眼動相關研究與應用

眼睛是靈魂之窗，更是重要的感知器官，人類的學習過程主要依賴由 眼睛進入大腦的訊息，故眼動軌跡為吾人瞭解人類學習認知歷程的重要途 徑（陳學志、邱發忠、賴惠德，2010）。眼球追蹤 (eye tracking) 技術係運 用圖像處理原理，使用可以鎖定眼睛的特殊迷你攝影機，來捕捉從眼角膜 及瞳孔反射出來的紅外線，以記錄眼球變化，進而分析眼球移動歷程（賴 孟龍，2009），被視為一種可自然且即時探討認知思考的重要工具 (Ryan et al, 2010) ，陳學志等人（2010）在整理眼球追蹤技術在學習與教育上的應 用時指出：目前眼球追蹤儀被廣泛使用在神經科學、心理學、工業工程、

人因工程、行銷／廣告、電腦科學等領域 (Duchowski, 2003) ，其中在心 理學領域中，主要是用在閱讀 (reading, Abdel Latif, 2019; Godfroid et al., 2018; Mohamed, 2018; Radach et al., 2002; Rayner, 1998; 柯華葳、陳明蕾、

廖家寧，2005；蔡介立，2000；簡郁芩、吳昭容，2012) 、圖像知覺 (scene perception, Loftus, 1981; Molina et al., 2018; Rayner & Pollatsek, 1992;

Rayner et al., 2009) 、問題解決 (problem solving, Khosravan et al., 2019;

Knoblich et al., 2001) 、 聽 覺 語 言 處 理 (auditory language processing, Sussman et al., 2002) 、注意力 (attention, Daisuke Kimura et al., 2018;

Kowler et al., 1995; Skvarekova & Skultety, 2019) 及其他訊息處理主題上 (Henderson, 2007) ，對人類閱讀學習提供相當多的貢獻。文獻中包括許多 研究文字、文章的閱讀歷程與模型、數學、自然科學、音樂樂譜、程式除 錯、程式開發等，可應用範圍很廣。有關眼動儀 (eye tracker) 用於研究方 面的文獻顯示，透過眼睛追蹤方式可決定刺激部位與刺激時間長短，亦即 在眼睛受刺激的情 況下測量眼睛注視 點 (Duchowski, 2007; Rehder &

Hoffman, 2005) ，眼動儀可提供客觀、即時的證據與數據有助於人類瞭解 各方面的問題，是一種可靠的實驗工具，本節茲就眼動儀原理與相關研究

51 分別探究之。

壹、眼動儀簡介

眼動追蹤技術能蒐集客觀的眼動數據，據以反映心智認知過程，而不 僅是訊息處理後的結果而已 (Henderson, 2003) 。眼動儀 (eye tracker) 係 透過能鎖定眼睛的特殊攝影機，捕捉眼角膜及瞳孔反射出來的紅外線，並 記錄眼球移動的方向、軌跡或其他眼動指標，可即時觀察受試者的認知思 考歷程 (Ryan, Riggs & McQuiggan, 2010) 。眼球運動是認知過程中最重要 的感官訊息來源，Sanders 與 McCormick (1987) 研究指出人類在處理資料 過程有 80%以上訊息是透過視覺認知所接收到的，透過眼動儀可以真實了 解與記錄受試者的各項反應。當個體進行不同認知行為時，眼球的移動方 式將反映不同的認知歷程，眼球運動在心像視覺化的過程中扮演重要角色

（韓承靜、洪蘭、蔡介立，2010）。以下，茲就視覺認知與眼球軌跡、眼 球的凝視及掃視、眼球運動指標，以及注意力與視覺搜尋之關聯性等探討 之。

一、視覺認知與眼球軌跡

眼球運動是知覺、認知和行動三個不同歷程的結合，學習歷程中必 須依賴眼球的移動去蒐集相關資訊，透過紀錄和分析眼動資料，讓我們 瞭解其視覺形成與認知處理是須經歷一連串的歷程。眼球為人類中最為 複雜且敏捷的運動單位，眼球運動係透過腦部諸多神經單元合力協調所 達成的。視覺的產生必須接受外界的刺激，光線首先穿過覆蓋瞳孔的眼 角膜，經由瞳孔前進，再穿過水晶體，最後聚焦在視網膜 (retina) 上（黎 佩芬、賴建都，2011）。視網膜上分布著 500 萬個以上對色彩有反應的錐 狀細胞 (cone) 及一億個以上對光較為敏感的柱狀細胞 (rod) 。對於外 界的刺激，眼睛會以反射的方式將其投射於視網膜上，當視網膜的感光 細胞被激發會後，便產生出脈衝，這些脈衝循著複雜的視覺與腦神經通

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路（neural pathways）傳達至至大腦（黎佩芬、賴建都，2011）。

Sanders 與 McCormick (1993) 認為人類的認知歷程中最為重要的 感官訊息來源，便是眼球運動，因為人類在處理資料的過程中有八成以 上的資訊都是藉由視覺認知過程所獲得，處理當下正在查看的視覺訊息，

是大多數眼動研究的中心理論基礎 (Strobel et al., 2018) 。人類獲取資訊 的過程是藉由眼睛發現、蒐集，將其所收集到的影像、訊息，輸送至大 腦進行分析、判斷、合成與解讀後，再進行影像合成，這些影像將會影 響人類的意識與行為的改變（黎佩芬、賴建都，2011）。Baxter (1995) 研 究指出，眼睛皆受到外界刺激後，所進行的處理方式有兩種，第一種為 視覺的感知 (Visual Sensation) ，係指人類會對整體的視覺意象先作快速 掃描，得知物體的外貌，如顏色、形狀及大小等，這是過程是非常迅速 而直接的。第二種是視覺的認知 (Visual Perception) ，係將影像傳送到 大腦後，大腦對視覺感官刺激進行判讀後所得到的意義。Dodge (1990) 指出眼睛在移動時，僅為視覺感知而已，是無法獲得新的視覺認知 (Holmqvist et al., 2015) ，只有在凝視 (Fixation) 的停留期間之內，才會 擷取必要的視覺認知。研究指出認知是一種主動行為，而非被動地接收 現實既存的影像，是透過腦部諸多神經單元去建構出新的視界模式（黎 佩芬、賴建都，2011）。

Solso (1994) 指出眼睛的聚焦範圍相當有限，比起聽覺是更受限的。

由於眼睛的視角範圍不僅有限，而且最佳接收點，都集中視界的中心位 置，只有在這個範圍內的物體才能看得清楚，並容易分辨細節，也就是 所謂的網膜中央視界 (Fovea vision) 。在網膜中央視界這個區域內的圖 像感知神經單元是最為密集，具有最敏捷的感知能力，也是視網膜上傳 送視覺影像品質最優、傳遞訊號效率最高的區域 (Liversedge et al., 2016) ，網膜的中央視界是位於水晶體的正後方，僅有約 1～2 度的極小 區域。因此，為了使眼睛能夠看清楚物體，我們會不自覺的移動眼睛，

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讓想觀看的物體正好位於我們的網膜中央視界上 (Liversedge et al., 2016;

Van Essen et al, 1992; Yang et al., 2009) 。 二、眼球的凝視及掃視

運用視覺功能觀察物體時，我們的眼球會做不規則、快速地轉動與 移動，不會規律地停留在某個畫面或某個地方，而是在某個畫面或某個 位置短暫停留後，即快速地移動到下一個停留的位置，這樣的眼球運動 主要包含凝視 (Fixation) 與掃視 (Saccade) 。Yarbus (1967) 的研究發現：

受試者在觀看娜芙蒂蒂 (Nefertiti) 女王頭像時，其視線一直在女王頭像 的各個特徵點徘迴，如圖 2-4 所示。也就是說，我們看物體時視線會集 中在物體的特徵處，軌跡視覺是沿著某一秩序做來回的掃視。

圖 2-4 凝視與掃視

資料來源：Yarbus, A. L. (1967). Eye Movements and Vision.New York:

Plenum Press.

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根據眼球之短暫停留與快速移動的運動特性，眼球運動可分為凝視 (Fixation) 與掃視 (Saccade) 兩種。為了獲得清晰的視覺，雙眼必須對準 所注視的物體，對準所觀看物體的行為稱為凝視，為了對不同物體的凝 視，眼球必須不斷地移動，以達到反覆的凝視與掃視，其反覆的過程即 形成眼球的運動 (eye movement) 。眼球凝視大約佔 90%，視線掃視約 佔 10%、運動距離大於 0.2 度以上、速度達 30-500 度/秒，最高可達 900 度/秒，且視覺系統會產生暫時關閉的效應 (Rayner, 1998) ，而眼球 凝視的時間與眼球掃視的距離，是眼動追蹤研究用來探討閱讀認知歷程 的重要指標 (Mohamed, 2018; Rayner, 1998) 。以下就凝視 (Fixation) 與 掃視 (Saccade) 的定義加以說明：

（一）凝視 (Fixation) ：係為眼球運動相對靜止（非絕對靜止）於某 一固定位置以使他們能注意特定刺激 (Justice et al., 2005) 。凝 視的目的在使觀察的目標落在眼睛的中央位置 (Fovea) ，當眼 球凝視時，視覺訊息在視網膜上的成像較為穩定，且有充足的 時間（平均約 250 毫秒）對視覺訊息做處理，以獲致清晰的影 像。凝視時眼球會做三種細微的運動，而非完全靜止不動的，

其包括：不規則的、緩慢的視軸變化-漂移 (Drift) ，高頻率 (80Hz) 、低振幅 (150-2500nm) 的視軸震動-震顫 (Tremor) ， 以及微小不由自主地隨意跳動 (Involuntary saccades) 。凝視行 為是極為重要的眼球運動，凝視的持續時間可能會受到當下認 知過程的影響 (Ludwig & Evens, 2017) 。加上，每個人的偏好 和主觀意識不同，眼球凝視的位置和注意力分布的空間範圍也 會有所差異，且有高度相關 (Lee et al., 2005) 。

（二）掃視 (Saccade) ：係指眼睛在不同凝視點之間的迅速移動，其 移動速率可達 800°/s (Zigmond et al., 1999) ，亦即眼球的凝視點 從空間中的某一點快速地移動到另一點的過程稱為掃視。人類

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觀看物體時，會先在某一位置停留，凝視後又跳到另一位置，

這個過程不僅非常快速，且不是平滑的移動，而是跳躍的。所 以，掃視的過程中視覺是模糊的、不清的 (Javal, 1878) 。 在使用眼動作為臉部辨識的相關研究中，大多以凝視作為眼動分析 指標，Bindemann 等學者 (2009) 的研究結果發現受試者首次凝視人臉 位置為幾何中心。視覺獲取外部影像訊息的方法，主要是來自凝視點 (Fixation) ，眼球停留在凝視點的短暫時間裡，視覺資訊便以凝視點的中 心點 (Point of regard) 向外快速遞減，中心點資訊品質最佳，愈靠外圍 的就愈差。這些是掃視 (Saccade) 無法做到的，因為掃視的眼球運動方 式會帶來視覺遮蔽效應 (VisualMasking) ，掃視僅為視覺感知而非視覺 認知 (Dodge, 1990) 。凝視代表眼睛運動相對靜止於相同位置而使他們 能注意特定的刺激 (Justice et al., 2005) ，掃視則是凝視間的位置移動，

而組合凝視和掃視的軌跡路徑則稱為視線軌跡 (scan path) 。眼動資料包 含凝視、掃視和視線軌跡，凝視行為是個很重要的眼球運動，且凝視時 間長短和次數與訊息獲得的認知複雜度有關 (Goldberg & Wichansky, 2002) 。

三、眼球運動指標

人們為實現與維持對不同物體的凝視，必須不斷移動眼球，以達反 覆地凝視與掃視，其反覆的過程即為眼球運動（蔡政旻，2016）。眼球運 動是知覺、認知和行動三種不同歷程結合的結果，凝視時間與凝視位置 可以直接反映人們內在訊息處理的歷程 (Just & Carpenter, 1976) 。從凝 視點的位置，甚至可以看出注意力分布的空間範圍，並存在著高度的相 關性 (Henderson & Hollingworth, 1999) 。更多的研究指出，眼動的各種 指標與人的心理變化習習相關（朱瀅，2000；Rayner, 1978; Williams et al., 2003）。眼球運動重要參考指標有以下幾項 (Megaw & Richardson, 1979;

56 Neboit & Richardson, 1987) ：

（一） 凝視時間 (Fixation time or Fixation duration) ：係為凝視時，視 軸中心位置保持不變的持續時間，也就是眼球從前一個掃視結 束至下一個掃視開始前的時間。即人們觀看影像時，視線凝視

（一） 凝視時間 (Fixation time or Fixation duration) ：係為凝視時，視 軸中心位置保持不變的持續時間，也就是眼球從前一個掃視結 束至下一個掃視開始前的時間。即人們觀看影像時，視線凝視