Метод регистрации движений глаз — он же видеоокулография, он же айтрекинг (от англ. eye tracking) — отслеживание координат взора, или, в строгой формулировке, точки пересечения оптической оси глазного яблока и плоскости наблюдаемого объекта. Бурный рост исследований в этой области произошёл в последние несколько десятилетий вместе с развитием технологий для видеоокулографических методов. При этом история изучения движений глаз берёт своё начало гораздо раньше.
Метод наблюдения: первые исследования
Интерес к изучению движений глаз возник за много веков до появления первых айтрекеров. Так, Аристотель (IV в. до н. э.) одним из первых обратил внимание на бинокулярность зрения (способность чётко видеть обоими глазами): отмечая, что определённые движения (например, взгляд одним глазом вверх, а другим вниз) невозможны, он был прав в убеждении, что два глаза работают как единое целое, а не независимо друг от друга.
Ещё во II в. н. э. древнеримский медик и хирург Клавдий Гален описал основные аспекты устройства мускулатуры, которая участвует в движении глаз (экстраокулярные мышцы), определив все шесть глазодвигательных мышц: наружная и внутренняя прямые, верхняя и нижняя прямые, верхняя и нижняя косые (см. рис. «Глаз Галена»). Помимо анатомии глазных мыщц, Галеном были подробно описаны и виды движений, в которые эти мыщцы способны приводить глазное яблоко. Большинство исследований Галена было выполнено на макаках-резусах и впоследствии признано применимыми к человеческой анатомии. Во многом в связи с ограничениями на препарирование, труды Галена оставались важным источником информации об устройстве глаза на протяжении более 1000 лет.
Исламские учёные, которые перевели многие медицинские книги на арабский язык, сохранили и передали следующим поколениям открытия Галена. Среди арабских средневековых учёных стоит отметить Ибн аль-Хайсама (XI в.), которого называют «отцом оптики». Будучи учёным-универсалом — математиком, механиком, физиком и астрономом — Ибн аль-Хайсам создал фундаментальный труд по оптике в семи книгах. Оптика и механизмы человеческого зрения входили также в сферу интересов самого известного учёного-универсала — Леонардо да Винчи.
Подбираясь к современности
Отдельного упоминания заслуживает «отец офтальмологии» Уильям Портерфилд — шотландский учёный, впервые описавший в 1759 году фовеальную область. Фовеа — область изображения (около 2º), воспринимаемая глазом максимально чётко. Спустя сто лет идеи Портерфилда были эмпирически доказаны немецким врачом и учёным Германом фон Гельмгольцем, сейчас его имя носит институт исследования глазных болезней в Москве. Хотя до изобретения первых айтрекеров оставались ещё пара десятков лет, в конце XIX века в этой области исследований произошёл мощный рывок, и именно оттуда принято отсчитывать начало современной истории айтрекинга. Так, французский учёный Луи Жаваль описал фундаментальные для исследований чтения понятия саккад (быстрых перемещений глаз) и фиксаций (коротких остановок). В течение следующих лет были сделаны несколько важных открытий: например, был описан эффект саккадического подавления (крайне слабая способность воспринимать окружающий мир во время саккад) и паттерны чтения текста. Постепенно учёные, до сих пор ограниченные возможностями простого наблюдения, начали эксперименты по созданию приборов, способных отслеживать движения глаз.
Инвазивные технологии в исследовании движения глаз
История айтрекеров началась с инвазивных приборов, использовавших для регистрации движений глаз механическое соединение с объектом наблюдения. В 1883 году М. Ламар вместе с Л. Жавалем использовал для наблюдений прибор, трансформировавший движения глаз испытуемого в звук, улавливаемый экспериментатором. На верхнее веко участника помещалась тупая игла, отражавшая движения глаз в виде звука через усиливающую мембрану в резиновую трубку, соединённую с ушами экспериментатора. Аппарат издавал характерные звуки, которые ассистент мог отметить для каждой строки текста. Возвратное движение глаз к началу строки даёт более длинный и громкий звук, который легко распознать; таким образом можно сосчитать число саккад, приходящихся на каждую строку. Жаваль предпринял попытку прикрепить к прибору указку, способную записать движения глаз графически, а также попытался использовать в записи движений глаз отражения света от зеркала. Хотя попытки Жаваля оказались безуспешными, впоследствии эти идеи были воплощены другими учёными.
Так, приборы, осуществляющие запись движений глаз на барабане с помощью указки, были представлены американскими учёными Эдмундом Делабарром (в 1889 г.) и Эдмундом Хьюи (в 1908 г.). Прибор Хьюи представляет из себя гипсовое подобие контактной линзы с отверстием для зрачка. Конструкция была соединена с рычагом, двигающимся при движении глазного яблока, который перемещал перо по вращающемуся барабану. След на барабане сперва фотографировался, а затем гравировался.
Инвазивная технология отслеживания движений глаз имела три серьёзных недостатка. Во-первых, приборы имели значительную погрешность в измерениях, в том числе из-за проскальзываний механических соединений. Во-вторых, механический контакт с роговицей причинял участникам исследований сильный физический дискомфорт (в частности, это вызывало трудности с поиском участников). В-третьих, вызывала вопросы экологическая валидность инвазивных исследований, то есть то, насколько точно наблюдения во время эксперимента отражают соответствующие процессы в естественной среде. Опыт чтения в гипсовой линзе, разумеется, отличается от обычного опыта чтения. Поэтому постепенно разрабатывались устройства, не требующие непосредственного крепления глаза к регистрирующей поверхности.
Бесконтактные айтрекеры
Такие устройства основывались на идее отражённого света. Ещё в 1899 году Й. Оршанский в исследованиях пробовал регистрировать свет, отражённый от прикреплённого к поверхности глазницы зеркала. Хотя такой прибор нельзя назвать неинвазивным, именно он стал отправной точкой для айтрекеров, не требующих непосредственного крепления чего-либо к глазу. Всего через пару лет Реймонд Додж разработал фотографические устройства для регистрации движений глаз, осуществив революцию в айтрекинге и дав толчок множеству новых исследований: в течение следующих лет появилось много аналогичных приборов, а область исследований вышла за пределы исследований чтения. В основном такие приборы подразумевали фиксацию головы испытуемого достаточно неудобным зажимом.
Следующий рывок прогресса айтрекеров приходится на 1930-е годы. Ключевой фигурой этого времени является психолог Гай Басвелл, проводивший исследования с бесконтактным айтрекером в университете Чикаго. Помимо исследований чтения, Басвелл изучал движение глаз при просмотре изображений, и в этой области его вклад в науку был особенно значительным. В монографии How People Look at Pictures (1935 г.) — первом систематическом исследовании глаз при просмотре сложных изображений — Басвелл представил почти 2000 записей движений глаз, полученных от 200 участников. Такой объём данных, революционный для 30-х годов, впечатляет даже по меркам современной науки.
В 1960-х годах широкую известность получили работы советского учёного Альфреда Ярбуса, одного из основателей окулографии в России. Несмотря на то, что бесконтактные аппараты существовали уже несколько десятилетий, Ярбус проводил эксперименты на инвазивном айтрекере. Он не имел аналогов и позволял достичь высокой точности измерений, но не получил широкого распространения из-за сложности в использовании. Непосредственно на склере глаза крепилась резиновая присоска с радиоантенной, голова закреплялась металлической рамкой, а во рту испытуемый держал пластину, отлитую по форме его зубов.
Айтрекеры Басвелла (слева) и Ярбуса (справа). Источники: NCBI, Википедия
Как и Басвелл, Ярбус интересовался движениями глаз при рассматривании картин. Им был описан феномен избирательного рассматривания: при рассматривании картин большинство движений глаз направлены на наиболее информативные участки, при этом кривые движений при рассматривании меняются в зависимости от цели рассматривания.
Современные методы регистрации движений глаз основаны на разных технологиях: как контактных (электроокулография и электромагнитный метод), так и бесконтактных (кино- и видеорегистрация).
Электроокулография и электромагнитные айтрекеры
Электроокулография использует для регистрации электрические свойства глазного яблока. Роговица глаза электроположительна относительно сетчатки, при этом электрическая ось глазного яблока совпадает с оптической осью и может служить индикатором направления взора. Для регистрации движений глаз вокруг глазной впадины крестообразно устанавливаются электроды.
Электромагнитный метод был независимо разработан в 60-е годы в США и СССР. С помощью присоски, контактной линзы или кольца на глазном яблоке крепится индукционный датчик-излучатель, при этом измеряется напряжённость электромагнитного поля между излучателем и приёмником. Иногда на присоске дополнительно устанавливались элементы, преобразовывающие изображение различными способами. Этот метод способен обеспечивать высочайшую точность (частота регистрации до 8000 Гц), но неудобен из-за прямого контакта с глазом. Примерно в то же время был изобретён и бесконтактный фотоэлектрический метод, при котором датчики-фотодиоды устанавливались на оправе очков. В настоящее время он практически не используется.
Видеорегистрирующие айтрекеры
Также в 60-х годах был разработан метод кинорегистрации движений глаз. Хотя он не получил распространения из-за высокой трудоёмкости, именно он лёг в основу видеорегистрации движений, широкое использование которого началось с распространением персональных компьютеров и цифровых видеокамер. При видеорегистрации глаз подсвечивается точечным источником инфракрасного излучения, что позволяет программе соотнести положение и размеры зрачка с позицией блика-отражения на роговице. Основываясь на векторе, соединяющем блик с центром зрачка, система считывает направление взгляда.
Видеорегистрирующие айтрекеры могут быть как стационарными, так и мобильными. Стационарные установки достигают высокой точности (частота регистрации до 2000 Гц) и используются в первую очередь в исследованиях чтения. Долгое время они требовали фиксации головы опорой, закреплённой на лбе и подбородке либо только на подбородке. В последние годы технологии позволяют создавать также айтрекеры, не требующие фиксации головы.
Мобильные айтрекеры представляют собой очки или шлем с двумя вмонтированными видеокамерами: одна из камер записывает изображение, которое видит испытуемый, а вторая фиксирует изображение глаза с помощью отражённого света. Частота регистрации этих айтрекеров значительно ниже (30–50 Гц), зато мобильность позволяет применять их гораздо шире: например, испытуемого в таких очках можно отправить в магазин, в музей, за руль автомобиля.
Хотя технологии регистрации движения глаз непрерывно совершенствуются и постепенно становятся более доступными, айтрекинговые исследования остаются одними из самых дорогих и трудоёмких в психолингвистике. С использованием айтрекеров связано множество ограничений: например, далеко не всегда есть возможность использования айтрекеров в полевых исследованиях, в экспедициях к малым народам.
Если вы хотите узнать об айтрекинге больше, вы можете прочитать материалы «Системного Блока» про изучение паттернов чтения и эстетическую оценку произведений искусства с помощью регистрации движения глаз.
Источники
- Барабанщиков В. А., Жегалло А. В. Методы регистрации движений глаз: теория и практика // Психолого-педагогические исследования, 2(5), 2010.
- Фёдорова О. В. Основы экспериментальной психолингвистики: Метод регистрации движений глаз. М.: МГУ, 2020.
- Wade N. J. Pioneers of eye movement research. i-Perception, 1(2), 2010. P. 33–68.
- Wade N. J. How were eye movements recorded before Yarbus? Perception, 44(8-9), 2015. P. 851–883.
