Oculografía ( seguimiento ocular , seguimiento ocular ; seguimiento ocular ) - determinación de las coordenadas de la mirada ("el punto de intersección del eje óptico del globo ocular y el plano del objeto o pantalla observado en el que se presenta algún estímulo visual").
Un eye tracker es un dispositivo que se utiliza para determinar la orientación del eje óptico del globo ocular en el espacio (es decir, para seguir los ojos ). Los rastreadores oculares se utilizan en la investigación del sistema visual , la psicología y la lingüística cognitiva .. Se utilizan varios métodos para el seguimiento ocular. El más popular es el análisis de video cuadro por cuadro del ojo, también se utilizan métodos de contacto como la electrooculografía .
En el siglo XIX , toda la investigación en el campo del eye tracking se realizaba exclusivamente mediante la observación.
En 1879 en París , Louis-Émile Javal descubrió que mientras leía un texto impreso, los globos oculares no se movían monótonamente, como se pensaba anteriormente. En cambio, hacen paradas cortas, que Javal llamó fijaciones , y movimientos bruscos: movimientos sacádicos [1] . Esta observación llevó al surgimiento de importantes preguntas sobre la naturaleza del proceso de lectura, que ya fueron resueltas en el siglo XX : ¿En qué palabras una persona concentra su atención? ¿Cuánto tiempo se tarda? ¿Por qué es necesario devolver la mirada a las palabras que el sujeto ya ha visto?
Edmund Hugh [2] creó el primer dispositivo de seguimiento ocular. El dispositivo era una especie de lente de contacto con un orificio para la pupila . El dispositivo estaba conectado a un puntero de aluminio que se movía en sincronía con el globo ocular. Hugh usó regresiones cuantificadas (solo una pequeña fracción de los movimientos sacádicos son en realidad regresiones).
El primer rastreador ocular no invasivo fue creado por Guy Thomas Bushwell en Chicago . Bushwell usó reflejos de los rayos de luz del globo ocular en una película fotosensible . Así, realizó investigaciones sobre los procesos de lectura [3] y el estudio de imágenes estáticas [4] .
En la década de 1950 en Moscú , el científico ruso Alfred Yarbus [5] realizó una importante investigación en el campo del seguimiento ocular, y su monografía de 1967 fue muy apreciada por la comunidad científica mundial. Mostró que la tarea formal asignada al sujeto tenía un gran impacto en el resultado del experimento de seguimiento ocular.
También escribió sobre la relación entre la motivación del sujeto y las fijaciones de su mirada: "Los estudios realizados... muestran que la naturaleza del movimiento ocular es completamente independiente o muy poco dependiente del contenido del estímulo visual. " Una serie de experimentos demostraron que el resultado del experimento depende no solo del estímulo visual, sino también de la tarea asignada al sujeto, así como de la información que el sujeto espera recibir del estímulo visual [6] .
Las grabaciones de experimentos sobre la evaluación del movimiento ocular mostraron que solo una pequeña parte de los elementos de la imagen atrae la atención del sujeto y sus ojos se fijan en estos elementos. El proceso del movimiento ocular refleja el proceso del pensamiento humano. La mirada, con cierto retraso, sigue el punto al que se dirige la atención del sujeto. Así, es bastante sencillo determinar qué elementos de la imagen atraen la atención del sujeto, en qué orden y con qué frecuencia [7] .
A menudo, la atención del sujeto se centró en elementos que pueden no proporcionar información importante, pero en su opinión personal pueden hacerlo. A menudo, el ojo del sujeto se fija en elementos que son simplemente inusuales en el entorno dado [8] .
Moviéndose de un punto de fijación a otro, el ojo del sujeto a menudo vuelve a aquellos elementos de la imagen que ya ha visto, es decir, se utiliza un tiempo adicional para un examen secundario de los elementos más importantes en lugar de examinar los elementos menos importantes . 9] .
En la década de 1970, la investigación del seguimiento ocular se aceleró drásticamente, especialmente en el campo de la teoría de la lectura. Reiner [13] ha realizado una buena revisión de estos estudios .
En 1980, Just y Carpenter [14] formularon una hipótesis sobre la relación entre el sistema visual y la conciencia humana. “No existe una discrepancia significativa entre lo que una persona fija su mirada y lo que trata de comprender”. Si esta hipótesis es correcta, entonces cuando el sujeto mira una palabra o un objeto, piensa en ello ( proceso cognitivo ), y este proceso es comparable en duración a la duración registrada de la fijación. Los investigadores modernos en el campo del seguimiento ocular a menudo se refieren a esta hipótesis.
En la década de 1980, esta hipótesis se desarrolló a la luz del problema de la atención encubierta [15] [16] . La cuestión de la atención encubierta se descifra de tal manera que las personas no siempre miran lo que realmente les llama la atención. La atención encubierta se observa en los registros de movimientos oculares, durante los cuales el rastro de la mirada y los puntos de fijación a menudo pasan por los objetos a los que realmente se atrajo la atención, y solo a veces muestran fijaciones a corto plazo. De esto se deduce que no en todos los casos existe una relación inequívoca entre los resultados del experimento de seguimiento ocular y el proceso cognitivo.
De acuerdo con el trabajo de Hoffmann, el punto al que se fija la atención del sujeto siempre está ligeramente (entre 100 y 250 ms) por delante del movimiento ocular [17] . Sin embargo, cuando el punto de atención se mueve a una nueva posición, los ojos ciertamente intentarán seguirlo [18] .
Todavía no es posible establecer el mecanismo de los procesos cognitivos directamente a partir de los resultados de los experimentos de seguimiento ocular [19] . Por ejemplo, fijar la mirada en una cara o una imagen no puede indicar que al sujeto le guste o no la cara o la imagen. Por lo tanto, la tecnología de seguimiento ocular se usa a menudo con métodos como el protocolo verbal introspectivo.
Los rastreadores oculares basados en video son, con mucho, los más utilizados. La cámara filma uno o ambos ojos y registra sus movimientos mientras el sujeto ve el estímulo visual. La mayoría de los eye trackers modernos utilizan el contraste entre la pupila y el iris que se produce con la iluminación infrarroja. Además, se analiza la posición del destello de iluminación infrarroja, lo que permite determinar la orientación del eje óptico del globo ocular.
Hay dos tipos principales de tales sistemas:
Su diferencia radica en la ubicación de la fuente de luz en relación con la cámara. Si la luz de fondo es paralela al eje óptico de la cámara, el ojo actúa como un reflector secundario de la luz que proviene de la luz de fondo y se refleja en la retina, creando un efecto de pupila brillante, similar al efecto de ojos rojos en la fotografía. Si la fuente de iluminación se desplaza en relación con el eje óptico de la cámara, la pupila se vuelve negra, ya que el reflejo secundario de la retina no entra en la cámara. El efecto de una pupila brillante permite el seguimiento ocular independientemente del color del iris del sujeto de prueba. También ayuda a superar la influencia de la máscara de ojos oscura y las pestañas que cubren parcialmente la pupila. También permite el seguimiento ocular en condiciones de luz que van desde la oscuridad total hasta condiciones de mucha luz; sin embargo, las técnicas de ojo brillante no son efectivas para el seguimiento ocular en condiciones al aire libre debido a la presencia de fuentes adicionales de radiación infrarroja.
Los dispositivos de seguimiento ocular son muy diferentes en su implementación de hardware. Algunos de ellos se montan en la cabeza del sujeto, otros requieren una fijación fija de la cabeza del sujeto, el resto funcionan de forma remota y compensan automáticamente los movimientos de la cabeza. La mayoría de los sistemas funcionan a una velocidad de fotogramas de al menos 30 fotogramas por segundo. Aunque la velocidad de cuadro más utilizada es 50/60 fps, la mayoría de los eye trackers basados en video funcionan a 12, 300, 500 o incluso 1000/1250 fps. Esto es necesario para garantizar que se registre el 100% de los movimientos oculares.
Los movimientos oculares se dividen tradicionalmente en fijaciones y movimientos sacádicos, es decir, el ojo se fija en algunas posiciones y luego se mueve rápidamente a la siguiente posición. La serie resultante de fijaciones y movimientos sacádicos se llama scanpath. El analizador visual del cerebro humano recibe la mayor cantidad de información durante la fijación. El centro del campo visual, que está formado por un ángulo sólido de 2 estelares, proporciona la mayor parte de la información visual. La señal del resto del campo visual es menos informativa. Como consecuencia de la posición de los puntos de fijación que nos da scanpath, mostrar de forma objetiva puntos que llaman la atención sobre un estímulo visual. La duración media de las fijaciones osciló entre 200 ms al leer texto y 350 ms al estudiar una imagen estática. El proceso de movimiento del ojo de un punto de fijación a otro (sacádica) dura hasta 200 ms.
Los caminos de la mirada son útiles para analizar procesos cognitivos, así como para identificar puntos de interés. Otros factores biológicos, como el género, también pueden influir en la trayectoria de la mirada. Por lo tanto, el seguimiento ocular se puede utilizar en estudios de usabilidad, así como en el control de dispositivos externos mediante el control de los movimientos oculares.
Los eye trackers determinan la orientación del eje óptico del globo ocular y la dinámica de esta orientación a lo largo del tiempo. Esto se hace de varias maneras, pero se pueden dividir en tres grandes grupos.
El primer tipo utiliza el contacto mecánico con el ojo. Estos pueden ser lentes de contacto con espejos incorporados o pueden ser dispositivos en miniatura que crean un campo magnético . Las mediciones realizadas con lentes de contacto especiales mostraron registros extremadamente sensibles al movimiento ocular. Estos métodos suelen ser utilizados por investigadores que estudian la dinámica y la fisiología oculta del movimiento ocular.
La siguiente categoría amplia utiliza métodos ópticos sin contacto para registrar el movimiento ocular. Por regla general, se utiliza iluminación infrarroja , que es reflejada por el globo ocular y registrada por una cámara de vídeo u otro sensor óptico especialmente diseñado. En el proceso de procesamiento de la grabación de video se obtiene información sobre la orientación del globo ocular en el espacio y su dinámica temporal. Los rastreadores oculares basados en video a menudo usan el reflejo de la iluminación infrarroja de la córnea de los ojos ( primera imagen de Purkyne ) para calcular la dirección hacia el centro del globo ocular y compararla con las coordenadas del centro de la pupila. Un tipo más sofisticado de eye tracker utiliza tanto el reflejo de la córnea como el reflejo del cristalino del ojo [20] . Los eye trackers más complejos de este tipo también analizan la ubicación de los vasos sanguíneos en la córnea y la retina. Esta categoría de seguidores oculares se utiliza con mayor frecuencia en las tareas de seguimiento de la mirada (encontrar el punto de intersección del eje óptico del globo ocular y el plano de la pantalla en el que se presenta algún estímulo visual), que requieren que el procedimiento experimental no sea -invasivo y el equipo a ser relativamente barato.
La tercera categoría utiliza potenciales eléctricos medidos por electrodos colocados alrededor de los ojos. Cada ojo es una fuente de un campo eléctrico estable que puede detectarse en completa oscuridad o cuando el sujeto cierra los ojos. El ojo puede equipararse a un dipolo, cuyo polo positivo está en la córnea y el polo negativo en la retina. Se puede obtener una señal eléctrica usando dos pares de electrodos colocados en la piel alrededor de uno de los ojos, una técnica llamada electrooculograma (EOG). Si los ojos se mueven de una posición central a una periférica, la retina se acerca a un electrodo y la córnea se acerca al otro. Este proceso cambia la orientación del dipolo, como resultado, cambia el campo eléctrico y, en consecuencia, cambia la señal EOG medida. Por lo tanto, el análisis de estas señales eléctricas se puede utilizar para el seguimiento ocular. Debido al hecho de que se utilizan dos pares de electrodos, es posible separar los componentes horizontal y vertical del movimiento ocular. El tercer componente EOG es el canal EOG radial [21] , que es la diferencia entre el valor promedio de 4 electrodos EOG y un electrodo adicional fijado en la cabeza. Este canal radial es sensible a los potenciales evocados por los picos sacádicos de los músculos oculomotores, lo que hace posible detectar movimientos sacádicos incluso extremadamente pequeños [22] .
Debido a la inestabilidad temporal de los potenciales de señal del EOG y la duración de los movimientos sacádicos, resulta difícil utilizar el EOG para medir los movimientos oculares lentos y determinar la posición de la mirada. Sin embargo, EOG es una técnica muy estable para detectar el movimiento ocular sacádico asociado con un cambio en la dirección de la mirada, así como para detectar el parpadeo de los ojos. A diferencia de los métodos basados en video, EOG permite registrar los movimientos oculares incluso cuando los ojos están cerrados y, por lo tanto, EOG se puede usar en estudios del sueño. Este es un enfoque que requiere muchos recursos que, a diferencia de los métodos basados en video, no requiere una computadora poderosa, funciona bajo diversas condiciones de luz y puede implementarse fácilmente como un dispositivo móvil [23] . Por lo tanto, este método es bueno para el seguimiento ocular móvil en situaciones cotidianas, así como en estudios de la etapa de movimiento ocular rápido durante el sueño.
Los rastreadores oculares determinan la orientación del globo ocular en relación con algún sistema de coordenadas. Si el rastreador ocular está montado en la cabeza del sujeto, por ejemplo, como en un sistema basado en EOG, entonces es necesario compensar el movimiento de la cabeza del sujeto en relación con este sistema de coordenadas. Como resultado, la tarea de determinar el punto de vista del sujeto se vuelve más complicada. Si el eye tracker es fijo, entonces el cálculo del punto de vista conduce a costos computacionales más bajos. En muchos sistemas, la cabeza del sujeto se fija usando un marco oftálmico, como resultado de lo cual es posible evitar cálculos adicionales asociados con el movimiento de la cabeza del sujeto. Otros sistemas compensan el movimiento de la cabeza mediante sensores magnéticos o análisis de video adicionales.
Para dispositivos montados directamente sobre la cabeza del sujeto, la posición de la cabeza y su orientación en el espacio se agregan al vector de dirección de la mirada de la persona. Para los sistemas de seguimiento ocular fijos, la dirección de la cabeza se resta de la dirección de la mirada para determinar la posición de los ojos en la cara.
La información sobre el mecanismo y la dinámica del movimiento del globo ocular tiene una gran demanda en la investigación científica, sin embargo, en la mayoría de los casos, la tarea final del seguimiento ocular es determinar el punto de vista, es decir, el seguimiento de la mirada .
Una de las dificultades en la evaluación de los sistemas de seguimiento ocular es que el ojo del sujeto rara vez se encuentra en un estado estacionario, puede ser extremadamente difícil evaluar movimientos pequeños, pero extremadamente rápidos y, a veces, caóticos asociados con la influencia de una fuente de ruido dentro del mecanismo. de los sistemas de seguimiento ocular. Uno de los métodos útiles para combatir este efecto es el registro paralelo de dos ojos del sujeto y la verificación de la posición de un ojo en el otro ojo. Los ojos de una persona sana están muy bien interconectados y la diferencia en la dirección de los ejes ópticos en dirección vertical no suele exceder de ± 2 minutos de arco. Un sistema de seguimiento ocular sensible y que funcione correctamente debería mostrar este grado de consistencia ocular en el sujeto. Cualquier ocurrencia de una diferencia angular mayor puede considerarse como un error de medición.
El usuario final puede estar interesado, por ejemplo, en qué fragmentos particulares de la imagen atrajeron la atención del sujeto. El punto importante es que el eye tracker, en principio, no puede determinar con precisión el punto que atrajo la atención del sujeto. Sin embargo, el seguimiento ocular es bastante efectivo para determinar la secuencia aproximada de puntos de interés. Para determinar el punto de vista del sujeto, es necesario realizar un procedimiento de calibración. Durante estos procedimientos, se le pide al sujeto que dirija secuencialmente su mirada a una serie de marcadores de calibración. Paralelamente, el eye tracker registra las coordenadas pupilares que corresponden a cada una de las posiciones de los marcadores de calibración. Incluso aquellas técnicas que examinan la ubicación de los vasos en la retina no le permiten crear un dispositivo que se calibre una vez para todos los sujetos posibles, ya que la ubicación de los vasos en la retina es única para cada sujeto. Una calibración precisa y confiable es esencial para obtener datos experimentales correctos y reproducibles. Esto puede ser un obstáculo importante cuando se realizan experimentos de seguimiento ocular con sujetos con mirada inestable.
Cada método de seguimiento ocular tiene sus ventajas y desventajas, y la elección del equipo de seguimiento ocular depende de su costo y alcance. Hay métodos fuera de línea y en línea. Existe una relación entre el precio y la precisión del sistema. La mayoría de los sistemas altamente sensibles cuestan decenas de miles de dólares y requieren personal altamente capacitado para configurar el equipo para los experimentos del usuario final. El rápido desarrollo de la tecnología informática y la tecnología de procesamiento de video ha llevado a la aparición de sistemas relativamente económicos que son adecuados para la mayoría de las aplicaciones de seguimiento ocular y son fáciles de administrar. La interpretación de los resultados aún requiere cierto nivel de capacitación, y un sistema mal calibrado puede generar errores significativos durante el experimento.
Los movimientos oculares de dos grupos de conductores se filmaron con un rastreador ocular montado en la cabeza del sujeto. La investigación se llevó a cabo en el Instituto Federal Sueco de Tecnología. En este experimento participaron conductores novatos y conductores con muchos años de experiencia. El experimento consistió en conducir por una carretera muy estrecha. En la figura [24] se muestra una serie de imágenes de un conductor novato y un conductor experimentado La secuencia de imágenes cubre un intervalo de tiempo de 0,5 segundos.
Una serie de tomas muestra cómo se distribuyeron las fijaciones entre un conductor novato y un conductor experimentado. Una comparación de las primeras tomas muestra que un conductor experimentado busca principalmente la curvatura en la calzada, mientras que un conductor novato se concentra en un automóvil estacionado. En las tomas intermedias, puede ver que el conductor experimentado se concentra en el área donde teóricamente podría aparecer un automóvil que se aproxima, mientras que el conductor novato todavía está mirando los automóviles estacionados. En las tomas inferiores, puede ver que un conductor novato calcula la distancia entre la pared de la izquierda y un automóvil estacionado, mientras que un conductor experimentado puede usar la visión periférica y aun así enfocar sus ojos en una curva peligrosa en el camino: si se aproxima un Si aparece un automóvil en esta área, tendrá un camino de salida, es decir, se detendrá al costado de la carretera y se detendrá entre los automóviles estacionados [25] .
El equipo especial "Eye-Tracker" rastrea la trayectoria del movimiento de la mirada al leer y hacer ejercicios. El programa analiza la información sobre el movimiento de los ojos en tiempo real y verifica automáticamente la corrección de la tarea. La información se transfiere rápidamente al profesor, quien ayuda a corregir errores y hace que el aprendizaje sea más efectivo [26] .
Los sujetos mayores confían más en la visión central. Su velocidad de marcha es menor que la de los sujetos más jóvenes. Los sujetos más jóvenes usan tanto la visión central como la periférica mientras caminan. Su visión periférica les permite controlar mejor el entorno que les rodea y, en consecuencia, caminar más rápido [27] .
La amplia variedad de disciplinas que utilizan sistemas de seguimiento ocular incluyen: ciencia cognitiva , psicología (especialmente psicolingüística y el estudio de los procesos de lectura), interacción hombre-máquina , investigación de mercados, investigación médica ( diagnóstico neurológico ). Las aplicaciones específicas incluyen el estudio del movimiento ocular al leer en diferentes idiomas, la lectura de notas musicales, el estudio de la interacción entre personas, la percepción de la publicidad, las competiciones deportivas [28] . El uso incluye:
En los últimos años, la complejidad y la facilidad de uso de los sistemas de seguimiento ocular ha aumentado de forma espectacular, lo que ha dado lugar a un fuerte aumento del interés por ellos en el sector comercial. Las aplicaciones de los sistemas incluyen la usabilidad web, la publicidad, la optimización del diseño de productos frontales y la automatización del desarrollo. En general, la mayoría de los usos comerciales del seguimiento ocular implican presentar el mismo estímulo visual a un grupo de consumidores mientras se siguen los movimientos oculares. Los ejemplos de estímulos finales incluyen sitios web, programas de televisión, retransmisiones deportivas, películas, anuncios, páginas de revistas, páginas de periódicos, algunos envases de productos y mostradores de tiendas, cajeros automáticos e interfaces de usuario de software. Los datos resultantes pueden analizarse estadísticamente y mostrarse gráficamente para mostrar la validez de las conclusiones extraídas. Al examinar las fijaciones, los movimientos sacádicos, los cambios en el tamaño de la pupila, el parpadeo y otros parámetros, los investigadores pueden determinar en gran medida la eficacia del producto o recurso de información creado. Mientras que algunas empresas están tratando de resolver estos problemas internamente, otras están atrayendo empresas que ofrecen servicios de seguimiento ocular.
El campo más prometedor del seguimiento ocular comercial es la usabilidad web . Mientras que las técnicas de usabilidad tradicionales proporcionan datos bastante adecuados al analizar los clics y los desplazamientos del mouse, el seguimiento ocular permite analizar la relación entre el comportamiento del usuario y los clics del mouse. Esto brinda una mejora significativa al evaluar qué partes del sitio web son las más atractivas para el usuario, qué partes del sitio web causan dificultades para el usuario final y qué partes del sitio web no son notadas por el usuario. El seguimiento ocular también se puede utilizar para medir el rendimiento de búsqueda , el concepto de marca, la investigación en línea, la facilidad de uso de transición de página, la eficacia general del diseño y muchos otros aspectos del diseño web. En el proceso de investigación, se puede hacer una comparación de dos sitios competidores.
El seguimiento ocular se ha utilizado tradicionalmente para medir la eficacia de la publicidad en una variedad de medios . Videos de TV , volantes , anuncios en sitios de Internet , exhibición del logo del patrocinador en programas de TV, todo esto abre un amplio campo de actividad para el eye tracking comercial. Se analiza la visibilidad del packaging de un producto o de algún logotipo en un escaparate, periódico, web y programa de televisión. Esto permite a los investigadores evaluar con gran detalle cómo los consumidores notan o no notan el logotipo, el empaque y el punto de venta del producto final. Así, un especialista en publicidad puede evaluar la eficacia de una campaña publicitaria a través de la percepción visual real.
El seguimiento ocular permite a los diseñadores de empaques de productos evaluar la efectividad del empaque del producto. De esta forma, se puede evaluar la visibilidad, el atractivo y la tendencia del envase investigado para tomar la mejor decisión. El seguimiento ocular se usa a menudo cuando un producto comercial aún se encuentra en la etapa de prototipo. Los prototipos a menudo se prueban en parejas para ver si su diseño es más efectivo y se compara con las soluciones de la competencia.
Una de las aplicaciones más prometedoras del eye tracking es la optimización del diseño de terminales de calle . En la actualidad, los investigadores han ido tan lejos como para proponer la integración de rastreadores oculares en terminales de calle producidos en masa. El objetivo principal de esto es reducir el tiempo de interacción entre una persona y un dispositivo.
Los rastreadores oculares también se pueden usar para optimizar el sistema de enfoque automático de una cámara digital (enfocar donde mira el usuario).
La Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras (NHTSA) afirma que la integración de rastreadores oculares en un automóvil podría reducir la cantidad de accidentes en 100,000 al año. Según su investigación, hasta el 80% de los accidentes ocurren como resultado de acciones incorrectas del conductor dentro de los 3 segundos anteriores al accidente. Equipar los automóviles con rastreadores oculares aumentará significativamente la clase de seguridad de estos automóviles. Lexus promete equipar el LS460 con un rastreador ocular incorporado que lo alertará si el conductor se distrae del camino [32] .
Desde 2005, el sistema de seguimiento ocular se ha utilizado en equipos de comunicación para personas completamente paralizadas . Les permiten escribir mensajes de texto, enviar correos electrónicos, navegar por Internet usando solo sus ojos [33] . El seguimiento ocular puede conseguir resultados positivos incluso en el caso de parálisis cerebral , en la que el paciente realiza movimientos involuntarios. El rastreador ocular y la interfaz ojo-ratón le permiten controlar una computadora o enseñar a personas con problemas de coordinación motora .