Head tracking

Mit Blickbewegungsregistrierung (Okulographie, auch Elektrookulografie (EOG) oder Eye Tracking) bezeichnet man das Aufzeichnen der hauptsächlich aus Fixationen (Punkte, die man genau betrachtet) und Sakkaden (schnellen Augenbewegungen) bestehenden Blickbewegungen einer Person.

Die Blickbewegungsregistrierung wird als wissenschaftliche Methode in den Neurowissenschaften, der Psychologie (u. a. Wahrnehmungs-, Kognitions- und Werbepsychologie), der Linguistik und der Leseforschung eingesetzt.

Geschichte

Bereits im 19. Jahrhundert wurden Augenbewegungen durch direkte Beobachtung erfasst. Einer der Ersten war der Franzose Émile Javal, der die Augenbewegungen beim Lesen beschrieb.^[1].

Mit der Erfindung der Filmkamera wurde es möglich, die direkte Beobachtung aufzuzeichnen und nachträglich zu analysieren. Dies erfolgte bereits 1905 durch Judd, McAllister und Steel ^[2].

Als eigentlicher Pionier der Blickregistrierung mit hoher Genauigkeit gilt der Russe A.L.Yarbus, der insbesondere den Einfluss der Aufgabenstellung auf die Blickbewegungen beim Betrachten von Bildern nachwies ^[3].

In den 1970er-Jahren wurden dann neue Verfahren entwickelt.

• Retinal-Nachbilder, durch eine Folge starker Lichtreize werden so genannte Nachbilder auf der Retina erzeugt, durch deren Position man die Augenbewegung schließen kann.
• Elektrookulogramme messen die elektrische Spannung zwischen Netzhaut (negativer Pol) und der Hornhaut (positiver Pol).
• Kontaktlinsenmethode, die verspiegelt sind und deren Reflexion von einer Kamera aufgezeichnet wird.
• search coil, bei der ebenfalls Kontaktlinsen eingesetzt werden, welche mit Spulen versehen sind und einem magnetischen Feld ausgesetzt werden. Aus der induzierten Spannung kann dann die Augenbewegung errechnet werden.
• Cornea Reflex Methode, welche die Reflexion einer oder mehrerer Lichtquellen (Infrarot oder spezielle Laser) auf der Hornhaut und die Pupillenposition zueinander nutzt. Das Augenbild wird mit einer geeigneten Kamera aufgenommen. Das Verfahren wird auch als „video based eye tracking“ bezeichnet.

Je nach Anwendungsgebiet, experimentellen Anforderungen und Systemeigenschaften unterscheidet man bei videobasierten Blickbewegungsmeßsystemen heute im Wesentlichen zwischen 4 Kategorien.

Aufzeichnungsgeräte

Einfache Direktaufzeichnungen

In einer Studie von Hunziker über Augenbewegungen beim Problemlösen (1970) wurde eine 8mm Filmkamera verwendet, um die Probanden durch ein Glas hindurch zu filmen. Die visuelle Denkaufgabe war auf dem Glas aufgezeichnet.^[4]

Vor dem Aufkommen von komplexen Aufzeichnungsgeräten wurden einfache Filmaufzeichnungen eingesetzt, die durch Auswertung der Einzelbilder die Analyse der Augenbewegungen in bestimmten Fällen ermöglichten. Sie konnten dort eingesetzt werden, wo es genügte, die Blickpunkte oben, unten, rechts, links und Mitte zu erfassen. Zudem hatten diese den Vorteil, dass auch die Handbewegungen und der Gesichtsausdruck gesehen werden konnten.

Überkopfsysteme

Überkopfsysteme, oder Head-mounted Eye Tracker erlauben in erster Linie Mobilität. Auswertungen und Analysen erfolgen im Wesentlichen individuell und anwenderzentriert. Eine ebenfalls am Kopfsystem befestige Szenenkamera zeichnet ein Video auf, das in der Regel dem Sichtfeld des Probanden entspricht. In diesem Video wird die Blickposition des Probanden eingespielt und erlaubt so online, aber auch in der Analyse offline, eine Verfolgung des Blickpfades während einer freien Betätigung des Probanden. Generalisierung über mehrere Probanden und Aufmerksamkeitsanalyse auf bestimmte Objekte lässt sich technisch über 3D/6D Positionserfassungssysteme (sog. Head Tracker)

Ferngesteuerte Systeme

Ferngesteuerte Systeme (Remote Eye Tracker) ermöglichen die Durchführung berührungsloser Messungen. Hierbei entfallen mechanische Bauteile wie Übertragungskabel oder Kinnstützen. Der Proband kann sich nach erfolgreicher Kalibrierung in einem gewissen Bewegungsradius frei bewegen. Ein bedeutender Aspekt liegt hierbei in der Kompensation der Kopfbewegungen. Eine Person kann einen Ort fixieren und dabei Kopfbewegungen durchführen, ohne den Fixationsort zu verlieren. Unterschiedliche Techniken werden dabei eingesetzt:

• Pan-Tilt-Systeme:

Mechanisch bewegliche Komponenten führen die Kamera mit Kameraoptik den Kopfbewegungen des Probanden nach. Aktuelle Systeme erreichen dabei Messraten von bis zu 120Hz.

• Tilting-Mirror-Systeme:

Während Kamera und Optik raumfest bleiben erlauben servogetriebene Spiegel ein Nachverfolgen des Auges bei Kopfbewegungen.

• Fixed-Camera-Systeme:

Diese Systeme verzichten auf jegliche mechanisch bewegliche Komponenten und erzielen den Bewegungsfreiraum mittels Bildverarbeitungsmethoden.

Anwendungsgebiete

Unterschiede der Augenbewegungen (Fixationen) zwischen einem geübten und einem ungeübten Autofahrer ^[5]

Medizin

Die Laserbehandlung bei Fehlsichtigkeiten verdankt Ihren Erfolg u.a. dem Einsatz von Eye Trackern, welche sicherstellen, dass der Laser die Hornhaut an der geplanten Stelle behandelt und Augenbewegungen überwacht werden. Gegebenenfalls wird der Laser nachgeführt - oder aber abgeschaltet bis das Auge wieder die richtige Position hat. Andere Systeme werden in den Bereichen Neurologie, Gleichgewichtsforschung, Okulomotorik und Augenfehlstellungen eingesetzt.

Neurowissenschaften

Eye Tracker werden als Vergleichssysteme bei funktioneller Bildgebung in Kernspintomographen (fMRI), bei Studien mit Magnetoenzephalographie-Geräten (MEG), oder Elektroenzephalografie (EEG)-Systemen eingesetzt.

Psychologie

• Bildwahrnehmung
• Analyse von Lesevorgängen ^[6]

• Analyse von Lernfortschritten (Trainingsanalyse)

Marktforschung

• Packungsdesign
• Point-Of-Sale

Medienforschung

Mensch-Maschine-Interaktion

• Computersteuerungen für körperlich beeinträchtigte Menschen durch eine Augenmaus. Meist repräsentiert dabei der Cursorpunkt den Blickpunkt. Eine Interaktion wird im Allgemeinen durch eine Fixation auf ein Objekt ausgelöst.

Quellenangaben

1. ↑ Huey, E.B. (1968). The psychology and pedagogy of reading. Cambridge, MA: MIT Press.
2. ↑ zit. in: Hunziker, H.-W. Im Auge des Lesers, transmedia Verlag Stäubli AG, Zürich 2006
3. ↑ Yarbus, A. L. Eye Movements and Vision. Plenum. New York. 1967 (Russische Originalausgabe 1962)
4. ↑ Hunziker, H. W.: Visuelle Informationsaufnahme und Intelligenz: Eine Untersuchung über die Augenfixationen beim Problemlösen. In: Schweizerische Zeitschrift für Psychologie und ihre Anwendungen. 1970, 29, Nr 1/2
5. ↑ Hans-Werner Hunziker, (2006) Im Auge des Lesers: foveale und periphere Wahrnehmung - vom Buchstabieren zur Lesefreude, Transmedia Stäubli Verlag Zürich 2006 ISBN 978-3-7266-0068-6 (Seite 67) (Nach Daten von Cohen, A. S. (1983). Informationsaufnahme beim Befahren von Kurven, Psychologie für die Praxis 2/83, Bulletin der Schweizerischen Stiftung für Angewandte Psychologie)
6. ↑ Bulling, A. et al.: Robust Recognition of Reading Activity in Transit Using Wearable Electrooculography, Proc. of the 6th International Conference on Pervasive Computing (Pervasive 2008), pp. 19-37, Sydney, Australia, May 2008.

Literatur

• Andrew Duchowski: Eye Tracking Methodology - Theory and Practice, Second Edition, Springer, London 2007, ISBN 978-1-84628-608-7
• Alan Dix; Finlay, Janet; Abowd, Gregory; Beale, Russell: Mensch Maschine Methodik. Prentice Hall, München 1995. ISBN 3930436108

Weblinks

• Videofilm einer Blickbewegungsregistrierung
• EyeTracking-Analysen
• openEyes, OpenSource-Eyetracking
• Artikel über das Eyetracking auf e-teaching.org
• Eye-Tracking / Blickregistrierung - anschaulicher Artikel über die Online-Blickregistrierung in der Anzeigenmarktforschung
• Artikel zur Werbewirkungsmessung durch Eye-Tracking