Contemplar en acción: montado en la cabeza Eye Tracking dinámico atención Visual de los niños durante la conducta naturalista

Summary

Los niños pequeños no pasivamente observar el mundo, pero algo activamente explorar y relacionarse con su entorno. Este protocolo proporciona principios y recomendaciones prácticas para el uso de trackers ojo montado en la cabeza para bebés y niños pequeños entornos visuales dinámicos y atención visual en el contexto del comportamiento natural.

Abstract

Entornos visuales de los niños son dinámicos, cambiando momento a momento como niños físicamente y visualmente descubrir espacios y objetos e interactúan con personas a su alrededor. Montado en la cabeza ojo seguimiento ofrece una oportunidad única para capturar dinámicas vistas egocéntricos de los niños y cómo ellos asignan atención visual en las vistas. Este protocolo proporciona principios y recomendaciones prácticas para los investigadores utilizando trackers montado en la cabeza ojo en laboratorio y ajustes más naturalistas. Montado en la cabeza ojo seguimiento complementa otros métodos experimentales por aumentar las oportunidades para la recolección de datos en contextos más ecológicamente válidos a través de mayor portabilidad y libertad de movimientos de cabeza y el cuerpo en comparación con el ojo basado en seguimiento. Este protocolo también puede integrarse con otras tecnologías, como seguimiento del movimiento y control, para proporcionar un conjunto de datos multimodal alta densidad para examinar el comportamiento natural, el aprendizaje y desarrollo que previamente posible del ritmo cardiaco. Este artículo ilustra los tipos de datos generados desde el ojo montado en la cabeza en un estudio diseñado para investigar la atención visual en un contexto natural para los niños: libre juego de juguete con sus padres. Uso acertado de este protocolo permitirá a los investigadores recolectar datos que pueden utilizarse para responder a preguntas no sólo acerca de atención visual, pero también sobre una amplia gama de otras habilidades perceptivas, cognitivas y sociales y su desarrollo.

Introduction

Las últimas décadas han visto el creciente interés en estudiar el desarrollo de la atención visual de bebés y niños pequeños. Este interés se ha debido en gran parte por el uso de mirar las mediciones del tiempo como una primaria significa evaluar otras funciones cognitivas en la infancia y se ha convertido en el estudio de la atención visual infantil en su propio derecho. Las investigaciones contemporáneas de la atención visual de bebés y niños pequeños medir principalmente movimientos de los ojos durante las tareas de seguimiento de ojos basado en pantallas. Niños se sientan en una silla o regazo de los padres frente a una pantalla mientras vigilan sus movimientos del ojo durante la presentación de eventos o imágenes estáticas. Tales tareas, sin embargo, incapaces de capturar la naturaleza dinámica de la atención visual natural y el medio por el cual se generan ambientes visuales de los niños - exploración activa.

Bebés y niños pequeños son seres activos, moviendo sus manos, cabezas, ojos y cuerpos para explorar los objetos, personas y espacios alrededor de ellos. Cada nuevo desarrollo en la morfología del cuerpo, habilidad de motor y el comportamiento - gatear, caminar, recoger objetos, con los interlocutores sociales - se acompaña de cambios concomitantes en el entorno visual temprano. Porque qué bebés determina lo que ven, y lo que ven sirve para lo que hacen en acción visualmente dirigida, estudio del natural desarrollo de la atención visual es mejor llevado a cabo en el contexto del comportamiento natural¹.

Montado en la cabeza ojo seguidores (ETs) han sido inventados y utilizado para adultos de décadas^2,3. Sólo recientemente los avances tecnológicos han montado en la cabeza la tecnología eye-tracking adecuado para bebés y niños pequeños. Los participantes están equipados con dos cámaras ligero en la cabeza, una cámara de la escena hacia fuera que capta la primera perspectiva de la persona del participante y una cámara de ojo hacia adentro que captura la imagen del ojo. Un procedimiento de calibración proporciona datos a un algoritmo que asigna como exactamente como sea posible las posiciones cambiantes de la pupila y el reflejo corneal (CR) en la imagen del ojo a los píxeles correspondientes en la imagen de la escena que estaban siendo atendidos visualmente. El objetivo de este método es capturar libremente ambas los naturales entornos visuales de los bebés y niños visual exploración activa de los ambientes como los bebés. Estos datos pueden ayudar a responder preguntas sobre la atención visual, pero también sobre una amplia gama de desarrollos perceptivo, cognitivo y social^4,5,6,7,8. El uso de estas técnicas ha transformado entendimientos de atención conjunta^7,8,9, atención sostenida¹⁰, cambio de experiencias visuales con la edad y desarrollo motor^{4 , 6 , 11}y el papel de experiencias visuales en la palabra aprendizaje¹². El presente trabajo proporciona principios y recomendaciones prácticas para llevar a cabo experimentos de eye-tracking montado en la cabeza con bebés y niños pequeños e ilustra los tipos de datos que pueden ser generados desde el ojo montado en la cabeza en una natural contexto para los niños: libre juego de juguete con sus padres.

Protocol

Este tutorial se basa en un procedimiento de recogida de datos de seguimiento de ojo montado en la cabeza con los niños aprobados por la Junta de revisión institucional en la Universidad de Indiana. Se obtuvo consentimiento informado de los padres antes de la participación de los niños pequeños en el experimento.

1. preparación para el estudio

1. Equipo de eye-Tracking. Seleccione uno de los varios montado en la cabeza ojo-sistemas de seguimiento que están comercialmente disponibles, uno comercializado específicamente para los niños o modificar el sistema para trabajar con una gorra de bebé por encargo, por ejemplo como se muestra en las figuras 1 y 2. Asegúrese de que el sistema de seguimiento de ojo tiene las características necesarias para los bebés o niños pequeños la prueba siguiendo estos pasos:
   1. Seleccione una cámara de escena que es ajustable en términos de posicionamiento y tiene un ángulo de ancho suficiente para capturar un campo visual apropiado para abordar las preguntas de investigación. Para capturar la mayor parte de la actividad del niño en un entorno de juego libre como el descrito aquí, seleccione una cámara que capta un campo de visión diagonal de al menos 100 grados.
   2. Seleccione una cámara de ojo que es ajustable en términos de posicionamiento y tiene un LED infrarrojo integrado en la cámara o adyacente a la cámara y colocado de tal manera que la córnea del ojo refleja esta luz. Tenga en cuenta que algunos modelos de eye-tracking han fijado posición, pero se recomiendan los modelos que permitir ajustes flexibles.
   3. Elegir un sistema de seguimiento de ojos que es tan discreto y ligero como sea posible proporcionar la mayor posibilidad de que niños tolerará llevar el equipo.
      1. Integrar el sistema en una tapa colocando las cámaras de la escena y el ojo a una correa de Velcro que se encuentra en el lado opuesto del Velcro cosida a la cap, y la colocación de las cámaras fuera del centro de la vista del niño.
         Nota: Los sistemas diseñados para ser similares a gafas no son óptimos. La morfología de la cara del niño es diferente a la de un adulto y piezas que se colocan en la nariz o las orejas del niño se puede distraer e incómodos para los participantes.
      2. Si el ET está conectado a un ordenador, agrupe los cables y guardar las espaldas de los participantes para evitar la distracción o que se enrede. Como alternativa, utilizar un sistema autónomo que almacena los datos en un dispositivo intermedio, como un teléfono móvil, que puede ser colocado en el niño, que permite una mayor movilidad.
   4. Seleccione un paquete de software de calibración que permite la calibración fuera de línea.
2. Entorno de grabación.
   1. Considerar el grado al que el niño se moverá a través del espacio durante la recolección de datos. Si es preferible una sola posición, mención al cuidador del niño por lo que pueden ayudar al niño a permanecer en el lugar deseado. Eliminar todos los posibles elementos interactivos del espacio de la excepción de aquellos que el niño debe interactuar, que debe estar al alcance.
   2. Emplear una cámara de tercera persona para ayudar en la posterior codificación del comportamiento de los niños, así como identificar los momentos cuando el ET puede ser desplazado. Si el niño se mueve a través del espacio, considerar cámaras adicionales también.

2. recoger los datos de Eye-Tracking.

1. Personal y la actividad. Tienen dos experimentadores presentes, uno para interactuar con y para ocupar el niño y uno para colocar y posicionar el ET.
   1. Acople totalmente al niño en una actividad que ocupa las manos del niño para que el niño no alcanzan a mover ni agarrar el ET, mientras que se ha puesto en su cabeza. Considerar los juguetes que fomenten acciones manuales y libros que el niño puede sostener mientras el experimentador o el padre Lee al niño.
2. Colocar el ET en el niño. Porque varía la tolerancia de los niños pequeños de usar el ET montado en la cabeza, siga estas recomendaciones para promover el éxito en la colocación y el mantenimiento de la ET en el niño:
   1. En el tiempo al estudio, pedir los cuidadores tener su desgaste del niño una gorra o gorro, similar a lo que se utiliza con el ET, en casa para conseguir acostumbrado a tener algo en la cabeza.
   2. En el estudio, con diferentes tipos de casquillos disponibles al que el ET puede ser unido. Personalizar gorras comprar diferentes tamaños y estilos de tapas, como una gorra que puede ser usada al revés o un gorro con orejas de animales, y añadiendo a los que puede sujetarse el sistema de seguimiento de ojo, con el lado opuesto del Velcro, Velcro. También considerar tener sombreros para ser usados por el cuidador y experimentadores, para fomentar el interés y voluntad de llevar también un gorro del niño.
      1. Antes de poner la tapa en el niño, tener un experimentador desensibilizar al niño a toques en la cabeza, presionando ligeramente el pelo varias veces cuando la atención y el interés de la niña se dirige a un juguete.
   3. Para colocar el ET en el niño, ser detrás o al lado del niño (ver figura 2A). Lugar el ET en el niño cuando sus manos están ocupadas, como cuando el niño está sosteniendo un juguete en cada mano.
      1. Si el niño mira hacia el experimentador coloca el ET, saludarnos y dejar que el niño sepa qué se está haciendo al proceder a poner rápidamente el ET en la cabeza del niño. Evite mover muy lentamente colocando el ET, que puede causar angustia infantil y puede llevar a colocación pobre como el niño tiene mayor oportunidad de mover su cabeza o llegar a la ET.
      2. Para reducir tiempo empleado en ajustar la cámara después de la colocación, antes de colocar el ET en el participante, configurar las cámaras para estar en su posición esperada cuando sobre la cabeza del niño (véanse las secciones 2.3.1 y 2.3.2).
3. Del ET escena y cámaras ojo. Una vez que el ET está en la cabeza del niño, realizar ajustes en la posición de las cámaras de la escena y el ojo mientras monitorea feeds de vídeo de estas cámaras:
   1. Posición aproximada de la cámara de la escena baja la frente mejor campo visual del niño (ver figura 1B); Centro de la vista de cámara de la escena en que el niño a ver durante el estudio.
      1. Tenga en cuenta que las manos y los objetos de lugar siempre estar muy cerca del niño y a una baja en la vista de cámara de la escena, mientras que más objetos en el fondo y más arriba en la vista de cámara de la escena. Posición de la cámara de la escena que mejor captura el tipo de vista más relevante a la pregunta de investigación.
      2. Prueba de la posición de la cámara de la escena atrayendo la atención del niño a lugares específicos en su campo de visión mediante el uso de un puntero láser o juguete pequeño. Asegurar que estos lugares son en el esperado distancia de la visión de las regiones que serán de interés durante el estudio (ver figura 3).
      3. Evitar la inclinación por comprobar que las superficies horizontales aparecen en la vista de cámara de la escena. La orientación vertical de la cámara de la escena para mitigar la posibilidad de la cámara que inadvertidamente invertida durante el reposicionamiento de la marca, pero tenga en cuenta que pasos adicionales durante el procesamiento posterior pueden volver las imágenes a la orientación correcta si es necesario.
   2. Para obtener datos de alta calidad de la mirada, posición de la cámara de ojo para detectar la pupila y el reflejo corneal (CR) (ver figura 2).
      1. Posicione la cámara de ojo de modo que esté centrado en la pupila del niño, con la no obstrucción de las mejillas o las pestañas a lo largo de la gama completa del ojo del movimiento (ver figura 2F C para ejemplos de imágenes de ojos buenos y malos). Para ayudar con esto, posicione la cámara del ojo debajo del ojo, cerca de la mejilla, apuntando hacia arriba, mantenga la cámara fuera del centro de la vista del niño. Alternativamente, coloque la cámara ojo abajo y al lado externo del ojo, apuntando hacia dentro.
      2. Asegúrese de que la cámara está lo suficientemente cerca para el ojo que su movimiento produce un desplazamiento relativamente grande de la pupila en la imagen de la cámara de ojo.
      3. Evitar la inclinación asegurándose de que las esquinas del ojo en la imagen del ojo pueden formar una línea horizontal (ver figura 2C).
      4. Asegurar que el contraste de la pupila y el iris es relativamente alto para que el alumno puede distinguirse con precisión de iris (ver figura 2C). Para ayudar con esto, ajuste la posición de la luz del LED (si al lado de la cámara del ojo) o la distancia de la cámara del ojo del ojo (si el LED no es independientemente ajustable). Para la detección de aumento de la pupila, coloque la luz en un ángulo y no directamente en el ojo. Asegúrese de que cualquier ajuste a la luz de LED todavía produce una clara CR (ver figura 2C).
4. Obtener puntos durante el estudio para la calibración fuera de línea.
   1. Una vez que las imágenes de la escena y el ojo como de alta calidad como pueden ser, datos de calibración recoger dibujando la atención del niño a diferentes lugares en su campo de visión.
      1. Obtener puntos de calibración en diferentes superficies con algo que claramente dirija la atención del niño a un punto pequeño, claro en su campo de visión (ver figura 3). Por ejemplo, utilizar un puntero láser contra un fondo sólido o una superficie con pequeñas luces de LED de activado independientemente.
      2. Limitar la presencia de otros objetivos interesantes en la vista del niño para asegurarse de que el niño mira los objetivos de calibración.
   2. Alterna entre llamar la atención sobre diferentes lugares que requieren de grandes desplazamientos angulares del ojo.
      1. Cubre igualmente el campo de visión y no se mueven demasiado rápido entre puntos, que ayudarán en la búsqueda de movimientos sacádicos claras del niño durante la calibración fuera de línea para ayudar a deducir cuando miraron a la siguiente ubicación.
      2. Si el niño no se ve inmediatamente a la nueva ubicación resaltada, obtener su atención a la ubicación mueve el láser, encender/apagar los LEDs o tocar la ubicación con un dedo.
      3. Si es posible, obtener más puntos de calibración que sea necesario en caso de que algunos resultan para ser inutilizable más adelante.
   3. Asegúrese de que la posición del cuerpo del niño durante la calibración coincide con la posición que se utilizarán durante el estudio.
      1. Por ejemplo, no recoger los puntos de calibración cuando el niño está sentado si se espera que el niño va estar más tarde.
      2. Asegurar que la distancia entre el niño y los objetivos de calibración es similar a la distancia entre el niño y las regiones que serán de interés durante el estudio.
      3. No coloque puntos de calibración muy cerca del cuerpo del niño si, durante el experimento, el niño principalmente a ver objetos que están más lejos. Si uno está interesado en los objetos de cercano y de lejos, considere obtener dos juegos diferentes de puntos de calibración que puede utilizarse más adelante para crear calibraciones únicas para cada distancia de la visión (ver sección 3.1 para más información).
         Nota: Binocular eye tracking es un desarrollo tecnología^13,14 que promete avances en el seguimiento de la mirada en profundidad.
   4. Para dar cabida a la deriva o movimiento de la ET durante el estudio, recoger los puntos de calibración al principio y al final del estudio como mínimo. Si es posible, recoger los puntos de calibración adicionales a intervalos regulares durante el período de sesiones.
5. Supervisar las alimentaciones Video ET y tercera persona durante el estudio.
   1. Si el ET llega retrasada o mal alineada debido a otros movimientos o acciones, tomar nota de cuando en el estudio que esto sucedió porque puede ser necesario volver a calibrar y programar las porciones del estudio antes y después del golpe/desalineamiento por separado (ver sección 3.1.1).
   2. Si es posible, interrumpir el estudio después de cada golpe/desalineamiento para volver a colocar las cámaras de la escena y el ojo (ver sección 2.3), a continuación, obtener nuevos puntos de calibración (véase sección 2.4).

3. después del estudio, calibrar los datos y utilizando el Software de calibración.

Nota: Una variedad de paquetes de software de calibración están comercialmente disponibles.

1. Considere la creación de múltiples calibraciones. Personalizar los puntos de calibración a diferentes segmentos de video para maximizar la exactitud de la pista de la mirada no se alimenta los datos incorrectamente Lencería desconjunta algoritmo.
   1. Si la ET cambia la posición en cualquier momento durante el estudio, crear distintas calibraciones para las porciones antes y después del cambio en posición de ET.
   2. Si está interesado en la atención a los objetos a distancias muy diferentes de la visión, crear calibraciones independientes para las partes del video donde el niño está tratando de objetos en cada distancia de la visión. Ten en cuenta que las diferencias en la distancia de visión puede crearse por cambios en la atención visual del niño entre muy cerca y varían los objetos lejanos, pero también por cambios en la posición del cuerpo del niño en relación con un objeto, como pasar de sentado a de pie.
2. Realizar la calibración a cada uno. Establecer la correspondencia entre la escena y el ojo creando una serie de puntos de calibración - puntos en la imagen de la escena a la que la mirada del niño fue dirigida claramente durante ese tiempo. Nota que el software de calibración puede extrapolar e interpolar el punto de mirada (POG) en todos los marcos de un conjunto de puntos de calibración uniformemente dispersadas a través de la imagen de la escena.
   1. Ayudar al software de calibración en la detección de la pupila y CR en cada fotograma de la cámara de ojo video para asegurar que el POG identificado es confiable. En casos donde el software no puede detectar el CR fiable y consistente, utilice el alumno único (nota, sin embargo, que calidad de los datos sufrirán como resultado).
      1. Obtener una imagen de buen ojo en los marcos de la cámara de ojo ajustando los umbrales de la calibración de diversos parámetros de detección de software, que pueden incluir: el brillo de la imagen del ojo, el tamaño de la pupila el software espera, y un rectángulo de selección que establece el límites de donde se verá el software para el alumno. Dibujar el rectángulo de tan pequeño como sea posible garantizando al mismo tiempo que el alumno permanece dentro de la caja a lo largo de la gama completa del ojo del movimiento. Tenga en cuenta que una caja más grande que abarca el espacio que el alumno nunca ocupa aumenta la probabilidad de detección falsa de la pupila y puede causar pequeños movimientos de la pupila para ser detectado con menos precisión.
      2. Ten en cuenta que incluso después de ajustar varios umbrales de detección de software, el software puede algunas veces incorrectamente ubicar la pupila o CR; por ejemplo, si las pestañas cubren la pupila.
   2. Encontrar los puntos de calibración buena basados la escena y el ojo cámara. Tenga en cuenta que los mejores puntos de calibración para el software son aquellos en que la pupila y el CR se puede detectar con precisión, el ojo estable es fijado en un punto claramente identificable en el espacio de la imagen de la escena, y los puntos están dispersos uniformemente en toda la gama de la imagen de la escena.
      1. Asegúrese que la detección de la pupila precisa para cada fotograma en el que se traza un punto de calibración, quede válido x-y escena coordenadas y coordenadas de estudiante válido x-y se alimentan en el algoritmo.
      2. Durante el primer paso en la calibración, identificar los puntos de calibración en momentos cuando el niño está mirando claramente hacia un punto distinto de la imagen de la escena. Tenga en cuenta que estos pueden ser creados intencionalmente por el experimentador durante la recogida de datos, por ejemplo con un puntero láser de puntos (ver figura 3A-B), o pueden ser puntos de estudio en el que el POG es fácilmente identificable (ver la Figura 3C), siempre y cuando la pupila se detecta con precisión los marcos.
      3. Para encontrar momentos de mirada más extrema x-y escena coordenadas de imagen, escanear a través de los marcos de la cámara de ojo encontrar momentos con la detección exacta de la pupila al ojo del niño es en su más extrema posición x-y.
   3. Hacer varias "pasadas" por cada calibración forma iterativa perfeccionar en la calibración más precisa posible. Tenga en cuenta que después de completar un primer "paso" en la calibración, muchos programas de software permitirá la eliminación de puntos utilizado anteriormente sin perder la pista actual (por ejemplo, punto de mira). Seleccionar un nuevo conjunto de puntos de calibración para entrenar el algoritmo desde cero pero con la ayuda adicional de la pista POG generada por el paso de la calibración anterior, que le permitirán poco a poco aumentar la precisión de la calibración por progresivamente "limpiar" cualquier ruido o errores introducidos por los pasos anteriores.
3. Evaluar la calidad de calibración, observando cómo el POG corresponde a lugares conocidos de la mirada, como los puntos producidos por un puntero láser durante la calibración y refleja la dirección y la magnitud de los movimientos sacádicos del niño. Evitar el uso de puntos para evaluar la calidad de calibración que también fueron usados como puntos durante el proceso de calibración.
   1. Recordad que porque cabezas y ojos de los niños por lo general están alineados, la atención visual de los niños más a menudo se dirige hacia el centro de la imagen de la escena y una pista exacta reflejará esto. Para evaluar el enfoque de la pista, trazar las coordenadas POG fotograma por fotograma x-y en la imagen de la escena generada por la calibración (ver figura 4). Confirmar que los puntos son más densos en el centro de la imagen de la escena y distribuidos simétricamente, excepto en casos donde la cámara de la escena no se centraba en el centro de campo de visión del niño cuando originalmente colocado.
   2. Tenga en cuenta que algunos software de calibración generará resultados ajuste lineales o homography que reflejan exactitud de calibración. Tenga en cuenta que estas puntuaciones son útiles hasta cierto punto ya que, si son pobres, la pista también será pobre. Sin embargo, utilizar puntuaciones de ajuste como la medida de exactitud de calibración primaria ya que reflejan el grado en que los puntos de calibración elegido de acuerdo con ellos mismos, que no facilita ninguna información sobre el ajuste de los puntos para la ubicación de la verdad de tierra de la POG.
   3. Recuerde que hay momentos en el estudio que el objetivo de la mirada es fácilmente identificable y por lo tanto puede ser utilizado como verdad de la tierra. Calcular precisión en grados de ángulo visual midiendo el error entre objetivos conocer la mirada y el punto de mira POG (error en píxeles de la imagen de vídeo se puede aproximadamente convertir a grados basados en las características de la lente de la cámara de la escena)⁴.

4. código de regiones de interés (ROIs).

Nota: Código de retorno de la inversión es la evaluación de los datos POG para determinar qué región un niño asiste visualmente a durante un momento particular. Retorno de la inversión puede codificarse con alta exactitud y alta resolución de los datos POG fotograma por fotograma. La salida de esta codificación es una secuencia de puntos de datos - un punto por fotograma de vídeo - que indican la región de POG con el tiempo (ver figura 5A).

1. Antes de comenzar la codificación del ROI, compilar una lista de los ROIs que debe codificarse basados en las preguntas de investigación. Tenga en cuenta que ROIs que no son necesarios para responder a la investigación de codificación preguntas hace codificación innecesariamente largo.
2. Principios de codificación de ROI.
   1. Recuerde que la codificación exitosa requiere renunciar a hipótesis del codificador sobre donde el niño debe buscar y en cambio examinar cada fotograma imagen ojo, imagen de la escena y POG computada. Por ejemplo, si un objeto está detenido por el niño y es muy grande la imagen de la escena para una estructura particular, deducir no que el niño está mirando ese objeto en ese momento indique también por la posición de los ojos. Tenga en cuenta que ROIs indican qué región niño es foveating, pero no captura información visual el niño está tomando en.
   2. Utilizar la imagen de ojo, la imagen de la escena, y pista POG para determinar que ROI es ser atendido visualmente.
      1. Utilizar la pista POG como una guía, no como tierra verdad. Aunque idealmente la pista POG indicará claramente la localización exacta mirada sobre el niño para cada fotograma, ten en cuenta que esto no siempre será el caso debido a la 2 dimensiones (2D) de la imagen de la escena relativa a la naturaleza 3D del mundo real visto por el niño d y variación en la precisión de la calibración entre los participantes.
         1. Recordar que la pista POG computada es una estimación basada en un algoritmo de calibración y que fiabilidad de la pista POG para una estructura particular depende de qué tan bien se detectaron la pupila y el CR; Si uno o ambos no son detectados o son incorrectos, la pista POG no ser confiable.
            Nota: En ocasiones, el punto de mira será constantemente fuera de objetivo por una distancia fija. Software más reciente puede permitir un cómputo correcto para esta discrepancia. De lo contrario, un investigador entrenado puede hacer la corrección manualmente.
      2. Uso de movimiento de la pupila en la imagen del ojo como la clave primaria que el ROI puede haber cambiado.
         1. Desplazarse por los marcos uno por uno viendo la imagen del ojo. Cuando se produce un movimiento visible del ojo, verifique si el niño está cambiando su POG un ROI nuevas o no definida ROI.
         2. Tenga en cuenta que no todos los movimientos de ojo indican un cambio en el retorno de la inversión. Si el retorno de la inversión constituye una extensa región del espacio (por ejemplo, un objeto de cerca), tener en cuenta ese ojo pequeño movimiento puede reflejar una mirada a una nueva ubicación dentro del mismo ROI. Del mismo modo, recuerde que los movimientos oculares pueden ocurrir como el niño las pistas un ROI de movimiento único o como un niño que se está moviendo su cabeza mueve también sus ojos para mantener la mirada en el mismo ROI.
         3. Tenga en cuenta que con algunas ETs la imagen del ojo es una imagen espejo del ojo del niño, en cuyo caso si el ojo se mueve hacia la izquierda que debe corresponder a un cambio a la derecha en la escena.
   3. Debido a que la pista POG sirve sólo como guía, hacer uso de la información contextual disponible también para guiar las decisiones de la codificación.
      1. Integrar información de diferentes fuentes o marcos cuando codificación ROI. A pesar de que el ROI se codifica por separado para cada fotograma, utilizar marcos de antes y después del fotograma actual para obtener información contextual que puede ayudar a determinar el correcto retorno de la inversión. Por ejemplo, si la pista POG está ausente o incorrecta para una estructura dada debido a la detección de alumnos pobres, pero el ojo no se mueve basado en los cuadros anteriores y posterior en el que el alumno se detectó con precisión, entonces ignorar la pista POG para que enmarcan y código ba ROI sed en los fotogramas circundantes.
      2. Decisiones otras específicas a las preguntas de investigación de los usuarios.
         1. Por ejemplo, hacer un protocolo para su código ROI cuando dos ROIs están cerca uno al otro, en cuyo caso puede ser difícil determinar cuál es el ROI "correcto". En casos donde el niño parece ser fijación en el cruce de las dos ROIs, decidir si código ambos ROIs simultáneamente o si va a formular un conjunto de reglas de decisión de cómo seleccionar y asignar sólo una de las categorías de retorno de la inversión.
         2. Como ejemplo adicional, cuando un objeto de interés es tal que una mano ocluye el objeto, decidir el POG el código como un ROI para la mano o un ROI para el objeto sostenido.
3. Código de retorno de la inversión para la confiabilidad de. Implementar un procedimiento de codificación después de haber completado el retorno de la inversión inicial protocolo de codificación de fiabilidad. Existen muchos tipos diferentes de procedimientos de codificación de fiabilidad; elegir el procedimiento más pertinente basado en las preguntas de investigación específicas.

Representative Results

El método discutido aquí fue aplicado a un contexto de juego libre Juguetes entre los niños y sus padres. El estudio fue diseñado para investigar la natural atención visual en un ambiente desordenado. Díadas mandaron a jugar libremente con un conjunto de 24 juguetes durante seis minutos. Atención visual de los niños pequeños se midió por el inicio de la codificación y desplazamiento de miradas específica a las regiones de interés (ROIs), cada uno de los 24 juguetes y cara de los padres--y mediante el análisis de la duración y la proporción de aspecto de tiempo a cada retorno de la inversión. Los resultados se visualizan en la figura 5.

Figura 5 A muestra flujos de retorno de la inversión muestra para dos niños de 18 meses de edad. Cada bloque de color en los arroyos representa cuadros continuos en el cual el niño vieron un determinado retorno de la inversión. Los mirada datos obtenidos demuestran una serie de propiedades interesantes de la atención visual natural.

En primer lugar, los niños muestran diferencias individuales en su selectividad para diferentes subconjuntos de juguetes. Figura 5 B muestra la proporción de la interacción de 6 minutos que cada niño pasó mirando a cada uno de los 10 seleccionados juguete ROIs. Aunque la proporción total del tiempo infantil 1 y 2 de niño pasó mirando juguetes (incluyendo todo juguete 24 ROIs) fue algo similar, 0.76 y 0.87, respectivamente, proporciones de tiempo gastado en juguetes individuales variaron grandemente, tanto dentro como entre los sujetos.

Cómo estas proporciones de aspecto tiempo lograron también difieren en los niños. Figura 5 C muestra la duración promedio de cada niño de miradas a cada uno de los 10 seleccionados juguete ROIs. La duración promedio de ve a todos 24 ROIs del juguete para niño 2 (M = 2,38 s, SD = 2.20 s) fue casi dos veces tan larga como la del niño 1 (M = 1,20 s, SD = 0.78 s). Comparar los patrones buscando el sonajero mariquita rojo (barras de color púrpura) en la figura 5B, C ilustra por qué medidas busca múltiples, tales como proporciones y duración de la mirada, la computación es importante para una comprensión completa de los datos; la misma proporción de mirar a este juguete fue alcanzada a estos niños a través de diferentes números de miradas de diferentes duraciones.

Otra propiedad que demuestran estos datos es que ambos niños rara vez miraban a la cara de sus padres: las proporciones de la cara en busca de niño 1 y 2 de niño fueron.015 y.003, respectivamente. Además, la duración de parece estos niños cara de sus padres eran cortos, en promedio 0.79 s (SD = 0.39 s) y 0.40 s (SD = 0,04 s) para niños 1 y 2 de niño, respectivamente.

Figura 1 . Montado en la cabeza ojo seguimiento empleado en tres contextos diferentes: (A) juego de mesa juguete, juego de juguete (B) en el suelo y (C) leyendo un libro de imágenes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2 . Establecer el sistema de seguimiento de ojo montado en la cabeza. (A) un investigador posicionamiento un perseguidor del ojo en un niño. (B) un perseguidor del ojo situado sobre un niño. (C) buena imagen del ojo con grandes alumno centrado y claro reflejo corneal (CR). (D, E, F) Ejemplos de imágenes de mal de ojo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3 . Tres maneras diferentes de obtener los puntos de calibración. Se muestran dos vistas de cada momento; arriba: vista en tercera persona, parte inferior: vista en primera persona del niño. Las flechas en la vista en tercera persona ilustran la dirección de un rayo láser. Insertar widgets en la parte superior derecha de mostrar de la vista de los niños imágenes de buen ojo en cada momento utilizado para la calibración y Rosa Cruz indican punto de mirada basada en la calibración completa. Punto de calibración (A) generado por un experimentador con un dedo y puntero láser para dirigir la atención hacia un objeto en el piso. (B) punto de calibración generado por un experimentador utilizando un puntero láser para dirigir la atención hacia puntos sobre una superficie. (C) punto de calibración durante el juguete juega con sus padres en el que la atención del niño se dirige a un objeto sostenido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4 . Parcelas en el ejemplo se utiliza para evaluar la calidad de la calibración. Puntos que representan por fotograma x y punto de mirada (POG) coordenadas de la imagen de cámara de la escena, según lo determinado por el algoritmo de calibración. (A) calidad buena calibración para un experimento de juguete-juego de niños, indica densidad aproximadamente circular de POG centrada y baja (niño POG típicamente se dirige ligeramente hacia abajo al mirar los juguetes el niño sostiene) y más o menos uniformemente POG distribuido en la imagen escena restante. (B) calidad de calibración pobre, indicada por densidad inclinada y alargada de POG que fuera centrado en el y POG mal distribuido en la imagen escena restante. (C) calidad de calibración pobre o pobre posicionamiento inicial de la cámara de la escena, indicada off centrado en el POG. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5 . De dos niños mirada datos y estadísticas. (A) muestra ROI corrientes para niño 1 y 2 de niño durante 60 s de la interacción. Cada bloque de color en los arroyos representa cuadros continuos en el que los niños vieron un ROI para un juguete específico o la cara de los padres. Espacio en blanco representa cuadros en los que el niño no veía en cualquiera de los ROIs. (B) proporción de tiempo mirando cara y juguete 10 ROIs, el padre de ambos niños. Proporción se calculó sumando las duraciones de todas las miradas a cada ROI, y dividiendo la duración sumada por el tiempo total de sesión de 6 minutos. (C) significa duración de ve a la cara y diez juguete ROIs, el padre de ambos niños. Duración media se calcula con un promedio de las duraciones de miradas individuales a cada retorno de la inversión durante la interacción de 6 minutos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

Este protocolo proporciona principios y recomendaciones prácticas para la implementación de montado en la cabeza ojo sigue con los bebés y niños pequeños. Este protocolo se basa en el estudio de comportamientos de niño natural en el contexto de juego libre de los padres-niño con juguetes en un entorno de laboratorio. Software y equipos de eye-tracking internos fueron utilizados para la calibración y codificación de datos. Sin embargo, este protocolo pretende ser generalmente aplicables a los investigadores usando una variedad de sistemas de seguimiento de ojo montado en la cabeza estudiar una variedad de temas de desarrollo infantil. Aunque un uso óptimo de este protocolo incluirá estudio específico adaptación, la adopción de estas prácticas general han llevado a uso acertado de este protocolo en una variedad de contextos (ver figura 1), incluyendo el ojo montado en la cabeza simultánea de seguimiento de padres y niños pequeños^7,8,9,10y montado en la cabeza ojo seguimiento de poblaciones clínicas incluyendo niños con implantes cocleares¹⁵ y niños diagnosticados con espectro autista trastornos de^16,17.

Este protocolo proporciona numerosas ventajas para investigar el desarrollo de una variedad de comportamientos y competencias naturales. La libertad de movimiento de cabeza y el cuerpo que cabeza-montado ETs permiten da la oportunidad de capturar generado entornos visuales de los participantes y sus exploraciones activas de los ambientes. La portabilidad de ETs montado en la cabeza aumenta la capacidad de los investigadores para recolectar datos en contextos más ecológicamente válidos. Debido a estas ventajas, este método proporciona una alternativa a la pantalla mirando tiempo y métodos de seguimiento de ojo para estudiar el desarrollo en dominios tales como la atención visual, atención social e integración perceptual-motor y complementa y de vez en cuando problemas los investigadores inferencias pueden dibujar utilizando métodos experimentales más tradicionales. Por ejemplo, el protocolo descrito aquí aumenta la oportunidad para que los participantes exhiben diferencias individuales en buscar comportamiento, porque los participantes tienen control no solamente sobre dónde y por cuánto tiempo centran su atención visual en una escena, como en ojo basado en pantallas de seguimiento, sino también sobre la composición de las escenas a través de sus ojos, cabeza y movimientos corporales y manipulación física de los elementos en el medio ambiente. Datos de los dos participantes presentados aquí demuestran diferencias individuales en cuánto los niños miran y lo niños pequeños objetos de la muestra cuando son capaces de crear y explorar su entorno visual activamente. Además, los datos presentados aquí, así como otras investigaciones empleando este protocolo, sugieren que en el juego de naturalistas de juguete con sus padres, los niños mira a la cara de sus padres mucho menos sugerido por investigaciones anteriores^{4,5 ,7,8,9,10}.

A pesar de estos beneficios, montado en la cabeza ojo sigue con los bebés y niños pequeños plantea una serie de retos metodológicos. El desafío más crítico es la obtención de una buena calibración. Porque la imagen de la escena es sólo una representación 2D del mundo 3D que realmente era, una correlación perfecta entre la posición del ojo y mirar escena ubicación es imposible. Siguiendo los lineamientos de este protocolo, la asignación puede ser confiablemente cerca de la "verdad terrestre", sin embargo especial atención debe prestarse a varias cuestiones. En primer lugar, la libertad de movimiento de cabeza y el cuerpo permitido por ojo montado en la cabeza significa que los participantes se bump a menudo el sistema de eye-tracking de seguimiento también. Este es un problema porque cualquier cambio en la posición física del ojo en relación con las cámaras del ojo o la escena va a cambiar la asignación entre alumno/CR y los píxeles correspondientes en la imagen de la escena. Realización de calibraciones independientes para estas porciones del estudio por lo tanto es crítica, ya que si no lo hace un algoritmo que sólo la mirada del niño con precisión para una porción del estudio, si sólo durante una parte sirven para calibrar. En segundo lugar, precisa detección de la pupila y CR son críticos. Si se traza un punto de calibración de la imagen de la escena mientras el alumno es detectado incorrectamente o no detectado, entonces el algoritmo o bien aprende a asociar esta calibración x-coordenada de la imagen de la escena con una pupila incorrecta x-coordenada, o la algoritmo está siendo alimentado de datos en blanco en el caso donde el alumno no se detecta en todo. Así, si no se logra buena detección de un segmento de estudio, calidad de calibración para estos marcos será pobre y no debe confiar en para la codificación de POG. En tercer lugar, porque normalmente se alinean cabezas y ojos de los niños, atención visual más a menudo se dirige hacia el centro de la imagen de la escena. Sin embargo, extrema x-y los puntos de calibración de la imagen de la escena también son necesarios para establecer una pista exacta mirada a través de la imagen de la escena entera. Así, aunque los puntos de calibración deben elegirse normalmente en momentos cuando el ojo es estable en un objeto, esto no es posible para los puntos de calibración en los rincones de la imagen de la escena. Por último, tenga en cuenta que incluso cuando se obtiene una imagen de buen ojo y calibra el sistema, esto no garantiza que los datos sean de calidad suficiente para los análisis previstos. Diferencias en factores individuales tales como la fisiología del ojo, así como factores ambientales como la iluminación y las diferencias en ojo-seguimiento hardware y software pueden todos influir en la calidad de los datos y tienen el potencial de crear compensaciones o inexactitudes en los datos. ^{18 , 19} proporcionan más información y las posibles soluciones para estos problemas (véase también Franchak 2017²⁰).

Trabajar con bebés y niños pequeños también implica el reto de garantizar la tolerancia de la ET montado en la cabeza durante toda la sesión. Utilizando las recomendaciones incluidas en este protocolo, diseñado para usarse con niños desde aproximadamente 9-24 meses de edad, un laboratorio puede obtener datos montado en la cabeza de eye-tracking de alta calidad de aproximadamente el 70% de los participantes²⁰. El 30% de los participantes o bien no puede empezar el estudio debido a la intolerancia de los ojos o alboroto en el estudio antes de datos suficientes (por ejemplo, > 3-5 minutos de juego) con buen ojo se puede obtener la pista. El éxito 70% de los participantes de bebés y niños pequeños, estas sesiones típicamente último para más de 10 minutos, sin embargo mucho las sesiones largas pueden ser factible con las tecnologías actuales, según la edad del participante y la naturaleza de la tarea en la que el participante se dedica. Al diseñar la tarea de investigación y medio ambiente, los investigadores deben tener en cuenta el estado del desarrollo de los participantes, como capacidad de motor, capacidad cognitiva y desarrollo social como sentido de la seguridad alrededor de extranjeros, toda influencia los participantes de atención y capacidad para realizar la tarea prevista. Emplear este protocolo con niños mucho menores de 9 meses también implicará desafíos prácticos adicionales como apuntalar los bebés que no pueden todavía sentarse en sus propios, así como examen de ojo morfología y fisiología, como disparidad binocular, que difieren de la de más viejos niños y adultos^19,21. Por otra parte, este protocolo es más exitosa cuando lleva a cabo por experimentadores entrenados experimentados, que pueden limitar la gama de entornos en los que se pueden recoger datos. Los experimentadores de práctica más tienen, más probable será capaces de realizar el experimento sin problemas y recopilar datos de seguimiento ocular de alta calidad.

Montado en la cabeza ojo de seguimiento también puede plantear el desafío adicional de codificación de datos tiempo relativamente más. Esto es porque, con el fin de encontrar ROIs, montado en la cabeza datos de seguimiento de ojo es mejor cifrados cuadro por cuadro que por "fijaciones" de la atención visual. Es decir, fijaciones se identifican por lo general cuando la tasa de cambio en las coordenadas POG fotograma por fotograma x-y es baja, como una indicación de que los ojos son estables en un punto. Sin embargo, porque la vista de la escena de un perseguidor del ojo montado en la cabeza se mueve con la cabeza del participante y movimientos del cuerpo, posición del ojo puede solamente exactamente asignarse a una localización física que enfoque teniendo en cuenta cómo están moviendo los ojos en relación con la cabeza y movimientos del cuerpo. Por ejemplo, si un participante mueve su cabeza y los ojos juntos, en lugar de los ojos, las coordenadas x-y POG dentro de la escena pueden permanecer sin cambiar aunque un participante analiza una habitación o seguimiento de un objeto en movimiento. Así, "fijaciones" de la atención visual no pueden ser fácilmente y con precisión determinados de sólo los datos POG. Para más información sobre cuestiones relacionadas con la identificación de fijaciones en montado en la cabeza ojo datos de seguimiento, consulte otros^15,de trabajo²². Manualmente la codificación datos cuadro por cuadro para ROI puede requerir tiempo extra comparado con fijaciones de codificación. Como referencia, que tomó a programadores altamente capacitados entre 5 y 10 minutos manualmente código de retorno de la inversión de cada minuto de los datos presentados aquí, que fue recogida a 30 fotogramas por segundo. El tiempo necesario para la codificación es muy variable y depende de la calidad del ojo rastreo de datos; el tamaño, número y discriminabilidad visual de los objetivos de retorno de la inversión; la experiencia del codificador; y utiliza la herramienta de anotación.

A pesar de estos desafíos, este protocolo puede ser flexiblemente adaptado a una gama de entornos controlados y naturalistas. Este protocolo también puede integrarse con otras tecnologías, como seguimiento del movimiento y control, para proporcionar un conjunto de datos multimodal alta densidad para examinar el comportamiento natural, el aprendizaje y desarrollo que previamente posible del ritmo cardiaco. Continuos avances en la tecnología de eye-tracking montado en la cabeza sin duda aliviar muchos desafíos actuales y prever las fronteras aún más los tipos de preguntas de investigación que pueden tratarse con este método.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Head-mounted eye tracker	Pupil Labs	World Camera and Eye Camera