Eye-Tracking. Grundlagen, Technologien und Anwendungsgebiete

Inhaltsverzeichnis

1. Grundlagen
1.1. Erklärung Eye-Tracking
1.2. Motivation für Eye-Tracking
1.3. Biologische Grundlagen
1.3.1. Auge und Wahrnehmung
1.3.2. Augenbewegungen

2. Technische Entwicklung
2.1. Geschichte des Eye-Tracking
2.2. Eye-Tracking Techniken
2.2.1. Sklerale Kontaktlinsen
2.2.2. Electro-Oculography (EOG)
2.2.3. Videobasierte Eye-Tracker
2.3. Eye-Tracker Daten

3. Anwendungsgebiete
3.1. Neuropsychologie
3.2. Medizin
3.3. Marketing/Advertisement
3.4. Computer-Interaktion
3.5. Usability/Ergonomie
3.5.1. Eye-Tracking und Usability-Tests

4. Fazit

A. Einfacher Usability Test I

Abbildungsverzeichnis VII

Literaturverzeichnis VIII

Kapitel 1.
Grundlagen

In diesem ersten Teil der Ausarbeitung zum Thema: “Eye-Tracking - Anwendungen und Technologien im Bereich Software Usability Engineering“ wird eine erste Erklärung ge-geben, wie Eye-Tracking definiert ist. Weiterhin wird eine Motivation geliefert, warum Eye-Tracking genutzt wird und zu guter Letzt werden die biologischen Grundlagen auf-gezeigt, um zu erklären, wie das Sehen im anatomischen/biologischen Sinne funktioniert und was bei der menschlichen visuellen Wahrnehmung passiert.

1.1. Erklärung Eye-Tracking

Unter Eye-Tracking versteht man das Aufzeichnen der hauptsächlich aus Fixationen (Punkte, die man genau betrachtet) und Sakkaden (schnellen Augenbewegungen) be-stehenden Blickbewegungen einer Person. Der deutsche, aber nicht so häufig genutzte Begriff, ist Blickbewegungsregistrierung und es ist ein wichtiges Werkzeug, welches bei den kognitiven Wissenschaften besondere Verwendung findet. Generell kann man zwei große unterschiedliche Augenbewegungen unterscheiden: Auf der einen Seite Fixationen und auf der anderen Seite Sakkaden. Im Laufe dieser Ausarbeitung wird noch eine ge-nauere Betrachtung erfolgen, in denen weitere Erklärungen zu den genannten Punkten geliefert werden (vgl. [6]).

1.2. Motivation für Eye-Tracking

Um zu verstehen, warum Eye-Tracking ein so wichtiges Werkzeug bei den kognitiven Wissenschaften ist, muss man sich nur die durch Eye-Tracking gegebene Möglichkeit in das Gedächtnis rufen, das Eye-Tracking ermöglicht, das Sehen eines Probanden zu analysieren. In Abbildung 1.1 wurde das Leseverhalten eines Probanden getestet. Die Kreise stellen in diesem Fall Fixationen und die Linien Sakkaden dar, auf die im nächsten Abschnitt näher eingegangen wird. Da die Augen die wichtigsten Sinnesorgane in Bezug

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1.: Augenbewegung beim Lesen eines Textes [4]

auf die Datenmenge die sie bereitstellen sind, macht es Sinn, ihr Verhalten bei Aufgaben, in denen Augen eine große Hilfe und Unterstützung zur Erfüllung einer Aufgabe sind, zu analysieren.

- Augen 10 Mio Bit/sec
- Haut 1 Mio Bit/sec
- Ohren 100000 Bit/sec
- Nase 100000 Bit/sec
- Zunge 1000 Bit/sec

In dieser Auflistung ist noch einmal deutlich der Unterschied der übertragenen Da-tenmenge der Augen an das Gehirn im Gegensatz zu den anderen Sinnesorganen zu erkennen. Die Motivation für Eye-Tracking lässt sich nun in der Wichtigkeit der Augen als Sensoren erkennen und in der Möglichkeit, durch die Augen einer anderen Person zu „sehen“ (vgl. [2]).

1.3. Biologische Grundlagen

In diesem Abschnitt der Ausarbeitung wird erklärt, wie das menschliche Auge und das Sehen mit diesem, sowie die menschliche Wahrnehmung funktioniert.

1.3.1. Auge und Wahrnehmung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2.: Querschnitt des menschlichen Auges [2]

Sehen bedeutet, dass Lichtstrahlen, die ins Auge fallen, lichtempfindliche Rezeptoren und dadurch Nerven anregen, Signale ans Gehirn zu senden. Ins Auge gelangen die Lichtstrahlen durch die Pupille und Linse (vgl. Abbildung 1.2). Die Linse bündelt die Lichtstahlen und führt zu einem klaren Abbild der Umgebung auf der Netzhaut, die sich an der Rückwand des Auges befindet. Auf dieser befindet sich die Fovea, die es uns ermöglicht „scharf“ zu sehen. Randbereiche, die „unscharf“ sind, werden von unse-rem Gehirn mit plausiblen Informationen aufgefüllt, wobei bewusste und unbewusste Augenbewegungen die Fovea auf interessante Bereiche lenken (vgl. Abbildung 1.3).

Die Netzhaut, eine Schicht aus überaus feinen lichtempfindlichen Rezeptoren und dünnen Nervenzellen, leitet den Lichteindruck ins Gehirn weiter. Die Photorezeptoren reagieren auf das Licht und schicken Signale über die dünnen Nervenfasern zum Sehnerv, der von der Rückwand des Auges in das Gehirn führt. Bestimmte Teile des Gehirns empfangen und verarbeiten die Signale. Man perzipiert („sieht“) nun das Bild.

Allerdings verarbeitet ein Mensch nicht alle Inputs, die vom Auge geliefert werden. Es existiert ein kognitiver Mechanismus – die selektive Aufmerksamkeit – der uns dazu

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.3.: Wahrnehmung der Augen [2]

befähigt, relevante „Eingaben“ zu verarbeiten, während irrelevante ignoriert werden. Dies ist wichtig, da man als Mensch nicht die Kapazitäten hat, alle Umgebungsreize parallel zu beachten. Die Veränderung unserer Aufmerksamkeit benötigt hierbei keine veränderte Wahrnehmung von außen. Diese Erkenntnis ist für das Eye-Tracking wichtig, da eine Fixation eines Punktes noch nicht bedeutet, dass ein Proband diesem auch schon seine Aufmerksamkeit zugewendet hat (vgl. [7]).

1.3.2. Augenbewegungen

Unter den Augenbewegungen (Okulomotorik) versteht man die Gesamtheit aller moto-rischen Ausdrucksformen und Varianten, die den Augäpfeln zur Verfügung stehen. Die Okulomotorik vollzieht sich auf der Grundlage eines sehr komplexen Systems mit einer Reihe von Regelkreisen. Die Netzhaut dient als eine Art Fühler, das Zentralnervensy-stem stellt Regelmechanismen zur Verfügung und sechs äußere Augenmuskeln fungieren als Stellglieder. Mit der Änderung der Augenstellung geht auch wieder eine Veränderung auf der Netzhaut einher und der Informationsfluss wird zum Kreislauf.

Die Augenbewegungen basieren auf den in Abbildung 1.4 dargestellten Drehachsen. Jede Augenbewegung entsteht aus einer Nullstellung oder Primärstellung, die eingenommen wird bei gerader Kopf- und Körperhaltung und geradeaus gerichtetem Blick.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.4.: Ebene von Listing mit den drei Hauptdrehachsen [5]

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Abbildung 1.5.: Augenstellungen [5]

Kapitel 1. Grundlagen 1.3. Biologische Grundlagen

Aus der Primärstellung kann das Auge eine reine Horizontalbewegung um die Z-Achse oder eine Vertikalbewegung um die X-Achse durchführen. Diese Bewegungen werden auch als Kardinalbewegungen bezeichnet und münden in einer Sekundärstellung (vgl. Abbildung 1.5). Werden nacheinander eine Vertikalduktion und eine Horizontaldukti-on durchgeführt, befindet sich das Auge in einer sogenannten Tertiärstellung. In diese Position gelangt ein Auge auch dann, wenn es eine Bewegung um eine schräge Achse vollzieht. Wichtig für das Eye-Tracking werden diese Augenbewegungen, wenn es um die Registrierung der Augen geht, also dem generellen Erkennen der Augen in dem Bild einer Kamera. Allerdings ist es auf diese Weise nicht möglich, schon zu erkennen wo-hin ein Auge genau blickt. Dafür müssen noch weitere Hilfsmittel genutzt werden (vgl. [5, 7]).

1.3.2.1. Sakkaden und Fixationen

In diesem Abschnitt werden die zwei für Eye-Tracking wichtigsten Augenbewegungen vorgestellt. Zum einen gibt es Sakkaden.

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Abbildung 1.6.: Sakkade zwischen Punkt a und b [2]

Unter Sakkaden versteht man die schnelle Veränderung der Augenposition von einem Punkt a zu einem anderen Punkt b (vgl. Abbildung 1.6) sowohl willkürlich als auch unwillkürlich. Die Dauer einer Sakkade dauert meistens zwischen 10 und 100 ms, wäh-rend dieser Zeit ist man als Mensch blind und das Gehirn ergänzt in dieser Blindheit Informationen aus vorher empfangenen Bildern, also aus Fixationen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.7.: Fixation eines Punktes a [2]

Bei der Fixation stehen sowohl Kopf, als auch Augen still und beobachten einen festen Punkt (vgl. Abbildung 1.7). Von einer Fixation spricht man ab einer Fixierungslänge von mehr als 100 ms. Natürlich steht auch bei einer Fixation das Auge bzw. die Pupille nicht komplett still, so dass es zu verschiedenen Unterarten] von Fixationen kommen kann, unter anderem zu einem leichten Zittern der Pupille auch Tremor genannt. Diese sind für das Eye-Tracking zumindest im Usability-Bereich nicht weiter interessant, da diese zu fein sind und keine Augenbewegungen im eigentlichen Sinn darstellen.

Beim Eye-Tracking werden – wie schon erwähnt – Linien zur Darstellung von Sakkaden und Kreise für die Darstellung der Fixationen genutzt, je größer der Durchmesser eines Kreises ist, um so länger wurde der fixierte Punkt betrachtet, um den Blickverlauf eines Probanden im Nachhinein analysieren zu können (vgl. [5, 2]).

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