眼动仪的原理

眼动仪的原理
眼动仪的原理和
眼动实验法的发展历程
早在19世纪就有人通过考察人的眼球运动来研究人的心理活动，通过分析记录到的眼动数据来探讨眼动与人的心理活动的关系。

眼动仪的问世为心理学家利用眼动技术(eye movement technique)探索人在各种不同条件下的视觉信息加工机制，观察其与心理活动直接或间接奇妙而有趣的关系，提供了新的有效工具。

眼动技术先后经历了观察法，后像法，机械记录法，光学记录法，影像记录法等多种方法的演变。

眼动技术就是通过对眼动轨迹的记录从中提取诸如注视点，注视时间和次数，眼跳距离，瞳孔大小等数据，从而研究个体的内在认知过程。

20世纪60年代以来，随着摄像技术，红外技术(infrared technique)和微电子技术的飞速发展，特别是计算机技术的运用，推动了高精度眼动仪的研发，极大地促进了眼动研究在国际心理学及相关学科中的应用。

眼动心理学的研究已经成为当代心理学研究的一种有用范型。

眼睛是心灵的窗口，透过这个窗口我们可以探究人的许多心理活动的规律。

人类的信息加工在很大程度上依赖于视觉，来自外界的信息约有 80 %, 90 %是通过人的眼睛获得的。

因此对于 "人是如何看事物" 的科学研究一直没有间断对于眼球运动 ( 以下称眼动 ) 的研究被认为是视觉信息加过。

关于这一点，
工研究中最有效的手段。

研究表明眼动的各种模式一直与人的心理变化相关联。

近年来，一些精密地测量眼动规律的仪器(以下称眼动仪) 相继问世,为心理学的实验研究提供了新的有效的工具。

这使心理实验的客观性，科学性又向前迈进了重要的一步. 眼动的早期研
究有人认为可以一直追溯到古希腊。

但是实际上真正使用仪器设备对眼动进行观察和实验则是从中世纪才开始的。

一(眼动研究的历史开端及早期发展
中世纪早期，生理心理学作为一门特殊的实验科学出现了。

当时阿拉伯人改良了观察仪器，把数学和实验光学同解剖学结合起来，发展了视觉理论。

例如，他们把视知觉理论运用于视错觉的分析;对动物进行详细的眼睛解剖学的研究，以确定各种光折射中眼睛里介质的特性，把这些结果与从眼动的观察中获得的结果进行比较。

许多视觉实验方法和实验仪器也被迅速用于心理学研究。

如"速示":呈现色轮和视觉后象实验。

这一时期最有代表性的著作是 lbnal Hayt ham 的著作
《 Kitabal Manazir》这是第一部生理光学手册。

该书详细描述了眼睛的结构和视觉系统的解剖特点，并提出了中心视觉和边缘视觉的理论。

在眼动研究的历史开端，人类开始意识到眼运动的作用。

由于受当时哲学思想的影响，有些研究还存在唯心主义的倾向，研究结果有许多臆测成分，客观性和科学性都受到限制。

以上这些局限性到了十九世纪，很快就被新的方法所解决。

二(眼动实验方法的创新和发展
lbnal Hayt ham 发表著名的生理光学论文到 19 世纪，关于眼动的研究一直沉寂了 8,9 个世从纪。

直到 Charles Bell 和Johannes M ü 这两位现代生理学的奠基人发表了一系列专论眼动的论 ller 文才使这一领域重放异彩。

这些研究的出发点是企图对眼动特征进行精确的分析。

首先M ü lle 发现了视旋转，即眼球以视轴为中心的中央旋转。

后来 Hueck 对此进行了系统研究。

他试图揭示头部转向一侧的运动以补偿眼睛在相反方向上的旋转的规律。

Volkman 首先尝试对眼动的速度进行测量。

他还验证了眼睛水平运动比垂直运动的速度快，单眼运动比双睛运动得快。

在这些研究中最能表现研究者的创造精神和聪明才智的
就是眼动实验方法的不断创新。

而且一旦有了一种新的方法，很快就会推出一批新的研究成果。

眼动研究领域这种生动的动态景观一直延续到当代。

其中几种有代表性的眼动实验方法有:
(1)直接观察法
用肉眼直接观察被试的眼动情况，这是一种比较原始的眼动实验法。

实验时在被试的面前放一面镜子，主试站在被试后面，由镜子里观察被试的眼动。

后来又出现了一种窥视孔法，就是在被试阅读的材料中间穿一个直径为 0176cm 的小圆孔。

主试可以通过小孔观察被试管通达气鼓，气鼓与记录装置相联。

当眼动触动皮囊时，皮囊内部压力发生变化，从而使气鼓产生相应变化，再由记录装置将变化记录下来。

(2)后象法
利用闪光灯的高亮度闪光产生的视觉后象来研究人的眼动，是一些早期眼动研究常用的方法。

实验时，首先主试用强光使被试产生一个清晰的后象，这个后象可能是一个十字形，直线或小三角形。

然后让被试注视屏幕上的一点，并同时注意观察后象相对于这个注视点的运动情况。

由于后象是稳定在中央窝上的，后象静止的时候就是眼注视的时候 ; 由屏幕上看到的后象运动轨迹就反映了注视的转移情况。

已知眼与屏幕之间的距离及后象在屏幕上移动的距离，就可以粗略地计算出注视时眼动的角度。

观察法简便易行，可以在没有仪器的情况下使人了解眼动方面的知识。

但它只能对眼动进行比较粗略的研究，其结果不够精确。

因此，这一方法很快就被新的方法所取代。

(3)电流记录法
眼球运动可以产生生物电现象，角膜和网膜间存在一个电位差，角膜对网膜是带正电的。

当眼睛注视前方不动时，可以记录到稳定的基准电位。

眼睛在水平方向上运动时，眼睛左侧和右侧的皮肤之间的电位差会发生变化 ; 在垂直方向上
运动时，则眼睛的上下侧的电位会发生变化。

电位的变化由置于皮肤相应位置的电极导入放大器，由放大器的电流计显示出来或在示波器上显示。

也可由记录器在记录纸上描记电流变化的波形图。

这种方法可以记录到离开注视点 70? 的眼动，其精确度为 115? 2. 0? , 21212 气动方法在一个眼镜架上装设一个小橡皮囊，橡皮囊轻轻靠在眼睑上。

其开口处用橡皮这种方法是通过把眼睛与记录测验装置用机械传动方法联结起来实现的。

(4)机械记录法
机械记录法不会产生不舒适的感觉。

实验时被试可以通过环状物中间的圆孔看阅读的材料。

一个由火棉和玻璃制成的管状杠杆与铝质记录指针相联接。

这个指针对眼动可以作出灵敏的反应，并在记录纸上记录下来。

眼动的机械记录法装置复杂，调整起来很麻烦，其实验结果的准确性也较低。

机械记录法有三种类型 :
a.头部支点杠杆法用杠杆来传递眼球运动情况。

杠杆的支点固定在被试的头部，杠杆的光滑一端以轻微压力接触已被麻醉过的眼球表面(角膜)。

另一端在运动的纸带(记纹鼓) 上记下眼动轨迹模式曲线。

利用光学原理直接记录眼动，是眼动实验中历史最长，研究成果最多的方法。

它也是现代眼动仪中最主要的类型。

b.反光记录法这个方法首先是将一面小镜子附着在眼球上。

光线射到镜子上
又反射回来。

反射光线便随着眼球的运动而变化，将这一变化记录在记纹鼓
上，就可得到眼动的曲线。

采用反光 456 心 23 卷理科学第记录法的关键问题是如何把镜子附着在眼球上而又不影响被试的反应。

Marx ( 1911 ) 在实验中把镜子粘在光滑的铝制环状物上，再将环状物和镜子一起附着在角膜上。

Adler 直接把一个直径 3mm 的薄镜片附着在巩膜上。

Ratliff 和 Riggs ( 1950)
则让被试戴上一片接触镜片。

这是一个弧形小镜片，类似于现在的隐形眼镜。

实验时，把接触镜片放置在眼睑内部，扣在角膜上面。

接触镜片上贴上一面小镜子。

当被试发生眼动时，小镜子也随之运动，于是反射的光线便可在记纹鼓或照像底版上记录下眼动曲线
c.影视法影视法包括使用普通照像机或电影摄影机，电视摄相机拍摄眼动情况。

Dodge 和 Cline ( 1901) 首次使用照像机记录眼动。

他们用照像机拍摄了一系列眼动照片，通过分析这些照片来了解被试的眼动特点。

J udd和Steele 等( 1905 ) 在实验中对被试的眼睛和面部进行连续拍摄 ( 每秒钟拍摄 9 张照片)。

他们先在被试的角膜上用白颜料涂上一个小圆点。

实验时被试将头放在头部固定支架上，以防止头动对眼动的干扰。

支架上有两个小亮球，做为摄影的参照点。

由记录下参照点与角膜白点之间的相对位置关系的照片，来分析被试的眼动情况。

后来研究者在实验中使用电影摄影机和摄像机拍摄眼动的全过程情况，使记录效果更加精确和完整了。

Shackel ( 1960 ) 把一架摄像机安装在被试的头顶上，这样被试可以自由地观察任何方向的刺激景物。

在被试的一只眼睛旁边贴上电极，用眼电记录法记录眼动时的电位变化，并呈示在示波器上。

再用第二架电视摄像机把示波器的光点运动引入放映刺激景物的电视屏幕上。

于是屏幕上既有被观察的景物，又有代表眼动的光点运动轨迹。

(5)角膜反光法
角膜能反射落在它表面上的光，这就是角膜反光。

如果整个眼球是个标准的
球体随圆心自转，反光点是固定不动的。

但是角膜是从眼球表面凸出的，因此当眼球运动时光以变化的角度射到角膜，得到不同方向的反光。

这种变化是分析眼动特征的一种精确变量。

Dodge 和 Cline ( 1901) 是较早使用角膜反光法记录眼动的人。

他们让平行光照射在人的眼球上，再让由角膜反射出来的光进入摄影机，从而拍摄下反射光点运动的轨迹，这就是眼动轨迹。

他们曾用这种方法研究
了眼睛的注视，追踪和阅读时的运动。

后来 Johanson 和 Backlund 把依据角膜反光原理制成的眼动仪安装在被试的头上。

仪器重约 0168 公斤，被试不会产生不适的感觉。

由于该仪器允许被试在较大视角范围内注视，因此可以用于研究汽车驾驶员和飞行员的眼动间，平均瞳孔直径等。

这些性能在很大范围内满足了视觉认知研究的需要。

角膜反光法是一种重要的眼动记录方法。

这种方法最大的优点是被试的眼睛上可以不附加任何装置，使实验更加自然。

因此，许多眼动研究项目都采用这类眼动仪。

国际上不少生产厂商也大都用这种原理设计新的产品。

其中最有代表性的是90 年代美国 "应用科学实验室 ( ASL ) " 生产的 EVM 系列眼动仪。

这也是我国心理学研究领域和心理学教学领域从国外引进最早，数量最多的一种眼动仪，其中 EVM3200 型眼动仪的性能先进，使用方便，比较适合于心理学的眼动实验。

21414 EVM3200 眼动仪该仪器是由控制单元，光学头，场景摄
像机等部分组成的一个仪器系统。

控制单元包括仪器的主机和计算机，其功能是对被试的眼动资料进行记录，计算和数据加工处理。

光学头是仪器的输入端，包括两台摄像机和其它光学部件，它的功能是输入被试看物体时的眼动信息。

场景摄像机的功能是把被试视野中的图象输入主机显示在场景监视器上。

本机使用方法简单，可以在被试自然观察时记录其眼动资料，如一个特定区域的注视点数。

三(从方法的演变历史中看到的特点
第一，一些粗糙的眼动记录方法逐渐被淘汰。

机械记录法等比较原始的方法
发现了一些十分重要的眼动现象。

在眼动研究的历史上起到了不容忽视的作用。

但是，由于这些方法自身难以克服的弱点，随着眼动研究的不断深入，已逐渐被淘汰.
第二，眼动记录技术的原理不断更新，技术向多样化发展。

随着科学技术的
发展，人们一方面将原有的眼动记录技术不断改进，使之更精确，更方便，更快捷;
另一方面，不断地探索运用新原理的眼动记录方，如后来出现的电磁感应法，巩膜—虹膜反射法等新型眼动仪。

同时一些研究者还尽可能拓宽眼动仪的功能，使之既可以用于视觉的科学研究，也可用于临床医疗诊断。

第三，现代高科技手段广泛用于眼动记录技术，眼动仪发生了革命性的变化。

如 EVM3200 型眼动仪，使用了摄像技术，红外线定位技术，电子计算机技术，数据系统记录的容量大，速度快，精度高。

它每秒钟可记录 50 次眼动数据，一分钟记录 3000 个数据。

高科技技术在眼动仪中的应用，是眼动记录方法的一次革命。

第四，眼动仪的系统化，系列化设计。

眼动仪在心理学及其它领域的应用，刺激了许多厂商设计制造系统化的产品。

这些产品组合了具有各种技术性能的丰富的硬件和软件，使眼动仪能够适应各种领域的需要。

同时，由于眼动研究的不同层次，不同水平的要求，生产厂商不断推出技术水平不一，价格呈阶梯升降的产品。

如美国 ASL 公司提供了由简至繁的十几种产品。

第五，眼动记录技术的发展使眼动实验更趋生态化，被试几乎可以在完全不受仪器干扰的自然情况下接受刺激。

过去实验中对眼睛进行麻醉，并在眼睛上装置附加物的方法已被完全淘汰。

过去认为不可能进行的许多生态化要求很高的眼动实验现在也可以进行了。

眼动仪是继脑电仪、生理多导仪之后，用于心理学实验室的大型精密仪器。

它在人类的视觉认知研究领域，尤其在阅读研究中起到了重要的作用。

近年来，我国研究者在中文阅读和图形识别的研究中，使用眼动仪也取得令人瞩目的成果。

眼动仪给心理学研究带来了新的动力。

四(现代眼动仪
现代眼动仪的结构一般包括四个系统，即光学系统，瞳孔中心坐标提取系统，视景与瞳孔坐标迭加系统和图像与数据的记录分析系统。

眼动有三种基本方式:注视(fixation)，眼跳(saccades)和追随运动(pursuit movement)。

眼动可以反映视觉信息的选择模式，对于揭示认知加工的心理机制具有重要意义，从近年来发表
的研究报告看，利用眼动仪进行心理学研究常用的资料或参数主要包括:注视点轨迹图，眼动时间，眼跳方向(DIRECTION)的平均速度(AVERAGE VELOCITY) 时间和距离(或称幅度AMPLITUDE)，瞳孔(PUPIL)大小(面积或直径，单位象素(pixel)和眨眼(Blink)。

眼动的时空特征是视觉信息提取过程中的生理和行为表现，它与人的心理活动有着直接或间接的关系，这也是许多心理学家致力于眼动研究
的原因所在。