眼球追蹤技術的研究進展及其在體育領域中應用前景

陸海林

眼球追蹤技術的研究進展及其在體育領域中應用前景

陸海林

眼球追蹤技術作為記錄眼球運動數據的重要技術，已在軍事、航空和醫學等領域被廣泛應用。眼球追蹤技術在評分類項目中裁判員輔助系統開發和應用，能減少因裁判員主觀性評分行為對比賽公正性和公平性的破壞；以眼球追蹤技術為基礎的體育賽事贊助評估體系能為贊助方提供賽事過程中品牌曝光度和受眾接受度方面的有效數據，為贊助商是否持續性贊助賽事提供參考；眼動追蹤技術的應用將為體育輔助裝備設計與研發、體育直播系統從業人員知識結構優化、體育類網站設計與優化、體育賽場氛圍渲染和體育用品商店物品陳設等領域具有廣泛的應用前景。

眼球追蹤技術；裁判輔助系統；體育贊助；應用

前 言

眼睛是人類獲取外接刺激信息的重要器官，大腦中約有80%～90%的知識和記憶都是通過眼睛獲取。眼球追蹤技術是指利用特殊的外接掃描設備獲取眼球聚焦點的位置和眼球相對于頭部位置的運動，并分析注視時間、注視次數、注視順序和眼跳距離等相關數據，通過終端設備進行處理、計算、分析，最終構建出一個注視點的參考平面圖。其技術原理是通過圖像傳感器采集的角膜反射模式和其他信息，計算出眼球的位置和注視方向。現代眼球追蹤儀的結構一般包括四個系統:光學系統、瞳孔中心坐標提取系統、視景與瞳孔坐標迭加系統、圖像與數據的記錄與分析系統。[1]眼球追蹤技術被認為是一項信息技術科學與生物工程學科交叉融合發展揭秘人類增強感知的尖端應用技術，最初曾被運用到軍事、航空和醫學等領域。隨著眼球追蹤技術的逐步成熟與完善，此項技術被廣泛應用于心理認知、用戶體驗、消費者心理行為、醫用設備和認知提升訓練等領域。本文旨在分析眼球追蹤技術應用國內外研究現狀，尤其是目前在體育領域的應用現狀，為該技術在體育運動領域廣泛的應用提供參考。

1 眼球追蹤技術研究現狀

1.1 國外眼球追蹤技術理論研究及設備研制現狀

基于視覺感知系統在大腦獲取外部信息的重要性。早在19世紀末期，行為心理學家就試圖構建眼球運動與人類心理活動的內在聯系。西方科學家對眼球追蹤的研究可大致分為三個階段。第一，直接觀察階段：用鏡子直接觀察被試者的眼球運動。由于受到觀察精度和數據精確性等因素的限制，在此階段僅能獲得眼跳、視覺注意等基本數據，但并沒有在應用領域展開研究。第二，機械記錄階段：采用侵入式的方法通過機械傳動來實現眼睛與記錄的連接。Huey(1898年)，用橡皮膏將一個杠桿連接在眼球上，首次記錄了被試者閱讀過程中的眼動軌跡。Raymond Dodge(1901年)利用Dodge Photochronograph拍攝到受試者在自然狀態下的眼球運動照片，通過對這些照片分析眼球運動與心理行為發展的關系，為眼球追蹤在行為心理學領域的發展奠定了基礎。第三，光學記錄階:主要用反光記錄法、普通照相機及膠片攝像記錄法和角膜反光法等方法對眼動軌跡進行研究，此階段通過光學設備能獲得較為準確的眼動數據。基于光學原理的眼球追蹤設備在經歷了頭盔式、遙測式等幾代的發展，技術得到不斷提升與發展，特別是采樣頻率更高、支持明瞳和暗瞳雙眼采集的雙眼追蹤傳感器問世，讓眼球追蹤的精度和準確度更加貼近生物學實際。眼球追蹤技術開發先鋒瑞典Tobii公司研發的眼球追蹤儀依靠精密的硬件設計、高品質的電子元器件和先進的眼動追蹤專利算法能提供高質量和可重視性數據，為眼球追蹤技術在各領域的應用提供了機會。

1.2 我國關于眼球追蹤技術的理論與應用現狀

我國眼動追蹤理論研究起步較晚，主要是以國外研究綜述為主。上世紀八十年代末期中國科學院和西安電子科技大學在借鑒國外學者理論研究的基礎上開始研制眼球追蹤設備，并將研究成果應用于駕駛人行為(成英等，2014；胡洪瑞等，2014；王慶敏等，2016；靳慧斌等，2016)、產品設計研發(方方等，2015；王震亞等，2016；宋之杰等，2016)和遠程自主學習(王凌燕等，2013；田媚等，2015)等領域。

1.3 國內外眼球追蹤技術在體育領域應用研究現狀

目前眼球追蹤技術在體育領域的應用，已經從研究體育運動中單一圖片向動態圖像或現場模擬方向發展。便攜式眼球追蹤儀的應用使得眼球追蹤研究實際運動場景中進行成為可能。實驗情境和真實情境更加接近，有助于研究者和實驗者研究生態學效度得到有效提升。

在體育運動領域中眼球追蹤技術應用研究主要包括以下幾個范式。①揭示運動員眼球運動特征與技能過程的內在關系的眼球運動-心理行為-技能過程的內在聯系研究[11-14]；②揭示不同項目類型、不同訓練階段運動員眼動特征差別的新手與專家型選手視覺注意特征研究[ 15-24]； ③采集優秀運動員在運動過程中眼球運動信息，并歸納整理出優秀運動員眼球運動變化特點，將記錄結果運用于指導運動員技戰術訓練和賽事指導研究[25-27 ]；④對體育賽事特定人群(教練員、裁判員、官員等)視覺注意變化特征研究，用以揭示參與比賽過程的非運動員集體對體育賽事各個過程的影響[28-30]。

2 眼球追蹤技術在體育領域中的應用前景

2.1 基于眼球追蹤技術在評分類項目中裁判輔助系統的應用前景

評分類項目運動成績的評判方法：裁判員根據統一評分標準，通過主觀判斷，對運動員完成動作情況予以相應分值來決定。《奧林匹克憲章》指出，奧林匹克精神就是相互了解、友誼、團結和公平競爭的精神。包括參與原則、競爭原則、公正原則、友誼原則和奮斗原則，而公正原則使奧林匹克精神具有了極大魅力[31]。裁判員對運動員成績評判的公正性是對他們刻苦訓練、頑強拼搏精神的最大肯定和鼓舞。但是裁判評分主觀屬性決定裁判公正性容易受到利益本位主義的內在因素和執裁無形手(如印象分、潮流動作、明星效應和前緊后松等)的外部因素的干擾，導致評分結果有失公正。例如，2004年雅典奧運會體操比賽中俄羅斯體操名將涅莫夫在單杠決賽中近乎完美的表現讓現場觀眾形成與裁判的對峙，比賽一度中斷。2016年巴西奧運會女子高低杠比賽中范憶琳雖有6.9分的高難度動作價值和較好的表現，但在比賽過程中遭遇裁判的不公正而無緣決賽。

如何減少裁判員主觀性評分行為發生,提高執裁公正性成為評分類項目的研究熱點。以競技體操為例，在新奧運周期規則中明確了各部分裁判組的權利與職責，除了單項裁判(D組、E組)，還引入了R組裁判(參考裁判)體現了改革的決心。D組2名裁判員主要是對運動員完成動作的難度價值做出評判，當在某個動作難度或完成質量出現疑問時可以通過技術手段再現動作影響，降低人為因素誤判或錯判的可能性。R組裁判的介入為了防止E組裁判出現錯誤判罰的情況設置的修正值，只有當R組裁判和E組裁判的評分差值超出修正范圍，R組裁判的分值才會計入計算運動員成績評定系統，否則將不起作用[32]。盡管有參考裁判組的介入只是降低了E組裁判出錯概率，不能消除由E組裁判出錯而帶來的嚴重后果。

基于眼球追蹤技術裁判輔助系統可以從兩個方面對E組裁判，包括R組裁判的分值評定建立視覺聯系。首先，該系統可以還原第一視覺影像，即裁判所看到的比賽過程；其次，該系統可以記錄裁判員注視點變化過程、注視點分布、注視時間和聚焦位置等眼球運動信息。采集裁判員執裁過程眼球運動信息可以為賽事組委會對裁判員的評分有效性作為“黑匣子”存在，并作為運動員申訴依據。

評分類項目評分過程中裁判員主觀性行為不可還原性讓裁判員主觀因素造成的誤評、誤判等不公正后果難以規避，而基于眼球追蹤技術的裁判輔助系統的應用將會對諸如競技體操、武術等項目的發展產生革命性的影響。

2.2 眼球追蹤技術在體育賽事背景廣告曝光度定量測算的應用前景

體育贊助收入是成熟體育賽事重要收入來源之一[33]。以在世界范圍內具有廣泛影響力和競技水平最高的籃球職業化賽事NBA為例，2015-2016賽季全聯盟總收入約為55億美元，其中出讓轉播權收入約為9.3億美元，贊助收入約為7.39億美元，分別占總收入的16.90%和13.43%，這兩項收入之和超過總收入三成。而隨著NBA市場策略的變化這一數據將會進一步增加。現場觀眾的數量影響面遠遠不如有現代電視傳媒或網絡媒體等現代傳媒手段對體育賽事傳播和報道影響面大，贊助高水平或者影響面廣的賽事對企業的曝光率是企業贊助體育賽事的首要因素。據Turnkey Sports & Etertainment 公司統計，企業贊助NBA賽場的營銷費用為其提高品牌知名度和曝光率收獲了良好效果。體育賽事贊助效果受到賽事類型、天氣條件、轉播形式和場地條件等多重因素影響。企業贊助體育賽事對提高品牌知名度、樹立企業良好形象和建立市場消費基礎的定性研究較多，但是如何提供讓贊助商信服的數據則主要靠前期預測和后期市場調查，這一過程漫長而繁雜，即使通過測算等方式得出的背景廣告曝光度也不能真實反映其是否引起受眾注意和為受眾所接受。

利用眼動追蹤儀獲得的數據結合賽事前期預測和后期市場調查，將會有效提升體育賽事贊助商品牌曝光度評估，為企業贊助體育賽事增加信心，為體育賽事能贏得更大的贊助機遇。眼球追蹤系統應用于體育賽事背景廣告曝光度設定可以體育賽事受眾入手，即現場觀眾和媒體轉播觀眾。分別選取一定數量的現場觀眾和媒體轉播觀眾佩戴眼球追蹤儀。對在賽場具有不同典型特征觀眾的眼球追蹤可以分析出賽場氛布置，如廣告牌位置和大小、廣告布置形式等引起視覺注意的程度，為賽事主辦方和贊助商評估賽事贊助效果提供依據。對媒體轉播觀眾眼球追蹤的結果不僅可以獲得賽事轉播畫面的視覺注意程度，還可以為媒體轉播機構在賽事過程中插播的廣告提供值得信賴的數據支撐。

2.3 體育賽事直播系統人員知識結構優化應用

體育賽事直播系統主要包括兩個重要的參與者主播機構和持有轉播權的轉播機構。主播機構作為賽事的公共信號制作方，為世界范圍內持有轉播權的機構提供干凈中立的直播信號，而持權轉播機構則通過購買賽事版權的方式接受由主播機構提供的公共信號，然后對節目包裝、播出和商業開發。從賽事公共信號的制作到媒體觀眾收看賽事視頻的過程主要參與者是主播機構的攝像組(機動車機位、固定機位、游機、航拍機位和畫面特效組等)和持權轉播機構的導播組。導播組從多個攝像機位選取某個符合賽事特點的畫面作為節目播出畫面，這是個動態的過程。攝像組和導播組是專業性很強的工作，他們應掌握攝像業務技術、精通畫面語言知識和了解各項體育賽事的特點，讓媒體觀眾看到體育賽事精彩畫面和滿足贊助商權益需求。他們對媒體畫面的拍攝和播放都是建立在經驗的基礎上，卻不能獲取媒體觀眾的真實需求。將眼動追蹤技術應用于媒體觀眾，獲取受眾的注視點變化過程，注視點分布、注視時間和聚焦位置等眼球運動信息，并在分析這些數據的基礎上建立項目數據庫。這將有效提升體育賽事直播系統從業人員的專業知識，制作出符合受眾審美需求的播放畫面，讓受眾能感受體育賽事的魅力。

2.4 眼球追蹤技術在體育運動輔助裝備設計、研發方面的應用前景

體育運動輔助裝備是運動過程中所佩戴或使用的裝備。從功能上可分為保護安全性裝備、運動舒適性裝備和挖掘潛能性裝備。體育運動輔助裝備發展與科學技術發展相互融合、相互促進。近年來利用高新技術和新興材料研發體育運動輔助裝備催生新興體育運動項目、增強運動安全性和提高運動訓練水平。

眼動追蹤技術在體育運動輔助裝備設計、研發領域的應用前景十分廣泛。首先，眼動追蹤技術應用于體育運動輔助裝備可以提高運動員的訓練水平。一級方程式賽車運動員的頭盔是高科技應用于體育運動輔助裝備的典型案例，為保證其強度大、重量輕等特點將鈦合金作為原材料，同時要兼顧運動員呼吸順暢且通風性能良好，還要有營養補給設備。將眼動追蹤技術應用于一級方程式運動員頭盔，采集運動員視覺注視特征數據，這些數據可以讓賽車團隊用來判斷比賽(或練習)過程中運動員的競技水平與心理狀態，對數據加以分析與計算可以建立運動員的視覺注意變化過程與所取得成績建立內在聯系，從而為提高運動員的競技能力提供依據。其次，眼動追蹤技術應用于體育運動輔助裝備可以增強運動員的安全性。比如，雪鏡是極限攀登運動員在高海拔登山的必要裝備，如能將眼球追蹤技術應用于雪鏡，就可以實時獲取運動員視覺注意特征，并將數據加以分析與處理，可以實現隨動頭燈增加運動員視野范圍，或者是在出現意外狀況下因意外受傷而造成失去行動能力的情況下，用眼動控制頭燈的強度，為救援人員能提供信息。

2.5 眼球追蹤技術在體育領域中的其它應用前景

眼球追蹤技術能記錄受試者目光定位順序和聚焦時間長短等信息，形成視覺熱點圖為窺見消費者心理期待和共鳴元素提供依據，能分析受眾的消費潛意識和購買可能性。從而為體育類網站設計優化頁面布局、優化廣告投放，體育賽場氛圍渲染和體育用品商店物品陳設等方面提供數據支撐和技術支持。

3 小結

眼球追蹤技術作為一項尖端前言技術已被運用到飛機駕駛艙設計、產品外包裝設計、汽車自適應大燈、殘障人士交流設備制造和網頁設計等諸多方面。體育領域是高、尖端科技的試驗場與發酵器，眾多科技信息的產生與發展在體育領域得到驗證與完善，隨著眼球追蹤技術的不斷完善與發展，該項技術的應用成本和精確度不斷提高，眼球追蹤技術在評分類項目裁判員輔助系統研發、體育賽事贊助市場測評和體育輔助裝備研發等方面具有廣闊的應用前景。

[1] 百度百科.2016.眼動儀. [EB/OL]http://baike.baidu.com/link?url=ZAtSPTgHlBKCv6MyvXLRzNbenyd0NiR5DDLc9DtFhN4vo8Qs 4cJW3FIKOu9PQ5k3MYRvB-Ruqg2BN4CbcK3jK9aVPHkQqMOA tH7SgFdhi186XRciFd2KvU4W1M-y35n7.2014-01-06.

[2] 成英, 高利, 高鮮萍. 城市快速路駕駛人注意力分配特征變化[J]. 中國安全科學學報, 2014, 24(10):71-76.

[3] 胡洪瑞, 劉龍繁, 熊艷,等. 不同道路環境下駕駛人眼動行為的研究[J]. 生物醫學工程研究, 2016, 35(4):255-259.

[4] 王慶敏, 姚永杰, 李科華,等. 飛行員眼動追蹤與航空工效學的研究現狀[J]. 海軍醫學雜志, 2016, 37(1):90-93.

[5] 靳慧斌, 張穎, 王丹,等. 眼動追蹤技術在民航安全領域中的應用現狀[J]. 人類工效學, 2016, 22(2):78-80.

[6] 方方, 楊素云, 王黎. 基于眼動追蹤的青年群體內衣色彩心理認知習慣研究[J]. 東華大學學報(自然科學版), 2015, 41(3):303-308.

[7] 王震亞, 李海旺. 基于眼動追蹤技術的汽車造型特征提取與認知研究[J]. 包裝工程, 2016(20):54-58.

[8] 宋之杰, 李永超, 石蕊. 在線評論對消費者購買決策影響的眼動追蹤實驗研究[J]. 商業研究, 2016(10):164-170.

[9] 田媚, 黃雅平, 李清勇,等. 基于眼動追蹤技術的研究型教學體系建設[J]. 計算機教育, 2015, 231(3):37-40.

[10] 王凌燕, 丁露露, 李鵬坤. 眼球追蹤技術及其在網上學習監控中的應用[J]. 自動化技術與應用, 2013, 32(8):31-33.

[11] Gorovaya A E, Korobeinikova E Y. Use of eye-tracking technology in sport psychology[J]. Psihologieskaa Nauka I Obrazovanie, 2013(1).

[12] 崔運坤, 賈燕, 張英波. 國內外知覺預測領域眼動研究的進展——基于研究范式、刺激材料、遮蔽方式的探討[J]. 北京體育大學學報, 2014(8):135-139.

[13] 王小春, 周成林. 基于視覺線索遮蔽條件下的網球專家空間知覺預判:來自眼動與ERP的證據[J]. 體育科學, 2013, 33(2):38-46.

[14] Kai E, Pfeiffer T, Maycock J, et al. Attentive Systems: Modern Analysis Techniques for Gaze Movements in Sport Science[C]// ISSP, World Congress of Sport Psychology - Harmony and Excellence in Sport and Life. 2013.

[15] Mockel M,Heem soth C.Maximizing Information as a Srrategy in Visusl Search:The Role of Knowledge about the stimulus Structure[M]//Theoretical and Applied Aspects of Eye Movement Research.Borth Holland:Elsevier Science Publishers,1984:335-342.

[16] Ripoll H,Kerlirzin Y,Stern J F,Reine B.Decision Making and Visual Strategies of Boxers in a Simulated Problem Solving Situation[M]//Perception and Cognition: Advances in Eye Movement Research. North Holland: Elsevier Science Publishers,1993:114-147.

[17] Petrakis E. Analysis of Visual Search Patterns of Tennis Teachers[M]//Perception and Cognition: Advances in Eye Movement Research. North Holland: Elsevier Science Publishers，1993:159-168.

[18] Helsen W & Pauwels JM. The relationship between expertise and visual information processing in sport. In:Starks J. L. and Allard(Eds). Cognitive issues in motorexpertise. Amsterdam：North Holland，1993. 109-134.

[19] Oudejans R D, van de Langenberg R W,Hutter R I.Aiming at Afar Target under Different Viewing Conditongs: Visual Controlin Basketball Jump Shooting[J].Human Movement Science，2002，(21):457-480.

[20] Williams A M, Ward P, Knowles J M, et al. Anticipation skill in a real-world task: Measurement, training, and transfer in tennis.[J]. Journal of Experimental Psychology Applied, 2002, 8(4):259-70.

[21] 張運亮, 李宗浩, 孫延林,等. 專家與新手籃球后衛運動員的眼動研究[J]. 心理與行為研究, 2004, 2(3):534-538.

[22] 王樹明, 章建成. 羽毛球運動員專項情境中信息加工階段速度研究[J]. 中國體育科技, 2005, 41(5):93-96.

[23] 章建成, 施之皓, 李安民,等. 現場與試驗室情境下乒乓球運動員對發球旋轉判斷的比較研究[J]. 天津體育學院學報, 2012, 27(4):277-281.

[24] 朱泳, 高俊, 黃濱,等. 基于眼動和EEG對籃球罰球思維調控特征的分析[J]. 天津體育學院學報, 2014, 29(4):313-318.

[25] Bard C,Fleury M. Analysis of visual search activity during sport problem situations[J]. Journal of Human Movement Studies，1976( 3) ：214-227.

[26] A. M. Williams, K. Davids. Visual Search Strategy, Selective Attention, and Expertise in Soccer[J]. Research Quarterly for Exercise and Sport, 1998, 69(2):111.

[27] Grushko A I, Leonov S V. The Usage of Eye-tracking Technologies in Rock-climbing ☆[J]. Procedia - Social and Behavioral Sciences, 2014, 146:169-174.

[28] Chantal Bard, Michelle Fleury, Lise Carrière, et al. Analysis of Gymnastics Judges' Visual Search[J]. Research Quarterly for Exercise and Sport, 1980, 51(2):267-273.

[29] 蔡賡, 豬俁公宏, 季瀏. 女子跳馬運動評分過程中裁判員的眼動研究[J]. 山東體育學院學報, 2001, 17(4):45-46.

[30] Christoph Breuer, Christopher Rumpf, 席馳. 體育贊助效果評估[J]. 北京體育大學學報, 2015(4):18-25.

[31] 國際奧委會.奧林匹克憲章[M].北京：奧林匹克出版社，2001，4.

[32] Men's Artistic Gymnastics 2013—2016 Code of Points [S]. Federation International De Gymnastique，2013.

[33] 肖毅. 體育賽事背景廣告曝光參數虛擬預測研究[D]. 上海體育學院, 2010.

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

論文說明：2017國際體育與健康學術論文報告會暨第八屆全國青年體育科學學術會議專題口頭報告。

陸海林(1982-)，男，江蘇東海人，講師，碩士，研究方向：體操教學與訓練。

南通大學體育科學學院，江蘇 南通 226019

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