眼球追踪技术的研究进展及其在体育领域中应用前景

陆海林

眼球追踪技术的研究进展及其在体育领域中应用前景

陆海林

眼球追踪技术作为记录眼球运动数据的重要技术，已在军事、航空和医学等领域被广泛应用。眼球追踪技术在评分类项目中裁判员辅助系统开发和应用，能减少因裁判员主观性评分行为对比赛公正性和公平性的破坏；以眼球追踪技术为基础的体育赛事赞助评估体系能为赞助方提供赛事过程中品牌曝光度和受众接受度方面的有效数据，为赞助商是否持续性赞助赛事提供参考；眼动追踪技术的应用将为体育辅助装备设计与研发、体育直播系统从业人员知识结构优化、体育类网站设计与优化、体育赛场氛围渲染和体育用品商店物品陈设等领域具有广泛的应用前景。

眼球追踪技术；裁判辅助系统；体育赞助；应用

前 言

眼睛是人类获取外接刺激信息的重要器官，大脑中约有80%～90%的知识和记忆都是通过眼睛获取。眼球追踪技术是指利用特殊的外接扫描设备获取眼球聚焦点的位置和眼球相对于头部位置的运动，并分析注视时间、注视次数、注视顺序和眼跳距离等相关数据，通过终端设备进行处理、计算、分析，最终构建出一个注视点的参考平面图。其技术原理是通过图像传感器采集的角膜反射模式和其他信息，计算出眼球的位置和注视方向。现代眼球追踪仪的结构一般包括四个系统: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、图像与数据的记录与分析系统。[1]眼球追踪技术被认为是一项信息技术科学与生物工程学科交叉融合发展揭秘人类增强感知的尖端应用技术，最初曾被运用到军事、航空和医学等领域。随着眼球追踪技术的逐步成熟与完善，此项技术被广泛应用于心理认知、用户体验、消费者心理行为、医用设备和认知提升训练等领域。本文旨在分析眼球追踪技术应用国内外研究现状，尤其是目前在体育领域的应用现状，为该技术在体育运动领域广泛的应用提供参考。

1 眼球追踪技术研究现状

1.1 国外眼球追踪技术理论研究及设备研制现状

基于视觉感知系统在大脑获取外部信息的重要性。早在19世纪末期，行为心理学家就试图构建眼球运动与人类心理活动的内在联系。西方科学家对眼球追踪的研究可大致分为三个阶段。第一，直接观察阶段：用镜子直接观察被试者的眼球运动。由于受到观察精度和数据精确性等因素的限制，在此阶段仅能获得眼跳、视觉注意等基本数据，但并没有在应用领域展开研究。第二，机械记录阶段：采用侵入式的方法通过机械传动来实现眼睛与记录的连接。Huey(1898年)，用橡皮膏将一个杠杆连接在眼球上，首次记录了被试者阅读过程中的眼动轨迹。Raymond Dodge(1901年)利用Dodge Photochronograph拍摄到受试者在自然状态下的眼球运动照片，通过对这些照片分析眼球运动与心理行为发展的关系，为眼球追踪在行为心理学领域的发展奠定了基础。第三，光学记录阶:主要用反光记录法、普通照相机及胶片摄像记录法和角膜反光法等方法对眼动轨迹进行研究，此阶段通过光学设备能获得较为准确的眼动数据。基于光学原理的眼球追踪设备在经历了头盔式、遥测式等几代的发展，技术得到不断提升与发展，特别是采样频率更高、支持明瞳和暗瞳双眼采集的双眼追踪传感器问世，让眼球追踪的精度和准确度更加贴近生物学实际。眼球追踪技术开发先锋瑞典Tobii公司研发的眼球追踪仪依靠精密的硬件设计、高品质的电子元器件和先进的眼动追踪专利算法能提供高质量和可重视性数据，为眼球追踪技术在各领域的应用提供了机会。

1.2 我国关于眼球追踪技术的理论与应用现状

我国眼动追踪理论研究起步较晚，主要是以国外研究综述为主。上世纪八十年代末期中国科学院和西安电子科技大学在借鉴国外学者理论研究的基础上开始研制眼球追踪设备，并将研究成果应用于驾驶人行为(成英等，2014；胡洪瑞等，2014；王庆敏等，2016；靳慧斌等，2016)、产品设计研发(方方等，2015；王震亚等，2016；宋之杰等，2016)和远程自主学习(王凌燕等，2013；田媚等，2015)等领域。

1.3 国内外眼球追踪技术在体育领域应用研究现状

目前眼球追踪技术在体育领域的应用，已经从研究体育运动中单一图片向动态图像或现场模拟方向发展。便携式眼球追踪仪的应用使得眼球追踪研究实际运动场景中进行成为可能。实验情境和真实情境更加接近，有助于研究者和实验者研究生态学效度得到有效提升。

在体育运动领域中眼球追踪技术应用研究主要包括以下几个范式。①揭示运动员眼球运动特征与技能过程的内在关系的眼球运动-心理行为-技能过程的内在联系研究[11-14]；②揭示不同项目类型、不同训练阶段运动员眼动特征差别的新手与专家型选手视觉注意特征研究[ 15-24]； ③采集优秀运动员在运动过程中眼球运动信息，并归纳整理出优秀运动员眼球运动变化特点，将记录结果运用于指导运动员技战术训练和赛事指导研究[25-27 ]；④对体育赛事特定人群(教练员、裁判员、官员等)视觉注意变化特征研究，用以揭示参与比赛过程的非运动员集体对体育赛事各个过程的影响[28-30]。

2 眼球追踪技术在体育领域中的应用前景

2.1 基于眼球追踪技术在评分类项目中裁判辅助系统的应用前景

评分类项目运动成绩的评判方法：裁判员根据统一评分标准，通过主观判断，对运动员完成动作情况予以相应分值来决定。《奥林匹克宪章》指出，奥林匹克精神就是相互了解、友谊、团结和公平竞争的精神。包括参与原则、竞争原则、公正原则、友谊原则和奋斗原则，而公正原则使奥林匹克精神具有了极大魅力[31]。裁判员对运动员成绩评判的公正性是对他们刻苦训练、顽强拼搏精神的最大肯定和鼓舞。但是裁判评分主观属性决定裁判公正性容易受到利益本位主义的内在因素和执裁无形手(如印象分、潮流动作、明星效应和前紧后松等)的外部因素的干扰，导致评分结果有失公正。例如，2004年雅典奥运会体操比赛中俄罗斯体操名将涅莫夫在单杠决赛中近乎完美的表现让现场观众形成与裁判的对峙，比赛一度中断。2016年巴西奥运会女子高低杠比赛中范忆琳虽有6.9分的高难度动作价值和较好的表现，但在比赛过程中遭遇裁判的不公正而无缘决赛。

如何减少裁判员主观性评分行为发生,提高执裁公正性成为评分类项目的研究热点。以竞技体操为例，在新奥运周期规则中明确了各部分裁判组的权利与职责，除了单项裁判(D组、E组)，还引入了R组裁判(参考裁判)体现了改革的决心。D组2名裁判员主要是对运动员完成动作的难度价值做出评判，当在某个动作难度或完成质量出现疑问时可以通过技术手段再现动作影响，降低人为因素误判或错判的可能性。R组裁判的介入为了防止E组裁判出现错误判罚的情况设置的修正值，只有当R组裁判和E组裁判的评分差值超出修正范围，R组裁判的分值才会计入计算运动员成绩评定系统，否则将不起作用[32]。尽管有参考裁判组的介入只是降低了E组裁判出错概率，不能消除由E组裁判出错而带来的严重后果。

基于眼球追踪技术裁判辅助系统可以从两个方面对E组裁判，包括R组裁判的分值评定建立视觉联系。首先，该系统可以还原第一视觉影像，即裁判所看到的比赛过程；其次，该系统可以记录裁判员注视点变化过程、注视点分布、注视时间和聚焦位置等眼球运动信息。采集裁判员执裁过程眼球运动信息可以为赛事组委会对裁判员的评分有效性作为“黑匣子”存在，并作为运动员申诉依据。

评分类项目评分过程中裁判员主观性行为不可还原性让裁判员主观因素造成的误评、误判等不公正后果难以规避，而基于眼球追踪技术的裁判辅助系统的应用将会对诸如竞技体操、武术等项目的发展产生革命性的影响。

2.2 眼球追踪技术在体育赛事背景广告曝光度定量测算的应用前景

体育赞助收入是成熟体育赛事重要收入来源之一[33]。以在世界范围内具有广泛影响力和竞技水平最高的篮球职业化赛事NBA为例，2015-2016赛季全联盟总收入约为55亿美元，其中出让转播权收入约为9.3亿美元，赞助收入约为7.39亿美元，分别占总收入的16.90%和13.43%，这两项收入之和超过总收入三成。而随着NBA市场策略的变化这一数据将会进一步增加。现场观众的数量影响面远远不如有现代电视传媒或网络媒体等现代传媒手段对体育赛事传播和报道影响面大，赞助高水平或者影响面广的赛事对企业的曝光率是企业赞助体育赛事的首要因素。据Turnkey Sports & Etertainment 公司统计，企业赞助NBA赛场的营销费用为其提高品牌知名度和曝光率收获了良好效果。体育赛事赞助效果受到赛事类型、天气条件、转播形式和场地条件等多重因素影响。企业赞助体育赛事对提高品牌知名度、树立企业良好形象和建立市场消费基础的定性研究较多，但是如何提供让赞助商信服的数据则主要靠前期预测和后期市场调查，这一过程漫长而繁杂，即使通过测算等方式得出的背景广告曝光度也不能真实反映其是否引起受众注意和为受众所接受。

利用眼动追踪仪获得的数据结合赛事前期预测和后期市场调查，将会有效提升体育赛事赞助商品牌曝光度评估，为企业赞助体育赛事增加信心，为体育赛事能赢得更大的赞助机遇。眼球追踪系统应用于体育赛事背景广告曝光度设定可以体育赛事受众入手，即现场观众和媒体转播观众。分别选取一定数量的现场观众和媒体转播观众佩戴眼球追踪仪。对在赛场具有不同典型特征观众的眼球追踪可以分析出赛场氛布置，如广告牌位置和大小、广告布置形式等引起视觉注意的程度，为赛事主办方和赞助商评估赛事赞助效果提供依据。对媒体转播观众眼球追踪的结果不仅可以获得赛事转播画面的视觉注意程度，还可以为媒体转播机构在赛事过程中插播的广告提供值得信赖的数据支撑。

2.3 体育赛事直播系统人员知识结构优化应用

体育赛事直播系统主要包括两个重要的参与者主播机构和持有转播权的转播机构。主播机构作为赛事的公共信号制作方，为世界范围内持有转播权的机构提供干净中立的直播信号，而持权转播机构则通过购买赛事版权的方式接受由主播机构提供的公共信号，然后对节目包装、播出和商业开发。从赛事公共信号的制作到媒体观众收看赛事视频的过程主要参与者是主播机构的摄像组(机动车机位、固定机位、游机、航拍机位和画面特效组等)和持权转播机构的导播组。导播组从多个摄像机位选取某个符合赛事特点的画面作为节目播出画面，这是个动态的过程。摄像组和导播组是专业性很强的工作，他们应掌握摄像业务技术、精通画面语言知识和了解各项体育赛事的特点，让媒体观众看到体育赛事精彩画面和满足赞助商权益需求。他们对媒体画面的拍摄和播放都是建立在经验的基础上，却不能获取媒体观众的真实需求。将眼动追踪技术应用于媒体观众，获取受众的注视点变化过程，注视点分布、注视时间和聚焦位置等眼球运动信息，并在分析这些数据的基础上建立项目数据库。这将有效提升体育赛事直播系统从业人员的专业知识，制作出符合受众审美需求的播放画面，让受众能感受体育赛事的魅力。

2.4 眼球追踪技术在体育运动辅助装备设计、研发方面的应用前景

体育运动辅助装备是运动过程中所佩戴或使用的装备。从功能上可分为保护安全性装备、运动舒适性装备和挖掘潜能性装备。体育运动辅助装备发展与科学技术发展相互融合、相互促进。近年来利用高新技术和新兴材料研发体育运动辅助装备催生新兴体育运动项目、增强运动安全性和提高运动训练水平。

眼动追踪技术在体育运动辅助装备设计、研发领域的应用前景十分广泛。首先，眼动追踪技术应用于体育运动辅助装备可以提高运动员的训练水平。一级方程式赛车运动员的头盔是高科技应用于体育运动辅助装备的典型案例，为保证其强度大、重量轻等特点将钛合金作为原材料，同时要兼顾运动员呼吸顺畅且通风性能良好，还要有营养补给设备。将眼动追踪技术应用于一级方程式运动员头盔，采集运动员视觉注视特征数据，这些数据可以让赛车团队用来判断比赛(或练习)过程中运动员的竞技水平与心理状态，对数据加以分析与计算可以建立运动员的视觉注意变化过程与所取得成绩建立内在联系，从而为提高运动员的竞技能力提供依据。其次，眼动追踪技术应用于体育运动辅助装备可以增强运动员的安全性。比如，雪镜是极限攀登运动员在高海拔登山的必要装备，如能将眼球追踪技术应用于雪镜，就可以实时获取运动员视觉注意特征，并将数据加以分析与处理，可以实现随动头灯增加运动员视野范围，或者是在出现意外状况下因意外受伤而造成失去行动能力的情况下，用眼动控制头灯的强度，为救援人员能提供信息。

2.5 眼球追踪技术在体育领域中的其它应用前景

眼球追踪技术能记录受试者目光定位顺序和聚焦时间长短等信息，形成视觉热点图为窥见消费者心理期待和共鸣元素提供依据，能分析受众的消费潜意识和购买可能性。从而为体育类网站设计优化页面布局、优化广告投放，体育赛场氛围渲染和体育用品商店物品陈设等方面提供数据支撑和技术支持。

3 小结

眼球追踪技术作为一项尖端前言技术已被运用到飞机驾驶舱设计、产品外包装设计、汽车自适应大灯、残障人士交流设备制造和网页设计等诸多方面。体育领域是高、尖端科技的试验场与发酵器，众多科技信息的产生与发展在体育领域得到验证与完善，随着眼球追踪技术的不断完善与发展，该项技术的应用成本和精确度不断提高，眼球追踪技术在评分类项目裁判员辅助系统研发、体育赛事赞助市场测评和体育辅助装备研发等方面具有广阔的应用前景。

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AdvancesinEyeTrackingTechnologyandItsApplicationProspectinSports

Lu Hailin

As an important technology to record eye movement data, eye tracking technology has been widely employing in many fields like military, aviation and medical science. Development and application of referee’s auxiliary rating system using in skill-evaluation event group based on eye tracking technology will reduce justice and equity destruction by referees on account of their subjectively grading. And sports competition sponsorship evaluation system based on eye tracking technology will provide sponsors effective data on visibility of the brand and acceptability of audience in competitions as reference on deciding whether sponsor events sequentially or not. In addition, wide application of eye tracking technology enjoys bright prospect in designing and developing auxiliary equipment of sports, in optimizing knowledge structure of practitioners, in sports live broadcasting, in designing and optimizing sports websites, in strengthening the atmosphere of sports fields, as well as in furnishing the sports stores and so on.

eye-tracking technology; referee’s auxiliary rating system; sports sponsorship；application

G804

A

1005-0256(2017)12-0162-4

10.19379/j.cnki.issn.1005-0256.2017.12.066

论文说明：2017国际体育与健康学术论文报告会暨第八届全国青年体育科学学术会议专题口头报告。

陆海林(1982-)，男，江苏东海人，讲师，硕士，研究方向：体操教学与训练。

南通大学体育科学学院，江苏 南通 226019

Sport Science College of Nantong university, Nantong 226019, Jiangsu, China.