眼球與眼動儀相關研究

本節首先探討眼球運動與眼球的生理機制，然後探討人們眼球與視覺資訊處 理系統的關係，最後則探討眼動儀相關之文獻與研究。

一、眼球生理機制與眼球運動概述

眼球運動的基本形式包括：凝視（fixation）、跳動（saccades）與追隨運動

（pursuit movement）。人的眼睛是以不同的運動形式來觀看事物，觀看事物時，

兩眼保持對準該物，使該物落在視網膜的中央，已獲得較清晰的影像，此視覺對 準物件的運動稱為凝視（fixation）。眼睛在觀看物體時並非平滑的移動，視覺會 先對該物的一部分停留注視，之後再跳到該物的另一位置進行凝視，此運動稱為 跳動（saccades）。當我們在觀看運動物體時，眼球並非完全固定，為了將注視點 落在運動物體身上，眼睛必須跟隨著物體移動，此為眼球的追隨運動（pursuit movement）（朱瀅，2002）。

當我們閱讀、觀看事物，或是找尋物件時，我們眼球不斷地在移動，此現象 稱為跳視（掃視），跳視是快速的眼球運動，速率可達 500˚/s。然而，跳視不同於 下列三種眼球運動方式（Rayner, 1998）：

（一）追蹤（pursuit eye movement）：眼球追隨移動中目標的運動模式，此運 動的速率明顯慢於跳視運動。

（二）眼球收斂運動（vergence eye movement）：眼球為了凝視比較近的物件 時，向視野中心聚焦的運動模式。

（三）潛視運動（vestibular eye movement）：由於身體或頭部的移動，眼球為 了維持相同方位的視野而旋轉的運動模式。

人類的眼球是個直徑大約 23mm 的球體，人們透過眼睛來獲取、處理外界視 覺資訊。眼球位於一個軟性脂肪組織的眼窩中，除了可以轉動，還會產生輕微的 移位。眼球的運動主要是由一組眼外肌來控制眼球活動，眼外肌共有三對，分別 為內直肌、外直肌；上直肌、下直肌；上斜肌、下斜肌等，當某一眼外肌行使作 用時，其他眼外肌協助完成運動（朱瀅，2002）。

這六條眼外肌的運作分別為（引自韓承靜、蔡介立，2008）：

（一）外直肌（lateral rectus）：可使眼球向外轉，例如向右看時，右眼向右轉。

（二）內直肌（medial rectus）：可使眼球向內轉，例如向右看時，左眼向右轉。

（三）上直肌（superior rectus）：可使眼球網上轉，即往上看。

（四）下直肌（inferior rectus）：可使眼球往下轉，即往下看。

（五）上斜肌（superior oblique）：以瞳孔為軸，眼球向鼻側旋轉，例如右眼做 逆時針旋轉。

（六）下斜肌（inferior oblique）：以瞳孔為軸，眼球向耳側旋轉，例如右眼做 順時針旋轉。

二、視覺資訊處理

人類生活中，不論是觀察事物、辨識物體、閱讀、看圖及尋找東西，都須依 靠眼睛的移動來收集各項工作中所需的訊息，透過記錄和分析眼球運動可以幫助 我們了解工作處理的認知歷程（韓承靜、蔡介立，2008）。視覺系統是人類獲得 外界訊息的重要通道之一，利用眼動追蹤儀器可以記錄人們眼睛觀看訊息時的各 種眼動數據，藉以探討人們視覺系統處理訊息時的歷程。一般使用眼球追蹤技術 探 討 視 覺 理 論 基 礎 ， 在 於 眼 球 視 線 軌 跡 可 以 反 映 內 在 注 意 力 轉 移 的 歷 程

（Henderson & Hollingworth 1999）。

蔡介立（2003）指出，眼球在進行閱讀活動時，眼睛並非平滑的在句子間移 動，也不會停留在每個字上面，而是在某個文字上短暫停留後，再快速的移到較 遠的文字位置上。因此，閱讀時眼球是經由不斷的注視與掃視來掌握訊息。觀察 眼球的運動可以反映出人們在閱讀時，眼球注視的區塊與注視的時間等。眼睛在 觀察外在事物時，是不斷地短暫凝視與快速跳視交互著。凝視時，視覺系統處理 影像訊息；跳視時，視覺系統關閉（韓承靜、蔡介立，2008）。

Henderson 與 Hollingworth（1999）在閱讀文字與圖片上，視線軌跡的動線 也有差異，閱讀文字時的視覺動線是由左至右、由上至下，且閱讀文字時的跳視 幅度與平均凝視時間比觀看圖片時要小而短，而觀看圖片時就沒有如此具規律 性。

眼球在移動時，傾向跳到最理想的凝視位置，此時的凝視時間較短；相反若 眼球落點離理想位置較遠時，凝視的時間較久，且最容易有再凝視的發生（汪勁 安，2004）。傅銘傳、孫慶文、林品章（2007）指出，在單位時間內，凝視次數 越多，表示對該圖示的興趣越高，或者該圖示的訊息或細節較多、較引人注目。

人類對有偏好傾向的物件，會投以更多的注視，因此凝視時間、凝視位置可以反 應人們內在訊息處理的歷程。

三、眼動儀介紹

大約從 1970 年開始，許多學者已經開始進行眼動的研究，惟此時期的眼動 研究品質是不夠高。自 1978 年後，較嚴謹的眼動研究開始出現在社會科學的研 究中（Rayner, 1998）。目前新一代的眼動儀多使用被動攝影機作為量測裝置，較 為熟知的眼動儀是利用圖像處理的原理，使用可以鎖定眼球的特殊攝影機，來捕 捉瞳孔反射的紅外線，紀錄眼球的視覺運動軌跡，再進而分析視覺軌跡的流覽歷 程（賴孟龍，2009）。

蔡介立、顏妙璇及汪勁安（2005）文中介紹有關認知神經科學較為常見的四 種測量眼球運動的方法：

（一）Video-Based Eye Tracker：給受試者戴上一個帽子，帽子上安裝兩個攝 影機分別拍攝兩隻眼睛的位置，帽子上有個攝影機對應銀幕上四個點可 校正頭部的位置，利用攝影機拍攝眼球，測量瞳孔的移動與眼球運動模 式。

（二）Scleral Search Coil：此方式是利用電磁感應原理來測量眼睛的移動。將 幾個感應線圈包在矽膠製成的軟式鏡片，讓受試者佩帶，並且事先在眼 球周圍加上固定磁場，當受試者眼球運動時，同時會牽動軟式鏡片，使 鏡片中的感應線圈因為磁通量的變化，產生不同的感應電動勢，感應電 動勢之大小即代表眼球偏轉之角度，利用電磁感應原理測量眼睛的移 動。

（三）Dual Purkinje Image Tracker：利用光源進入眼球時，因為眼球各組織的 折射率不同，反射出來的影像也會不同，利用光源在角膜前後方與水晶 體前後方所反射出來的四組影像，偵測瞳孔位置，判斷視線方向與眼球 運動的方向之追蹤技術。

（四）Infra-red Oculography：將紅外線光源 LED 及紅外線接收器安置在眼鏡 鏡架上，以固定角度照射在虹膜四周。由於紅外線在黑色瞳孔與虹彩的 反射效果低，而在白色鞏膜的部份會完全反射，利用紅外線光源在眼角

膜邊緣的反射差異，紅外線接收器會將反射出之紅外線光轉換成電流訊 號，藉此訊號大小來判斷眼球轉動之角度。

上述四種測量方式皆用來記錄隨著時間的變化，眼球轉動的角度範圍。眼動 儀除了可以記錄眼球轉動角度外，也可以記錄眼睛凝視時的凝視位置、凝視時 間。眼動儀提供的取樣頻率，指的是每秒內，眼動儀可記錄凝視位置的資料個數，

例如 200Hz 即一秒可記錄 200 個眼睛凝視位置。將連續凝視同樣位置的資料個 數乘上 1000／取樣頻率，即為該位置的凝視時間，例如 200Hz 的眼動儀紀錄連 續 30 個相同凝視位置的座標，則該位置的凝視時間為 150 毫秒。取樣頻率越高，

計算的凝視時間越精確（汪勁安、蔡介立、顏妙璇，2005）。

研究所設計的眼動儀為上述 Video-Based Eye Tracker 眼動儀與 Infra-red Oculography 眼動儀之結合，將攝影機之 LED 白光燈組換成紅外線 LED，架設 在鏡架上，讓使用者穿戴，紅外線光源反射黑色瞳孔，使攝影機與 EyeWrite 軟 體能準確追蹤瞳孔的位置，拍攝眼球運動的過程，拍攝的圖像再傳到電腦螢幕 中，藉由電腦軟體 EyeWrite 進行分析。