Eyetracking
Sven Koch, Medieninformatik, Mensch-Maschine-Interaktion I - WiSe 2007
1. Einleitung
Dieser Essay soll die Funktionsweise von Eyetracking erläutern. Dazu soll zunächst in Kapitel zwei behandelt werden was man überhaupt unter dem Begriff Eyetracking versteht und wo und warum diese Methode eingesetzt wird. Anschließend wird in Kapitel drei kurz darauf eingegangen wie der Mensch Dinge mit seinen Augen wahrnimmt und welche Rolle dabei Augenbewegungen spielen. Da sich dieser Essay jedoch mit dem Thema Eyetracking auseinander setzt, wird dies nur insofern ausgeführt wie es für dieses Thema für ein besseres Verständnis von Bedeutung ist. Nachdem die Grundlagen behandelt sind, werden in Kapitel vier schließlich verschiedene Technologien vorgestellt, die zum Eyetracking verwendet werden. Da diese Verfahren teilweise sehr technisch sind und dieser Essay im Rahmen der Vorlesung „Mensch-Maschine-Interaktion I“ entstanden ist, soll jedoch keine erschöpfende technische Beschreibung gegeben, sondern mehr Wert auf einen allgemeinen Überblick gelegt werden. Im Schlusswort in Kapitel 5 soll abschließend eine Alternative zum Eyetracking vorgestellt werden.
2. Einführung zum Eyetracking
Eyetracking nennt man den Vorgang, die Augenbewegungen eines Menschen zu verfolgen. Das erste Mal wurde Eyetracking von A. Laurentius in seinem Werk „A Discorse of the Preservation of the Sight: of melancholike Disiseases; of Rheumes, and of Old Age“ um 1599 erwähnt. Damals noch ohne irgendwelche technischen Hilfsmittel (siehe Kapitel 4). Im 19. Jahrhundert hat man begonnen ausgefeiltere Techniken, wie etwa retinale Nachbilder zu erforschen. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts versucht man mit unterschiedlichen Apparaturen die Bewegung der Augen aufzuzeichnen. Bis in die 80er Jahre des 20. Jahrhunderts hat man Eyetracking vor allem zu medizinischen Zwecken eingsetzt, seitdem aber auch verstärkt in der Usability-Forschung. Neueste Ansätze versuchen sogar die Augenbewegungen direkt zur Steuerung von Interfaces zu benutzen. In der klassischen Usability-Forschung hingegen, versucht man mit Hilfe der Blickrichtung zu rekonstruieren wo ein Benutzer bestimmte Funktionen eines Programmes sucht, oder wohin er seine Aufmerksamkeit richtet. So kann man auf Grundlage von Blickverlaufsdaten eine benutzerfreundliche Anordnung von Symbolleisten von Userinterfaces erreichen oder auf Webseiten die Anordnung und Position von Navigationen optimieren. Auch die Werbewirkungsforschung profitiert sehr aus Daten darüber, wie Probanden Werbung betrachten. Hier nun ein Anwendungsbeispiel aus dem Bereich der Gestaltung von Webseiten: Der Proband wird vor den Internetauftritt eines Unternehmens gesetzt. Er wird dann gebeten eine bestimmte Seite anzusteuern, etwa die Seite eines bestimmten Produktes. Wo sucht der Proband nach einem Link auf diese Seite? Ist der Link genau dort wo er ihn erwartet? Diese Frage kann entscheidend für eine Kaufentscheidung eines Kunden sein und somit von essentieller Bedeutung für Unternehmen. Ein weiterer wichtiger Forschungszweig in der Eyetracking eingesetzt wird ist die Verkehrsforschung. Gerade wenn man an blickaufwendige Neuerungen wie Boardcomputer oder Navigationssysteme denkt, wird klar, dass es hier von enormer Bedeutung ist, dass neue interaktionselemente zu Bedienen sind, ohne dass der Fahrer ihnen zu viel Aufmerksamkeit schenken muss. Auch wird Eyetracking schon experimentell eingesetzt um Müdigkeit zu erkennen, was über die Analyse des Lidschlages geschehen kann.
[Piechulla, Walter (2006), Jacob, Robert J.K. (2003), DoPaUn]
3. Sehen mit dem menschlichen Auge
Betrachtet eine Person etwas, so scheint sein Blick und Auge festzustehen. Man spricht hierbei von einer Fixation. Durch eine solche Fixation ist aber immer nur ein kleiner Teil des Blickfeldes scharf zu erkennen, daher vollzieht das Auge ruckhafte Sprünge, genannt Saccaden, von einem Fixationspunkt zum nächsten. Während einer Saccade selbst kann keine Information aufgenommen werden. Obwohl es noch eine Anzahl anderer bewusster und unbewusster Augenbewegungen gibt, spielen eigentlich nur diese beiden beim Eyetracking und vor allem der Usability-Forschung bisher eine Rolle. Es ist also nicht so, dass sich das Auge kontinuierlich bewegt, wenn man etwas betrachtet, sondern es ist eine Kette ruckhafter Bewegung von Fixationspunkt zu Fixationspunkt, die sogenannte Verfolgung. Dies hat entscheidenden Einfluss auf unser Sehverhalten, den man besonders gut beim Betrachten eines Flusses beobachten kann: Man kann ihn nicht Betrachten, ohne dass der Blick „mittreibt“. Eine Saccade kann etwa ein bis vierzig Grad des Blickfeldes überspringen und dauert etwa 30-120 Millisekunden. In der Regel liegt ein Saccadensprung zwischen Fünfzehn und Zwanzig Grad. Allerdings sind die Saccadendauer und länge der Fixation selbst bei einer Person teilweise sehr unterschiedlich, je nach Situation und Interesse. Jedoch muss eine Mindestzeit von 100-200 Millisekunden zwischen zwei Saccadensprüngen verstreichen. Die Aufgabe des Eyetrackings ist es also vor allem die Fixationspunkte zu bestimmen und die Reihenfolge in der das Auge diese Punkte betrachtet. Eine mögliche Auswertung bei der Analyse von Webseiten, sieht dann beispielsweise so aus, dass die gemessenen Fixationspunkte eines Probanden grafisch auf die Webseite übertragen werden. Fixationspunkte auf denen der Blick länger verweilt können farblich besonders kenntlich gemacht werden.
[DoPaUn, Jacob, Robert J.K. (2003), Wikipedia (2007)]
4. Technologien zum Eyetracking
In diesem Abschnitt sollen nun verschiedene Technologien zur Aufnahme von Augenbewegung vorgestellt werden.
4.1 Subjektive Erfassung
Die einfachste und älteste Form der subjektiven Erfassung ist die direkte Beobachtung der Augenbewung eines Probanden (Laurentius, 1599). Dabei handelt es sich jedoch gleeichzeitig um die ungenaueste Form der Erfassung, Bewegungen ab etwa 1° sind so zu erkennen. Trotzdem wird diese Methode auch heute noch von Ärzten verwendet um etwa bestimmte Reflexe zu testen. Eine erweitertte Form der subjektiven Erfassung ist es, beim Probanden sogenannte Retinal-Nachbilder zu erzeugen. Diese werden durch starke Lichtreflexe beim Probanden erzeugt. Wenn sich das Auge dabei bewegt, entstehen diese Nachbilder an unterschiedlichen Positionen auf der Retina. Der Proband muss dann über die Position dieser Bilder berichten, wobei Nachbilder mit einem Unterschied ab 0,25° sicher unterschieden werden können. Die Nachteile dieses Verfahren liegen darin, dass es nur bei Dunkelheit anwendbar ist und der Proband sehr grellen Lichtblitzen ausgesetzt ist. Die Methode wird in der Medizin eingesetzt, etwa bei der Gleichgewichtsforschung.
[DoPaUn]
4.2 Elektrookulografie
Bei der Elektrookulografie versucht man die Augenbewegung über Hautelektroden zu messen. Um ein Auge werden jeweils vier Elektroden befestigt, ober- und unterhalb des Auges, sowie links und rechts seitlich des Auges. Man macht sich bei dieser Methode nun das kornea-retinale Bestandspotenzial zu Nutze, der Potenzialdifferenz zwischen der elektronegativen Netzhaut und der positiven Hornhaut. Bewegt sich nun das Auge, nähert sich die Netzhaut einer der Elektroden an, während sich die Hornhaut in Richtung der anderen Elektrode bewegt. So entsteht bei der Bewegung des Auges eine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden die gemessen werden kann. Die ober- und unterhalb des Auges positionierten Elektroden dienen hierbei für die Registrierung veritikaler Bewegungen, die seitlich positionierten Elektroden für die horizontalen Bewegungen. Über diese Messwerte lassen sich dann die Augenbewegungen rekonstruieren. Allerdings ist diese Methode recht ungenau, vor allem wenn statt der relativen Augenbewegung die absolute Position des Auges bestimmt werden soll. Diese Methode wird vor allem in der Medizin verwendet zur:
- Dokumentation und Verlaufskontrolle peripher-vestibulärer Erkrankungen, - Differenzierung von zentralen und peripheren Schwindelbeschwerden, - Typisierung verschiedener Nystagmusformen, - Objektivierung von Kompensationsvorgängen und - Therapiekontrolle.
Dieses Verfahren bietet jedoch ebenso den entscheidenden Vorteil, dass es auch bei geschlossenen Augenliedern angewandt werden kann. Daher wird es auch in der Schlafforschung bei REM-Phasen eingesetzt.
[DeSpHe 2004, DoPaUn, Wikipedia (2006)]
4.3 Methoden mit Kontaktlinsen
Die Registrierung von Augenbewegungen mit Hilfe von Kontaktlinsen die dem Probanden eingesetzt werden, gehören zu den genauesten, aber auch aufwendigsten Methoden. Es gibt zwei unterschiedliche Ansätze hierfür. Die einfachere ist die optische Methode. Sie besteht darin auf der Kontaktlinse einen Spiegel anzubringen, der einfallendes Licht punktförmig reflektiert. Diese Reflexion wird dann beispielsweise über eine Kamera aufgezeichnet. Komplizierter ist die sogenannte search coil Technik. Bei dieser ist auf der Kontaktlinse eine magnetische Spule samt Sensor befestigt. Durch große Spulen um den Probanden herum werden verschiedene magnetische Felder um den Probanden erzeugt, welche eine bestimmte Spannung auf der Spule der Kontaktlinse erzeugen. Diese Spannung ändert sich je nach Position der Spule in den Magnetfeldern, also je nach Blickrichtung des Probanden. Über die Änderung der Spannung kann also die Augenbewegung rekonstruiert werden. Für beide Verfahren ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Kontaktlinsen auch bei schnellen Augenbewegungen nicht verrutschen. Individuell angepasste Linsen für jeden Probanden sind daher notwendig. Zudem ist die Tragedauer solcher Linsewn begrenzt auf etwa 30 Minuten um bei den Probanden Reizungen des Auges zu vermeiden. Daher sind diese beiden Methoden nur in Laborumgebungen und unter ärztlicher Aufsicht einsetzbar und für größere Benutzerstudien ungeeignet.
[Mulligan, Jeffrey B., DoPaUn, Jacob, Robert J.K. (2003)]
4.4 Limbus-, Pupillen- oder Augenlidregistrierung
Zur Registrierung von Augenbewegungen, kann man ausnutzen, dass manche Merkmale der Augen besonders einfach zu verfolgen sind. So eignet sich der Limbus, die Grenzlinie zwischen Augapfel und Iris, besonders gut zum Verfolgen horizontaler Augenbewegungen. Das Augenlid folgt den vertikalen Bewegungen des Auges und kann daher helfen diese Bewegungen zu verfolgen. Über die Pupille bekommt man Auskunft sowohl über horizontale, als auch über vertikale Bewegungen. Beleuchtet man das Auge nun mit einem festen Lichtpunkt, wird dieser reflektiert. Da Azugenlid, Iris, Augapfel und Pupille aber jeweils unterschiedliche Menegen an Licht reflektieren, kann man aus der Menge des reflektierten Lichts auf die Augenstellung schliessen. Zumeist wird um dies zu Messen das reflektierte Licht über eine fotoelektrische Platte in eine Spannung umgewandelt.
[DoPaUn]
4.5 Videobasierte Erfassung
Der Grundgedanke hinter der videobasierten Erfassung, liegt darin die Augen des Probanden mit Kameras aufzunehmen und diese Videobilder mit Hilfe von Bildverarbeitungssoftware die Bewegung der Pupille auszuwerten. Dabei gibt es zwei unterschiedliche Arten von Systemen, solche die auf dem Kopf des Probanden befestigt sind (head-mounted systems) und solche die keinen physikalischen Kontakt zum Benutzer haben (remote systems). Bei den head-mounted Systemen ist eine zusätzliche Aufnahme der Kopfbewegung notwendig, da die Kameras nur Bewegungen des Auges relativ zum Kopf aufnehmen können. Bei remote Systemen liegt die Schwierigkeit darin, dass das System nicht zwischen einer Drehung des Augapfels (große Änderung des Blickpunktes) und einer leichten Bewegung des Kopfes (geringe Änderung des Blickpunktes) unterscheiden kann, denn bei beiden erkennt es nur eine leicht veränderte Position der Pupille. Deshalb ist es entweder notwendig den Kopf des Probanden zu fixieren oder diese Methode mit Hilfe der Purkinjebilder zu verfeinern. Man nutzt die Eigenschaft des Auges, einfallendes Licht auf auf unterschiedlichen Ebenen des Sehapparates zu reflektieren. Diese Reflektionen sind die sogeannten Purkinjebilder. Die erste Refelexion findet auf der Aussenseite der Hornhaut, daher wird es auch Corneareflex oder erstes Purkinjebild. Es gibt weitere drei Purkinjebilder: Das zweite tritt an der Grenzfläche zwischen Hornhaut und Kammerwasser auf, das dritte an der Grenzfläche zwischen Kammerwasser und Linse, das vierte zwischen Linse und Glaskörper.
[Humbold-Universität Berlin, DoPaUn, KoPeTs 2003, TrKrRh 2006, Jacob, Robert J.K. (2003)]
4.5.1 Corneareflexionsmethode / Infrarotokulographie
Bei der Corneareflexionsmethode bedient man sich des Corneareflex und der Pupille um eine Aussage über Augenbewegungen zu treffen. Man beleuchtet das Auge mit einer infraroten Lichtquelle um die Reflexion zu erzeugen. Sie scheint etwa 3,5mm unter der Oberfläsche des Auges zu liegen. Dieses Licht bewirkt zugleich, dass die Pupille als helle Fläche von einer lichtempfindlichen Kamera wargenommen wird, die sich deutlich von der Umgebung absetzt. Dies erleichtert die spätere Bildverarbeitung. Der Corneareflex und die Pupille bewegen sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Radien zum Augmittelpunkt bei einer Augenbewegung jedoch nicht identisch. Man kann die Änderung des Vektor zwischen den Mittelpunkten der Reflexion und der Pupille so dafür verwenden um eine Augenbewegung zu rekonstruieren. Führt der Proband nur eine minimale Kopfbewegung aus, bleibt dieser Vektor konstant, jedoch muss die Kamera und die Lichtquelle nachgeführt werden.
[Humbold-Universität Berlin, DoPaUn, KoPeTs 2003, TrKrRh 2006, Jacob, Robert J.K. (2003)]
4.5.2 Videookulographie
Die Videookulographie funktioniert im Prinzip genau wie die Infrarotokulographie, nur dass sie auf die Infrarotlichtquelle und somit den Corneareflex verzichtet und sich ganz auf die Bildverarbeitung verlässt, um Augenbewegungen zu registrieren.
[Humbold-Universität Berlin, DoPaUn, KoPeTs 2003, TrKrRh 2006, Jacob, Robert J.K. (2003)]
4.5.3 Doppelte-Purkinjebild-Technik
Bei dieser Technik bedient man sich dem ersten und vierten Purkinjebild , deren Relation zueinander sich nur durch Augenbewegungen ändert. Leider ist das vierte Purkinjebild sehr schwach und schwer messbar, somit ist ein hoher Aufwand bei der Messung erforderlich. Dafür kann man insgesamt sehr genaue Messwerte erzielen.
[Humboldt-Universität Berlin, DoPaUn]
5. Schlussbemerkung
Eyetracking ist eine sehr hilfreiche aber leider auch sehr teure und aufwendige Methode, besonders wenn man sie in der Usability-Forschung bei größeren Benutzerstudien einsetzen will. Eine Alternative dazu bietet das sogenannte „Site-Covering“. Dies kann etwa zur kostengünstigen Analyse von Websiten genutzt werden. Es werden farbige, halbtransparente Grafiken über die verschiedenen Elemente der Webseite gelegt, etwa die Navigation, die verschiedenen Inhaltsfelder, animierte Elemente, etc. Die Probanden können diese Kärtchen wegklicken und werden gebeten dies zu tun, bevor sie etwas lesen oder anschauen wollen. So kann registriert werden, welche Bereiche der Webseite angesehen werden und in welcher Reihenfolge dies geschieht, ohne, dass teure technische Apparaturen vonnöten werden. Allerdings ist diese Methode natürlich viel ungenauer, da unbewusste Aufmerksamkeitsänderungen nicht berücksichtigt werden und der Proband erst selbst aktiv werden muss.
[WiYoBe 2002]
Anhang
Literaturverzeichnis
[DeSpHe 2004] Deetjen/Speckmann/Hescheler, Physiologie, 4. Aufl., Elsevier Urban & Fischer 2004 (http://www.elsevier.de/elsevier/covers/pdf/3437413171_fall33.pdf)
[DoPaUn] Dornhöfer, Sascha M.; Pannasch, Sebastian; Unema, Pieter J.A. (?), Augenbewegungen und deren Registrierungsmethoden, http://rcswww.urz.tu-dresden.de/~cogsci/pdf/augenbewegungen.pdf, ?, Abruf am 1.2.2007
Humboldt-Universität Berlin(?), http://www2.hu-berlin.de/reha/eye/Studie2000/tech.pdf, ?, Abruf am 1.2.2007
Jacob, Robert J.K. (2003), Eye Tracking in Advanced Interface Design, http://www.cs.tufts.edu/~jacob/papers/barfield.html, 7. Februar 2003, Abruf am 1.2.2007
[KoPeTs 2003] Kolbe, Annina; Perlitz, Rouven; Tschaut, Anna (2003), Der Einfluss von Geräuschen auf die Aufmerksamkeit, http://www.anna.tschaut.de/anderes/EyeForschungsbericht.pdf, 2003, Abruf am 1.2.2003
Mulligan, Jeffrey B. (?), Image Processing for Improved Eye Tracking Accuracy, http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/atrs.arc.nasa.gov/draft/draft.pdf, Abruf am 1.2.2007
Piechulla, Walter (2006), Blickbewegungsmaße als Indiakatoren der Fahrerbeanspruchung, http://ambulatory-assessment.com/presentationen/piechulla.pdf, 2006, Abruf am 1.2.2007
[TrKrRh 2006] Troskin, Igor; Kracht, David; Rhinow, Steffen (2006), Eye Tracking - How does it work and what it is used for?, http://209.85.135.104/search?q=cache:xuuC1PMJXCQJ:www.uni-ulm.de/~s_srhino/Frei/EyeTracking.doc+%22cornea+reflexion%22&hl=de&ct=clnk&cd=3&gl=de&ie=UTF-8, 2006, Abruf am 1.2.2006
Wikipedia (2006), Elektrookulografie, http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrookulografie, 10. Dezember 2006, Abruf am 1.2.2006
Wikipedia (2007), Blickbewegung, http://de.wikipedia.org/wiki/Blickbewegung, 2.2.2007, Abruf am 6.2.2007
[WiYoBe 2002] Wilhelm, Thorsten; Yom, Miriam; Beger, Dorit (2002), Site-Covering - eine innovative Methode zur Erfassung der Informationsaufnahme und des Entscheidungsverhaltens auf Webseiten - Erste Ergebnisse -, http://www.eresult.de/Texte/sitecovering.pdf, 2002, Abruf am 1.2.2007
