyczących przetwarzania tekstu na poziomie globalnym (w całym tekście), na poziomie zdania (pojedyncze zdania) lub na poziomie lokalnym (pojedyncze słowa lub frazy). Na przykład zmiany w globalnym poziomie trudności prowadzą do zmian w kilku miarach wydajności, takich jak całkowity czas czytania, liczba fiksacji do przodu i liczba regresji. Zmiany w poziomie trudności na poziomie lokalnym wpływają również na kilka wskaźników, takich jak czas czytania poszczególnych słów, prawdopodobieństwo utrwalenia słów i prawdopodobieństwo dokonania regresji do określonych słów. Całkowity czas czytania lub czas czytania zdanie po zdaniu nie zapewniają tak szczegółowych pomiarów wydajności czytania. Po drugie, ruchy gałek ocznych są naturalną częścią czytania; W związku z tym przed czytnikiem nie są stawiane żadne dodatkowe wymagania dotyczące zadań. Po trzecie, można analizować wiele aspektów ruchów gałek ocznych (np. czas trwania fiksacji, długość sakad i częstotliwość regresji), zapewniając wgląd w różne elementy procesu czytania. Po czwarte, ruchy gałek ocznych bezpośrednio odzwierciedlają wymagania przetwarzania związane z cechami czytanego tekstu. Na przykład ruchy gałek ocznych różnią się w zależności od częstotliwości występowania słów^10,11, długości słowa⁷, niejednoznaczności leksykalnej², ograniczenia kontekstowego¹ i powtórzeń^10,13. Po piąte, ruchy gałek ocznych odzwierciedlają indywidualne różnice u czytelników. Na przykład ruchy gałek ocznych różnią się w zależności od umiejętności czytania¹, wcześniejszej wiedzy na dany temat⁹ i wieku czytelnika¹⁴. Rayner, Pollatsek, Ashby i Clifton¹³ zapewniają dokładny przegląd ruchów gałek ocznych podczas czytania. Podsumowując, te zalety sprawiają, że ruchy gałek ocznych są idealną miarą zachowań związanych z czytaniem.

Opisane tutaj badania wykorzystywały metodologię ruchu gałek ocznych do badania procesów poznawczych związanych ze zrozumieniem tekstu. W szczególności eksperyment miał na celu zbadanie, w jaki sposób przetwarzane są znane i nieznane metafory⁴. W tym badaniu uczestnicy czytali krótkie teksty prezentowane na monitorze komputera, podczas gdy ich ruchy gałek ocznych były monitorowane. Każdy tekst zawierał cztery zdania. Pierwsze dwa zdania stanowiły kontekst, który był zgodny z zamierzonym znaczeniem metafory. Metafory zostały przedstawione w trzecim zdaniu. Czwarte zdanie posłużyło jako neutralne zakończenie. Przykłady tekstów zawierających znane (1) i nieznane (2) metafory przedstawiono poniżej, przy czym metafory zostały podkreślone dla ułatwienia identyfikacji.

1. Znajomy fragment metafory. Piotr nigdy wcześniej nie widział tak pięknej dziewczyny. Naprawdę miał nadzieję, że między nimi wyrośnie coś wyjątkowego. Pomyślał sobie, że miłość jest kwiatem. Piotr zadzwonił do dziewczyny jeszcze tego samego wieczoru.
2. Nieznany fragment metafory. Ukończenie studiów jest dla wielu osób bardzo ważnym kamieniem milowym. Osiągnięcie tego celu wymaga wiele ciężkiej pracy. Dla wielu ludzi dyplom jest bramą. Ukończenie studiów to coś, z czego można być bardzo dumnym.

Wcześniejsze badania oparte na różnych metodach wykazały, że znane metafory są łatwiejsze do zrozumienia (przetwarzane szybciej) niż nieznane metafory^3,6. Siła metody śledzenia ruchu gałek ocznych polega na tym, że źródło trudności w przetwarzaniu można wyizolować do konkretnych słów. Na przykład badacze mogą określić, czy dodatkowy czas potrzebny na zrozumienie nieznanych metafor uzyskuje się poprzez zwolnienie podczas czytania każdego słowa w metaforach, czy też spowolnienie na ostatnich słowach metafory (gdy jest jasne, że poprzednia fraza jest metaforą). Co więcej, wzorce ruchów gałek ocznych wspierają wnioskowanie o procesach poznawczych związanych ze zrozumieniem metafor. Na przykład, czytając nowe lub nieznane metafory, czytelnicy musieliby dalej przetwarzać metafory, aby wydobyć przenośne znaczenia. Może to znaleźć odzwierciedlenie we wzorcu ruchu gałek ocznych jako regresja do początku metafor, a następnie czytanie metafor po raz drugi. Czytelnicy mogą również spróbować porównać znaczenia dwóch kluczowych słów w metaforach (np. miłość i kwiat), co może prowadzić do wzorca ruchów gałek ocznych tam iz powrotem między słowami kluczowymi. Alternatywnie, czytając znane metafory, czytelnicy mogą wyodrębnić przenośne znaczenia natychmiast po przeczytaniu metafor; W związku z tym regresje nie byłyby potrzebne. Kluczową kwestią jest to, że wzorce ruchów gałek ocznych pozwalają badaczom na wnioskowanie na temat procesów online używanych do zrozumienia metafor. Potwierdza to bardziej opisowe wnioski niż po prostu stwierdzenie, że całkowity czas przetwarzania jest dłuższy w przypadku nieznanych niż znanych metafor.

Opisane tutaj badanie ilustruje powszechną metodę kontrastowania wzorców ruchów gałek ocznych dla dwóch typów bodźców pisanych i dostarcza konkretnej sytuacji do opisania krytycznych aspektów metodologii ruchu gałek ocznych. Co ważne, opisaną tutaj metodę ruchu gałek ocznych można uogólnić w celu zbadania wielu innych zagadnień, takich jak sposób, w jaki czytelnicy rozwiązują problemy matematyczne oparte na słowach, które różnią się złożonością (np. wysoka i niska złożoność) lub jak zadania tekstowe są rozwiązywane przez ekspertów w danej dziedzinie w porównaniu z nowicjuszami. Ruchy gałek ocznych można wykorzystać do określenia, które słowa w problemach przyciągają najwięcej uwagi (tj. najdłuższy czas trwania fiksacji i największa liczba fiksacji) oraz czy eksperci i nowicjusze skupiają się na tych samych informacjach. W każdym przypadku monitorowanie ruchów gałek ocznych dostarczyłoby zapisu zmian w wymaganiach przetwarzania związanych ze zrozumieniem odczytywanych problemów.

Protocol

1. Właściwości sprzętu do śledzenia ruchu gałek ocznych

Eye trackery różnią się pod względem sposobu mierzenia ruchów gałek ocznych, częstotliwości pomiaru pozycji oczu (częstotliwość próbkowania), dokładności określania pozycji oczu, dozwolonego ruchu głowy i łatwości użytkowania. Znaczenie tych czynników różni się w zależności od rodzaju przeprowadzanych badań i badanych uczestników. Na przykład w większości badań nad czytaniem potrzebna jest wysoka dokładność, aby określić, które słowo jest fiksowane. Drugim przykładem jest tolerancja ruchów głowy i łatwość użycia, które mają kluczowe znaczenie w przypadku wykorzystywania dzieci jako uczestników.

Opisane tutaj badania zostały przeprowadzone przy użyciu urządzenia do śledzenia wzroku SR Research EyeLink 1000 (SR Research Ltd). Obraz systemu śledzenia ruchu gałek ocznych przedstawiono na rysunku 1. System EyeLink śledzi ruchy gałek ocznych, mierząc zmiany położenia źrenic na obrazie wideo. Odbywa się to poprzez skierowanie rozproszonego światła podczerwonego (które nie jest widoczne dla uczestników) na oczy badanych i zarejestrowanie odbicia (obrazu) w podczerwieni od jednego oka (lub obu oczu) za pomocą kamery wideo o wysokiej rozdzielczości wykrywającej podczerwień. Źródło światła podczerwonego i kamera wideo są umieszczone pod monitorem, który służy do wyświetlania bodźców. Światło podczerwone służy do unikania fałszywych odbić od świateł o normalnym spektrum. Światło podczerwone wytwarza jasny punkt w miejscu, w którym znajduje się źrenica (światło wpada do źrenicy i odbija się od siatkówki, aby rozjaśnić źrenicę) oraz punktowe odbicie na powierzchni oka zwane odbiciem rogówkowym. Obraz wideo jest digitalizowany, dzięki czemu można zmierzyć poziome i pionowe ruchy źrenicy (jasnego punktu) w klatce wideo. Odbicie rogówki jest nieruchomym odbiciem, które nie porusza się, chyba że porusza się głowa (ponieważ jest to odbicie od powierzchni oka, nie porusza się, gdy poruszają się oczy). Pomiar odbicia rogówki umożliwia odróżnienie małych ruchów głowy, które prowadzą do ruchu odbicia rogówki, od samych ruchów gałek ocznych, które nie prowadzą do ruchu odbicia rogówki. Aby zminimalizować ruchy głowy i utrzymać uczestnika w ogniskowej kamery wideo, uczestnicy kładą głowę na czole i podbródku podczas czytania tekstu prezentowanego na monitorze komputera. Poniżej opisano kilka krytycznych cech systemów śledzenia ruchu gałek ocznych.

1. Częstotliwość próbkowania. Częstotliwość próbkowania odnosi się do tego, ile razy na sekundę mierzona jest pozycja gałki ocznej. Częstotliwość próbkowania dla systemu EyeLink 1000 wynosi 1 000 Hz, co oznacza, że pozycja oka jest mierzona 1 000 razy na sekundę. Typowe częstotliwości próbkowania to 1,000 Hz, 500 Hz, 250 Hz i 60 Hz (częstotliwość/częstotliwość odświeżania wideo wielu monitorów komputerowych).
   Uwaga: Podczas nauki czytania celem jest dokładne zmierzenie lokalizacji i czasu trwania fiksacji i sakkad. Podczas normalnego czytania przez dorosłych czas fiksacji zwykle waha się od około 100 do 800 ms, przy czym średnia wynosi około 250 ms (dla czytelników w wieku studenckim). Sakkady zwykle trwają od około 10 do 20 ms, gdy czytelnicy przenoszą wzrok z jednego słowa na drugie. Bardzo duże sakady, takie jak przechodzenie od końca jednej linii do początku następnej linii, mogą trwać nawet 60-80 ms. Wyższe częstotliwości próbkowania zapewniają lepszą dokładność czasową (nazywaną również rozdzielczością czasową) podczas pomiaru czasu trwania fiksacji i sakkad. W szczególności średni błąd czasowy będzie wynosił w przybliżeniu połowę czasu między próbkami. Na przykład częstotliwość próbkowania 1 000 Hz (pozycja oka próbkowania co 1 ms) doprowadzi do średniego błędu 0,5 ms, a częstotliwość próbkowania 60 Hz (pozycja oka próbkowania co 16,7 ms) doprowadzi do średniego błędu około 8 ms. Błąd 8 ms może być uznany za zbyt duży, aby zbadać czas trwania sakkad, ale nie za duży, aby zbadać czas trwania fiksacji. Trzydzieści lat temu większość badań nad czytaniem prowadzono przy użyciu urządzeń śledzących ruch gałek ocznych z częstotliwością próbkowania 60 Hz. Większość badań nad czytaniem jest obecnie wykonywana przy użyciu urządzeń śledzących ruch gałek ocznych zdolnych do pobierania próbek z częstotliwością 500 Hz lub 1000 Hz.
   Podczas czytania celem jest skupienie obu oczu na tym samym miejscu; Dlatego powszechną praktyką jest rejestrowanie ruchów gałek ocznych z jednego oka. Niektóre systemy śledzenia ruchu gałek ocznych umożliwiają śledzenie obu oczu jednocześnie. Zaletą śledzenia obu oczu jest to, że do końcowej analizy można wybrać oko o najlepszej dokładności śledzenia. Wadą śledzenia obojga oczu jest to, że częstotliwość próbkowania jest na ogół zmniejszana dwukrotnie (tj. częstotliwość próbkowania 1,000 Hz dla jednego oka jest zmniejszana do 500 Hz podczas nagrywania z obu oczu).
2. Precyzja. Dokładność odnosi się do tego, jak dobrze obliczona lokalizacja fiksacji pasuje do rzeczywistej lokalizacji fiksacji. Jest to wyrażone w stopniach kąta widzenia (półokrąg ma kąt widzenia 180º). Średnia dokładność systemu EyeLink 1000 wynosi 0,25-0,5º kąta widzenia. Aby spojrzeć na to z innej perspektywy, patrząc na monitor komputerowy o przekątnej 17-20 cali z normalnej odległości oglądania, szerokość monitora obejmuje 20-30º kąta widzenia.
   Uwaga: Wymagany stopień dokładności zależy od celów badawczych. Jeśli celem jest zmierzenie, który znak w wierszu jest zafiksowany, potrzebna jest dokładność pozycji znaku. Jeśli celem jest zmierzenie, które słowo w wierszu jest zafiksowane, potrzebna jest dokładność pozycji słowa. W opisanych tutaj badaniach tekst był wyświetlany w taki sposób, że 3 znaki odpowiadały w przybliżeniu 1° kąta widzenia. Pomiar wynosi około 3 znaków, ponieważ tekst był wyświetlany czcionką proporcjonalną (tj. znaki różniły się szerokością, np. znak i był węższy niż w). Aby uzyskać dokładność położenia znaków, urządzenie śledzące ruch gałek ocznych musi określić miejsce fiksacji z dokładnością do 1/3° (szerokość około jednego znaku) w zakresie poziomym 30° (szerokość wyświetlacza komputera). Aby uzyskać dokładność pozycji słowa, urządzenie śledzące ruch gałek ocznych musi określić miejsce fiksacji w zakresie 1° dla słów o długości 3 znaków. Urządzenia śledzące ruch gałek ocznych są zwykle nieco mniej dokładne w mierzeniu dużych pionowych ruchów gałek ocznych (np. poruszanie się od dołu wyświetlacza do góry), ponieważ źrenica może być częściowo zasłonięta przez powieki i rzęsy. Problem ten można znacznie zmniejszyć lub wyeliminować poprzez podwójne odstępy między tekstami, co ułatwia rozpoznanie, który wiersz tekstu jest czytany. W przypadku monitorów komputerowych 17-20 podwójne odstępy zapewniają około 2,5° pionowej separacji między liniami, co mieści się w zakresie dokładności EyeLink 1000 i większości trackerów gałek ocznych obecnej generacji.
3. Ruch głowy. Dopuszczalny ruch głowicy dla systemu EyeLink 1000 to 25 mm x 25 mm x 10 mm (poziomo x pionowo x głębokość). Oznacza to, że uczestnicy mogą wykonywać ruchy głowy ±12,5 mm w lewo/w prawo, ±12,5 mm w górę/w dół i ±5 mm do wewnątrz/na zewnątrz od pozycji głowy, w której przeprowadzono wstępną kalibrację (wyjaśnioną poniżej), bez uszczerbku dla dokładności. Ograniczenia lewo/prawo i góra/dół są potrzebne, aby utrzymać oko w polu widzenia kamery wideo. Ograniczenie wejścia/wyjścia jest potrzebne, aby utrzymać oko w zakresie ogniskowej kamery wideo. Korzystanie z kombinacji podpórki pod czoło i podbródek z łatwością utrzymuje ruchy w tym zakresie.
   Uwaga: Jeśli potrzebne są większe ruchy głowy, na przykład jeśli wyświetlacz składa się z trzech monitorów umieszczonych obok siebie, które wymagają ruchów głowy w celu spojrzenia na każdy monitor (jak w symulatorze jazdy), dostępna jest wersja trackera "montowana na głowie", która nie wymaga podparcia czoła/podbródka. W przypadku systemu montowanego na głowie kamery służące do śledzenia pozycji oczu są zamontowane na regulowanym pałąku, dzięki czemu uczestnicy mogą swobodnie poruszać głową. Oddzielna kamera, która jest skierowana do przodu, rejestruje oglądaną scenę. Ruchy gałek ocznych są określane w odniesieniu do oglądanej sceny. Wadą systemu montowanego na głowie jest to, że częstotliwość próbkowania jest zmniejszona do 500 Hz (maksymalnie) lub mniej, dokładność jest zwykle nieco mniejsza, ponieważ duże ruchy głowy mogą powodować błędy, a czas konfiguracji jest nieco dłuższy, ponieważ pozycja kamer ruchu gałek ocznych musi być dostosowana dla każdego uczestnika. Oprogramowanie do obsługi urządzenia śledzącego ruch gałek ocznych montowanego na głowie jest zasadniczo identyczne z EyeLink 1000.
4. Czas konfiguracji systemu. EyeLink 1000 zazwyczaj można skonfigurować i skalibrować w ciągu 5 minut lub krócej, co jest typowe dla monitorów ruchu gałek ocznych opartych na wideo. Ten proces jest bardziej szczegółowo zdefiniowany w poniższej sekcji procedury.

2. Przygotowanie bodźca

Porównując ruchy gałek ocznych pod kątem bodźców pochodzących z dwóch lub więcej warunków, bodźce muszą być dopasowane do cech, o których wiadomo, że wpływają na ruchy gałek ocznych. Użyte tu teksty metafor ilustrują kilka ważnych właściwości, które powinny być kontrolowane przy porównywaniu sposobu odczytywania dwóch bodźców.

1. Słowa kluczowe powinny być dopasowywane na podstawie średniej długości słowa (w liczbie znaków) i częstotliwości słów (zwykle wyrażonej jako wystąpienia/milion słów) w różnych warunkach. Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ czas fiksacji wydłuża się wraz ze spadkiem częstotliwości słów, a prawdopodobieństwo utrwalenia słowa wzrasta wraz ze wzrostem długości słowa^10,13. We fragmentach metafor słowa zawierające treść znanych i nieznanych metafor zostały dopasowane pod względem średniej długości słowa i częstotliwości występowania słów.
2. Słowa kluczowe powinny być prezentowane w podobnych miejscach w tekstach i zdaniach. Jest to ważne, ponieważ słowa na końcu zdań są zazwyczaj czytane wolniej niż wcześniejsze słowa w zdaniach, a czytelnicy mają tendencję do szybszego czytania w miarę przechodzenia przez fragment, a następnie zwalniają w ostatnim zdaniu^11,12. We fragmentach metafor wszystkie metafory zostały przedstawione na końcu trzeciego zdania. Prezentowanie jednych metafor na początku zdań, a innych na końcu zdań prowadziłoby do różnic w czasie czytania niezwiązanych z samymi metaforami.
3. Frazy kluczowe powinny być z grubsza dopasowane pod względem długości i struktury słów. Jest to ważne, ponieważ długość zdania i struktura składniowa wpływają na czas czytania, liczbę fiksacji i prawdopodobieństwo regresji¹³. We fragmentach metafor znane i nieznane metafory miały taką samą liczbę słów i strukturę (X to Y).
4. Kontekst bezpośrednio poprzedzający słowa kluczowe powinien być z grubsza utożsamiany pod względem liczby słów, formatu i trudności przetwarzania. Zrównywanie kontekstów między warunkami jest konieczne, ponieważ ograniczenie kontekstowe wpływa na czas trwania fiksacji dla kolejnych słów^1,14. We fragmentach metafor pierwsze zdanie kontekstowe zawsze odnosiło się do pierwszego słowa kluczowego w metaforach (miłość i rybak), a drugie zdanie kontekstowe zawsze odnosiło się do drugiego słowa kluczowego w metaforach (kwiat i pająk).
5. Słowa lub frazy kluczowe nie powinny być ostatnim słowem lub frazą fragmentu. Jest to ważne, ponieważ czytelnicy czytają zakończenie tekstu wolniej niż wcześniejsze części tekstu, co nazywa się efektem zakończenia fragmentu¹². Dodanie zdania końcowego pozwala również na zmierzenie efektu ubocznego przetwarzania. Spillover odnosi się do trudności w przetwarzaniu, które przenosi się z jednego zdania na kolejne zdanie. We fragmentach metafor po metaforach następowało neutralne zdanie końcowe. Jeśli czytelnicy nie rozumieją znaczenia metafory, mogą przejść do następnego zdania, mając nadzieję na wskazówki dotyczące znaczenia metafory. W związku z tym zdanie końcowe było celowo neutralne, aby usunąć wskazówki znaczeniowe.
   Chociaż właściwości kontroli bodźca zostały tutaj opisane w kategoriach metafor, mają one zastosowanie do większości badań nad rozumieniem tekstu lub wszelkich badań, które manipulują bodźcami językowymi. Rozważmy nasz poprzedni przykład, w którym czytelnicy rozwiązują problemy matematyczne oparte na słowach, które różnią się złożonością (np. wysoka i niska złożoność). Nie chciałoby się, aby problemy o wysokiej złożoności zawierały więcej rzadkich słów (o bardzo niskiej częstotliwości) niż problemy o niskiej złożoności, ponieważ złożoność matematyczna byłaby mylona z częstością występowania słów. Oczywiście cel eksperymentu dyktuje, jakie cechy muszą być kontrolowane. Na przykład, jeśli celem eksperymentu jest zbadanie, w jaki sposób struktura zdania wpływa na przetwarzanie, to struktura zdania musi być manipulowana. Wracając do naszego eksperymentu z problemem matematycznym, warto zbadać, w jaki sposób różne struktury gramatyczne wpływają na trudność rozwiązania problemów. Na przykład zdania zawierające kluczowe szczegóły problemów mogą być napisane w stronie czynnej lub biernej. Można było zmierzyć wzorzec ruchów gałek ocznych w tych kluczowych zdaniach, a także wpływ na określenie prawidłowych rozwiązań.

3. Przeprowadzanie eksperymentu

1. Uczestnicy powinni rozpocząć od wypełnienia świadomej zgody, która opisuje ogólną procedurę. Badania behawioralne, takie jak opisany tutaj eksperyment, są powszechnie zatwierdzane przez behawioralną IRB (Institutional Research Board) instytucji, w przeciwieństwie do medycznego IRB, ponieważ sprzęt do śledzenia ruchu gałek ocznych oparty na wideo nie ma kontaktu z okiem i jest zatwierdzony jako urządzenie LED klasy 1, które jest bezpieczne w każdych warunkach. Jeśli procedury śledzenia ruchu gałek ocznych są połączone z procedurami medycznymi, takimi jak rejestrowanie ruchów gałek ocznych podczas wykonywania fMRI, konieczne będzie medyczne IRB.
2. Uczestnicy powinni wyłączyć lub wyciszyć wszystkie rozpraszające urządzenia elektroniczne.
3. Wysokość podbródka powinna być ustawiona tak, aby monitorowane oko było z grubsza wyśrodkowane na wyświetlaczu wideo.
4. Uczestnicy powinni dostosować wysokość siedziska tak, aby mogli wygodnie oprzeć podbródek na podbródku, a czoło na podnóżku. Uczestnicy mają tendencję do garbienia się na krześle podczas relaksu, co ma tendencję do odciągania czoła od podpórki pod czoło. Może to zwiększyć błąd pionowy w rekordzie śledzenia ruchu gałek ocznych. Problem ten można zminimalizować, upewniając się, że uczestnicy zaczynają z podbródkami nieco powyżej wysokości podbródka, tak aby mogli oprzeć podbródek na podbródku.
5. Uczestnicy powinni zostać poinformowani o tym, w jaki sposób tracker jest regulowany i konfigurowany przed rozpoczęciem eksperymentu. Wyświetlanie instrukcji na monitorze daje uczestnikom możliwość zobaczenia, jak wygląda wyświetlacz przed rozpoczęciem eksperymentu i dalszego dostosowania swojej pozycji na podpórce czoła/podbródka, jeśli zajdzie taka potrzeba.
6. Upewnij się, że na wyświetlaczu aparatu widoczne jest tylko to nagrywane oko. Zapobiegnie to "przesuwaniu się" trackera na drugie oko, jeśli uczestnicy wykonają duży ruch głową. Jeśli oba oczy znajdują się w polu widzenia kamery, przesunięcie może nastąpić, jeśli uczestnicy przesuną głowy na tyle daleko, że obraz nagrywanego oka zostanie przesunięty poza pole widzenia kamery, a drugie oko zostanie przesunięte w pole widzenia kamery. Eye tracker będzie następnie "szukał" nowego odbicia źrenicy. Tracker przesunie się z powrotem do pierwotnego oka, gdy głowa powróci do pozycji wyjściowej, ale przesunięcie powoduje tymczasową utratę pozycji oka.
7. Ustaw ostrość aparatu (obraz zostanie pokazany na wyświetlaczu eksperymentatora). Właściwa ostrość zwiększa zdolność wykrywania i śledzenia odbicia źrenicy i rogówki.
8. Dostosuj próg czułości podczerwieni kamery wideo. System EyeLink posiada funkcję "auto threshold", która poprawnie ustawia próg dla zdecydowanej większości uczestników. Jeśli w pobliżu oka widoczne są duże obszary odbicia w podczerwieni, próg można zmniejszyć ręcznie. W tym momencie eye tracker powinien wykryć odbicie źrenicy i rogówki i rozpocząć śledzenie pozycji oka (wskazywanej przez krzyż nitkowy nad źrenicą i odbicie rogówki).
9. Upewnij się, że odbicie źrenicy i rogówki jest śledzone na całej powierzchni wyświetlacza, prosząc uczestników o spojrzenie na każdy róg monitora komputera. Jeśli odbicie źrenicy lub rogówki zostanie utracone na krawędziach wyświetlacza, przechylenie głowy uczestnika poprzez przesunięcie podstawy podbródka do przodu lub do tyłu zwykle rozwiązuje problem. W przypadku uczestników, którzy noszą okulary, oprawki czasami zasłaniają część obrazu wideo oczu, gdy patrzy się pod ekstremalnymi kątami poziomymi lub pionowymi. Jest to problem tylko wtedy, gdy odbicia źrenicy i rogówki nie można śledzić na całym obszarze, w którym bodźce będą pokazywane. Eye tracker można skalibrować (opisano dalej) w mniejszym zakresie, jeśli jest to konieczne, aby skompensować ten problem.
10. Kalibracja to proces używany do ustawiania oprogramowania do śledzenia ruchu gałek ocznych w celu dokładnego śledzenia ruchów gałek ocznych. Odbywa się to poprzez rejestrowanie pozycji oczu, podczas gdy uczestnicy fiksują zestaw dziewięciu punktów fiksacji (czarnych kropek) wyświetlanych na monitorze w znanych lokalizacjach. Punkty fiksacji są prezentowane w kolejności losowej. Liczba punktów fiksacji może być zróżnicowana w zależności od tego, ile miejsca na wyświetlaczu będą zajmować bodźce. Jeśli fragmenty wypełniają większość wyświetlacza, kalibracja powinna używać formacji 9 punktów (lewy górny środek, prawy górny róg, lewy środkowy, środkowy środek, prawy środkowy, lewy dolny róg, lewy dolny środek, prawy dolny róg). Jeśli tylko jeden wiersz tekstu jest wyświetlany w pionowym środku wyświetlacza, zakres kalibracji może zostać ograniczony do środkowego obszaru wyświetlacza.
11. Podczas kalibracji poinstruuj uczestników, aby unieruchomili każdą kropkę, dopóki nie zniknie i starali się nie przewidywać ruchów kropki. Jeśli uczestnicy poruszają oczami, próbując przewidzieć następną lokalizację kropki, ruch kropki można kontrolować ręcznie, aby upewnić się, że uczestnicy utrwalają każdą kropkę, zanim pojawi się następna kropka.
12. Zatwierdź kalibrację. Podczas walidacji uczestnicy ustalają te same dziewięć punktów, co podczas kalibracji. Obliczone miejsca fiksacji są następnie porównywane ze znanymi lokalizacjami fiksacji w celu określenia stopnia błędu wizualnego w obliczonych miejscach fiksacji. W tym momencie oprogramowanie wyświetla informacje o stopniu błędu wizualnego dla każdego punktu fiksacji, średnim błędzie we wszystkich punktach i maksymalnym błędzie we wszystkich punktach.
13. Jeśli średni błąd przekracza 0,5º kąta widzenia, należy sprawdzić konfigurację urządzenia śledzącego ruch gałek ocznych i powtórzyć proces kalibracji. Średni błąd łączy w sobie błędy pionowe i poziome; W związku z tym dopuszczalny błąd średni wynoszący 0,3º może na przykład odzwierciedlać kombinację małych błędów poziomych i pionowych, kombinacji małych błędów poziomych (np. 0,1º) i dużych błędów pionowych (np. 0,6º) lub różny schemat błędów. W związku z tym badacze powinni zbadać przemieszczenie poziome i pionowe dla każdego punktu kalibracji i ustalić próg dopuszczalnego błędu na podstawie przeprowadzanego eksperymentu. Na przykład, jeśli bodźcami są zdania jednowierszowe, które pojawią się na środku ekranu, dokładność pionowa jest mniej ważna, ponieważ jest tylko jeden wiersz tekstu. Poprzedni przykład błędów poziomych 0,1º i błędów pionowych 0,6º może być akceptowalny dla wyświetlaczy jednowierszowych. W przypadku korzystania z przejść wieloliniowych kluczowe znaczenie ma zarówno dokładność pionowa, jak i pozioma.
14. Rozpocznij eksperyment po uzyskaniu akceptowalnej kalibracji. Poinstruuj uczestników, aby nie mówili, gdy wyświetlane są bodźce. Mówienie powoduje, że głowa porusza się w górę i w dół, gdy spoczywa na podbródku, co zmniejsza dokładność śledzenia wzroku.
15. Zacznij od przedstawienia niewielkiej liczby prób praktycznych, aby uczestnicy poczuli się komfortowo z urządzeniem śledzącym ruch gałek ocznych, kontrolerem odpowiedzi (jeśli jest używany) i formatem bodźców.
16. Przed każdą próbą wyświetlany jest punkt fiksacji (często nazywany punktem korekcji dryfu), w którym będzie znajdować się pierwsze słowo tekstu. Poinstruuj uczestników, aby ustalili punkt korekcji dryfu przed każdą próbą. Jeśli błąd wizualny podczas ustalania punktu korekcji dryftu przekroczy maksymalny dopuszczalny błąd (0,5º), system nie pozwoli na rozpoczęcie próby. W tym momencie konieczna jest ponowna kalibracja. Zapewnia to niezmiennie dokładne śledzenie przez cały czas trwania eksperymentu. Ponowna kalibracja trwa zwykle mniej niż minutę, ponieważ system jest już ustawiony na śledzenie oczu uczestników.
17. Zapytaj uczestników, czy mają jakieś pytania po ukończeniu prób praktycznych. Uczestnicy muszą zdjąć głowę z czoła/podbródka, aby móc zadawać pytania. Dokładność śledzenia powinna zostać ponownie sprawdzona po powrocie uczestników do podpórki czoła/podbródka, ponieważ ich głowy nie będą dokładnie w tej samej pozycji. Można to zrobić, prosząc uczestników o spojrzenie na punkt korekcji dryfu i porównanie obliczonej pozycji z rzeczywistą pozycją, która jest wyświetlana na monitorze eksperymentatora. W przypadku większości uczestników ponowna kalibracja zazwyczaj nie jest konieczna po zejściu, a następnie powrocie do odpoczynku czoła/podbródka.
18. Jeśli w dowolnym momencie uczestnicy muszą zrobić przerwę lub jakość toru uległa pogorszeniu (zwykle z powodu zmiany pozycji uczestników na krześle), należy sprawdzić kalibrację i w razie potrzeby przeprowadzić ponowną kalibrację. Uczestnicy mają tendencję do rozluźniania pozycji siedzących (garbienia się) podczas eksperymentu, co może zmienić kąt nachylenia głowy. Może to zmniejszyć dokładność śledzenia i doprowadzić do konieczności ponownej kalibracji. Włączenie krótkich przerw co 15-20 minut w dłuższych eksperymentach minimalizuje ten problem.
19. Uczestnicy powinni zostać poinformowani po zakończeniu eksperymentu.

Results

Wiele aspektów ruchów gałek ocznych może być analizowanych, a te często są klasyfikowane jako miary globalne i lokalne. Miary globalne odzwierciedlają zachowania związane z ruchem gałek ocznych w całym badaniu, takie jak ogólny czas czytania, średni czas fiksacji dla wszystkich słów oraz całkowita liczba fiksacji (zarówno do przodu, jak i regresywnie). Miary lokalne odzwierciedlają zachowanie ruchu gałek ocznych dla określonego słowa docelowego lub zestawu słów docelowych (takich jak słowa w metaforach) i są określane jako obszary zainteresowania. Miary lokalne obejmują między innymi czasy fiksacji słów docelowych, prawdopodobieństwo fiksacji słów docelowych, liczbę fiksacji na słowach docelowych oraz liczbę regresji do słów docelowych. Ponadto miary lokalne są często omawiane w kategoriach pierwszego, drugiego przejazdu i czasu całkowitego. Pierwsze przejście (zwane również pierwszym przejściem) odnosi się do fiksacji na słowie docelowym przed przejściem do innego słowa. Można to traktować jako pierwsze spotkanie ze słowem docelowym. Drugi przebieg (zwany również drugim przejściem) odnosi się do fiksacji na słowie docelowym po początkowym opuszczeniu słowa docelowego. Są to na ogół regresje do słów docelowych. Łączny czas obejmuje wszystkie fiksacje na słowach docelowych (wszystkie serie łącznie). Bardziej złożone miary są również używane do oceny czasu przetwarzania i wzorców ruchów gałek ocznych, takich jak czas trwania ścieżki regresji, który jest definiowany jako całkowity czas od początkowego napotkania słowa do przejścia do następnego słowa. Na przykład, jeśli czytelnik (1) sfiksował ostatnie słowo w metaforze, (2) powrócił, aby zafiksować pierwsze słowo w metaforze, (3) ponownie skupił się na ostatnim słowie, a następnie (4) zafiksował pierwsze słowo w następnym zdaniu, czas trwania ścieżki regresji obejmowałby pierwsze trzy fiksacje w tym przykładzie.

Ruchy gałek ocznych z próbnego badania są przedstawione na rysunku 2. Okręgi reprezentują miejsca fiksacji, a żółte linie reprezentują sakkady, które pokazują, jak czytelnik poruszał się od słowa do słowa. Dodatkową trudność w przetwarzaniu związaną z metaforą można dostrzec w gęstości fiksacji na punkcie metafory. Fiksacje można pogrupować według obszarów zainteresowania (np. słów w metaforach), aby określić, ile czasu spędzono na każdym słowie i ile fiksacji dokonano na każdym słowie dla znanych i nieznanych metafor. Wyniki przedstawione na rysunku 3 pokazują, że więcej czasu poświęcono na przetwarzanie dwóch kluczowych słów treści w nieznanych metaforach niż w znanych metaforach.

Zalety rejestrowania ruchów gałek ocznych w przeciwieństwie do czasu czytania całego fragmentu lub czasu czytania zdanie po zdaniu można zobaczyć na rysunkach 2 i 3. Na przykład, istnieje pięć fiksacji na obszarze metafory (Rysunek 2), trzy fiksacje do przodu i dwie fiksacje regresywne, które odzwierciedlają czytelnika czytającego metaforę do "drzwi", a następnie wracającego (regresji) do "stopnia". W istocie, metafora została odczytana dwukrotnie. Wynik ten pozostałby niezauważony, gdyby mierzono tylko czas czytania zdań lub ogólny czas czytania. Jako drugi przykład, rysunek 3 pokazuje, że więcej czasu poświęcono na przeczytanie ostatniego słowa metafory niż pozostałych trzech słów w metaforze, a czas czytania był szybszy w przypadku znanych niż nieznanych metafor w przypadku trzech z czterech słów w metaforach. Mierzenie czasu czytania zdanie po zdaniu wskazałoby dłuższy czas czytania zdań zawierających znane metafory niż nieznane metafory, ale niemożliwe byłoby ustalenie, czy dodatkowy czas czytania był rozłożony na wszystkie słowa w metaforze, czy też ograniczał się do określonych słów, a ile czasu poświęcono na każde słowo, byłoby nieznane. Te dwa przykłady pokazują korzyści płynące z rejestrowania ciągłych zachowań związanych z czytaniem online.

Rysunek 1. Zdjęcie po lewej stronie przedstawia uczestnika ustawionego na czole/podbródku, patrząc na wyświetlacz komputera. Źródło światła podczerwonego i kamera wideo znajdują się pod wyświetlaczem. Na zdjęciu po prawej stronie widać wyświetlacz eksperymentatora. Duży obraz w górnej ramce pokazuje twarz uczestnika wokół prawego oka (oko jest śledzone), a mały obraz pokazuje zbliżenie prawego oka. Niebieskie obszary to obszary odbicia światła w wysokiej podczerwieni od włosów uczestnika (duży obraz) i źrenicy (mały obraz). Krzyż nitkowy nad okiem identyfikuje środek źrenicy i odbicie rogówki w pobliżu dolnej części źrenicy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większy obraz.

Rysunek 2. Ruchy gałek ocznych z przykładowego fragmentu zawierającego nieznaną metaforę (stopień to brama). Okręgi wskazują miejsca fiksacji, a żółte linie wskazują ścieżki sakkady. Większe kręgi reprezentują dłuższe fiksacje. Małe cyfry obok kółek wskazują czas fiksacji w milisekundach (ms). Przerwy (bez linii sakkady, np. między słowami many people) wskazują punkty, w których nastąpiła utrata ścieżki z powodu artefaktu, takiego jak osoby na chwilę zamykające oczy. Rysunek pokazuje regresję od drzwi do stopnia w metaforze.

Rysunek 3. Całkowity czas fiksacji (ms) na słowach w znanych i nieznanych metaforach. Słowa na osi poziomej odpowiadają przykładowej metaforze znajomej (F) i nieznajomej (U). Dane reprezentują średnią z 10 znanych i 10 nieznanych metafor.

Discussion

Postęp technologiczny doprowadził do dostępności bardzo dokładnych, niezawodnych i łatwych w użyciu systemów śledzenia ruchu gałek ocznych. W dziedzinie badań językowych monitorowanie ruchów gałek ocznych pozwala badaczom określić, w jaki sposób czytelnicy oceniają tekst. Wzorce fiksacji można wykorzystać do określenia, które części tekstu są najtrudniejsze do przetworzenia lub najłatwiejsze do przetworzenia, które części tekstu można zrozumieć za pomocą pojedynczej fiksacji, a które części wymagają wielu fiksacji lub regresji, a także sekwencja, w jakiej czytelnicy przetwarzają tekst. Łącznie pomiary te wspierają wnioski na temat procesów poznawczych związanych ze zrozumieniem tekstu.

Rozumienie opiera się na interakcji między informacjami zawartymi w tekście a umiejętnościami poznawczymi i wiedzą stosowaną przez czytelnika; W związku z tym pełne zrozumienie rozumienia tekstu można uzyskać tylko przy użyciu miary przetwarzania, która jest wrażliwa na właściwości tekstu i cechy czytelnika. Jak wspomniano wcześniej, ruchy gałek ocznych różnią się w zależności od cech językowych, takich jak częstotliwość występowania słów, długość słów i złożoność zdań^1,2,7,10,11 oraz cech czytelnika, takich jak umiejętność czytania i znajomość tematu^1,9. W związku z tym ruchy gałek ocznych stanowią idealną miarę rozumienia tekstu.

Ponieważ ruchy gałek ocznych różnią się w zależności od wielu cech językowych, precyzyjna kontrola bodźców jest niezbędna podczas badania procesów poznawczych związanych ze zrozumieniem tekstu. Badacze często wkładają tyle wysiłku, aby opracować kontrolowane bodźce, ile jest potrzebne do przeprowadzenia właściwego eksperymentu. Rzeczywiście, badania są tylko tak dobre, jak bodźce.

Metodologie śledzenia ruchu gałek ocznych mogą dostarczyć cennych danych dla każdej dziedziny badań, w której uczestnikom pokazuje się bodźce wzrokowe i wymaga się od nich oceny. Na przykład w dziedzinie reklamy można określić, które części reklamy wizualnej przyciągają największą uwagę, mierząc, na jakie części reklamy ludzie oglądają najczęściej5,8. W badaniach medycznych można określić, czy stażyści i doświadczeni lekarze oceniają obraz rentgenowski lub MRI w ten sam sposób, patrząc na ścieżkę skanowania ruchu gałek ocznych i ile czasu poświęca się na ocenę krytycznych struktur fizycznych¹⁵. W tych przykładach wzorzec ruchów gałek ocznych wskazuje, które części obrazu przyciągają uwagę osoby oglądającej obraz.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Eye Tracker	SR Research Sp. z o.o.	EyeLink 1000 Model
Oprogramowanie do kontroli eksperymentów	SR Research Ltd.	Eksperymentalne oprogramowanie do
oceny ruchu gałek ocznych	SR Research Ltd.	Przeglądarka