眼动追踪数据的可视化方法

2020-01-16孙楚怡

电子技术与软件工程 2019年22期

文/孙楚怡

1 介绍

眼动追踪技术已成为可视化研究中分析用户行为的一种被广泛使用的方法。眼动追踪是一种传感器技术，当用户在浏览某些研究对象时，眼动追踪仪会记录用户眼动的整个过程，并把这些传感数据存储在计算机或其他设备通过恰当的可视化方法，我们就可以知道用户的浏览兴趣区域。眼动仪将用户的视线点记录为原始数据，之后，将这些注视点汇总为注视点和扫视路径，以测量研究对象的重点区域。借助这项技术，我们可以分析和理解不同背景下的用户行为。往往在眼动追踪实验期间会生成的大量数据，因此采用恰当的可视化方法为分析用户行提供了良好基础。近些年来，随着眼动追踪技术的发展，眼动追踪设备越来越轻便，甚至出现了允许通过手机来进行眼动跟踪的设备。

根据不同的研究的类型和范围，记录眼动过程是一项艰巨的任务，期间会产生大量数据。这些数据包含了很多信息，需要通过处理进行可视化，最后再由领域专家对用户行为进行分析，提炼出有用的信息。每一步环环相扣，相辅相成，尤其是可视化成为连接原始数据与领域专家的重要桥梁。由于眼动仪的发展以及数据转换和存储技术的进步，使得一些新的问题产生，例如如果使得信息在显示的时候不重叠，在处理过程中不丢失信息，仍然存在有许多需要解决的问题。眼动追踪已在许多不同领域中应用，因此确定研究范围可以使得可视化的方法更加具体和有针对性。对眼睛追踪数据的分析是一项十分耗时的工作，这项工作需要具备专业知识的领域专家来进行，所以提供高效、稳定的可视化方法成为了顺利进行这一工作的保障。

本文通过对该领域相关文献介绍，阐述了眼动追踪数据的基本可视化方法。在理解眼动追踪这一概念的基础之上，引入了一些专业名词、术语，为之后的方法介绍打下基础。随后，根据可视化方法的不同分类，作更为详细地介绍。通常意义上，根据不同的标准，可视化方法可以分为：静态和动态，2D 和3D，上下文相关和上下文无关等。在本文中，基于对该领域相关文献的分析理解，可视化将分为基于点和基于兴趣区域的可视化方法。

2 术语

在介绍可视化方法之前，我们需要了解该研究领域的一些专业术语，这样可以更好的理解可视化方法。眼动追踪设备可以记录用户在观察研究对象时的凝视点，记录速率取决于设备的特性。当前，通用设备允许的速率在60到120Hz 之间，该速率表示每秒可以记录多少凝视点。

2.1 注视固定

这一名词代表的是注视点的集合。注视点是基于指定的聚合区域和时间跨度而产生的。聚合区域通常约为20 到50 像素，时间跨度介于200 到300 毫秒之间。用于注视的常见指标是注视计数（即注视次数），注视持续时间（以毫秒为单位），注视位置（以像素的x 和y 坐标表示），注视密度和重复注视等。

2.2 扫视

扫视描述了从一种注视到另一种注视的快速眼动。它们通常持续约30 到80 毫秒，是人体可以执行的最快运动。在这段时间内，视觉信息被抑制。典型的量度是振幅，以毫秒为单位的扫视持续时间，以及在每秒度扫视速度。

2.3 刺激

刺激可以是在眼动追踪实验期间呈现给参与者的任何视觉内容。通常，按照内容可以分为，主动和被动刺激，或者静态和动态刺激等。一般而言，大多研究都是将二维平面中的刺激呈现给参与者，但是近些年来，以三维空间中的内容作为刺激也成为研究的一大焦点。刺激的类型可以对可视化方法的选择和设计产生了很大的影响，在讨论可视化方法之前，必须先解释一些刺激类型。

2.4 兴趣领域（AOI）

感兴趣区域是指在实验中，通常用户可能会有不同行为模式的区域，将呈现给参与者的刺激内容分区。在三维空间的刺激中，兴趣区域也可以是感兴趣的模型或对象。对于动态刺激，研究人员必须定义动态兴趣区域，但是兴趣区域可以在眼睛追踪实验之前或之后创建，可以根据研究需要调整。通常，兴趣区域是基于刺激内容的语义信息创建的。研究人员往往会关注，从一个兴趣区域到另一个兴趣区域的移动，我们称之为过渡。兴趣区域的典型指标是过渡计数，在兴趣区域内的停留时间（以毫秒为单位）以及兴趣区域的命中值，该值定义了注视点是否在兴趣区域内。

3 可视化方法

通常，眼动追踪数据的可视化可以基于刺激的类型分为基于点的，基于兴趣区域的，每个大类中又包含很多其他方法。眼动追踪数据基于点的评估着眼于整体运动，在某些特定分析中，仅仅基于点的评估是不够的。因此，需要通过基于兴趣区域的方法做进一步的评估与度量。

基于点的可视化是一种基本的可视化技术，该方法专注于直接使用所记录数据点的时空信息进行可视化。首先是时间线可视化，时间线使用注视的x坐标和y坐标以及时间信息，这是一种可视化时空信息的典型方法。通常，可以将注视位置分为其x 坐标和y 坐标，并且以上下文显示为背景，可以针对静态或动态刺激以及一个或多个用户实验进行这种可视化。第二种是注意力图，也称为热点图。第三种是扫描路径可视化，这也是当今大多数应用中最常见的可视化方法。扫描路径描述了用户在研究对象上的扫视和注视固定的过程，稍后将与热点图比较，进一步讨论此概念。最后一个是时空立方体（STC），它是时空可视化的一种替代方法。它可以显示三维空间内的眼动轨迹，并提供完整数据集，产生较少的视觉损失，并且可以应用于静态或动态刺激。与其他可视化方法相比，这种可视化方法具有明显的优势，即可以直接查看来自多个参与者的数据，从而可以有效地识别重要的AOI。

基于AOI 的可视化技术，它使用记录的注视数据以及附加信息来注释用户感兴趣的刺激区域或对象。首先是时间线兴趣区域的可视化，它在一定程度上类似于基于点的时间线，可以分别显示用户信息。与基于点的相比较主要区别在于，可以将研究对象划分为不同的区域，然后分别对其进行分析。第二种是关系AOI 可视化。该技术使用AOI 并显示它们之间的转移关系，例如两个AOI 之间的视觉上的改变频率，通常用转移矩阵来表示这种关系改变。转移矩阵将AOI 按行水平和垂直按列排序，并且每个单元格包含两个AOI 之间的转移次数。

热点图可视化，通过热图的方式呈现注视范围，就如同地理上的热图，以不同颜色表示不同注意力点，其中较多用户集中注视点的区域或者单个用户注视持久的区域往往呈现颜色偏深。通常，以红色表示最长的对焦区域时间，以蓝色表示最少的对焦区域时间，表明是短注视，这些热点通常直接显示在研究对象中。热点图不提供任何有关用户浏览顺序任何信息，但它们通过组合来自多个用户的凝视点表示兴趣区域。

扫描路径是一系列注视点变化过程的连接序列。它显示了视线聚焦在哪些视觉元素上以及聚焦的顺序。从第一个观察点开始，直到最后一个注视点，可以用数字表示扫描顺序，通常用户的注视点显示为一个带有背景色的圆圈，在多用户的情况下可以用于区分不同用户。较大的圆圈表示注视时间更长的区域，这表明用户对该刺激区域有更高的兴趣。

随着眼动追踪技术的不断发展，热点图和扫描路径代表了眼动数据可视化的两个重要方向。一方面，扫描路径不太适合显示众多用户的数据，因为路径的圆圈的重叠可能会使研究对象本身，变得难以识别。另一方面，热点图更适合多用户参与的可视化，因为在实验中用火通常会表现出相似的行为对同一研究对象。此外，可视化还可以分为动态和静态，单用户和多用户，和二维平面和三维空间，上下文有关和非上下文无关以及交互式和非交互式的可视化等。