光电检测复习资料

眼动追踪的相关介绍:眼睛是心灵的窗口，它是我们信息加工过程中最重要的信息输入系统。人类和很多数动物一样，都是通过视觉、听觉和嗅觉等方式来获取信息、认知事物。人类的信息八成以上是通过视觉获得。为了看清楚某一个物体，我们的眼睛必须保持一定方位，才能使物体在视网膜上清晰成像，这种眼睛在某个物体上的停留被称为注视。当我们注意的目标发生转移时，我们的眼睛也将从一个注视点移动到另一个注视点，这种现象称为眼跳。通过研究眼睛的这些运动，研究者可以对人的认知活动规律加以探索。但是眼球运动速度是非常快的，典型的注视只持续0.1～0.5s，而眼跳更是快到仅0.01～0.1s的时间。为了准确记录人的眼球运动过程，心理学家以及其他有关专家一直致力于改进眼动记录技术并开发更为先进的眼动仪2、眼动发展历史，各种方法观察法包括直接观察法(如主试站在被试后面，从镜子里观察被试的眼动)和后像法(利用闪光灯高亮度闪光产生的视觉后像对人的眼动加以研究)机械记录法则通过把眼睛与记录测验装置用机械传动方法联结起来实现对眼动的记录。机械记录法包括头部支点杠杆法、气动方法、角膜吸附环状物法等多种形式。观察法简便易行，但结果不精确，只能对眼动进行比较粗略的研究。而机械记录法则装置复杂，使用起来十分麻烦，实验结果准确性也较低3、Tobii公司介绍：目前，Tobii眼动仪主要有TobiiT，TobiiX和TobiiGlass三大系列。TobiiT系列包括T60和T120两款，该系列采用集成式眼动追踪系统，主要针对基于电脑显示器呈现的刺激材料眼动追踪，可用于对平面广告、电视广告、网页、软件和电脑游戏的可用性研究，也可用于阅读、视觉等认知领域的研究。TobiiX系列也包括X60和X120两款，这个系列采用独立的眼动追踪装置，因此对刺激材料没有限制，既可以是电视、电脑显示器等，也可以是投影屏、手机等实物设备。TobiiX系列眼动仪是目前最灵活的眼动仪之一。TobiiGlasses系列眼动仪是一款可在现实场景中高效采集眼动数据的工具，可应用于基于现实场景或实物的定性及定量眼动研究。可以在被试完全的自然状态(如运动中、驾驶中、购物中)下采集眼动数据，同时确保眼动数据的精确性。目前，该仪器广泛用于超市购物心理、货架管理、产品包装测试及设备可用性测试、运动测试等相关领域研究4、其他公司及产品介绍：国外从20世纪初开始研制眼动仪，现在全世界已经有几十家生产眼动仪的厂家。尽管国内在研制眼动仪方面取得了一定的成绩，例如20世纪80年代末，中国科学院上海生理研究所的张名魁和孙复川研制了外光电反射眼动测量技术；20世纪90年代，西安电子科技大学研制了头盔式眼动仪。但国内科研机构使用的眼动仪主要依赖国外进口。目前国内使用较多的有加拿大SR公司生产的EyelinkⅡ和Eyelink2000型眼动仪；美国应用科学实验室(ASL)生产的H6型和L6型眼动仪；瑞典Tobii公司生产的T60和T120型眼动仪；德国SMI公司生产的iViewXRED型眼动仪。这些眼动仪都采用角膜反射法进行眼动记录。随着制造成本的降低，眼动仪逐步成为教育学和心理学研究的常规仪器，国内许多大学、科研机构和公司都陆续购置或准备着手购买眼动仪。其中SR公司生产的Eyelink眼动仪和瑞典Tobii公司生产的眼动仪是目前用户考虑较多的两个品牌。Eyelink面市较早，而Tobii公司于2001年才问世。近年来，Tobii眼动仪在中国市场反响良好，很多知名公司和著名高校都先后购买其产品，可谓后起之秀。17、18、19、技术与原理，（1）直接观察法用肉眼直接观察被试的眼动情况，这是一种比较原始的眼动实验法。实验时在被试的面前放一面镜子，主试站在被试后面，由镜子里观察被试的眼动。后来又出现了一种窥视孔法，就是在被试阅读的材料中间穿一个直径为0176cm的小圆孔。主试可以通过小孔观察被试管通达气鼓，气鼓与记录装置相联。当眼动触动皮囊时，皮囊内部压力发生变化，从而使气鼓产生相应变化，再由记录装置将变化记录下来。（2）后象法利用闪光灯的高亮度闪光产生的视觉后象来研究人的眼动，是一些早期眼动研究常用的方法。实验时，首先主试用强光使被试产生一个清晰的后象，这个后象可能是一个十字形，直线或小三角形。然后让被试注视屏幕上的一点，并同时注意观察后象相对于这个注视点的运动情况。由于后象是稳定在中央窝上的，后象静止的时候就是眼注视的时候；由屏幕上看到的后象运动轨迹就反映了注视的转移情况。已知眼与屏幕之间的距离及后象在屏幕上移动的距离，就可以粗略地计算出注视时眼动的角度。观察法简便易行，可以在没有仪器的情况下使人了解眼动方面的知识。但它只能对眼动进行比较粗略的研究，其结果不够精确。因此，这一方法很快就被新的方法所取代。（3）电流记录法眼球运动可以产生生物电现象，角膜和网膜间存在一个电位差，角膜对网膜是带正电的。当眼睛注视前方不动时，可以记录到稳定的基准电位。眼睛在水平方向上运动时，眼睛左侧和右侧的皮肤之间的电位差会发生变化；在垂直方向上运动时，则眼睛的上下侧的电位会发生变化。电位的变化由置于皮肤相应位置的电极导入放大器，由放大器的电流计显示出来或在示波器上显示。也可由记录器在记录纸上描记电流变化的波形图。这种方法可以记录到离开注视点70°的眼动，其精确度为115°2.0°～21212气动方法在一个眼镜架上装设一个小橡皮囊，橡皮囊轻轻靠在眼睑上。其开口处用橡皮这种方法是通过把眼睛与记录测验装置用机械传动方法联结起来实现的。（4）机械记录法机械记录法不会产生不舒适的感觉。实验时被试可以通过环状物中间的圆孔看阅读的材料。一个由火棉和玻璃制成的管状杠杆与铝质记录指针相联接。这个指针对眼动可以作出灵敏的反应，并在记录纸上记录下来。眼动的机械记录法装置复杂，调整起来很麻烦，其实验结果的准确性也较低。机械记录法有三种类型：a.头部支点杠杆法用杠杆来传递眼球运动情况。杠杆的支点固定在被试的头部，杠杆的光滑一端以轻微压力接触已被麻醉过的眼球表面(角膜)。另一端在运动的纸带(记纹鼓)上记下眼动轨迹模式曲线。利用光学原理直接记录眼动，是眼动实验中历史最长，研究成果最多的方法。它也是现代眼动仪中最主要的类型。b.反光记录法这个方法首先是将一面小镜子附着在眼球上。光线射到镜子上又反射回来。反射光线便随着眼球的运动而变化，将这一变化记录在记纹鼓上，就可得到眼动的曲线。采用反光456心23卷理科学第记录法的关键问题是如何把镜子附着在眼球上而又不影响被试的反应。Marx(1911)在实验中把镜子粘在光滑的铝制环状物上，再将环状物和镜子一起附着在角膜上。Adler直接把一个直径3mm的薄镜片附着在巩膜上。Ratliff和Riggs(1950)则让被试戴上一片接触镜片。这是一个弧形小镜片，类似于现在的隐形眼镜。实验时，把接触镜片放置在眼睑内部，扣在角膜上面。接触镜片上贴上一面小镜子。当被试发生眼动时，小镜子也随之运动，于是反射的光线便可在记纹鼓或照像底版上记录下眼动曲线c.影视法影视法包括使用普通照像机或电影摄影机，电视摄相机拍摄眼动情况。Dodge和Cline(1901)首次使用照像机记录眼动。他们用照像机拍摄了一系列眼动照片，通过分析这些照片来了解被试的眼动特点。Judd和Steele等(1905)在实验中对被试的眼睛和面部进行连续拍摄(每秒钟拍摄9张照片)。他们先在被试的角膜上用白颜料涂上一个小圆点。实验时被试将头放在头部固定支架上，以防止头动对眼动的干扰。支架上有两个小亮球，做为摄影的参照点。由记录下参照点与角膜白点之间的相对位置关系的照片，来分析被试的眼动情况。后来研究者在实验中使用电影摄影机和摄像机拍摄眼动的全过程情况，使记录效果更加精确和完整了。Shackel(1960)把一架摄像机安装在被试的头顶上，这样被试可以自由地观察任何方向的刺激景物。在被试的一只眼睛旁边贴上电极，用眼电记录法记录眼动时的电位变化，并呈示在示波器上。再用第二架电视摄像机把示波器的光点运动引入放映刺激景物的电视屏幕上。于是屏幕上既有被观察的景物，又有代表眼动的光点运动轨迹。（5）角膜反光法角膜能反射落在它表面上的光，这就是角膜反光。如果整个眼球是个标准的球体随圆心自转，反光点是固定不动的。但是角膜是从眼球表面凸出的，因此当眼球运动时光以变化的角度射到角膜，得到不同方向的反光。这种变化是分析眼动特征的一种精确变量。Dodge和Cline(1901)是较早使用角膜反光法记录眼动的人。他们让平行光照射在人的眼球上，再让由角膜反射出来的光进入摄影机，从而拍摄下反射光点运动的轨迹，这就是眼动轨迹。他们曾用这种方法研究了眼睛的注视，追踪和阅读时的运动。后来Johanson和Backlund把依据角膜反光原理制成的眼动仪安装在被试的头上。仪器重约0168公斤，被试不会产生不适的感觉。由于该仪器允许被试在较大视角范围内注视，因此可以用于研究汽车驾驶员和飞行员的眼动间，平均瞳孔直径等。这些性能在很大范围内满足了视觉认知研究的需要。角膜反光法是一种重要的眼动记录方法。这种方法最大的优点是被试的眼睛上可以不附加任何装置，使实验更加自然。因此，许多眼动研究项目都采用这类眼动仪。国际上不少生产厂商也大都用这种原理设计新的产品。其中最有代表性的是90年代美国"应用科学实验室(ASL)"生产的EVM系列眼动仪。这也是我国心理学研究领域和心理学教学领域从国外引进最早，数量最多的一种眼动仪，其中EVM3200型眼动仪的性能先进，使用方便，比较适合于心理学的眼动实验。21414EVM3200眼动仪该仪器是由控制单元，光学头，场景摄像机等部分组成的一个仪器系统。控制单元包括仪器的主机和计算机，其功能是对被试的眼动资料进行记录，计算和数据加工处理。光学头是仪器的输入端，包括两台摄像机和其它光学部件，它的功能是输入被试看物体时的眼动信息。场景摄像机的功能是把被试视野中的图象输入主机显示在场景监视器上。本机使用方法简单，可以在被试自然观察时记录其眼动资料，如一个特定区域的注视点数。(1)瞳孔-角膜反射向量法。通过固定眼摄像机获取眼球图像,利用亮瞳孔和暗瞳孔的原理,提取出眼球图像内的瞳孔,利用角膜反射法校正眼摄像机与眼球的相对位置,把角膜反射点数据作为眼摄像机和眼球的相对位置的基点,瞳孔中心位置坐标就表示视线的位置。(2)眼电图法(EOG)。眼球在正常情况下由于视网膜代谢水平较高,因此眼球后部的视网膜与前部的角膜之间存在着一个数十毫伏的静止电压,角膜区为正,视网膜区为负。当眼球转动时,眼球的周围的电势也随之发生变化;将两对氯化银皮肤表面电极分别置于眼睛左右、上下两侧,就能引起眼球变化方向上的微弱电信号,经放大后得到眼球运动的位置信息。(3)虹膜-巩膜边缘法。在眼部附近安装两只红外光敏管,用红外光照射眼部,使虹膜和巩膜边缘处左右两部分反射的光被两只红外光敏管接收。当眼球向左或向右运动时,两只红外光敏管接收的红外线会发生变化,利用这个差分信号就能测出眼动。(4)角膜反射法。角膜能反射落在它上面的光,当眼球运动时,光以变化的角度射到角膜,得到不同方向上的反光。角膜表面形成的虚像因眼球旋转而移动,实时检测出图像的位置,经信号处理可得到眼动信号。(5)双普金野象法。普金野图像是由眼睛的若干光学界面反射所形成的图像。角膜所反射出来的图像是第一普金野图像,从角膜后表面反射出来的图像微弱些,称为第二普金野图像,从晶状体前表面反射出来的图像称为第三普金野图像,由晶状体后表面反射出来的图像称为第四普金野图像。通过对两个普金野图像的测量可以确定眼注视位置。(6)接触镜法(ContactLens)。是将一块反射镜固定在角膜或巩膜上,眼球运动时将固定光束反射到不同方向,从而获得眼动信号。视线追踪技术中广泛运用的方法叫做“瞳孔—角膜反射方法”（thepupilcentercorneareflectiontechnique），其所利用的眼动过程中保持不变的特征，是眼球角膜外表面上的普尔钦斑（Purkinjeimage）——眼球角膜上的一个亮光点，由进入瞳孔的光线在角膜外表面上反射（cornealreflection）而产生。由于摄像机的位置固定、屏幕（光源）的位置固定、眼球中心位置不变（假设眼球为球状，且头部不动），普尔钦斑的绝对位置并不随眼球的转动而变化（其实，头部的小幅度运动也能通过角膜反射计算出来）。但其相对于瞳孔和眼球的位置则是在不断变化的——比如，当你盯着摄像头时，普尔钦斑就在你瞳孔之间；而当你抬起头时，普尔钦斑就在你的瞳孔下方。这样一来，只要实时定位眼睛图像上的瞳孔、和普尔钦斑的位置，计算出角膜反射向量，便能利用几何模型，估算得到用户的视线方向。再基于前期定标过程（即让用户注视电脑屏幕上特定的点）中所建立的用户眼睛特征与电脑屏幕呈现内容之间的关系，仪器就能判断出用户究竟在看屏幕上的什么内容了。定位瞳孔中心的位置是视线追踪技术中的关键一步，但一个问题是，相比于虹膜与眼白之间的极其明显的分界线来说，瞳孔和虹膜之间的分界线并没那么清晰，特别是咱黑眼睛黄皮肤。因此，研究者为了提高这一步的精准度，又设计了“亮、暗瞳差分方案”，即：交替用不同方位的光源向人眼发出近红外线，然后在每两帧相邻的图像中，分别获取用户明亮的瞳孔（