아이트래커 샘플링 레이트

Eye tracker Eye tracking technique Eye movement

이 페이지에서는 아이트래커의 샘플링 레이트가 데이터에 끼치는 영향에 관해 설명하겠습니다.

샘플링 레이트는 아이트래커가 1초당 취득하는 데이터의 수를 의미합니다. 샘플링 레이트가 높을수록 눈이 움직인 경로를 정확하게 산출하는 능력이 높아집니다만, 방대한 데이터의 처리나 아이트레킹 카메라의 성능 등에 따라 PC의 부하도 커집니다.

샘플링 레이트를 정하기 전에 자신의 연구에 필요한 샘플링 레이트를 이해하는 것이 중요합니다.

Sampling frequency illustrated

Sampling frequency of eye movements

도면 1  시간 경과에 따른 실제 시선의 움직임을 수평으로 나타낸 도면입니다. 수직의 선은 아이트래커가 눈의 이미지를 취득하고 시점을 산출한 타이밍을 나타냅니다.

 

도면1의 움직임에 대해 생각해 보겠습니다. 시선의 정류(Fixation)가 있고, 단속적 운동(Saccade, 새카드) 다음에 다시 정류가 있습니다. 파란색으로 하이라이트 된 점의 타이밍에 시선을 취득하는 것과 그 2배인 모든 수직선의 타이밍에 시선을 취득하는 것을 비교하면, 간격이 짧은 쪽이 실제 눈 움직임에 더 가까운 시선을 검출할 가능성이 커집니다. 사용하는 아이트래커의 샘플링 레이트가 60Hz라면 샘플링의 간격은 16.67ms입니다. 샘플링 레이트가 2배인 120Hz일 경우 샘플링의 간격은 1/2인 8.33ms가 됩니다. 600Hz, 1200Hz인 경우, 각각 1.67ms, 0.83ms입니다.

 

2가지 샘플링 레이트로 취득한 시점으로 시선의 이동 경로를 재구축하는 경우, 완전히 같은 결과가 되지는 않습니다. (도면2 및 도면 3 참조)

재구축된 시선의 이동 경로만으로 판단하면 도면 2에서는 단속적 운동이 매우 직선적인 인상을 받습니다만, 샘플링 레이트가 2배인 도면 3에서는 실제 움직임에 가까워집니다.

Sampling frequency of eye movements

도면 2  도면 1과 같이 시간 경과에 따른 수평축의 시선 이동입니다. 낮은 샘플링 레이트로 취득한 시점으로 작성한 시선이동의 추정 경로입니다. 수직의 선은 아이트래커가 눈 이미지를 취득하고 시선을 산출하는 타이밍을 표시합니다.

Sampling frequency of eye movements

도면 3  도면 1과 같이 시간 경과에 따른 수평축의 시선 이동입니다. 높은 샘플링 레이트로 취득한 시점으로 작성한 시선이동의 추정 경로입니다. 수직의 선은 아이트래커가 눈 이미지를 취득하고 시선을 산출하는 타이밍을 표시합니다.

눈 운동의 종류와 측정에 필요한 샘플링 레이트

Sampling frequency & eye movements

마이크로 새카드(Microsaccade)나 기타 정류(Fixation)에 관한 눈 운동, 새카드 후의 진동 등, 눈 운동 자체의 특성을 연구하는 경우(예:Juhola, Jäntti, & Pyykkö, 1985) 높은 샘플링 레이트이며 노이즈가 적은 아이트래커가 필요합니다.

정류나 새카드의 시작과 종료의 타이밍을 정확하게 계측할 수 있으므로, 정류 중이나 Time to First Fixation(대상에 정류가 생길 때까지 걸린 시간)등의 매트릭스 해석에 있어 고품질 데이터에 의한 해석이 가능합니다.

 

Andersson、Nyström、Holmqvist(2010)의 연구에서는 반응시간과 2개의 샘플링 간의 시간에 대해 구별합니다.

반응시간의 측정은, 예를 들어 대상에 대한 첫 정류의 시간이라고 할 수 있습니다. 이것에는 시작점과 종료점이 필요합니다. 시작점은 오차에 의한 영향이 적은 샘플링 레이트의 아이트래커가 판단하고, 종료점은 정류 필터의 계산에 의해 결정됩니다. 실제 정류의 시작 타이밍은 샘플링 레이트의 간격 사이에 있거나 샘플링 타이밍보다 빠르거나 느릴 가능성이 있습니다. 직전이라면 금방 검출이 되어 오차는 0에 가까워집니다만, 직후면 다음 샘플링 타이밍까지 기다릴 필요가 있어, 이 오차는 샘플링 간격과 가까워집니다. 60Hz의 아이트래커라면 최소 오차와 최대 오차는 각각 0ms와 16.67ms이며 평균은 샘플링 간격의 반인 8.33ms입니다.

따라서 피험자가 같은 타이밍에 대상에 반응했다고 하더라도 60Hz 아이트래커의 경우 반응시간은 최대 16.67ms의 변동 폭을 가지며, 분석 시에 그 노이즈를 검토할 필요가 있습니다. (측정 시간보다 조금 더 길어집니다.)

 

정류 시간의 산출 시에는 시작과 종료 양쪽에 샘플링 레이트에 의한 오차가 발생합니다만, 시작과 종료 양쪽의 오차를 더하면 0이 되므로 정확한 정류 시간의 산출이 가능합니다. 하지만 정류의 시작과 종료의 타이밍에는 오차가 발생합니다. 이는 노이즈의 범위가 -16.67ms에서 +16.67ms라는 것을 뜻합니다.

 

이러한 오차는 해석상의 노이즈나 불확실성을 초래하며 통계적인 유의미성 및 데이터의 신뢰도를 낮추는 원인이 됩니다. 가장 간단한 해결법은 적당히 높은 샘플링 레이트의 아이트래커로 데이터를 측정하는 것입니다. 노이즈 레벨이 낮은 실험환경에서는 샘플링 레이트가 낮은 아이트래커로도 측정이 가능한 경우도 있습니다만, 일반적으로는 샘플링 레이트가 조사하고 싶은 대상의 지속시간의 50%일 필요가 있습니다. 샘플링 레이트가 높은 아이트래커를 사용하지 않고, 데이터의 불확실성을 낮추고 싶은 경우, 측정 횟수를 늘려서 데이터양을 늘이는 방법도 있습니다.

 

Andersson, Nyström & Holmqvist, (2010)의 연구에 따르면, 샘플 수를 4배로 하면, 샘플링 레이트를 2배로 한 것에 상당합니다.

샘플링 레이트와 Gaze Contingency

연구에서는 샘플링 레이트가 높은 아이트래커가 적합합니다.

피험자가 인식하지 못하는 타이밍에 화면상의 정보를 변경하기 위해서는 시선을 빠른 속도로 샘플링 하고, 화면상의 특정한 영역을 시선이 지나산 순간이나 대상으로 새카드가 발생한 순간을 즉각적으로 검출할 수 있으면 새카드 중 화면상의 정보 변경에 필요한 시간적 여유가 생깁니다.

이처럼 Gaze Contingency에서는 화면상의 시각 제시 등의 타이밍이나 아이트래커의 시선 데이터의 정확도가 중요합니다.

하지만 샘플링 레이트가 높으면 높을수록 데이터의 처리에 걸리는 시간이나 부하를 고려할 필요가 있습니다.

샘플링 레이트와 동공 직경 데이터

동공 직경의 반응은 빠르지 않으므로 샘플링 레이트를 높일 필요는 없습니다. 예를 들어 힙쓰(Hippus)라고 불리는 율동적인 눈 운동은 1초에 1~2회 발생하므로 눈을 촬영할 수 있는 기기면 대부분 검출이 가능합니다. 또한 정신적 작업량(Mental Workload)의 변화에 의해 발생하는 동공 직경의 변화도 몇 초 후에 발생합니다.

(Klingner, Kumar, Hanrahan, 2008)

다른 센서와 동기화

EDA(electrodermal activity), GSR(galvanic skin response), EMG(electromyography), ECG(electrocardiography), 호흡(respiration) 등의 다른 센서와 동기화하는 경우, 각 센서의 샘플링 레이트가 다른 경우가 있습니다. 데이터를 공통된 샘플링 레이트로 동기화하는 것이 목적인 경우, 표준적인 수법도 있습니다. (Wikipedia에서 Sample-rate conversion을 검색)

 

Tobii Pro Lab에서는 Shimmer사의 GSR등의 다른 센서를 같은 소프트웨어 안에 추가하여 기록하는 것이 가능하며, 다양한 샘플링 레이트를 처리하고, 공통된 타임라인에 기록됩니다.

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