Eye-Tracking

mini|Kosmonaut auf der ISS mit einem mobilen Eyetracker mini|Augenkontrolliertes Spiel (Tobii Technology) Mit Eye-Tracking, auch Blickerfassung oder im medizinischen Bereich Okulographie, bezeichnet man das Aufzeichnen der hauptsächlich aus Fixationen (Punkte, die man genau betrachtet), Sakkaden (schnellen Augenbewegungen) und Regressionen bestehenden Blickbewegungen einer Person.

Als Eyetracker werden Geräte und Systeme bezeichnet, die die Aufzeichnung vornehmen und eine Analyse der Blickbewegungen ermöglichen.

Das Eye-Tracking wird als wissenschaftliche Methode in den Neurowissenschaften, der Wahrnehmungs-, Kognitions- und Werbepsychologie, der kognitiven bzw. klinischen Linguistik, bei Usability-Tests, im Produktdesign und der Leseforschung eingesetzt. Es wird auch bei der Untersuchung von Tieren, insbesondere im Zusammenhang mit der Erforschung ihrer kognitiven Fähigkeiten eingesetzt.

Geschichte mini|Ergebnis eines Eye-Trackings nach der Betrachtung eines Gemäldes bei verschiedenen Fragestellungen Bereits im 19. Jahrhundert wurden Augenbewegungen durch direkte Beobachtung erfasst. Einer der Ersten war der Franzose Émile Javal, der die Augenbewegungen beim Lesen beschrieb.

Mit der Erfindung der Filmkamera wurde es möglich, die direkte Beobachtung aufzuzeichnen und nachträglich zu analysieren. Dies erfolgte bereits 1905 durch Judd, McAllister und Steel.zitiert in:

Als eigentlicher Pionier der Blickregistrierung mit hoher Genauigkeit gilt der Russe Alfred L. Jarbus, der insbesondere den Einfluss der Aufgabenstellung auf die Blickbewegungen beim Betrachten von Bildern nachwies.

In den 1970er Jahren wurden dann neue Verfahren entwickelt. Retinal-Nachbilder, durch eine Folge starker Lichtreize werden so genannte Nachbilder auf der Retina erzeugt, durch deren Position man auf die Augenbewegung schließen kann. Elektrookulogramme messen die elektrische Spannung zwischen Netzhaut (negativer Pol) und der Hornhaut (positiver Pol). Kontaktlinsenmethode, die verspiegelt sind und deren Reflexion von einer Kamera aufgezeichnet wird. search coil, bei der ebenfalls Kontaktlinsen eingesetzt werden, welche mit Spulen versehen sind und einem magnetischen Feld ausgesetzt werden. Aus der induzierten Spannung kann dann die Augenbewegung errechnet werden. Cornea-Reflex-Methode, welche die Reflexion einer oder mehrerer Lichtquellen (Infrarot oder spezielle Laser) auf der Hornhaut und deren Position zur Pupille nutzt. Das Augenbild wird mit einer geeigneten Kamera aufgenommen. Das Verfahren wird auch als „video based eye tracking“ bezeichnet.

Aufzeichnungsgeräte Grundsätzlich lassen sich Eyetracker in zwei verschiedene Bauweisen unterteilen: mobile Eyetracker, die fest auf dem Kopf des Probanden angebracht werden und solche, die extern installiert sind. Letztere kann man wiederum in zwei Kategorien unterteilen: Remote-Geräte sowie solche, die mit einer Fixierung des Kopfes des Probanden verbunden sind.

Mobile Systeme Aufbau und Anwendung mini|Mobiler Eyetracker mit Steuerrechner Mobile Systeme, sogenannte Head-mounted Eye Tracker bestehen im Wesentlichen aus drei Komponenten: a) einer Infrarot-Lichtquelle zur Realisierung der Cornea-Reflex-Methode, b) einer oder mehreren Kameras, die die Reflexionsmuster auf der Hornhaut aufnehmen, und c) einer Blickfeldkamera, die den Bereich festhält, auf den der Proband schaut. Die Komponenten wurden früher in eine spezielle Vorrichtung eingebaut, die auf dem Kopf des Probanden montiert wurde. Heute sind die Komponenten so klein, dass sie in ein Brillengestell integriert werden können. Das Gewicht einer solchen Brille liegt häufig unter 50 g. Auch der zugehörige Steuerrechner – früher noch im Format eines Notebooks – lässt sich heute in einem Gerät von der Größe eines Handys unterbringen. Während bei externen Geräten lediglich der Blick auf einen Bildschirm aufgezeichnet werden kann, eignen sich mobile Eyetracker somit auch für Feldstudien außerhalb des Laborkontextes. Der Hauptgrund liegt darin, dass die Blickrichtung durch die Befestigung des Infrarotsenders und der Kameras unmittelbar an der Brille unabhängig von überlagernden Kopfbewegungen erfasst werden kann. Der Nachteil mobiler Eyetracker liegt in der bisher nicht parametrisierbaren Aufzeichnung der Daten. So wird lediglich der Blick des Probanden in einem Video seiner Blickfeldkamera eingeblendet. Für eine statistische Auswertung müssen diese Videos zurzeit noch mit hohem Aufwand manuell durchgesehen werden. Es ist davon auszugehen, dass dieses Problem in Zukunft mit Methoden der automatisierten Videoanalyse gelöst werden kann.

Anwendungen mobiler Eyetracker sind beispielsweise die Marktforschung (wohin schaut ein Proband beim Gang durch einen Supermarkt) oder die Usability-Forschung (wie lange schaut ein Proband beim Autofahren auf die Straße, wie lange auf das Navigationsgerät). Auswertungen und Analysen erfolgen im Wesentlichen individuell und anwenderzentriert. Die Methode erlaubt so online oder auch offline, eine Verfolgung des Blickpfades und der Verweildauer des Blicks (Fixation) auf bestimmte Objekte während einer freien Bewegung des Probanden. Generalisierungen über mehrere Probanden und Aufmerksamkeitsanalysen auf bestimmte Objekte lassen sich technisch über 3D/6D Positionserfassungssysteme (sogenannte Head Tracker) realisieren.

Frühe Beispiele für mobile Eyetracker Das „EyeLink II (EL II)“ Das System „EL II“ besteht aus zwei mit entsprechender Software ausgestatteten Computern, einem „Programmrechner“ und einem damit verbundenen „Stimulusrechner“ inklusive Monitoren sowie aus einem Headset. An diesem befinden sich zwei an seitlichen Halterungen befestigte Kameras zur Aufzeichnung der Augenbewegungen. Eine weitere, oben befindliche Kamera ist auf vier – an einem der beiden Rechner montierten – Infrarotmarker abgestimmt. Damit ist es möglich, jede Art von Fixation auf Bilder oder Handlungen aufzuzeichnen. Das System arbeitet bereits nach der Methode der cornealen Reflexionen. Auch Störfaktoren wie der Muskeltremor können damit ausgeschlossen werden.

Montage des Headsets

Dem Probanden wird das Kopfband mit den Kameras aufgesetzt. Danach wird die oben befindliche Kamera in Position gebracht. Dafür wird sie möglichst genau auf mittlere Höhe und mittlere Breite des einen der beiden Monitore, nämlich des sogenannten Stimulusmonitors, eingestellt. An diesem Monitor sind auch die referentiellen Infrarotmarker für die Einstellung der Kamera montiert. Für die korrekte Justierung wird einfach entweder der Monitor selbst verschoben oder der Sessel des Probanden in der Höhe verstellt.

Die beiden auf den seitlichen Haltearmen befindlichen Augenkameras werden so geschwenkt, dass sie nicht störend im Blickfeld des Probanden liegen. Sie sollten sich ungefähr auf der Höhe der Nasenspitze befinden und können bereits in die ungefähre Position für die spätere Aufnahme gebracht werden. Die Kameras können mit dem Schwenkarm selbst sowie mittels Klemmen und Feststellschrauben dreidimensional verstellt werden.

Feineinstellung

Mit Hilfe einer mitgelieferten Software kann die Feineinstellung – Ausrichtung der Kamera und Schärfeneinstellung – vorgenommen werden. Letztere funktioniert über die im System integrierte automatische Schwellenwerteinstellung für die corneale Reflexion und die Pupillenerhellung.

Bei der Kalibrierung werden dem Probanden am Stimulusbildschirm in einer Autosequenz zufällige Punkte angeboten, die sich quer über den Bildschirm bewegen. Der Proband erhält die Anweisung, die Punkte mit beiden Augen zu verfolgen. Nach erfolgreicher Kalibrierung folgt die Validierung. Dies läuft wie das Kalibrieren ab, wobei aber die maximale Abweichung der Blickbewegungen in Grad gemessen wird. Dabei muss der Experimentleiter entscheiden, ob die Einstellung verwendbar ist oder ob nachjustiert werden soll. Eine einmal akzeptierte Einstellung lässt sich während des Experiments immer wieder nachjustieren, da zwischen den einzelnen Stimuli jeweils eine neutrale Bildschirmmaske mit Fixationspunkt erscheint. Das System selbst schlägt das besser eingestellte Auge vor.

Systemkonfiguration

Programmrechner und Stimulusrechner sind mittels eines Netzwerkkabels miteinander verbunden. Der Programmrechner steht darüber hinaus mit den Augenkameras und den Infrarotmarkern in Verbindung. Auf dem Stimulusrechner laufen eine Software zur Darbietung der Stimuli und die Programmiersprache Visual C++ für die Programmierung der Experimente. Der Monitor, auf dem die Stimuli präsentiert werden, sollte eine Größe von 17 Zoll aufweisen, da diese gerade für die Durchführung von Leseexperimenten am geeignetsten erscheint. Mit Hilfe eines Joysticks kann der Proband den jeweils nächsten Stimulus anfordern.

Programm- und Stimulusrechner sollten in einer bestimmten räumlichen Position aufgestellt werden, um Spiegelungen und unerwünschte Lichtreize während der Aufnahme zu verhindern. Zudem sollte sich der Programmrechner mit dem Kontrollmonitor außerhalb des Blickfeldes des Probanden befinden, um eine Ablenkung von den dargebotenen Stimuli zu vermeiden.

Das „Eye Tracking Device (ETD)“ mini|Eye Tracking Device auf der ISS Dieser Eyetracker wurde ursprünglich vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) für den Einsatz auf der Internationalen Raumstation ISS entwickelt. Anfang 2004 wurde er als Teil des europäisch-russischen Raumfahrtprogramms auf die ISS befördert. Das Gerät wurde von Andrew H. Clarke vom Vestibular-Labor der Charité in Berlin in Zusammenarbeit mit den Unternehmen Chronos Vision und Mtronix in Berlin entwickelt und für die Anwendung im Weltraum von der Firma Kayser-Threde in München integriert.

Bei ersten Experimenten, ausgeführt von Clarkes Team in Kooperation mit dem Moskauer Institut für Biomedizinische Probleme (IBMP), wurde das ETD für die Messung der Listingschen Ebene – einem Koordinatensystem zur Bestimmung der Augenbewegungen relativ zum Kopf – genutzt. Das wissenschaftliche Ziel bestand darin, zu bestimmen, wie die Listingsche Ebene sich unter verschiedenen Gravitationsbedingungen verändert. Insbesondere wurde der Einfluss langfristiger Mikrogravitation an Bord der ISS und nach der anschließenden Rückkehr in die Erdgravitation untersucht.

Die Ergebnisse tragen zum Verständnis der neuralen Plastizität in Vestibular- und Oculomotor-Systemen bei.

Diese Experimente begannen im Frühling 2004 und wurden bis Ende 2008 von einer Reihe von Kosmonauten und Astronauten fortgeführt, die jeweils sechs Monate auf der ISS verbrachten.

Operationen

Die Untersuchung der Orientierung der Listingschen Ebene während einer langfristigen Raumfahrtmission ist von speziellem Interesse, weil die Listingsche Ebene auf der Erde scheinbar durch das vestibuläre System beeinflusst wird. Dies lässt sich durch Messung der Kopfposition relativ zur Gravitation feststellen. Das Experiment untersucht die Anpassung des Vestibularsystems des Astronauten während des Aufenthalts in der Schwerelosigkeit und nach der Rückkehr zur Erde. Das Experiment soll darüber hinaus klären, in welchem Maße sich die Orientierung der Listingschen Ebene in Abhängigkeit von der Adaption des vestibulären Systems an veränderte Gravitationsverhältnisse, insbesondere an die Schwerelosigkeit, verändert. Eine weitere Frage ist, ob der menschliche Körper während eines langen Raumfluges die fehlenden Inputs des Vestibularsystems durch andere Mechanismen kompensiert.

Missionen