眼动仪的采样率

眼动仪 眼动追踪技术 眼动

本文介绍了眼动仪采样率的概念及其对眼动追踪数据采集带来的影响。

一台眼动追踪设备的采样频率是指眼动仪每秒采集眼球图像的次数。当眼球运动时,眼动仪的采样频率越高,则获得的眼动行为信息就越丰富。然而,更高采样率往往意味着使用成本更高的传感器,更多的光源,潜在数据噪声等级的上升以及数据库体积的增加。因此,在决定使用多少采样率开展您的研究之前,首先要确定您的具体需求。我们希望这篇文章能为您提供足够多的信息,帮您做出合适的选择。

采样率图解

Sampling frequency of eye movements

图1. 图中的横向眼动体现出注视-眼跳-注视的顺序。黑线代表随时间推移的视线真实运动路径。垂直的线条代表眼动仪采集到的不同时刻的眼部图像以及眼球位置和注视点位置的估算值(如,一个样本)。

我们以上图的眼动为例。如果我们只看横向眼动,首先出现一个注视点,接着是一个眼跳,然后是另外一个注视点。这些行为可以被达到某个采样频率的眼动仪捕捉下来(图中蓝色),也可以被双倍于该采样率的眼动仪捕捉到(图中红色)。你肯定也注意到了每个样本之间的间隔,即采样间隔更短。如果一台眼动仪的采样率是60 Hz,那么采样间隔就是16.67毫秒(ms),如果采样率翻倍至120 Hz,采样率间隔就缩短至8.33 ms。如果你的眼动仪采样率为600 Hz或甚至达到1200 Hz, 那么采样间隔则分别能达到1.67 ms或0.83 ms。

如果使用这两种采样率来重建原始波形 (眼动路径),得到的结果则不完全相似 (见下方图2和图3)。如果我们按重建后的波形图来判断,蓝色的采样率更稀疏,波形图体现出的情形是两点间的眼跳行为是偶发性的。而另一张波形图则揭示出眼跳过程中的细微差别。虽然这个眼跳行为时长足以被低采样率眼动仪捕捉到,但如果是非常小的眼跳行为或一些采样率更低的眼动仪则无法有效记录这些行为。

Sampling frequency of eye movements

图 2。与图1相同的横向眼动,顺序为注视-眼跳-注视。此图中的黑线代表低采样率眼动仪对眼动路径的预判。垂直的线条代表眼动仪采集一张眼部图像的不同时间点以及对眼球位置和视线位置(例如,一个样本)的预判。

Sampling frequency of eye movements

图3. 与图1相同的横向眼动,顺序为注视-眼跳-注视。此图中黑线代表高采样率眼动仪对眼动路径的预估。垂直的线条代表眼动仪采集眼部图像并预估眼球位置和视线位置(例如一个样本)的不同时间点。

采样频率的实际影响

Sampling frequency & eye movements

如果你有兴趣了解眼动行为本身的特征,一台高采样率(低噪声等级)的眼动仪可以有效完成微眼跳或其他基于注视的眼动行为,亦或是对诸如post-saccadic oscillations现象或对眼跳细节展开研究(例如, Juhola, Jäntti, & Pyykkö, 1985)。对大多数研究人员来说,最重要的以最低的不确定性在一次注视或一次眼跳开始和停止时将原始眼动样本有效地转换为注视和眼跳。换句话说,就是以更低的噪声等级对眼动行为进行有效测量,例如注视时间,首次进入时间等等。


根据Andersson, Nyström & Holmqvist (2010)的一项延迟测量(基于一个给定点和一个采样点)与持续时间测量(基于两个采样点)的研究。延迟测量,以首次注视到目标所用的时间为例。这种时间区间必须具有一个开始点和一个结束点。开始点由计算机或具备足够高采样率(高至采样误差可以忽略)的眼动仪时钟给出。结束点由注视点的开始时间确定,即由注视点过滤器及其算法确定。当“真正的”注视点开始时,它一定包含于一个采样周期内的某个点,但它也可能比视线位置被采样提前一点点(随后位置立刻被捕捉到),或延后一点点(且我们必须等到下一个样本被采集)。如果眼睛数据按注视行为的开始来看,这种采样误差几乎趋近于零,但如果按上述第二种情况来看,这种误差则可能大至一个采样周期。但平均来看,这种误差应该在一个采样周期的一半,因此,对一台60 Hz的眼动仪来说,此误差即为(1000/60)/2 = 8.33 ms, 采样误差最小为0,最大为16.67 ms。因此即使一名被试者发生了几次延迟相近的首次注视事件,60 Hz的眼动仪采样的延迟也可能高达16.67 ms并将该范围的噪声带到你的数据分析中。 这也意味着在平均半个采样间隔的持续时间内,您的延迟测量值将稍微高于预估值。


对于时间的测量,例如注视持续时间,事件的开始和结束点都可能存在误差,因为这两个端都是由眼动仪采样的。在较好的情况下,即多预估了注视点的开始时间,并且多预估了注视点的结束时间,那么这两个错误可能会相互抵消,因此您可以获得真实的注视点持续时间。所以,一般来说,您的测量结果没有偏差。然而,您现在在测量的开始和结束时都产生了误差,因此可能会低估一个采样间隔的持续时间,并且会高估一个采样间隔。这意味着对一台60 Hz的眼动仪来说,采样误差以零为中心,噪声范围介于 -16.67 ms 到 +16.67 ms。

实际上,这种采样误差会转化为分析中的噪声和不确定性,使得获得有价值的数据或可信度水平高的结果变得更加困难。那么我们怎样做才能减少由此带来的影响呢?最简单的方法是使用采样率足够高的眼动仪来开展研究。如果您正在研究短促和嘈杂的现象,那么拥有高采样率是很重要的,但是如果这种现象在实验条件和水平较低的其他噪声类型之间表现出很大差异,那么低采样率的眼动仪也能胜任。眼动仪的采样间隔应该是事件持续时间的一半,这是一个很好的经验法则。如果你想把数据的不确定因素降低但又不用更快的眼动仪,那么可能需要采集额外的数据来补偿这种不确定因素。根据经验法则(Andersson,Nyström&Holmqvist,2010),将收集的观测量增加四倍,相当于将采样率加倍。

采样率与Gaze Contingency研究

在Gaze-Contingent研究中,屏幕呈现的内容是由当前的视线位置决定的, 此类研究对眼动仪采集眼睛图像的速度平没有上限要求。然而,在此类研究中并不是采样率越高越好。为了及时捕捉视线跨过屏幕的某些边界或在某个目标周围出现的某次眼跳行为而使用高采样率设备,你必须要足够早地做出判断,因为根据视线位置而做出的屏幕刺激变化也要很及时,甚至是在短暂眼跳的过程中,因此就导致了被试者有可能注意不到屏幕刺激物的变化。这就意味着采集眼睛图像的速度越快,侦测到眼跳并更改屏幕刺激物的时间就越长。对于Gaze-Contingent研究而言,考察刺激物在屏幕上呈现的时间精度以及眼动仪采集眼动数据的精确度等其他与精度相关的问题就变得同样重要。

采样率与瞳孔大小数据

瞳孔的反应速度通常比较缓慢,这也意味着采集此类数据的采样率不需要很高。1-2 Hz的节奏性虹膜震颤运动可以被任何拍摄眼睛图像的设备有效检测到。此外由于心理负荷变化引起的瞳孔大小波动也是可以秒计算的缓慢反应(Klingner, Kumar, Hanrahan, 2008)。

与其他传感器同步

当与其他传感器尤其是皮肤电(EDA;称为皮肤电反应-GSR),肌电图(EMG),心电图(ECG)和呼吸传感器同步时,由于这些设备的采样率差异,采集到的数据样本密度是不同的。如果您的目的是将各数据流的采样率统一,可采用多种标准的方法进行采样率转换(请参阅Wikipedia:采样率转换),取决于您在信号处理方面的知识与能力。

在Tobii Pro Lab软件中,可以直接添加部分传感器,例如Shimmer GSR设备。 Pro Lab会照顾到采样率的差异,并将眼动数据与传感器数据同步到相同的时间轴上。

参考文献与推荐阅读材料

Andersson, R., Nyström, M., & Holmqvist, K. (2010). Sampling frequency and eye-tracking measures: how speed affects durations, latencies, and more. Journal of Eye Movement Research, 3(3). doi:http://dx.doi.org/10.16910/jemr.3.3.6

Klingner, J., Kumar, R., & Hanrahan, P. (2008, March). Measuring the task-evoked pupillary response with a remote eye tracker. In Proceedings of the 2008 symposium on Eye tracking research & applications (pp. 69-72). ACM.

Juhola, M., Jäntti, V., & Pyykkö, I. (1985). Effect of sampling frequencies on computation of the maximum velocity of saccadic eye movements. Biological Cybernetics, 53(2), 67-72.

Sample-rate conversion (n.d.). In Wikipedia. Retrieved February 21, 2018, from https://en.wikipedia.org/wiki/Sample-rate_conversion

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