眼動追蹤數據的可視化方法

文/孫楚怡

1 介紹

眼動追蹤技術已成為可視化研究中分析用戶行為的一種被廣泛使用的方法。眼動追蹤是一種傳感器技術，當用戶在瀏覽某些研究對象時，眼動追蹤儀會記錄用戶眼動的整個過程，并把這些傳感數據存儲在計算機或其他設備通過恰當的可視化方法，我們就可以知道用戶的瀏覽興趣區域。眼動儀將用戶的視線點記錄為原始數據，之后，將這些注視點匯總為注視點和掃視路徑，以測量研究對象的重點區域。借助這項技術，我們可以分析和理解不同背景下的用戶行為。往往在眼動追蹤實驗期間會生成的大量數據，因此采用恰當的可視化方法為分析用戶行提供了良好基礎。近些年來，隨著眼動追蹤技術的發展，眼動追蹤設備越來越輕便，甚至出現了允許通過手機來進行眼動跟蹤的設備。

根據不同的研究的類型和范圍，記錄眼動過程是一項艱巨的任務，期間會產生大量數據。這些數據包含了很多信息，需要通過處理進行可視化，最后再由領域專家對用戶行為進行分析，提煉出有用的信息。每一步環環相扣，相輔相成，尤其是可視化成為連接原始數據與領域專家的重要橋梁。由于眼動儀的發展以及數據轉換和存儲技術的進步，使得一些新的問題產生，例如如果使得信息在顯示的時候不重疊，在處理過程中不丟失信息，仍然存在有許多需要解決的問題。眼動追蹤已在許多不同領域中應用，因此確定研究范圍可以使得可視化的方法更加具體和有針對性。對眼睛追蹤數據的分析是一項十分耗時的工作，這項工作需要具備專業知識的領域專家來進行，所以提供高效、穩定的可視化方法成為了順利進行這一工作的保障。

本文通過對該領域相關文獻介紹，闡述了眼動追蹤數據的基本可視化方法。在理解眼動追蹤這一概念的基礎之上，引入了一些專業名詞、術語，為之后的方法介紹打下基礎。隨后，根據可視化方法的不同分類，作更為詳細地介紹。通常意義上，根據不同的標準，可視化方法可以分為：靜態和動態，2D 和3D，上下文相關和上下文無關等。在本文中，基于對該領域相關文獻的分析理解，可視化將分為基于點和基于興趣區域的可視化方法。

2 術語

在介紹可視化方法之前，我們需要了解該研究領域的一些專業術語，這樣可以更好的理解可視化方法。眼動追蹤設備可以記錄用戶在觀察研究對象時的凝視點，記錄速率取決于設備的特性。當前，通用設備允許的速率在60到120Hz 之間，該速率表示每秒可以記錄多少凝視點。

2.1 注視固定

這一名詞代表的是注視點的集合。注視點是基于指定的聚合區域和時間跨度而產生的。聚合區域通常約為20 到50 像素，時間跨度介于200 到300 毫秒之間。用于注視的常見指標是注視計數（即注視次數），注視持續時間（以毫秒為單位），注視位置（以像素的x 和y 坐標表示），注視密度和重復注視等。

2.2 掃視

掃視描述了從一種注視到另一種注視的快速眼動。它們通常持續約30 到80 毫秒，是人體可以執行的最快運動。在這段時間內，視覺信息被抑制。典型的量度是振幅，以毫秒為單位的掃視持續時間，以及在每秒度掃視速度。

2.3 刺激

刺激可以是在眼動追蹤實驗期間呈現給參與者的任何視覺內容。通常，按照內容可以分為，主動和被動刺激，或者靜態和動態刺激等。一般而言，大多研究都是將二維平面中的刺激呈現給參與者，但是近些年來，以三維空間中的內容作為刺激也成為研究的一大焦點。刺激的類型可以對可視化方法的選擇和設計產生了很大的影響，在討論可視化方法之前，必須先解釋一些刺激類型。

2.4 興趣領域（AOI）

感興趣區域是指在實驗中，通常用戶可能會有不同行為模式的區域，將呈現給參與者的刺激內容分區。在三維空間的刺激中，興趣區域也可以是感興趣的模型或對象。對于動態刺激，研究人員必須定義動態興趣區域，但是興趣區域可以在眼睛追蹤實驗之前或之后創建，可以根據研究需要調整。通常，興趣區域是基于刺激內容的語義信息創建的。研究人員往往會關注，從一個興趣區域到另一個興趣區域的移動，我們稱之為過渡。興趣區域的典型指標是過渡計數，在興趣區域內的停留時間（以毫秒為單位）以及興趣區域的命中值，該值定義了注視點是否在興趣區域內。

3 可視化方法

通常，眼動追蹤數據的可視化可以基于刺激的類型分為基于點的，基于興趣區域的，每個大類中又包含很多其他方法。眼動追蹤數據基于點的評估著眼于整體運動，在某些特定分析中，僅僅基于點的評估是不夠的。因此，需要通過基于興趣區域的方法做進一步的評估與度量。

基于點的可視化是一種基本的可視化技術，該方法專注于直接使用所記錄數據點的時空信息進行可視化。首先是時間線可視化，時間線使用注視的x坐標和y坐標以及時間信息，這是一種可視化時空信息的典型方法。通常，可以將注視位置分為其x 坐標和y 坐標，并且以上下文顯示為背景，可以針對靜態或動態刺激以及一個或多個用戶實驗進行這種可視化。第二種是注意力圖，也稱為熱點圖。第三種是掃描路徑可視化，這也是當今大多數應用中最常見的可視化方法。掃描路徑描述了用戶在研究對象上的掃視和注視固定的過程，稍后將與熱點圖比較，進一步討論此概念。最后一個是時空立方體（STC），它是時空可視化的一種替代方法。它可以顯示三維空間內的眼動軌跡，并提供完整數據集，產生較少的視覺損失，并且可以應用于靜態或動態刺激。與其他可視化方法相比，這種可視化方法具有明顯的優勢，即可以直接查看來自多個參與者的數據，從而可以有效地識別重要的AOI。

基于AOI 的可視化技術，它使用記錄的注視數據以及附加信息來注釋用戶感興趣的刺激區域或對象。首先是時間線興趣區域的可視化，它在一定程度上類似于基于點的時間線，可以分別顯示用戶信息。與基于點的相比較主要區別在于，可以將研究對象劃分為不同的區域，然后分別對其進行分析。第二種是關系AOI 可視化。該技術使用AOI 并顯示它們之間的轉移關系，例如兩個AOI 之間的視覺上的改變頻率，通常用轉移矩陣來表示這種關系改變。轉移矩陣將AOI 按行水平和垂直按列排序，并且每個單元格包含兩個AOI 之間的轉移次數。

熱點圖可視化，通過熱圖的方式呈現注視范圍，就如同地理上的熱圖，以不同顏色表示不同注意力點，其中較多用戶集中注視點的區域或者單個用戶注視持久的區域往往呈現顏色偏深。通常，以紅色表示最長的對焦區域時間，以藍色表示最少的對焦區域時間，表明是短注視，這些熱點通常直接顯示在研究對象中。熱點圖不提供任何有關用戶瀏覽順序任何信息，但它們通過組合來自多個用戶的凝視點表示興趣區域。

掃描路徑是一系列注視點變化過程的連接序列。它顯示了視線聚焦在哪些視覺元素上以及聚焦的順序。從第一個觀察點開始，直到最后一個注視點，可以用數字表示掃描順序，通常用戶的注視點顯示為一個帶有背景色的圓圈，在多用戶的情況下可以用于區分不同用戶。較大的圓圈表示注視時間更長的區域，這表明用戶對該刺激區域有更高的興趣。

隨著眼動追蹤技術的不斷發展，熱點圖和掃描路徑代表了眼動數據可視化的兩個重要方向。一方面，掃描路徑不太適合顯示眾多用戶的數據，因為路徑的圓圈的重疊可能會使研究對象本身，變得難以識別。另一方面，熱點圖更適合多用戶參與的可視化，因為在實驗中用火通常會表現出相似的行為對同一研究對象。此外，可視化還可以分為動態和靜態，單用戶和多用戶，和二維平面和三維空間，上下文有關和非上下文無關以及交互式和非交互式的可視化等。

圖1：來源：https：//images.app.goo.gl/mVoaw2gHFWY9EJ2o8

圖2：來源：https：//images.app.goo.gl/d8cEjJdccTXUF54U9