ASL-D6眼动仪刺激呈现与数据收集的功能扩展研究_呈现一个厌恶刺激

　　摘 要：眼动仪是教育与心理研究中开展眼动实验所常用的一种高端设备。以ASL-D6眼动仪为例，分析了眼动实验在刺激呈现和数据收集中遇到的瓶颈问题，阐述了利用E-Prime实验程序开发软件解决该问题的原理和方法。
　　关键词：ASL-D6眼动仪；教育与心理实验；眼动；E-Prime
　　Function expansion of stimulus presentation and data collected of ASL-D6 Eye-tracking
　　He Liguo1,2 Gao Qiufeng1
　　1. Shenzhen university, Shenzhen, 518060, China 2. Shaanxi normal university, Xian, 710062, China
　　Abstract: Eye-tracking is a high-end equipment used in educational and psychological research. Based on ASL-D6 Eye-tracking, the bottleneck of stimulus presentation and data collection is analyzed, and the principle and method using E-Prime software to solve the problem is described.
　　Key words: ASL-D6 Eye-tracking; educational and psychological experiment; eye movement; E-Prime
　　
　　D6眼动仪是美国应用科学实验室(Applied Science Laboratory, ASL)Eye-tracking系列产品中最新、功能最强的桌面式远程眼睛跟踪设备，能够快速、准确地跟踪被试眼睛注视点的位置，由于不用戴头盔，检测速度快，非常适合各年龄段人群，特别是婴儿、儿童和老年人，在阅读与语言认知、图像的知觉加工、表象加工和用户对产品的认知等教育和应用心理研究领域都得到广泛使用。但根据笔者的经验，用户在开展相关的研究时往往会陷入一种实验所需的刺激复杂化呈现与眼动数据同步化收集的两难选择，究其原因是该眼动仪在实验刺激呈现上的低效能。如何实现ASL-D6眼动仪对复杂实验刺激的呈现并对眼动进行同步记录，是提升该眼动仪使用水平，充分满足教育与心理研究复杂化要求的重要保证。
　　
　　1 ASL-D6眼动仪的工作原理
　　
　　通过系统考察人的眼球运动来研究人的心理活动开始于19世纪[1]。经过一百多年的发展，记录眼动的技术从简单的观察法发展到了电磁感应法，其中使用最广的是角膜反射法[2]。ASL-D6眼动仪就是使用角膜反射法原理，通过亮瞳孔技术，应用特制的红外摄像头来捕捉眼球的运动。眼动仪工作时，通过加工来自红外线瞳孔摄像机的眼睛视频信息，来识别和确定瞳孔中心和角膜反射点之间的距离变化。眼球的运动受3对眼肌的控制，每对眼肌控制眼球在一个平面上转动。眼球运动的范围约为18度，根据眼球运动特质，可分为3种基本的类型：注视、眼跳和追随运动。
　　ASL-D6眼动仪由以下部件组成：Model 6000眼动追踪系统控制单元、遥测式光学模块、2台视频监视器和相关的连接电缆。相关的连接电缆是指将Model 6000控制单元与微型计算机、遥测式光学模块和2台监视器相连接的电缆。该眼动仪可实现对数据的实时记录，生态学效度较高。遥测式光学模块通过模型6000眼动追踪系统控制单元与监视器相连。微型计算机与模型6000眼动追踪系统控制单元相连，实现对数据的记录和输出。实验时，系统的光学模块固定在桌面上，被试者只需坐在镜头前1米左右处，且允许头部在大约1平方英尺的范围内运动，观看放在镜头上方的视频监视器所播放的画面，ASL-D6镜头可以快速、准确地跟踪被试的眼睛，并记录下眼球运动轨迹，采样频率有60Hz，120Hz和240Hz三种，研究者可以根据实验要求自行选择。
　　
　　2 ASL-D6眼动仪在刺激呈现与数据收集上的缺陷
　　
　　ASL-D6眼动仪工作时一般与2台计算机相连。一台用来呈现实验程序刺激，另一台是眼动仪工作平台，用来执行注视点校准等命令和收集、处理数据[3]。由于实验刺激的呈现和眼动行为的记录分别由2套独立的计算机系统完成，所以眼动实验对眼动行为的数据记录和实验刺激在空间与时间上的一致性匹配要求非常高，这也是最容易产生实验误差的地方。传统的做法有两种：一是眼动仪何时开始记录数据由主试通过观察实验刺激呈现的时间进程有选择地进行，这种方法由于人操作的个体差异和注意的稳定性等原因，通常会产生较大的误差；二是眼动仪的数据记录与实验刺激呈现由计算机系统自动完成，以达到刺激呈现与眼动记录的高度同步，这种方法精度高、误差小，但必须编写专门的计算程序，对一般的教育与心理研究者而言，操作难度很大，不利于普及和推广。
　　针对这两种方法的缺陷，ASL-D6专门定制了第三方软件―Gaze Tracker。Gaze Tracker是集刺激呈现、数据同步收集、数据分析于一体的软件。以该软件为媒介进行刺激呈现来开展眼动研究，可通过软件本身的数据输出功能直接导出眼动轨迹图、眼动时间、眼动的方向和距离、瞳孔大小等各种眼动指标，非常快捷方便，轻松达到了实验刺激呈现与眼动记录的同步和精确要求。但Gaze Tracker有一个主要缺点，就是在实验刺激呈现方面功能较简单，只能实现单一的图片连续呈现或观看简单视频和网页，对稍复杂的研究设计方案则无法实现。例如，一般心理学实验在正式实验开始之前都会有练习阶段，为了防止被试练习后还无法熟悉操作步骤，会在程序中设置让被试通过按键选择是否需要继续练习(如“如果继续练习请按Q键，如果进入正式实验请按P键”)的实验模块，Gaze Tracker软件无法实现该功能。而教育与心理实验，特别是认知实验，其研究设计一般都比较复杂，分成几个步骤来进行，如果仅依靠Gaze Tracker这一软件来实现刺激呈现，则不少实验将无法使用ASL-D6眼动仪来开展。
　　
　　3 利用E-Prime扩展ASL-D6的刺激呈现与数据收集功能
　　
　　E-Prime是由Carnegie mellon university和University of Pittsburgh联合开发的实现教育与心理实验计算机化的一个可视化编程语言平台，具有实验设计、生成、运行、收集数据等功能，是一个高等的图形设计软件。E-Prime能呈现的刺激素材包括文本、图像和声音(可以同时呈现3者的任意组合)，提供了详细的时间信息和事件细节，刺激呈现与屏幕刷新同步，精度可达毫秒。E-Prime在输入设备、输出设备和与外部程序连接方面都得到了专业化的提升[4]。鉴于ASL-D6眼动仪为E-prime软件提供了并行处理接口，研究者可以使用功能强大的E-prime软件来编制各种复杂的实验程序用于ASL-D6的眼动研究。不过要成功实现这一功能，需解决E-prime刺激呈现与ASL-D6眼动记录的同步问题，经研究和实验试用，发现可用E-prime软件中的Inline文本控件调用合适的函数来解决这一问题。
　　3.1 可行性分析
　　E-prime软件之所以功能如此强大，可以实现诸多复杂的实验程序，其中一个重要原因是其系统内有一个可以用来调用函数的Inline文本控件。要实现数据的同步记录功能，可借助适当的代码函数，使Inline文本控件根据实验的需要适时调用函数即可。ASL Eye Tracker 6000软件安装目录\SDK\EPrime\xdat_test.es附带有这种功能的函数。此功能函数可以让刺激呈现系统在更换场景图片的同时，数据记录也会同时更换到另一个片段，以实现不同的场景图片对应不同的数据记录。另外对“指导语或启动界面”等无需记录的刺激图片，可以不记录其眼动数据，减少了因眼动数据繁多，增加分离难度的麻烦。在实验刺激呈现计算机中安装E-prime软件并设置好同步功能函数后，实验时只需更改眼动仪工作计算机上的眼动控制程序Eye-Trac 6. Net User Interface中的参数设置，即可实现同步记录功能。
　　3.2 实验步骤
　　要实现E-prime在ASL-D6眼动实验中的应用，在利用专业的刺激呈现软件E-prime扩展实验材料呈现的复杂度的同时实现ASL-D6眼动数据记录的同步性，可按如下步骤操作：
　　第一步，使用E-prime软件编制好实验程序，之后把编制好的程序复制到眼动实验刺激呈现计算机上，并确保该计算机安装了E-prime软件。
　　第二步，在ASL Eye Tracker 6000分析系统的安装目录(安装目录\SDK\E-Prime)里找到文件“xdat_test.es”，这个文件有可以实现同步功能的代码函数，复制这个文件并双击打开。在打开的窗口中双击Structure子窗口里的SessionProc，当前程序中放置了一个Inline与Imagedisplay两个控件，名称分别是Init与Imagedisplay1。双击名为“Init”的Inline控件，将看到4个如下主要函数：
　　(1)ASL_BeginRecording开始记录函数；
　　(2)ASL_EndRecording结束记录函数；
　　(3)Sleep(里面的参数表示暂停多长时间，以毫秒为单位)；
　　(4)ASL_EndRecording结束记录函数。
　　在实验中通过Inline控件适当调用上述函数，即可实现刺激呈现与眼动数据记录的同步。
　　第三步，把已编制好的程序的SessionProc时间轴上的控件复制到“xdat_test.es”文件中。在复制好的主线轴上插入Inline控件，并在Inline控件中改写上面的同步代码函数。一般包括以下几个过程：
　　(1)定标、开始眼动参数同步记录函数的编写。双击Inline控件，打开该控件的属性函数对话框，将第一行语句改为“ASL_Init ASL_Mode_Streaming, &H378, true”；实验刚开始时，先调用定标函数“ASL_Calibrate”，接下来调用记录函数“ASL_BeginRecording 1”设定数据记录进程，函数尾端的“1”表示从编号1开始[5]。
　　(2)结束记录函数。直接在Inline1控件中编写结束记录函数“ASL_EndRecording”。
　　(3)重新开始记录函数。若要重新开始眼动数据记录，可在Inline3中编写“ASL_BeginRecording 1”。
　　(4)结束记录函数。需要记录的眼动数据记录完毕后，可在最后插入的Inline2控件中写入“ASL_EndRecording”函数语句即可。
　　可借助开始记录函数及结束记录函数随意地掌控何时记录眼动数据，何时停止记录，这样即可实现实验刺激呈现与眼动数据记录的同步功能。
　　第四步，确保插入Inline控件后所编制的E-prime软件能在刺激电脑上正常运行。
　　第五步，打开眼动仪工作计算机的眼动控制软件“Eye-Trac 6 .Net User Interface”，在菜单栏依次点击“configure”→“external data and auto file config”，在出现的对话框中选择自动记录复选框“Auto record(XDAT bit 7 or 15)”。
　　至此，在ASL-D6眼动实验中用外挂的E-Prime软件编写实验刺激呈现程序，并实现实验刺激呈现与眼动数据同步收集的连接程序全部完成。
　　
　　4 结束语
　　
　　用专业的E-Prime软件编写实验程序，克服了ASL-D6自带的Gaze Tracker软件在实验刺激呈现方面功能的先天不足，极大地提高了ASL-D6眼动实验的内容丰富性和复杂度，更适合教育与心理研究任务复杂性和多维性的特点。更重要的是，在利用E-Prime提升眼动实验刺激呈现功能的同时，通过充分挖掘和利用E-Prime和ASL-D6眼动仪自身的扩展性能，实现了实验刺激呈现与眼动数据记录的同步性，弥补了单纯用其他高级编程软件，如VB等，编写实验程序时难以实现数据同步收集的不足。
　　
　　参考文献
　　[1] Yarbus A L. Eye movement and vision[M].Plenum press,1967.
　　[2] 闫国利,田宏杰.眼动记录技术与方法综述[J].应用心理学,2004,2:55-58.
　　[3] 白学军,闫国利.眼动研究在中国[M].天津:天津教育出版社,2009.
　　[4] 周鹏生.眼动实验中的操作和数据统计[J].中国现代教育装备,2009,11:43-45.
　　[5] 曾祥炎,陈军.E-Prime实验设计技术[M].广州:暨南大学出版社,2009.
　　[6] Sara Burgess. E-Prime USER’S GUIDE[J].U.S.A: Psychology Software Tools, Inc., 2002.