第二章 、 文獻探討
第五節 、 眼球追蹤
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第五節、眼球追蹤
、眼球追蹤起源
眼球追蹤的起源可以追朔到認知神經科學的發展，而認知神經的科學最初是 神經科學研究的分支之一。神經科學致力於科學地研究神經系統，而在 1970 年 由於來自認知心理學、生理學、神經科學、神經心理學、語言學、資訊科學等不 同領域的研究人員，因為都對於〝腦的行為〞(brain-behavior)有興趣，於是開始 了彼此之間的交流合作。而神經科學的研究趨勢在近幾年也在社會科學與管理學 的研究上發揮影響，逐步由過去以個案觀察法或是問卷調查方法的研究，變成開 始利用最近的大腦研究工具，如腦波儀（Electroencephalography；EEG）、功能性 磁振造影儀（functional Magnetic Resonance Image；fMRI）、眼球追蹤儀器(Eye Tracking)等，以認知神經科學角度來探討在生理的層面進行更深入與科學化的
分析研究，因此在 1970 年 George Armitage Miller 與 Michael Gazzaniga 共同創立 了認知神經科學這個領域。
圖 2-3；功能性磁振造影影像圖
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（資料來源：http://case.ntu.edu.tw）
眼睛是靈魂之窗，也是人類最重要的知覺器官。正常人的學習過程，主要是 依賴經由眼球所進入大腦的訊息，所以眼睛的移動軌跡是讓人們瞭解學生學習的 歷程和困難的一個重要途徑，所以認知神經科學有一部分就是專門使用眼球追蹤 儀器追蹤眼睛移動軌跡來進行分析的研究，根據 Rayner(1998)認為眼球追蹤的研 究歷程一共經歷了以下三個階段：
第一階段
1879 年到約 1920 年，Javal 等學者(1878)對人類在閱讀過程中，進行眼球移 動現象的基本觀察。在此階段的眼球研究中，發現了閱讀中的「凝視」(fixation) 及「掃視」(saccade)的現象，並發現眼球在快速「掃視」的過程中，有難以知覺 到訊息的「掃視抑制」 (saccadic suppression)現象。
第二階段
由於行為主義的興起，人們將內在的認知運用歷程視為黑箱，故而大多數的 研究均聚焦於探討眼球移動現象的本質，並未嘗試去推論內在的學習與認知的歷 程，因此研究的數量相對地減少。
第三階段
到了 1970 年代中期，由於認知心理學的興起，使得眼球的移動成為了解大 腦及認知系統的有力證據，因此相關的研究受到學界的重視。另外，又加上眼球 追蹤技術的發達以及資訊科技的進步，使得眼球移動軌跡可以精確且容易取得，
因此相關研究如雨後春筍般地出現。
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現在
二十一世紀後，眼球追蹤技術在普及化與人性化上有重大的突破，使的眼動 研究開始了新的階段。以往眼球追蹤技術，因設備昂貴而且在實驗程式的撰寫與 資料分析部分上都具有很高的門檻，因此只有少數研究員才能進行這方面的研究。
此外，在過去眼球追蹤設備不易校正，還會對參與者的日常正常作業造成困 擾，因此使用上相對困難。但是隨著資訊科技的發達，專門針對眼球追蹤所設計 的實驗及資料分析的套裝程式也陸續開發完成，眼球校正也變得容易許多，使得 即使是沒有程式設計背景的研究人員也能進行眼動研究。
、眼球追蹤與視覺認知
想要瞭解眼動的本質，就必須先從眼球的結構說起。人的眼球之所以會不斷 移動，基本上是為了獲得最佳的敏銳度(acuity)。
圖 2-4：眼球構造圖
（資料來源：http://www.yinlih.com/）
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(Van Essen, Anderson, & Felleman, 1992)。當人們在觀看事物時，其凝視點左右各 1 度視角的視野內容將可直接落入中 央小窩，其大小約等於正常成人伸直手臂後其拇指甲的大小(Haber & Hershenson, 1973)。從此視野向外延伸 5 度視的範圍，稱為「窩邊」(parafoveal)視野，影像將 變得較不清楚。若再往外側則影像將變得模糊，其視野稱為「周邊」(peripheral) 視野。如果一般大小的文字或物體出現在中央小窩視野中，則個體不需要移動眼 球即可成功辨識該物體。反之，若出現在周邊視野或更外圍區域，則個體就必須 移動眼球，甚至轉動頭部才能看清楚內容(Rayner & Morrison, 1981)。
視覺的形成是一連串的過程。首先，視覺必須接受外來的刺激，對視覺產生
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原因，是因為眼球的一些生理上的限制，像是視覺遮蔽效應 (Visual Masking)等。在凝視點的短暫時間裡，人們所接受到的視覺資訊會以凝視點(point of regard)之 中心點向外圍快速且連續地衰減。因此，在凝視點(point of regard)的周圍瞬間是 視訊品質最好的地方。因此為了看清楚整個物體，我們會移動我們的頭部或眼球，
另外由於眼球轉動方向是受到意志力的控制，並且被一些認知上的因素所影響。
因此，眼球運動軌跡可以幫助我們瞭解人在瀏覽或觀看時，他們有興趣的部份及 位置在哪裡，以及他們認知的過程。
Sanders & McCormick(1993)曾指出眼球運動是認知過程中最重要的感官訊 息來源，因為人類在資訊處理的過程中有超過 80%的訊息是由視覺認知過程所 獲得。藉由眼睛去發現、獲取外界資訊，並將所收集到的視覺影像，傳送到大腦，
經過分析與解釋，然後進行影像合成的工作。而這些影像會影響人類的意識與行 為的改變。
Baxter(1995)也提出人類在視覺對物體的處理形式可利用兩種不同的方式來 加以分析。第一種是視覺的感知(Visual Sensation)，意思是指人類會對整體的視 覺意象首先作快速的掃描，然後得到整體的樣式與形狀，此過程為一個非常快速 的過程，不需花費特別的心智和努力。第二種是視覺的認知(Visual Perception)，
它才是接受到視覺感官刺激後所得出的意義。認知是一個主動反應，不是被動地 接收世界現實存在的畫面，而是透過一整組的神經細胞去建構出新的世界模式。
、眼球運動的指標
注意其實是心理學的一個概念，屬於認知過程的一部分，在環境的眾多刺激 中，選擇部分刺激的意識提高知覺而形成的選擇性集中，因此具有方向性和集中
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(Rayner, 1998;朱瀅,2002;Williams et al., 2003)。根據 Megaw & Richardson(1979)與 Neboit & Richardson(1987)在眼動運動的 人因工程與應用研究中，列出下列幾項主要觀察眼球運動的參考指標：
(一) 掃視速度(Velocity of Saccades)
眼球從一個凝視點到下一個凝視點的單位時間。Gelley(1993)認為，
掃視的速度與心智努力的程度有關，當心智工作負荷加大時，掃視的速 度也跟著加快。
(二) 掃視角度(Angle of Saccades)
眼球從一個凝視點到下一個凝視點之間的角位移，有時又稱為掃視 幅度(Amplitude of Saccades)。
(三) 凝視時間(Fixation Time/Fixation Duration)
眼睛對某地方觀看保持不變的持續時間，也就是眼球從一個掃視運 動結束至下一個掃視運動開始所包含的時間。
(四) 凝視順序 (Sequence of Fixation Points)
表示凝視點先後之間的順序關係，連續的凝視順序會構成所謂的掃 瞄路徑(Scan-path) ，也可稱為瀏覽軌跡。
(五) 凝視個數(Fixation Count/Number of Fixation)
即眼睛掃視運動的個數。Buswell(1935)指出，觀看圖片時凝視點並 不是隨機分佈的，而是有區域性的集中或分散在不同的位置(Lofts &
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Mackworth, 1978)。在 Yarbus(1967)研究中亦指出，在觀看人像圖片時，
人臉是被凝視最多的地方，尤其以眼睛和嘴巴的凝視次數為最多。因此，
觀察凝視次數分佈的稀疏與密集，就可以瞭解人們在觀看影像時注視的 區域。
(六) 凝視點的空間分配(Spatial distribution of fixation) 凝視點在整個搜尋區域的次數分配。
(七) 凝視點的間隔或距離(Interfixation Distances/Interval between Fixation) 凝視點間的距離，在靜態顯示(Static display)下相當於眼睛掃視運動 的振幅。多數研究者認為凝視點間的距離，可以用來表示受測者每一凝 視點的有效觀察範圍(useful field of view)。
(八) 瞳孔大小(Pupil Size)
在視覺機制上，瞳孔反應的大小是一項衡量心智活動敏感程度的生 理指標(Back & Walrath, 1992)。Beatty(1982)也指出，瞳孔的擴大現象可 以反映出所有的心理負荷變化，尤其在記憶和比較的資訊處理過程更是 如此。
(九) 眼球運動方向(Direction of eye movements)
眼球垂直運動的次數以及眼球水平掃視運動的次數。在眼球運動過
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Buswell(1935)以及 Yarbus(1967)都顯示出不同的實驗內容會導致受 測者不同的凝視點。然而這些實驗都是描述性的，因為這些結論都是在
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一個例子，Buswell 及 Yarbus 為了避免受到圖像內容的影響，因此運用 了許多種不同款的圖案作實驗。另一個例子，Mackworth et al.(1976)只 列將介紹四種眼球追蹤方法(Duchowski, 2007; Rayner, 1998)：(一) 眼眶電位測量法(Electro-Oculography)
以電極片記錄眼眶周圍皮膚的電位反應，來判斷眼球移動的變化，
使用此方法記錄下來的電位就是眼電圖。此方法廣泛地在 1970 年代中 期使用(Young & Sheena, 1975)。此方法相當簡便，但對凝視點的位置測
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量較不精確，比較適合測量掃視潛伏期。
圖 2-5：眼眶電位測量法的記錄原理
（資料來源：http://cht.a-hospital.com/）
(二) 鞏膜搜尋線圈(Scleral Search Coil)
此為最精確的眼動測量。將一個裝有金屬線圈的軟式隱型眼鏡戴讓 受測者戴在眼睛上，再使用電磁場框架來記錄該線圈的運動情況(Young
& Sheena, 1975)。雖然可能是最精準的眼球追蹤儀，但由於是具有侵入 性的測量方法，所以此方法只有在特殊情形下才會被使用。
(三) 眼球影像分析法(Photo-OculoGraphy /Video-Oculo Graphy)
將一個紅外線的光源投射至受測者的眼球表面，再使用一個高倍數 的攝影機來擷取參與者眼球的影像，經由電腦計算出眼球的瞳孔形狀與 大小、虹膜邊界位置來推斷眼球的凝視位置及移動方向。由於此一方法 得到的是眼球相對於頭部的相對位移，所以通常需要將眼球追蹤儀戴在 參與者頭上，或者是使用頭架或下巴架(head rest or chin rest)固定參與者 頭部，以確保得到精準且穩定的眼球位置，因此在使用上有許多限制與 不便。
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圖 2-6：Video-Oculo Graphy
（資料來源：http://work.thaslwanter.at/）
(四) 瞳孔與角膜的影像合併分析法 (Video- Based Combined Pupil/Corneal Reflection)
藉由同時記錄及分析特定方向的遠紅外線在角膜上的反應點以及 瞳孔中央位置的差異，來計算出眼球的位置以及頭部的移動位置。此種 技術經由簡單的校正(calibration)便可以獲得精確的頭部及眼球位置，而 且參與者保持頭部的自由活動仍能有效地記錄眼球軌跡，所以是目前最 常被廣泛使用的方法。由於角膜的反應又被稱為 Purkinje 反射(Crane, 1994)，所以此方法又被稱為「遠紅外線 Purkinje 影像追蹤法」(Infrared
藉由同時記錄及分析特定方向的遠紅外線在角膜上的反應點以及 瞳孔中央位置的差異，來計算出眼球的位置以及頭部的移動位置。此種 技術經由簡單的校正(calibration)便可以獲得精確的頭部及眼球位置，而 且參與者保持頭部的自由活動仍能有效地記錄眼球軌跡，所以是目前最 常被廣泛使用的方法。由於角膜的反應又被稱為 Purkinje 反射(Crane, 1994)，所以此方法又被稱為「遠紅外線 Purkinje 影像追蹤法」(Infrared