Se i aksjon: hode montert Eye Tracking barn dynamisk visuell oppmerksomhet under naturalistiske atferd

Summary

Små barn gjør ikke passivt observere verden, men heller aktivt utforske og engasjere seg med sitt miljø. Denne protokollen gir veiledende prinsipper og praktiske anbefalinger for bruk av hode montert øye bane registrere spedbarn og småbarn dynamiske visuelle miljøer og visuell oppmerksomhet i sammenheng med naturlige atferd.

Abstract

Små barns visuelle miljøer er dynamisk, endre øyeblikk til øyeblikk som barn fysisk og visuelt utforske områder og objekter og samhandle med folk rundt dem. Hodemontert øye sporing tilbyr en unik mulighet til å fange barnas dynamiske egosentriske visninger og hvordan de tildele visuell oppmerksomhet i visningene. Denne protokollen gir veiledende prinsipper og praktiske anbefalinger for forskere bruker hode montert øye bane i både laboratorium og mer naturalistisk innstillinger. Hodemontert øye sporing utfyller andre eksperimentelle metoder ved å styrke mulighetene for datainnsamling i mer økologisk gyldig sammenhenger gjennom økt bærbarhet og hodet og kroppen bevegelser i forhold til skjermen basert øye sporing. Denne protokollen kan også integreres med andre teknologier, som bevegelse sporing og hjertefrekvens overvåking, for å gi høy tetthet flere dataset for å undersøke naturlige atferd, læring og utvikling enn tidligere mulig. Denne artikkelen illustrerer datatypene generert fra hode montert øye sporing i en studie for å undersøke visuell oppmerksomhet i en naturlig sammenheng for småbarn: frittflytende leketøy spille med en forelder. Vellykket bruk av denne protokollen tillater forskere å samle inn data som kan brukes til å svare på spørsmål ikke bare om visuell oppmerksomhet, men også om en rekke andre Perseptuell, kognitive og sosiale ferdigheter og deres utvikling.

Introduction

De siste tiårene har sett økende interesse i å studere utviklingen av spedbarn og småbarn visuell oppmerksomhet. Denne interessen stammet i stor grad av bruk av ser tidsmålinger som en primær betyr å vurdere andre kognitive funksjoner i barndom og har utviklet seg til studiet av spedbarn visuell oppmerksomhet i sin egen rett. Moderne undersøkelser av spedbarn og småbarn visuell oppmerksomhet mål primært øyebevegelser under skjermen basert øye-sporing oppgaver. Spedbarn sitte i en stol eller foreldres Fang foran en skjerm mens deres øyebevegelser overvåkes under presentasjonen av stillbilder eller hendelser. Oppgaver, men ikke klarer å fange dynamikken i naturlige visuell oppmerksomhet og midler som genereres barnas naturlige visuelle omgivelser - aktiv leting.

Spedbarn og småbarn er aktive skapninger, flytte sine hender, hoder, øyne og organer for å utforske objekter, mennesker og mellomrom. Hver ny utvikling i kroppen morfologi, motoriske ferdigheter og atferd - gjennomgang, gå, plukke opp gjenstander, engasjerende med sosiale partnere - ledsages av samtidig endringer i tidlig visuelle miljøet. Fordi hva spedbarn gjøre bestemmer hva de ser og hva de ser fungerer for hva de gjør i visuelt guidet handlingen, utføres studere den naturlige utviklingen av visuell oppmerksomhet best i sammenheng med naturlige atferd¹.

Hodemontert øye bane (ETs) har vært oppfunnet og brukes for voksne for tiår^2,3. Bare nylig har teknologiske fremskritt gjort hode montert eye-tracking-teknologi egnet for spedbarn og småbarn. Deltakerne er utstyrt med to lett kameraer på hodet, en scene kameraet vender utover som fanger den første person perspektivet av deltakeren og en øye-kamera som fanger øyet bildet vender innover. En kalibreringsprosedyren gir treningsdata til en algoritme som tilordner nøyaktig som mulig endre plasseringen av hornhinnen refleksjon (CR) og elev i øyet bildet de motsvarende bildepunktene i scenen bildet som var å være visuelt deltok. Målet med denne metoden er å fange både de naturlige visuelle miljøene for spedbarn og barn aktive visuell utforsking av de miljøer som spedbarn flytte fritt. Slike data kan hjelpe svare på spørsmål ikke bare om visuell oppmerksomhet, men også om en rekke Perseptuell, kognitive og sosiale utviklingen^4,5,6,7,8. Bruk av disse teknikkene har transformert forståelser av felles oppmerksomhet^7,8,9, vedvarende oppmerksomhet¹⁰, endre visuelle erfaringer med alder og motorisk utvikling^{4 , 6 , 11}og rollen av visuelle opplevelsene i word lære¹². Utredningen gir veiledende prinsipper og praktiske anbefalinger for å gjennomføre hode montert øye-sporing eksperimenter med spedbarn og småbarn og illustrerer datatypene som kan genereres fra hode montert øye sporing i en naturlig kontekst for småbarn: frittflytende leketøy spille med en forelder.

Protocol

Denne opplæringen er basert på en prosedyre for datainnsamlingen hode montert øye-sporing med småbarn godkjent av institusjonelle Review Board ved Indiana University. Informert foreldrenes samtykke ble innhentet før smårollinger deltakelse i eksperimentet.

1. forberedelse for studiet

1. Øye-sporing utstyr. Velg ett av flere leder-montert øye-sporing systemer som er kommersielt tilgjengelige, ett markedsført som spesielt for barn eller endre systemet til å fungere med en skreddersydd spedbarn cap, for eksempel som vist i figur 1 og 2. Sikre at øye-sporing systemet har de nødvendige egenskaper for testing spedbarn og/eller småbarn av følgende fremgangsmåte:
   1. Velg en scene kamera som kan justeres i forhold til plassering og har en bred nok vinkel for å ta en synsfelt passer for adressering problemstillingene. For å fange det meste av barnas aktivitet i fritt spill omgivelser som beskrevet her, kan du velge et kamera som fanger en diagonal minst 100 graders-synsfelt.
   2. Velg et øye kameraet som justeres i forhold til plassering og har en infrarød LED enten bygget inn i kameraet eller tilstøtende til kameraet og plassert slik at øyet i hornhinnen vil gjenspeile dette lyset. Merk at noen øye-sporing modeller har faste posisjonering, men modeller som råd fleksibel justeringer anbefales.
   3. Velg en øye-sporing system som er så lite påtrengende og lett som mulig for å gi størst sjanse for at spedbarn/småbarn vil tolerere iført utstyret.
      1. Legge ned systemet til en cap av scenen og øye kameraene vedlegges en Velcro stropp som er festet på motsatt side av Velcro sydd på cap, og posisjonering kameraene utenfor sentrum av barnas visning.
         Merk: Systemer designet for å ligne på briller er ikke optimal. Morfologi av barnas ansiktet er forskjellig fra en voksen deler som hviler på barnas nese eller ører kan være distraherende og ubehagelig for deltakeren.
      2. Hvis ET er kablet til en datamaskin, pakke kablene og holde dem bak deltakerens rygg å hindre distraksjon eller tripping. Alternativt bruke en selvstendig system som lagrer data i en mellomliggende enhet, for eksempel en mobiltelefon, som kan plasseres på barnet, som tillater større mobilitet.
   4. Velg en kalibrering programvarepakke som tillater frakoblede kalibrering.
2. Innspillingen miljø.
   1. Vurdere omfanget som barnet vil flytte hele rommet under datainnsamlingen. Hvis én plass er å foretrekke, nevne dette til barnets omsorgsperson så de kan hjelpe barnet bo på ønsket sted. Fjern alle potensielle distraktører fra verdensrommet unntatt de barnet skal samhandle med, som er innen rekkevidde.
   2. Ansette en tredje person kameraet å hjelpe senere koding av barnas atferd så vel som å identifisere øyeblikk når ET kan bli fordrevet. Hvis barnet vil flytte hele rommet, vurdere flere kameraer også.

2. samle Eye-Tracking Data.

1. Personell og aktivitet. Har to forskere presentere, samhandle med og okkupere barnet, og en til å plassere og plassere ET.
   1. Fullt engasjere barn i en aktivitet som opptar barnets hendene slik at barnet ikke kommer opp farten eller ta ET mens det blir plassert på hodet. Vurdere leker som oppmuntrer manuelle handlinger og små bøker som barnet kan holde mens eksperimentator eller foreldre leser til barnet.
2. Plasserer ET på barnet. Fordi smårollinger toleranse for iført ET hode montert varierer, Følg disse anbefalingene å fremme suksess i å plassere og opprettholde ET på barnet:
   1. I tiden frem til studien, be omsorgspersoner å ha sine barn slitasje en lue eller bønne, ligner det brukes med ET, hjemme for å få dem vant til å ha noe på hodet.
   2. I studien, har forskjellige typer caps tilgjengelig som ET kan festes. Tilpasse caps ved kjøp av forskjellige størrelser og typer av caps, som en ball cap som kan bæres bakover eller en lue med dyreører, og legge til Velcro som øye-sporing systemet, utstyrt med motsatt side av Velcro, kan festes. Også vurdere å ha hatter til bæres av caregiver og eksperimentelle, å oppmuntre barnet interesse og vilje til å også ha en lue.
      1. Før du setter hetten på barnet, har kjent desensitize pjokk for preg til hodet ved å trykke lett håret flere ganger når oppmerksomhet og interesse pjokk er rettet mot et leketøy.
   3. For å plassere ET på barnet, være bak eller på siden av barnet (se figur 2A). Plassere ET på barnet når hendene er opptatt, som når barnet er avholde en leketøy i hver hånd.
      1. Hvis barnet ser mot eksperimentator plassere ET, hilse og la barnet vet hva gjøres mens du fortsetter å raskt plassere ET på barnets hode. Unngå flytter også langsomt mens plassere ET, som kan forårsake barn nød og kan føre til dårlig posisjonering som barnet har større mulighet til å flytte hodet eller nå for ET.
      2. For å redusere tidsbruk justere kameraet etter plassering, før du plasserer ET på deltakeren, kan du angi kameraer i sin etterlengtede posisjon når på barnets hode (se avsnittene 2.3.1 og 2.3.2).
3. Posisjon ET'S Scene og øye kameraer. Når ET er på barnets hode, justere plasseringen av scenen og øye kameraene mens overvåking kameraene video forer:
   1. Posisjon scenen kameraet lav på pannen til beste omtrentlig barnets synsfelt (se figur 1B); sentrum scene kameraet vise på hva barnet vil se på i løpet av studiet.
      1. Vær oppmerksom som hender og holdt objekter vil alltid være svært nær barnet og lav i scenen kameravisningen mens ytterligere objekter vil være i bakgrunnen og høyere i scenen kameravisningen. Plasser scenen kameraet beste fange visningstypen mest relevante problemstillingen.
      2. Test plasseringen av scenen kameraet ved å tiltrekke barnets oppmerksomhet til bestemte steder i deres synsfelt ved hjelp av en liten leketøy eller laser pekestokk. Kontroller disse stedene på den forventede viser avstand av regionene som vil være av interesse i løpet av studiet (se fig. 3).
      3. Unngå tilt kontrollerer at horisontale flater vises i scenen kameravisningen. Merke stående retning på scenen kameraet å redusere muligheten for kameraet får utilsiktet invertert under omplassering, men Merk at ekstra trinn under etterbehandling kan tilbakestille bildene til riktig retning om nødvendig.
   2. For å oppnå høy kvalitet blikket data, plasser øye kameraet for å oppdage både elev og hornhinnen refleksjon (CR) (se figur 2).
      1. Plasser øye kameraet så det er sentrert på barnets elev, med ingen okklusjon av kinnene eller øyevipper gjennom øyets hele spekteret av bevegelse (se figur 2C-F for eksempler på gode og dårlige øyet bilder). For å hjelpe med dette, plasser øye kameraet under øyet, i nærheten av kinnet og peker oppover, holder kameraet ut av sentrum av barnet. Alternativt, plasser øye kameraet nedenfor og til den ytre siden av øyet, peker innover.
      2. Kontroller at kameraet er nær nok til øyet at sin bevegelse produserer en relativt stor forskyvning av Eleven i øyet kamerabildet.
      3. Unngå tilt ved å kontrollere hjørnene av øyet i øyet bildet kan danne en horisontal linje (se figur 2C).
      4. Sikre at kontrasten i eleven versus iris er relativt høy slik at eleven kan skilles nøyaktig fra iris (se figur 2C). For å hjelpe med dette, justere enten plasseringen av LED-lys (Hvis siden øye kamera) eller avstanden øye kameraet fra øyet (Hvis LED ikke er uavhengig justerbare). For økt elev deteksjon, plasser LED-lys på skrå og ikke rett inn i øyet. Sørg for at noen justeringer smal avsats lyset fortsatt produsere en klar CR (se figur 2C).
4. Få poeng i løpet av studiet for frakoblet kalibrering.
   1. Når scene og øye bildene er like høy kvalitet som kan de, samle kalibrering data etter barnets oppmerksomheten til forskjellige steder i deres synsfelt.
      1. Få kalibrering poeng på ulike overflater med noe som tydelig leder barnets oppmerksomhet til et små, klare punkt i deres synsfelt (se fig. 3). For eksempel bruke en laserpeker mot en heldekkende bakgrunn, eller en overflate med liten uavhengig-aktivert lys.
      2. Begrense tilstedeværelsen av andre interessante mål i barnets brukes til å sikre at barnet ser på kalibrering mål.
   2. Veksle mellom trekke oppmerksomhet til forskjellige steder som krever stor kantete forskyvninger av øyet.
      1. Dekke synsfelt like og ikke flytte for fort mellom punkter, som vil hjelpe i å finne klart saccades fra barnet under frakoblet kalibrering for å antyde når de så til neste lokasjon.
      2. Hvis barnet ikke ser umiddelbart til den nye uthevede plasseringen, få deres oppmerksomhet til plasseringen av wiggling laser, slå på/av lysdioder eller berøre plasseringen med en finger.
      3. Hvis mulig, få flere kalibrering poeng enn nødvendig i tilfelle noen vise seg for å bli ubrukelig senere.
   3. Sørg for at barnet kroppens posisjon under kalibrering samsvarer med stillingen som skal brukes i løpet av studiet.
      1. For eksempel samle ikke kalibrering poeng når barnet sitter hvis det er forventet at barnet vil senere bli stående.
      2. At avstanden mellom barnet og kalibrering mål er lik avstanden mellom barnet og områder som vil være av interesse i løpet av studiet.
      3. Ikke plass kalibrering poeng nær barnets kropp hvis under eksperimentet barnet primært skal se på objekter som ligger lengre bort. Hvis man er interessert i både nært og fjernt objekter, kan du vurdere å skaffe to forskjellige sett med kalibrering poeng som kan senere brukes til å lage unike kalibreringer for hver leseavstand (se avsnitt 3.1 for mer informasjon).
         Merk: Kikkert øye sporing er en utvikler teknologi^13,14 som lover fremskritt i sporing blikk i dybden.
   4. For å imøtekomme for drift eller flytting av ET under studien, samle kalibrering poeng ved både begynnelsen og slutten av studien minimum. Hvis mulig, samle ekstra kalibrering poeng med jevne mellomrom under økten.
5. Overvåke ET og tredje-Person Video innmatinger i løpet av studiet.
   1. Hvis ET blir bumped eller feiljustert andre bevegelser/handlinger, ta note av når i studien dette skjedde fordi det kan være nødvendig å kalibrere og koden delene av studiet før og etter bump/misalignment separat (se avsnitt 3.1.1).
   2. Hvis mulig, avbryte studien etter hver bump/forskyvning flytte scene og øye kameraer (se avsnitt 2.3), og få nye punkter for kalibrering (se delen 2.4).

3. etter studien, kalibrere ET dataene med kalibreringsprogramvare.

Merk: En rekke programvarepakker for kalibrering er kommersielt tilgjengelig.

1. å opprette flere kalibreringer. Tilpasse kalibrering poeng til ulike video segmenter å maksimere nøyaktigheten av blikk sporet ved ikke mate algoritmen feil feil data.
   1. Hvis ET endret posisjon til enhver tid under studien, opprette separate kalibreringer for delene før og etter endringen i ET posisjon.
   2. Hvis interessert i oppmerksomhet til objekter på svært forskjellige viser avstander, opprette separate kalibreringer for delene av videoen der barnet er ute til objekter på hver leseavstand. Huske på at forskjeller i viser avstand kan opprettes av endringer i barnets visuelle oppmerksomhet mellom veldig nær og variere langt objekter, men også av endringer i barnets kroppens posisjon i forhold til et objekt, som skifter fra satt til stående.
2. Utføre hver kalibrering. Opprette tilordningen mellom scene og øyet ved å opprette en rekke kalibrering poeng - punkter i scenen bildet som barnets blikk var tydelig rettet under rammen. Merk at kalibreringsprogramvare kan ekstrapolere og interpolere poenget med blikket (POG) i rammene fra et sett med kalibrering poeng jevnt spredt over scenen bildet.
   1. Hjelpe kalibreringsprogramvare oppdage CR og elev i hvert øye kameraet video å sikre at de identifiserte POG er pålitelig. I tilfeller hvor programvaren finner CR pålitelig og konsekvent bruke elev bare (notatet, men datakvaliteten vil lide som resultat).
      1. Få frem et godt øye bilde i øye kameraet rammer ved å justere grensene for kalibreringen programvarens ulike oppdagelsen parametere, som kan omfatte: lysstyrke øye bildet, størrelsen på eleven programvaren forventer, og en markeringsramme som setter den grensene for der programmet vil se etter Eleven. Tegne markeringsrammen så liten som mulig samtidig som elevene fortsatt inne i boksen i øyets komplett utvalg av bevegelse. Vær oppmerksom på at en større markeringsramme for plass som elevene har aldri øker sannsynligheten for falske elev gjenkjenning og kan forårsake små bevegelser av eleven kan oppdages mindre nøyaktig.
      2. Vær oppmerksom på at selv etter justere programvaren ulike oppdagelsen terskler, kan programvaren noen ganger fortsatt feil finne elev eller CR; for eksempel hvis øyevipper dekker Eleven.
   2. Finne gode kalibrering poeng basert på scenen og øye kameraet bilder. Merk at den beste kalibrering poeng til programvaren er de der CR og elev er funnet, øyet er stabilt fikserte på et klart identifiserbare punkt i områder av scenen bildet og punktene er jevnt spredt over hele området av scenen bildet.
      1. Kontroller at elev gjenkjenning er nøyaktig for hver ramme som tegnes en kalibrering punkt, slik at både gyldig XY scenen koordinater og gyldig XY elev koordinater mates inn algoritmen.
      2. Under det første passet ved kalibrering, identifisere kalibrering poeng øyeblikk når barnet er helt klart ute til en forskjellig punkt i scenen bildet. Husk at disse kan være poeng forsettlig opprettet av eksperimentator under datainnsamling, for eksempel med en laserpeker (se Figur 3A-B), eller de kan være poeng fra studien der POG er lett identifiserbare (se Figur 3C), så lenge Eleven er funnet for disse rammene.
      3. For å finne øyeblikk av blikket til mer ekstreme XY scenen bildet koordinater, skanne gjennom øye kameraet delbildene å finne øyeblikk med nøyaktig elev oppdagelsen når barnets øyne er på sitt mest ekstreme x-og y-posisjon.
   3. Gjøre flere "pass" for hver kalibrering til iterativt hone inn på den mest nøyaktig kalibreringen mulig. Merk at etter en første "pass" på kalibrering, vil mange programmer tillater sletting av poeng tidligere uten å miste gjeldende spor (f.eks trådkors). Velg et nytt sett med kalibrering poeng å trene algoritmen fra scratch, men med ekstra hjelp av POG banen generert av forrige kalibrering pass, tillater en å gradvis øke kalibrering nøyaktighet med gradvis "rydde opp" støy eller unøyaktigheter introdusert av tidligere passerer.
3. Vurdere kvaliteten på kalibrering ved å observere hvor godt POG tilsvarer kjent blikket plasseringer, for eksempel punktene produsert av en laserpeker under kalibrering og reflekterer retning og omfanget av barnets saccades. Unngå å bruke poeng for å vurdere kalibrering kvalitet som ble også brukt som under kalibreringsprosessen.
   1. Husk at fordi hodet og øynene justeres vanligvis barn visuell oppmerksomhet er ofte rettet mot midten av scenen bildet og en nøyaktig bane reflektere dette. For å vurdere centeredness av sporet, plot frame-by-frame XY POG koordinatene i scenen bildet generert av kalibreringen (se Figur 4). Bekreft at punktene er mest tett i midten av scenen bildet og distribuert symmetrisk, unntatt i tilfeller hvor scenen kameraet ikke var sentrert på midten av barnets synsfelt når Opprinnelig plassert.
   2. Merk at noen kalibreringsprogramvare vil generere lineær og/eller homography passer score som gjenspeiler kalibrering nøyaktighet. Vær oppmerksom på at disse resultatene er nyttig til dels siden, hvis de er dårlig, sporet vil sannsynligvis også være dårlig. Men ikke bruk passer score som viktigste mål kalibrering nøyaktig som de reflekterer graden som valgte kalibrering poeng enig med seg selv, som gir ikke informasjon om passformen til poengene til bakken sannheten plasseringen av POG.
   3. Husk at det er øyeblikk i studien at målet for blikk er lett identifiserbare og derfor kan brukes som bakken sannheten. Beregne nøyaktigheten i grader av visuell vinkel ved å måle feil mellom kjent blikket mål og POG trådkorset (feil i bildepunkter fra videobildet kan lag konverteres til grader basert på objektivet kjennetegner scenen kameraet)⁴.

4. koden regioner av interesse (ROIs).

Merk: Avkastningen koding er evalueringen av POG data å bestemme hvilken region et barn er visuelt går til under et bestemt øyeblikk i tid. Avkastning kan være kodet med høy nøyaktighet og høy oppløsning fra frame-by-frame POG data. Utdataene fra denne kodingen er en strøm av datapunkter - ett poeng for hvert videobilde - angi regionen POG over tid (se figur 5et).

1. Før begynnelsen ROI koding, kompilere en liste over alle ROIs som skal være kodet basert på problemstillingene. Vær oppmerksom på at koding ROIs som ikke er nødvendig å svare forskningen spørsmål gjør koding unødvendig tidkrevende.
2. Prinsipper av Avkastningen koding.
   1. Husk at vellykket koding krever tilbakelevering coder's forutsetninger om hvor barnet skal ser, og i stedet undersøke nøye hver ramme øye bilde, scene bilde og beregnet POG. For eksempel, selv om et objekt blir holdt av barnet og er stor i scenen bildet for en bestemt ramme, ikke antyde at barnet ser på objektet i det øyeblikket mindre også indikert av posisjonen til øynene. Merk at ROIs indikerer hvilken region barnet er foveating, men ikke fange fullstendig visuell informasjon barnet tar i.
   2. Bruk øye avbildningen, scenen bildet og POG spor for å bestemme hvilken avkastning er å være visuelt utredet.
      1. Bruke POG sporet som en guide, ikke som bakken-sannheten. Men ideelt POG sporet tydelig angir den nøyaktige plasseringen stirret på av barnet for hver ramme, Vær oppmerksom på at dette ikke vil alltid være tilfelle på grunn av 2 dimensjonale (2D) natur av scenen bildet i forhold til 3D-natur virkeligheten sett av barna lek d og variasjon i kalibrering nøyaktigheten mellom deltakerne.
         1. Husk at beregnede POG sporet er estimert basert på en kalibrering algoritme og at påliteligheten av POG sporet for en bestemt ramme derfor avhenger av hvor godt CR og elev oppdages; Hvis én eller begge gjenkjennes ikke eller er feil, vil POG sporet ikke være pålitelig.
            Merk: Noen ganger trådkorset vil være konsekvent off-målet av en bestemt avstand. Nyere programvare kan en beregningsmessig korrigere dette avviket. Ellers kan utdannet forsker gjøre rettelsen manuelt.
      2. Bruk av Eleven i øyet bildet som den primære bunken som Avkastningen kan ha endret.
         1. Bla gjennom bilder enkeltvis ser øye bildet. Når det oppstår en synlig bevegelse av øyet, sjekk om barnet flytter sine POG en ny avkastning eller ingen definerte avkastning.
         2. Merk at ikke alle øyebevegelser indikere en endring i avkastning. Hvis Avkastningen utgjør et stort område plass (f.eks et opp nært objekt), huske på at små øyet bevegelse kan gjenspeile en se til en ny plassering innenfor samme Avkastningen. På samme måte, husk at øyebevegelser kan oppstå som barnet sporer en enkelt flytte avkastning, eller som et barn som beveger seg hodet flyttes øynene å opprettholde blikk på samme Avkastningen.
         3. Merk at med noen ETs øye bildet er et speilet bilde av barnets øyne, da hvis øyet flyttes til venstre som bør mot høyre i scenen.
   3. Fordi POG sporet fungerer kun som en guide, gjør bruk av tilgjengelige kontekstuell informasjon samt å veilede koding beslutninger.
      1. Integrer informasjon fra ulike kilder eller rammer når koding avkastning. Selv om Avkastningen er kodet separat for hver ramme, benytte rammer før og etter bilde til få kontekstavhengig informasjon som kan hjelpe bestemme riktig Avkastningen. For eksempel hvis POG sporet er fraværende eller feil for en gitt ramme på grunn av dårlig elev oppdaget, men øyet ikke flytte basert på foregående og etterfølgende bilder der eleven var funnet, så ignorere POG sporet for rammen og kode ROI ba SED på omkringliggende delbilder.
      2. Foreta avgjørelse bestemt brukernes forskning spørsmål.
         1. For eksempel gjøre en protokoll å kode avkastning når to ROIs ligger i umiddelbar nærhet til hverandre, da det kan være vanskelig å avgjøre hvilken som er "riktig" Avkastningen. I tilfeller der barnet synes å være fixating ved krysset mellom de to ROIs Bestem om å kode både ROIs samtidig eller om å formulere et sett med vedtak regler å velge og tilordne bare én av kategoriene avkastning.
         2. Flere eksempel når et objekt av interesse holdes slik at en hånd er skjule objektet, bestemme om å kode POG som en avkastning for hånd eller som en avkastning for holdt objektet.
3. Kode avkastning for pålitelighet. Implementere en pålitelighet koding prosedyren etter første Avkastningen koding protokollen er fullført. Det finnes mange forskjellige typer pålitelighet koding prosedyrer; velge den mest relevante prosedyren basert på spesifikke forskning spørsmål.

Representative Results

Metoden diskutert her ble brukt til en fri flyt leketøy spille sammenheng mellom småbarn og deres foreldre. Studien ble utformet å undersøke naturlig visuell oppmerksomhet i en rotete miljø. Dyads ble instruert til å spille fritt med et sett av 24 leker i seks minutter. Smårollinger visuell oppmerksomhet ble målt ved koding utbruddet og forskyvning av ser til bestemte områder av interesse (ROIs) - hver av de 24 lekene og foreldrenes ansikt - og ved å analysere varighet og andelen ser tid til hver avkastning. Resultatene er visualisert i figur 5.

Figur 5 En viser prøve Avkastningen bekker for to 18-måned gamle barn. Hver fargede blokk i bekkene representerer kontinuerlig rammer som barnet så på en bestemt avkastning. Øye-blikk dataene innhentet viser en rekke interessante egenskaper av naturlige visuell oppmerksomhet.

Først viser barna individuelle forskjeller i deres selektivitet for ulike delsett av leker. Figur 5 B viser andelen 6 minutters samspillet at hvert barn tilbrakte ser på hver av 10 valgte leketøy ROIs. Selv om totale andelen tid barnet 1 og 2 barn tilbrakte var ser på leker (inkludert alle 24 leketøy ROIs) noe lignende, 0,76 og 0.87, henholdsvis andelen tidsbruk på individuelle leker varierte sterkt, både innenfor og mellom fag.

Hvordan disse proporsjonene på jakt tid ble oppnådd også skilte seg over barn. Figur 5 Viser hvert barns betyr varighet ser hver av 10 valgte leketøy ROIs. Gjennomsnittlig varighet ser ut til alle 24 leketøy ROIs for barn 2 (M = 2,38 s, SD = 2,20 s) var nesten dobbelt så lenge som barn 1 (M = 1,20 s, SD = 0.78 s). Sammenligne ser mønstre til rød ladybug rangle (lilla barer) i figur 5B, C anskueliggjør hvorfor databehandling flere ser tiltak, som proporsjoner og varigheter ser, er viktig for en fullstendig forståelse av opplysningene; samme andelen ser til denne leketøy ble oppnådd for disse barna gjennom forskjellige antall ser andre varigheter.

En annen egenskap demonstrert av disse dataene er at begge barna sjelden sett til foreldrenes ansikt: proporsjonene til ansiktet ser for barn 1 og barn 2 var.015 og.003, henholdsvis. Videre varigheten av disse barna ser foreldrenes ansiktet var kort, gjennomsnittlig 0,79 s (SD = 0,39 s) og 0.40 s (SD = 0,04 s) for barn 1 og barn 2, henholdsvis.

Figur 1 . Hodemontert øye sporing ansatt i tre ulike sammenhenger: (A) tabletop leketøy spille, (B) leketøy spille på gulvet, og (C) lese en bildebok. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2 . Definere hode montert øye-sporing systemet. (A) forsker posisjonering en øye-sporing på spedbarn. (B) et godt posisjonert øye sporing på spedbarn. (C) godt øye bilde med store sentrert elev og fjerner hornhinnen refleksjon (CR). (D, E, F) Eksempler på dårlig øyet bilder. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3 . Tre måter å skaffe kalibrering poeng. To visninger av hvert øyeblikk er vist; topp: tredje-person view, bunn: barnets første-person visning. Piler i tredje person visning viser retning av en laserstråle. Innfelt bokser øverst til høyre på barnets visningen viser godt øye bilder på hvert øyeblikk kalibrering og rosa trådkorset angir poenget med blikket basert på fullført kalibreringen. (A) kalibrering poeng generert av kjent med en finger og laser pekestokk for å rette oppmerksomheten mot et objekt på gulvet. (B) kalibrering poeng generert av kjent ved hjelp av en laser pekestokk for å rette oppmerksomheten mot prikker på en overflate. (C) kalibrering tidspunkt under leketøy spille med en forelder som barnets oppmerksomhet er rettet mot et holdt objekt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4 . Eksempel tomter brukes til å vurdere kalibrering kvalitet. Enkeltpunkter representerer per-rammen XY poenget med blikket (POG) koordinater i kamerabildet scene etter kalibrering algoritmen. (A) god kalibrering kvalitet for et barn leketøy spill eksperiment, angitt av omtrentlig sirkulær tettheten av POG som er sentrert og lav (underordnet POG sendes vanligvis litt nedover når ser på leker barnet holder), og omtrent jevnt distribuert POG i gjenværende scenen kamerabildet. (B) dårlig kalibrering kvalitet, angitt av langstrakt og skrå tettheten av POG som er off-sentrert, og dårlig distribuert POG i gjenværende scenen kamerabildet. (C) dårlig kalibrering kvalitet og/eller dårlig første plassering av scenen kameraet, angitt av off-sentrert POG. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5 . To barn øye-blikk data og statistikk. (A) eksempel Avkastningen bekker for barn 1 og 2 barn under 60 s av samhandlingen. Hver fargede blokk i bekkene representerer kontinuerlig rammer som barnet så på en avkastning for en bestemt leketøy eller foreldrenes ansikt. Mellomrom representerer rammer som barnet ikke se på noen av ROIs. (B) andel av tiden ser på foreldrenes ansiktet og 10 leketøy ROIs, for både barn. Andelen var beregnet ved summering varighetene for alle ser ut til hver avkastning, og dele summerte varighetene ved totalt økt minutter. (C) at varigheten av ser foreldrenes ansikt og ti leketøy ROIs, for både barn. Gjennomsnittlig varighet ble beregnet ved å beregne varighetene for individuelle ser til hver avkastning under 6 minutters interaksjon. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Denne protokollen gir veiledende prinsipper og praktiske anbefalinger for å gjennomføre hode montert øye sporing med spedbarn og små barn. Denne protokollen var basert på studier av naturlige pjokk atferd i sammenheng med foreldre-pjokk fri lek med leker i et laboratorium. Internt øye-sporing utstyr og programvare ble brukt for kalibrering og data koding. Likevel er denne protokollen ment å være generelt gjelder for forskere ved hjelp av en rekke hode montert øye-sporing systemer for å studere en rekke emner i spedbarn- og barns utvikling. Om optimal bruk av denne protokollen vil innebære studie-spesifikke har skreddersøm, bruk disse generelle retningslinjer ført til vellykket bruk av denne protokollen i en rekke sammenhenger (se figur 1), inkludert de samtidig leder-montert øye sporing foreldre og småbarn^7,8,9,10og hode montert øye sporing av kliniske befolkningen inkludert barn med cochlear implantater¹⁵ og barn diagnosen autisme spektrum lidelser^16,17.

Denne protokollen gir mange fordeler for å undersøke utvikling av en rekke naturlige kompetanse og atferd. Friheten til hodet og kroppen bevegelse som leder-montert ETs tillate gir forskere mulighet til å fange både deltakernes Egengenererte visuelle omgivelser og aktiv leting av disse miljøene. Portabilitet av hode montert ETs forbedrer forskernes evne til å samle inn data i mer økologisk gyldig sammenhenger. På grunn av disse fordelene, denne metoden gir et alternativ til skjermen basert ser tid og øye-sporing metoder for å studere utvikling på tvers av domener som visuell oppmerksomhet, sosial oppmerksomhet og perseptuelle-motor integrering og utfyller og noen ganger utfordringer slutninger forskerne kan tegne med mer tradisjonelle eksperimentelle metoder. For eksempel protokollen beskrevet her øker muligheten for deltakere å vise individuelle forskjeller i ser atferd, fordi deltakerne har kontroll ikke bare over hvor og hvor lenge de fokusere sin visuelle oppmerksomhet i en scene, som i skjermbasert øye sporing, men også over sammensetningen av disse scenene gjennom deres øyne, hode, og kroppsbevegelser og fysiske manipulering av elementer i miljøet. To deltakernes dataene som presenteres her viser individuelle forskjeller i hvor lenge småbarn se og hva objekter småbarn prøve når de er kjøpedyktig aktivt opprette og utforske sine visuelle omgivelser. I tillegg foreslår dataene som presenteres her, så vel som annen forskning ansette denne protokollen, at i naturalistiske leketøy spille med foreldrene, småbarn ser foreldrenes ansiktet mye mindre enn foreslått av tidligere forskning^{4,5 ,7,8,9,10}.

Til tross for disse fordelene utgjør leder-montert øye sporing med spedbarn og småbarn en rekke metodiske utfordringer. Den viktigste utfordringen er å få en god kalibrering. Scenen bildet er bare en 2D representasjon av 3D-verden som faktisk ble sett, er en perfekt tilordning mellom øyet posisjon og stirrer scenen plassering umulig. Ved å følge retningslinjene gitt i denne protokollen, kan tilordningen bli pålitelig nær "bakken sannheten", men spesiell oppmerksomhet bør vies til flere problemer. Først bevegelsesfrihet hode og kropp som leder-montert øye sporing også betyr at unge deltakere vil ofte støte øye-sporing systemet tillater. Dette er et problem fordi noen endring i plassering av øyet i forhold til øyet eller scene kameraene vil endre tilordningen mellom elev/CR og de motsvarende bildepunktene i scenen bildet. Gjennomfører separat kalibreringer for disse delene av studien er derfor kritisk, som gjør det vil resultere i en algoritme som bare spor barnets blikket nøyaktig for en del av studien, hvis bare poeng i løpet av en del brukes til å kalibrere. Andre, nøyaktig påvisning av barnets elev og CR er avgjørende. Hvis et kalibrering poeng i scenen bildet tegnes mens Eleven er feil oppdaget eller ikke funnet, så algoritmen enten lærer å knytte denne kalibrering x-og y-koordinat i scenen bildet en feil elev x-og y-koordinat, eller algoritmen er matet tom data i tilfelle hvor eleven ikke oppdages på alle. Dermed, hvis godt oppdagelsen ikke er oppnådd for en del av studien, kalibrering kvalitet for disse rammene vil bli dårlig og bør ikke klareres for koding POG. Tredje, fordi hodet og øynene er vanligvis justert, visuell oppmerksomhet er ofte rettet mot midten av scenen bildet. Likevel er ekstreme XY kalibrering poeng i scenen bildet også nødvendig for å etablere en nøyaktig blikket spor over hele scenen bildet. Dermed, selv om kalibrering poeng bør vanligvis velges øyeblikk når øyet er stabilt på et objekt, kan dette ikke være mulig for kalibrering poeng i langt hjørner av scenen bildet. Til slutt, Vær oppmerksom på at selv når et godt øye bilde og systemet kalibrerer, dette ikke sikrer at dataene er av tilstrekkelig kvalitet for de tiltenkte analysene. Forskjeller i enkelte faktorer som øyet fysiologi, samt miljøfaktorer som belysning og forskjeller i øye-sporing maskinvare og programvare kan alle påvirke datakvalitet og har potensial til å opprette forskyvninger eller unøyaktigheter i dataene. ^{18 , 19} gir mer informasjon og mulige løsninger for slike spørsmål (se også Franchak 2017²⁰).

Arbeide med spedbarn og småbarn også innebærer utfordring å sikre toleranse av ET hode montert i hele økten. Ansette anbefalingene i denne protokollen, beregnet for bruk med spedbarn fra ca 9-24 måneders alder, hente et laboratorium høykvalitets hode montert øye-sporing data fra ca 70% av deltakerne²⁰. Den andre 30% av deltakerne kan heller ikke begynne studien på grunn av intoleranse av øye-sporing eller oppstyr av studiet før nok data (f.eks > 3-5 minutters spill) med et godt øye spor kan oppnås. For vellykket 70% av babyer og småbarn deltakere, kan disse øktene vanligvis siste for opp i 10 minutter, men mye lengre økter være umulig med dagens teknologi, avhengig av alderen på deltakerne og natur aktiviteten der deltakeren er engasjert. Når du utformer forskning oppgaven og miljø, bør forskere huske på utviklingsmessige statusen til deltakerne, motor evne, kognitiv evne og sosial utvikling inkludert trygghet rundt fremmede, kan alt deltakernes oppmerksomhet span og evne til å utføre den planlagte oppgaven. Ansette denne protokollen med spedbarn mye yngre enn 9 måneder vil også innebære flere praktiske utfordringer som propping opp barn som ikke ennå sitte på sin egen, samt vurdering av øyet morfologi og anatomi som kikkert ulikhet, som avviker fra det eldre barn og voksne^19,21. Dessuten, denne protokollen er mest vellykkede når utført av erfarne kvalifiserte forskere, som kan begrense omfanget av miljøer der data kan hentes. Mer praksis forskere har, jo mer sannsynlig de vil kunne gjennomføre eksperimentet jevnt og samle øye sporingsdata av høy kvalitet.

Hodemontert øye sporing kan også utgjøre den ekstra utfordringen relativt mer tidkrevende data koding. Dette er fordi, for å finne ROIs, leder-montert øye-sporing data er bedre kodet bilde for bilde enn av "fixations" av visuell oppmerksomhet. At er fixations vanligvis identifisert når graden av endring i frame-by-frame XY POG koordinatene er lav, tatt som en indikasjon på at øynene er stabile på et punkt. Men fordi visningen scene fra et hode montert øye bane beveger seg med deltakerens hodet og kroppsbevegelser, kan øyets stilling bare nøyaktig tilordnes en fysisk plassering blir foveated av vurderer hvordan øynene er bevegelige i forhold til hodet og kroppen bevegelser. For eksempel hvis en deltaker flytter hodet og øynene sammen, øynene bare kan XY POG koordinatene i scenen forblir uendret selv deltaker skanner et rom eller spor et objekt i bevegelse. Dermed kan "fixations" av visuell oppmerksomhet ikke enkelt og nøyaktig bestemmes fra bare POG dataene. For ytterligere informasjon om problemer forbundet med identifisere fixations i leder-montert øye sporing data, kan du se andre arbeid^15,22. Manuell koding data frame-by-frame for avkastning kan kreve ekstra tid i forhold til koding fixations. Som henvisning tok det høyt kvalifiserte programmerere mellom 5 og 10 minutter å manuelt koden for avkastning hvert minutt av dataene som presenteres her, som ble samlet inn for 30 rammens per andre. Tiden som kreves for koding er svært variabel og avhenger av kvaliteten på øyet spore data; størrelse, antall og visuelle discriminability av Avkastningen mål; opplevelsen av coder; og verktøyet.

Til tross for disse utfordringene kan denne protokollen fleksibelt tilpasses en rekke kontrollert og naturalistiske miljøer. Denne protokollen kan også integreres med andre teknologier, som bevegelse sporing og hjertefrekvens overvåking, for å gi høy tetthet flere dataset for å undersøke naturlige atferd, læring og utvikling enn tidligere mulig. Fortsatt fremskritt i leder-montert eye-tracking-teknologi vil utvilsomt lindre mange aktuelle utfordringer og gi enda større grenser for de problemstillinger som kan løses ved hjelp av denne metoden.

Materials

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