Skue i aktion: hovedmonteret Eye Tracking af børns dynamiske visuelle opmærksomhed under naturalistiske adfærd

Summary

Unge børn ikke passivt iagttage verden, men snarere aktivt udforske og engagere sig i deres miljø. Denne protokol giver vejledende principper og praktiske anbefalinger for brug af hoved-monteret øje bane optage spædbørn og småbørn dynamiske visuelle miljøer og visuel opmærksomhed i forbindelse med naturlig adfærd.

Abstract

Unge børns visuelle miljøer er dynamiske, ændre øjeblik for øjeblik som børn fysisk og visuelt udforske mellemrum og objekter og interagere med mennesker omkring dem. Hoved-monteret eyetracking tilbyder en unik mulighed for at fange børns dynamiske egocentrisk visninger og hvordan de vil fordele visuel opmærksomhed inden for disse synspunkter. Denne protokol indeholder vejledende principper og praktiske anbefalinger til forskere ved hjælp af hoved-monteret øje bane i både laboratorium og mere naturalistisk indstillinger. Hoved-monteret eyetracking supplerer andre eksperimentelle metoder ved forbedre muligheder for dataindsamling i mere økologisk gyldige sammenhænge gennem øget bærbarhed og frihed af hoved og krop bevægelser i forhold til skærm-baserede eyetracking. Denne protokol kan også integreres med andre teknologier, såsom bevægelsessporing og puls overvågning, for at give en high-density multimodale datasæt for behandlingen af naturlig adfærd, indlæring og udvikling end tidligere muligt. Dette dokument illustrerer typer af data, der genereres fra hoved-monteret eyetracking i en undersøgelse, der er designet til at undersøge visuel opmærksomhed i en naturlig kontekst for småbørn: fritflydende legetøj spil med en forælder. Vellykket anvendelse af denne protokol giver forskere til at indsamle data, der kan bruges til at besvare spørgsmål om visuel opmærksomhed, men også om en bred vifte af andre perceptuelle, kognitive og sociale færdigheder og deres udvikling.

Introduction

De sidste mange årtier har set stigende interesse i at studere udviklingen af spædbørn og buksetrold visuel opmærksomhed. Denne interesse har skyldtes i vid udstrækning brug af ser tidsmålinger, som en primær betyder at vurdere andre kognitive funktioner i vorden og har udviklet sig til studiet af spædbarn visuel opmærksomhed i sin egen ret. Moderne undersøgelser af spædbørn og buksetrold visuel opmærksomhed måle primært øjenbevægelser under skærm-baserede eye-tracking opgaver. Spædbørn sidde i en stol eller moderselskabets skød foran en skærm, mens deres øjenbevægelser overvåges under præsentationen af statiske billeder eller begivenheder. Sådanne opgaver, men ikke at fange den dynamiske karakter af naturlige visuel opmærksomhed og de midler, som genereres børns naturlige visuelle miljøer - aktive udforskning.

Spædbørn og småbørn er aktive skabninger, flytter deres hænder, hoveder, øjne og organer til at udforske objekter, mennesker og rum omkring dem.. Hver ny udvikling i kroppen morfologi, motoriske færdigheder og adfærd - kravle, gå, picking up objekter, engagerende med arbejdsmarkedets parter - er ledsaget af samtidige ændringer i de tidlige visuelle miljø. Fordi hvad spædbørn gør bestemmer, hvad de ser, og hvad de ser serverer for hvad de gør i visuelt guidede handling, er at studere den naturlige udvikling af visuel opmærksomhed bedst foretages i forbindelse med naturlig adfærd¹.

Hoved-monteret øje bane (ETs) har opfundet og anvendt til voksne for årtier^2,3. Først for nylig har teknologiske fremskridt hovedmonteret eye-tracking teknologi egnet til spædbørn og småbørn. Deltagerne er udstyret med to letvægts kameraer på hovedet, en scene kameraet vender udad, der fanger den første persons perspektiv af deltageren og en eye-kameraet vender indad, der fanger øjet billede. En kalibreringsmetode giver træningsdata til en algoritme, der knytter så præcist som muligt elev og cornea refleksion (CR) skiftende holdninger i øjet billedet til de tilsvarende pixel i scene billede, der var at være visuelt deltog. Målet med denne metode er at fange både de naturlige visuelle miljøer af spædbørn og småbørn aktiv visuel udforskning af disse miljøer som spædbørn flytte frit. Sådanne data kan hjælpe med at besvare spørgsmål om visuel opmærksomhed, men også om en bred vifte af perceptuelle, kognitive og sociale udvikling^4,5,6,7,8. Brug af disse teknikker har omdannet forståelser af fælles opmærksomhed^7,8,9, vedvarende opmærksomhed¹⁰, ændre visuelle oplevelser med alder og motoriske udvikling^{4 , 6 , 11}, og rollen som visuelle oplevelser i ordet læring¹². Den nuværende papir indeholder vejledende principper og praktiske anbefalinger til gennemfører hovedmonteret eye-tracking forsøg med spædbørn og småbørn og illustrerer typer af data, der kan genereres fra hoved-monteret eyetracking i en naturlig rammerne for småbørn: fritflydende legetøj spil med en forælder.

Protocol

Dette selvstudium er baseret på en procedure for indsamling hovedmonteret eye-tracking data med småbørn, der er godkendt af den institutionelle Review Board på Indiana University. Informeret forældresamtykke blev fremstillet før småbørn deltagelse i forsøget.

1. forberedelse til undersøgelsen

1. Eye-Tracking udstyr. Vælg en af de flere hovedmonteret eye-tracking systemer der er kommercielt tilgængelige, enten en markedsført som specielt for børn eller ændre systemet til at arbejde med en specialfremstillet spædbarn cap, for eksempel som vist i figur 1 og 2. Sikre, at eye-tracking systemet har de nødvendige funktioner til at teste spædbørn og/eller småbørn ved at følge disse trin:
   1. Vælg en scene kamera, der kan justeres i forhold til placering og har en tilstrækkelig bred vinkel til at fange en passende til håndtering af forskningsspørgsmål synsfelt. For at fange de fleste af barns aktivitet i en gratis-play indstilling som beskrevet her, skal du vælge et kamera, der indfanger en diagonal mindst 100 graders synsfelt.
   2. Vælg en eye-kameraet, der er justerbar i form af positionering og har en infrarød LED enten bygget ind i kameraet eller støder op til kameraet og anbragt på en sådan måde, at øjets hornhinde vil afspejle dette lys. Bemærk at nogle eye-tracking modeller har fast positionering, men modeller, der har råd til fleksibel justeringer er anbefalet.
   3. Vælg en eye-tracking system, der er så diskret og let som muligt at give den største chance for, at spædbørn/småbørn vil tolerere iført udstyret.
      1. Integrere systemet i en fælles landbrugspolitik ved at knytte scene og øjet kameraerne til en Velcro rem, der er anbragt på den modsatte side af Velcro syet på fælles landbrugspolitik, og positionering kameraerne udenfor centrum af toddler's opfattelse.
         Bemærk: Systemer designet til at ligne briller er ikke optimale. Morfologi af toddler's ansigt er forskellig fra en voksen og dele, der hviler på barn næse eller ører kan være distraherende og ubehageligt for deltageren.
      2. Hvis ET er kabelforbundet til en computer, bundt af kabler og holde dem bag deltagerens tilbage til forhindre distraktion eller snuble. Alternativt kan du bruge en selvstændig system, der gemmer data på en mellemliggende enhed, såsom en mobiltelefon, der kan placeres på barnet, som giver mulighed for større mobilitet.
   4. Vælg en kalibrering softwarepakke, der giver mulighed for offline kalibrering.
2. Optagelse miljø.
   1. Undersøge, hvorvidt som barnet flytter i hele rummet under dataindsamlingen. Hvis en enkelt holdning er at foretrække, nævne dette til barnets pårørende, så de kan hjælpe barnet til at bo i den ønskede placering. Fjerne alle potentielle forkerte fra rummet med undtagelse af dem, barnet skal interagere med, som skal være inden for rækkevidde.
   2. Ansætte en tredje-person kamera til at hjælpe med den senere kodning af børns adfærd samt at identificere øjeblikke hvor ET kan blive fordrevet. Hvis barnet flytter i hele rummet, overveje yderligere kameraer så godt.

2. indsamle Eye-Tracking-Data.

1. Personale og aktivitet. Har to eksperimentatorer præsentere, en til at interagere med og optage barnet, og en for at placere og placere ET.
   1. Fuldt ud engagere barnet i en aktivitet, der fylder barnets hænder, således at barnet ikke nå op til flytningen eller Snup ET, mens det lægges på deres hoved. Overveje legetøj, der fremmer manuelle handlinger og små bøger, som barnet kan holde mens eksperimentatoren eller forælderen læser til barnet.
2. Placer ET på barnet. Fordi småbørn tolerance af iført den hoved-monteret ET varierer, Følg disse anbefalinger til fremme succes i markedsføring og opretholde ET på barnet:
   1. I tiden frem til undersøgelsen, Spørg pårørende til at have deres barn bære en cap eller beanie, svarende til hvad bruges med ET, i hjemmet til at få dem vant til at have noget på hovedet.
   2. På undersøgelsen, har forskellige slags caps tilgængelig som ET kan være tilknyttet. Tilpasse caps ved indkøb af forskellige størrelser og stilarter af caps, såsom en bold cap, der kan bæres bagud eller en hue med dyrenes ører, og tilføje Velcro som eye-tracking system, udstyret med den modsatte side af Velcro, kan være tilknyttet. Også overveje at få hatte til at bæres af caregiver og eksperimentatorer, til at tilskynde barnets interesse og vilje til at også bære en cap.
      1. Inden du sætter fælles landbrugspolitik på barnet, har en eksperimentatoren desensitize buksetrold til hånd på hovedet ved let berøring håret flere gange når den opmærksomhed og interesse for det lille barn er rettet mod et stykke legetøj.
   3. For at placere ET på barnet, være bagved eller ved siden af barnet (Se figur 2A). Placer ET på barnet, når hænderne er beskæftiget, såsom når barnet holder et stykke legetøj i hver hånd.
      1. Hvis barnet ser frem mod eksperimentatoren placere ET, sige Hej og lad barnet vide, hvad der sker mens du går videre til at hurtigt placere ET på barnets hoved. Undgå at flytte for langsomt samtidig med at placere ET, som kan forårsage barn nød og kan føre til dårlig placering, som barnet har større mulighed for at flytte deres hoved eller nå til ET.
      2. For at reducere tidsforbrug justere kameraet efter placering, før du placerer ET på deltageren, indstille kameraer i deres forventede position når på barnets hoved (Se afsnit 2.3.1 og 2.3.2).
3. Position i ET Scene og øjet kameraer. Når ET er på barnets hoved, foretage justeringer af placeringen af scene og øjet kameraer mens overvågningen disse kameraer video feeds:
   1. Position scene kamera lavt på panden til bedste tilnærme barnets synsfelt (Se figur 1B); center scene kameraet se på hvad barnet vil se på i løbet af undersøgelsen.
      1. Husk på, at hænder og holdt objekter vil altid være meget tæt på barnet og lav i scene kameravisningen, mens yderligere objekter vil være i baggrunden og højere i visningen scene kamera. Position scene kameraet til bedste fange den mest relevante forskning spørgsmål visningstype.
      2. Teste placeringen af scene kameraet ved at tiltrække barnets opmærksomhed på bestemte steder i deres synsfelt ved hjælp af et lille stykke legetøj eller laser pointer. Sikre, at disse steder ser på den forventede afstand af de regioner, der vil være af interesse i løbet af undersøgelsen (jf. figur 3).
      3. Undgå tilt ved at kontrollere, at vandrette flader vises lejlighed i scene kameravisningen. Markere den opretstående orientering af scene kameraet for at mindske muligheden for at få uforvarende inverteret under repositionering kameraet, men Bemærk at ekstra trin under post-behandling kan vende billeder til den korrekte orientering om nødvendigt.
   2. For at opnå høj kvalitet blik data, Placer eye-kameraet til at opdage både elev og cornea refleksion (CR) (Se figur 2).
      1. Placer eye-kameraet, så det er centreret om barnets elev, med ingen okklusion af kinder eller øjenvipper hele øjets fulde vifte af bevægelse (Se figur 2C-F for eksempler på gode og dårlige eye billeder). For at hjælpe med dette, Placer eye kameraet under øjet, i nærheden af kinden, peger opad, at holde kameraet ud af centrum af barnets opfattelse. Alternativt, Placer eye kameraet nedenfor og den ydre side af øjet, peger indad.
      2. Sikre, at kameraet er tæt nok til øjet, dens bevægelse producerer en relativt stor forskydning af elev i øjet kamerabillede.
      3. Undgå tilt ved at sørge for øjet i øjet billede hjørnerne kan danne en vandret linje (Se figur 2C).
      4. Sikre, kontrasten i elev versus iris er relativt høj, så eleven kan skelnes præcist fra iris (Se figur 2C). For at hjælpe med dette, justere enten placeringen af LED-lys (hvis ved siden af eye-kamera) eller afstanden af eye-kameraet fra øjet (hvis Lysdioden ikke er uafhængigt justerbare). Til øget elev påvisning, placere LED-lys i en vinkel og ikke direkte ind i øjet. Sørg for, at eventuelle justeringer af LED-lys stadig producere et klart CR (Se figur 2C).
4. Få point i løbet af undersøgelsen for Offline kalibrering.
   1. Når scene og eye billeder er så høj kvalitet som kan de, indsamle kalibreringsdata ved at trække barnets opmærksomhed på forskellige steder i deres synsfelt.
      1. Få kalibreringspunkter på forskellige overflader med noget, der klart bestemmer, at barnets opmærksomhed på et lille, klart punkt i deres synsfelt (Se figur 3). For eksempel bruge en laserpointer mod en solid baggrund, eller en overflade med lille uafhængigt aktiveret LED lys.
      2. Begrænse tilstedeværelsen af andre interessante mål i barnets mening at sikre at barnet ser på kalibrering mål.
   2. Alternere mellem henlede opmærksomheden på forskellige steder, der kræver store kantede forskydninger i øjet.
      1. Dække synsfeltet lige og ikke bevæger sig for hurtigt mellem punkter, som vil støtte i at finde klare saccades fra barnet under offline kalibrering til at udlede, da de så til den næste placering.
      2. Hvis barnet ikke ser umiddelbart ud til den nye placering, fremhævet, få deres opmærksomhed at lokationen af wiggling laser, dreje/fra lysdioderne, eller rørende placering med en finger.
      3. Hvis muligt, opnå flere kalibreringspunkter end nødvendige i tilfælde af nogle vise sig for at blive ubrugelig senere.
   3. Sørg for at barnets kropsstilling under kalibrering svarer til den position, der vil blive brugt i løbet af undersøgelsen.
      1. For eksempel, ikke indsamle kalibreringspunkter når barnet sidder hvis det forventes, at barnet senere vil stående.
      2. Sikre, at afstanden mellem barnet og kalibrering mål svarer til afstanden mellem barn og regioner, som vil være af interesse i løbet af undersøgelsen.
      3. Placer ikke kalibreringspunkter meget tæt på barnets krop, hvis under eksperimentet, barnet vil primært ser på objekter, der er længere væk. Hvis man er interesseret i både nær og fjern objekter, overveje at få to forskellige sæt kalibreringspunkter, der senere kan bruges til at skabe unikke kalibreringer for hver synsafstand (Se afsnit 3.1 for flere oplysninger).
         Bemærk: Kikkert eyetracking er et udviklende teknologi^13,14 , løfter fremskridt tracking blik i dybden.
   4. For at imødekomme for drift eller flytning af ET i løbet af undersøgelsen, indsamle kalibreringspunkter på både begyndelsen og slutningen af undersøgelse minimum. Hvis det er muligt, skal du indsamle supplerende kalibreringspunkter med jævne mellemrum under sessionen.
5. Overvåge ET og Third-Person Video Feeds i løbet af undersøgelsen.
   1. Hvis ET bliver stødte eller misvisende på grund af andre bevægelser/handlinger, tage hensyn til når i undersøgelsen dette skete fordi det kan være nødvendigt at kalibrere og kode dele af undersøgelsen før og efter bump/fejljustering separat (se punkt 3.1.1).
   2. Hvis det er muligt, afbryde studiet efter hvert bump/fejljustering flytte scene og øjet kameraer (Se afsnit 2.3), så få nye point for kalibrering (Se afsnit 2.4).

3. efter undersøgelsen, kalibrere ET Data ved hjælp af kalibreringssoftware.

Bemærk: En bred vifte af kalibrering softwarepakker er kommercielt tilgængelige.

1. Overveje at oprette flere kalibreringer. Tilpasse kalibreringspunkter til forskellige video segmenter til at maksimere nøjagtigheden af blik spor af ikke opfodring algoritme forkert forkerte data.
   1. Hvis ET ændret holdning til enhver tid i løbet af undersøgelsen, oprette separate kalibreringer for portionerne før og efter ændringen i ET position.
   2. Hvis du er interesseret i opmærksomhed på objekter på meget forskellige afstande, oprette separate kalibreringer for dele af den video, hvor barnet er på udkig til objekter på hver synsafstand. Ihukomme, at forskelle i der har set på afstand kan være lavet af forskydninger i barnets visuelle opmærksomhed mellem meget tæt og variere langt objekter, men også ved ændringer i barnets kropsposition i forhold til et objekt, såsom at flytte fra siddende til stående.
2. Udføre hver kalibrering. Oprette tilknytningen mellem scene og øjet ved at skabe en serie af kalibreringspunkter i den scene billede som barnets blik var klart instrueret i at ramme. Bemærk at kalibreringssoftware kan ekstrapolere og interpolere punktet af blik (POG) i alle rammer fra et sæt kalibreringspunkter jævnt spredt over hele scene billede.
   1. Hjælpe kalibreringssoftware til at opdage elev og CR i hver ramme af øje kamera video til at sikre, at de identificerede POG er pålidelige. I tilfælde hvor softwaren ikke kan registrere CR pålideligt og konsekvent bruge elev kun (noten, men at oplysningernes kvalitet vil lide som følge heraf).
      1. Opnå et godt øje billede i eye kameraet rammer ved at justere tærsklerne for kalibrering software's forskellige påvisning parametre, som kan omfatte: øjet billedets lysstyrke, størrelsen af elev softwaren forventer, og en afgrænsningsramme, der sætter den grænserne for, hvor softwaren vil kigge efter eleven. Tegne afgrænsningsrammen så lille som muligt samtidig med, at eleven forbliver inde i kassen hele øjets komplet vifte af bevægelse. Vær opmærksom på at en større afgrænsningsramme, der omfatter plads, som eleven aldrig optager øger sandsynligheden for falske elev påvisning og kan forårsage små bevægelser af elev skal påvises mindre præcist.
      2. Være opmærksom på, at selv efter justering softwarens forskellige afsløring tærskler, softwaren kan undertiden stadig forkert Find den elev eller CR; for eksempel, hvis øjenvipper dækker pupillen.
   2. Finde gode kalibreringspunkter baseret på scene og eye kameraet rammer. Bemærk, at de bedste kalibreringspunkter forudsat at softwaren er dem som elev og CR præcist opdages, øjet er stabilt fikseret på et klart identificerbart punkt i rummet i scene billede, og punkterne er jævnt spredt over hele området af scene billede.
      1. Sikre, at elev opdagelse er nøjagtig for hver ramme, hvori et kalibreringspunkt er afbildet, således at både gyldig x-y scene koordinater og gyldig x-y elev koordinater tilføres algoritmen.
      2. Under den første pass på kalibrering, skal du identificere kalibreringspunkter på øjeblikke, når barnet er klart på udkig til et særskilt punkt i scene billede. Husk, at disse kan være punkter bevidst lavet af eksperimentatoren under indsamling af data, for eksempel med en laserpointer (Se figur 3A-B), eller de kan være punkter fra undersøgelsen, hvor POG er let identificerbar (Se Figur 3C), så længe eleven registreres nøjagtigt til disse rammer.
      3. For at finde øjeblikke af blik til mere ekstrem x-y scene billede koordinater, scanne gennem øjet kamera rammer at finde øjeblikke med nøjagtige elev detektion, når barnets øje er i sin mest ekstreme x-y position.
   3. Gøre flere "gennemløb" for hver kalibrering til iterativt slibe ind på de mest præcise kalibrering muligt. Bemærk, at efter at have afsluttet en første "pass" på kalibrering, vil mange programmer tillader sletning af punkter tidligere brugt uden at miste det aktuelle spor (f.eks. trådkors). Vælg et nyt sæt kalibreringspunkter at træne algoritme fra bunden, men med den ekstra støtte POG spor genereret af foregående kalibrering passet, så man derefter gradvist øge kalibrering nøjagtighed af gradvis "oprydning" støj eller unøjagtigheder introduceret af tidligere passerer.
3. Vurdere kvaliteten af kalibreringen ved at observere hvor godt POG svarer til kendte blik placeringer, så som prikker produceret af en laserpointer under kalibreringen, og afspejler den retning og omfanget af barnets saccades. Undgå at bruge point for at vurdere kalibrering kvalitet, der blev også brugt som punkter under kalibreringsprocessen.
   1. Husk, at fordi børnenes hoveder og øjne er typisk justeret, børns visuel opmærksomhed er oftest rettet mod midten af scene billede og en nøjagtig spor vil afspejle dette. For at vurdere centeredness af sporet, plot frame-by-frame x-y POG koordinater i scene billedet genereret af kalibrering (Se figur 4). Bekræfte, at punkterne er mest tætte i midten af scene billede og fordelt symmetrisk, undtagen i tilfælde hvor scene kameraet ikke var centreret på midten af barnets synsfelt når oprindeligt placeret.
   2. Bemærk, at nogle kalibreringssoftware vil generere lineær og/eller homography fit scores, der afspejler kalibrering nøjagtighed. Husk på at disse scores er nyttige til dels fordi hvis de er fattige, sporet sandsynligvis også vil være fattige. Dog ikke bruge fit scores som det primære mål for kalibrering nøjagtighed, da de afspejler graden som de valgte kalibreringspunkter enig med sig selv, som giver ingen oplysninger om pasform af disse punkter til lokationen jorden sandheden af POG.
   3. Husk at der er øjeblikke i undersøgelsen at målet for blik let kan identificeres, og derfor kan bruges som jorden sandheden. Beregne nøjagtighed i grader af visuelle vinkel ved at måle fejl mellem kendte blik mål og POG trådkors (fejl i pixels fra billedet kan ca være konverteret til grader baseret på linsen Karakteristik af scene kamera)⁴.

4. kode regioner af interesse (ROIs).

Bemærk: ROI kodning er evalueringen af POG data til at bestemme, hvilken region et barn er visuelt deltager til under et bestemt tidspunkt. ROI kan være kodet med høj nøjagtighed og høj opløsning fra frame-by-frame POG data. Produktionen af denne kodning er en strøm af datapunkter - ét point pr. video frame - der indikerer region af POG over tid (Se figur 5A).

1. Forud for begyndelsen ROI kodning, udarbejde en liste over alle ROIs, der kodes baseret på forskningsspørgsmål. Vær opmærksom på at kodning ROIs, der ikke er behov for at besvare forskningen spørgsmål gør kodning unødigt tidskrævende.
2. Principperne om ROI kodning.
   1. Husk at vellykket kodning kræver opgivelse coder's antagelser om hvor barnet skal leder og i stedet omhyggeligt at undersøge hver ramme øje billede, scene billede og beregnede POG. For eksempel, selv om et objekt bliver afholdt af barnet og er meget store i scene billedet til en bestemt ramme, ikke udlede at barnet ser på objektet på det pågældende tidspunkt, medmindre også angivet i placeringen af øjnene. Bemærk at ROIs angiver, hvad region barnet er foveating, men ikke fange en komplet visuel information barnet tager i.
   2. Bruge øjet image, scene billede og POG spor for at afgøre, hvilken ROI er at være visuelt deltog til.
      1. Bruge POG spor som en guide, ikke jorden-sandheden. Selvom ideelt POG sporet tydeligt angiver den nøjagtige placering stirrede på af barnet for hver ramme, være klar over, at dette altid ikke vil være tilfældet på grund af 2 dimensionelle (2D) karakteren af scene billede i forhold til den virkelige verden set af chil 3D art d og variation i kalibrering nøjagtighed mellem deltagerne.
         1. Husk at den beregnede POG spor er et skøn baseret på en kalibrering algoritme og at pålideligheden af POG sporet til en bestemt ramme derfor afhænger af, hvor godt en elev og CR opdages; Hvis en eller begge registreres ikke eller er ukorrekt, vil POG spor ikke være pålidelige.
            Bemærk: Lejlighedsvis, det lille kryds vil være konsekvent mål af en fast afstand. Nyere software kan give en til beregningsmæssigt rette op på denne uoverensstemmelse. Ellers, en uddannet forsker kan gøre korrektionen manuelt.
      2. Bruge bevægelse af eleven i øjet image som den primære stikord, at Investeringsafkastet kan have ændret.
         1. Rulle gennem billeder én efter én ser øje billede. Når en synlig bevægelse af øjet opstår, skal du kontrollere, om barnet er at flytte deres POG til en ny ROI eller ingen definerede ROI.
         2. Bemærk at ikke alle øjenbevægelser angive en ændring i ROI. Hvis ROI udgør et stort område af rummet (f.eks. en up-close objekt), huske på, at lille øje bevægelse kan afspejle et kig til en ny placering inden for den samme ROI. Husk ligeledes at øjenbevægelser kan forekomme som barnet sporer en enkelt bevægelige ROI, eller som et barn, der bevæger sig deres hoved også flytter deres øjne at fastholde blikket på den samme ROI.
         3. Bemærk, at med nogle ETs øje billedet er en spejlet billede af barnets øje, i hvilket tilfælde hvis øjet bevæger sig til venstre, bør svare til et skift til højre i scenen.
   3. Fordi POG spor tjener kun som vejledning, gøre brug af tilgængelige kontekstuelle oplysninger samt til at guide kodning beslutninger.
      1. Integrer oplysninger fra forskellige kilder eller rammer, når kodning ROI. Selvom ROI er kodet separat for hver ramme, udnytte rammer før og efter den aktuelle ramme at få kontekstafhængige oplysninger, der kan støtte i at bestemme den korrekte ROI. For eksempel, hvis POG spor er fraværende eller forkert for en given ramme på grund af dårlig elev påvisning, men øjet ikke bevæge sig, baseret på de foregående og efterfølgende rammer, hvor eleven blev nøjagtigt registreret, derefter ignorere POG sporet for at ramme og kode ROI ba SED på de omgivende rammer.
      2. Foretage andre beslutninger specifikke brugere forskningsspørgsmål.
         1. For eksempel gøre en protokol for, hvordan man kode ROI, når to ROIs er i umiddelbar nærhed af hinanden, i hvilket tilfælde det kan være svært at afgøre, hvilken en er den "korrekte" ROI. I tilfælde hvor barnet synes at være fikserer på krydset mellem de to ROIs, afgøre om at kode begge ROIs samtidig, eller om at formulere en række beslutningsregler for hvordan man vælger og tildele kun én af kategorierne ROI.
         2. Som yderligere eksempel, når et objekt af interesse er afholdt således, at en hånd tilstoppe objektet, beslutte, om at kode POG som en ROI for hånd eller en ROI for objektet afholdt.
3. Kode ROI for pålidelighed. Gennemføre en pålidelighed kodning procedure efter den indledende ROI kodning protokol er afsluttet. Der findes mange forskellige typer af pålidelighed kodning procedurer; vælge den mest relevante procedure baseret på de specifikke forskningsspørgsmål.

Representative Results

Metoden drøftet her blev anvendt til en letflydende legetøj spille sammenhæng mellem småbørn og deres forældre. Undersøgelsen var designet til at undersøge naturlige visuel opmærksomhed i en rodet miljø. Dyads blev instrueret om at lege frit med et sæt af 24 legetøj seks minutter. Småbørn visuel opmærksomhed blev målt ved kodning udbrud og forskydning af ser ud til specifikke områder af interesse (ROIs)--hver af de 24 legetøj og den overordnede ansigt-- og ved at analysere varighed og andelen af ser tid til hver ROI. Resultaterne er visualiseret i figur 5.

Figur 5 A viser prøve ROI vandløb for to 18 måneder gamle børn. Hver farvede blok i vandløb udgør sammenhængende rammer, hvor barnet kiggede på et bestemt Investeringsafkast. Øje-blik oplysningerne viser en række interessante egenskaber af naturlige visuel opmærksomhed.

Først, børnene viser individuelle forskelle i deres selektivitet for forskellige delgrupper af legetøj. Figur 5 B viser andelen af 6 minutters interaktion at hvert barn tilbragte ser på hver af 10 udvalgte legetøj ROIs. Selvom den samlede andel af tid barn 1 og barn 2 brugt var kigger på legetøj (herunder alle 24 legetøj ROIs) noget lignende, 0,76 og 0.87, henholdsvis proportioner af tid brugt på individuelle legetøj varierede meget, både inden for og mellem fag.

Hvordan disse proportioner ser tid opnået også adskilte sig på tværs af børn. Figur 5 C viser hvert barn gennemsnitlig varighed af ser ud til hver af 10 udvalgte legetøj ROIs. Den gennemsnitlige varighed af ser ud til at alle 24 toy ROIs for barn 2 (M = 2,38 s, SD = 2.20 s) var næsten dobbelt så lang som barn 1 (M = 1,20 s, SD = 0,78 s). Sammenligne de søger mønstre til rød ladybug rangle (lilla barer) i figur 5B, C illustrerer, hvorfor computing flere søger foranstaltninger, såsom proportioner og varigheder af leder, er vigtigt for en fuldstændig forståelse af data; den samme andel af ser dette legetøj blev opnået for disse børn gennem forskellige numre af ser ud i forskellige varigheder.

En anden egenskab ved disse data er, at begge børn sjældent så til deres overordnede ansigt: ansigt udkig barn 1 og barn 2 var.015 og.003, henholdsvis proportioner. Endvidere varigheden af disse børn ser til deres overordnede ansigt var korte, i gennemsnit 0,79 s (SD = 0,39 s) og 0,40 s (SD = 0,04 s) til barn 1 og barn 2, henholdsvis.

Figur 1 . Hoved-monteret eyetracking ansat i tre forskellige kontekster: (A) bordplade legetøj spil, (B) legetøj leg på gulvet, og (C) læse en billedbog. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2 . Opsætning af hoved-monteret eye-tracking system. (A) forsker positionering en øje tracker på et spædbarn. (B) et godt positioneret øje tracker på et spædbarn. (C) god eye billede med store centreret elev og klare hornhinde refleksion (CR). (D, E, F) Eksempler på dårlig eye billeder. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3 . Tre forskellige måder at opnå kalibreringspunkter. To visninger af hvert øjeblik er vist; Top: tredje-person view, bund: barns første-personsperspektiv. Pile i den tredje-person view illustrerer retning af en laserstråle. Inset kasser i øverste højre hjørne af barnets mening vise god eye billeder på hvert øjeblik, anvendt til kalibrering og lyserød trådkors angiver punkt af blik baseret på den færdige kalibrering. (A) kalibreringspunkt genereret af en eksperimentatoren, ved hjælp af en finger og laser pointer til at rette opmærksomhed mod et objekt på gulvet. (B) kalibreringspunkt genereret af en eksperimentatoren, ved hjælp af en laserpointer for at lede opmærksomheden på prikker på en overflade. (C) kalibreringspunkt under legetøj spille med en forælder, hvor barnets opmærksomhed er rettet mod en afholdt objekt. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4 . Eksempel parceller bruges til at vurdere kalibrering kvalitet. Enkelte prikker repræsenterer pr. ramme XY punkt i blik (POG) koordinater i kamerabilledet scene som fastsat af kalibrering algoritme. (A) god kalibrering kvalitet for et barn toy-play eksperiment, angivet med nogenlunde cirkulær tæthed af POG, der er centreret og lav (barn POG er typisk rettet lidt nedad, når ser på legetøj barnet holder), og nogenlunde jævnt distribuerede POG i de resterende scene kamerabillede. (B) fattige kalibrering kvalitet, angivet af aflange og vippes tæthed af POG der er off-centreret, og dårligt fordelte POG i de resterende scene kamerabillede. (C) fattige kalibrering kvalitet og dårlig oprindelige placering af scene kamera, anført af off-centreret POG. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5 . To børn øje-blik data og statistikker. (A) prøve ROI streams til barn 1 og barn 2 under 60 s af interaktionen. Hver farvede blok i vandløb udgør sammenhængende rammer, hvor barnet kiggede på en ROI for enten et bestemt stykke legetøj eller den overordnede ansigt. Blanktegn repræsenterer rammer, hvor barnet ikke se på nogen af ROIs. (B) andel af tid at kigge på overordnet ansigt og 10 legetøj ROIs, til begge børn. Andel var beregnes ved at addere varigheder af alle ser ud til at hver ROI, og dividere de summerede varigheder af den samlede sessionstid 6 minutter. (C) betyder varighed af udseende til overordnet ansigt og ti legetøj ROIs, for begge børn. Gennemsnitlige varighed blev beregnet ved at tage gennemsnittet varigheder af enkelte ser ud til at hver ROI under 6 minutters interaktion. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Denne protokol giver vejledende principper og praktiske anbefalinger til implementering af hoved-monteret eyetracking med spædbørn og småbørn. Denne protokol var baseret på studiet af naturlige buksetrold adfærd i forbindelse med forældre-barn fri leg med legetøj i et laboratorium indstilling. In-House eye-tracking udstyr og software blev brugt til kalibrering og kodning af data. Ikke desto mindre, denne protokol skal være generelt gælder for forskere ved hjælp af en række hovedmonteret eye-tracking systemer til at studere en bred vifte af emner i spædbørns- og udvikling. Om optimal anvendelse af denne protokol vil involvere undersøgelsesspecifikke har skræddersyning, vedtagelsen af disse generelle praksis ført til vellykkede anvendelse af denne protokol, i en række sammenhænge (Se figur 1), herunder den samtidige hovedmonteret eye tracking for forældre og småbørn^7,8,9,10, og head-monteret eye tracking af kliniske populationer, herunder børn med cochlear implantater¹⁵ og børn diagnosticeret med autisme spektrum lidelser^16,17.

Denne protokol giver mange fordele for at undersøge udviklingen af en bred vifte af naturlige kompetencer og adfærd. Frie bevægelighed hoved og krop, hoved-monteret ETs tillade giver forskere mulighed for at fange både deltagernes selvstændige genereret visuelle miljøer og deres aktive udforskning af disse miljøer. Portabilitet af hovedmonteret ETs forbedrer forskere evne til at indsamle data i mere økologisk gyldige sammenhænge. På grund af disse fordele, denne metode giver et alternativ til skærm-baserede søger tid og eye-tracking metoder til at studere udvikling på tværs af domæner som visuel opmærksomhed, social opmærksomhed og perceptuelle motor integration, og supplerer og lejlighedsvis udfordringer slutninger forskere kan tegne ved hjælp af mere traditionelle eksperimentelle metoder. For eksempel, protokollen beskrevet her øger mulighed for deltagerne at udstille individuelle forskelle i søger adfærd, fordi deltagerne har kontrol ikke kun over hvor og hvor længe de fokuserer deres visuelle opmærksomhed i en scene, som i skærm-baserede eye tracking, men også over sammensætningen af disse scener gennem deres øjne, hoved, og kroppens bevægelser og fysisk manipulation af elementer i miljøet. De to deltagere data præsenteres her dokumentere individuelle forskelle i hvordan lang småbørn udseende og hvad objekter småbørn prøve, når de er i stand til aktivt at skabe og udforske deres visuelle miljø. Derudover foreslå data præsenteret her, samt andre forskning beskæftiger denne protokol, at i naturalistiske legetøj spil med deres forældre, småbørn udseende til deres overordnede ansigt meget mindre end foreslået af tidligere forskning^{4,5 ,7,8,9,10}.

Trods disse fordele udgør hovedmonteret eyetracking med spædbørn og småbørn en række metodologiske udfordringer. Den mest kritiske udfordring er at opnå en god kalibrering. Fordi scene billede er kun en 2D repræsentation af 3D-verden, der blev faktisk set, er en perfekt tilknytning mellem øjenhøjde og stirrede scene placering umuligt. Ved at følge de retningslinjer, i denne protokol, kan tilknytningen blive pålideligt tæt på "ground truth", bør dog særligt være opmærksom på flere spørgsmål. Første, hoved og krop bevægelsesfriheden tilladt af hoved-monteret eye tracking også betyder at unge deltagere ofte vil støde eye-tracking system. Dette er et problem, fordi enhver ændring i den fysiske placering i øjet i forhold til øjet eller scene kameraer vil ændre tilknytningen mellem elev/CR og de tilsvarende pixel deltog i scene billede. Udførelse adskilte kalibreringer for disse dele af undersøgelsen er derfor kritisk, da udeblivelse vil resultere i en algoritme, der sporer kun barnets blik præcist for en del af undersøgelsen, hvis der kun point under en del bruges til at kalibrere. Anden, nøjagtig registrering af barnets elev og CR er kritisk. Hvis en kalibreringspunkt i scene billede er afbildet mens eleven er fejlagtigt registreret eller blev ikke fundet på alle, så algoritmen enten lærer at knytte denne kalibrering x-y-koordinaten i scene billede med en forkert elev x-y-koordinat, eller den Algoritmen er fodret Tom data i det tilfælde, hvor eleven ikke er fundet overhovedet. Således, hvis artig opdagelse ikke er nået til et segment af undersøgelsen, kalibrering kvalitet for disse rammer vil være fattige og bør ikke have tillid til kodning POG. Fordi børnenes hoveder og øjne er typisk justeret, er visuel opmærksomhed tredje, oftest rettet mod midten af scene billede. Ekstrem x-y kalibreringspunkter i scene billede er dog også nødvendige for at etablere en præcis blik spor på tværs af hele scenen billedet. Således, selv om kalibreringspunkter skal typisk vælges på øjeblikke, når øjet er stabilt på et objekt, kan dette ikke være muligt for kalibreringspunkter i de fjerneste hjørner af scene billede. Endelig, Husk på, at selv når et godt øje billede opnås og systemet kalibrerer, dette ikke sikrer, at dataene er af tilstrækkelig kvalitet for de påtænkte analyser. Forskelle i individuelle faktorer som øjet fysiologi samt miljømæssige faktorer som belysning og forskelle i eye-tracking hardware og software kan alle påvirke datakvalitet og har potentiale til at skabe forskydninger eller unøjagtigheder i dataene. ^{18 , 19} give flere oplysninger og mulige løsninger for sådanne spørgsmål (Se også Franchak 2017²⁰).

Arbejder med spædbørn og småbørn også indebærer udfordringen at sikre tolerance af den hoved-monteret ET hele sessionen. Ansættelse af anbefalingerne i denne protokol, designet til brug med spædbørn fra cirka 9-24 måneder i alder, kan et laboratorium få høj kvalitet hovedmonteret eye-tracking data fra ca. 70% af deltagerne²⁰. De øvrige 30% af deltagerne kan enten ikke begynde undersøgelsen på grund af intolerance over for øje tracker eller ballade ud af undersøgelse før tilstrækkelige data (f.eks., > 3-5 minutters spil) med et godt øje spor kan opnås. For de succesrige 70% af spædbørn og buksetrold deltagere, kan disse sessioner typisk sidst for op til 10 minutter, men meget længere sessioner være umuligt med nuværende teknologier, afhængigt af alder af deltageren og arten af opgaven deltageren er engageret. Når du udformer forskningsopgave og miljø, burde forskere holde inde indre udviklingsmæssige status for deltagere, som motor evne, kognitive evner og social udvikling herunder følelse af sikkerhed omkring fremmede, kan alle indflydelse deltagernes opmærksomhed span og evne til at udføre den planlagte opgave. Beskæftiger denne protokol med spædbørn meget yngre end 9 måneder vil også indebære yderligere praktiske udfordringer såsom afstivningsmateriel op spædbørn, der ikke endnu sidde på deres egen, samt overvejelser om øjet morfologi og fysiologi, såsom kikkert ulighed, der afviger fra de ældre børn og voksne^19,21. Denne protokol er desuden mest succesrige, når de udføres af erfarne uddannede eksperimentatorer, som kan begrænse vifte af miljøer, hvor data kan indsamles. De mere praksis eksperimentatorer har, jo mere sandsynligt vil de være i stand til at udføre eksperimentet gnidningsløst og indsamle eye tracking data af høj kvalitet.

Hoved-monteret eyetracking kan også udgøre den yderligere udfordring at relativt flere tidskrævende data kodning. Dette skyldes, med henblik på at finde ROIs, hoved-monteret eye-tracking data er bedre kodet billede for billede end af "optagelser" af visuel opmærksomhed. Fjernsynsforetagender identificeres, typisk, når antallet af ændring i frame-by-frame x-y POG koordinater er lav, taget som en indikation af, at øjnene er stabilt på et punkt. Men fordi visningen scene fra en hovedmonteret eye tracker flytter med deltagerens hoved og kropsbevægelser, øjets position kan kun være kortlægges nøjagtigt til en fysisk placering bliver foveated ved at overveje, hvor øjnene er bevægelige i forhold til hovedet og krops bevægelser. For eksempel, hvis en deltager flytter deres hoved og øjne sammen, snarere end deres øjne kun, kan x-y POG koordinater i scenen forblive uændret selv deltager scanner et værelse eller sporer et objekt i bevægelse. Nemt og præcist således "optagelser" af visuel opmærksomhed ikke kan fastsættes fra kun POG data. Yderligere oplysninger om spørgsmål i forbindelse med at identificere fjernsynsforetagender i hoved-monteret eyetracking data, skal du kontakte andre arbejde^15,22. Manuelt kodning data frame-by-frame for ROI kan kræve ekstra tid i forhold til kodning filmoptagelse. Som reference tog det højtuddannede coders mellem 5 og 10 minutter til manuelt kode for ROI hvert minut af de data, der præsenteres her, som blev indsamlet på 30 billeder per sekund. Den tid, der kræves til kodning er stærkt varierende og afhænger af kvaliteten af eyetracking data; størrelse, antal og visuelle discriminability af ROI mål; oplevelsen af coder; og annotation værktøj bruges.

På trods af disse udfordringer, kan denne protokol være fleksibelt tilpasset en række kontrollerede og naturalistiske miljøer. Denne protokol kan også integreres med andre teknologier, såsom bevægelsessporing og puls overvågning, for at give en high-density multimodale datasæt for behandlingen af naturlig adfærd, indlæring og udvikling end tidligere muligt. Fortsatte fremskridt i hoved-monteret eye-tracking teknologi vil uden tvivl afhjælpe mange aktuelle udfordringer og give endnu større grænser for typerne af forskningsspørgsmål, der kan adresseres ved hjælp af denne metode.

Materials

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