Visuelle Aufmerksamkeit und Blickbewegungen

Transkript

1 Visuelle Aufmerksamkeit und Blickbewegungen Aufbau des menschlichen Auges Pupille Fovea Cornea Linse Iris Sklera Sehnerv Retina Quelle: [ , verändert]

2 Aufbau der Retina Stäbchen Zapfen Bipolarzelle Horizontalzelle Amakrinzelle Ganglienzelle Sehnerv Quelle: [ , verändert] Verteilung der Photorezeptoren Quelle: Carbone/Kösling: Eye-tracking. Visuelle Wahrnehmung. IK 2001.

3 Retinales Abbild Quelle: [ ] Verlauf der Sehbahn Auge Sehnerv chiasma opticum culliculus superior corpus geniculatum laterale visueller Cortex Quelle: Carbone/Kösling: Eye-tracking. Visuelle Wahrnehmung. IK 2001.

4 Visueller Cortex Schichten in V1 Einzelzellableitung Zellarten in V1 Einfache Zellen Komplexe Zellen Endinhibierte Zellen

5 Einzelzellableitungsarten in V1 horizontales Einführen der Elektrode vertikales Einführen der Elektrode Organisation von V1

6 Organisation von V1 Organisation von V1 Cortexschicht Hypersäule

7 Visueller Cortex und visuelle Stränge Augenbewegungen häufigste & schnellste Bewegung im menschlichen Körper (Bridgeman, 1992; Boff, 1988) Fokussierung neuer Informationen Sakkadische Unterdrückung (Matlin, 1974) Quelle: Faller, 1999: 643

8 Arten von Augenbewegungen Sakkaden (30-50 ms) Fixationen ( ms) Kontinuierliche Augenfolgebewegungen Vergenzbewegungen

9 Warum Eye Tracking? Finde die rote 9! x x x x x x x x x Warum Eye Tracking? Informationsaufnahme ist physiologisch begrenzt Aufmerksamkeitsmechanismus Physiologie des Auges koppelt Augenbewegungen an Aufmerksamkeit Projektion der region of interest auf die fovea centralis Die eye-mind Hypothese (Just & Carpenter, 1987) Kernaussage: the eye commonly fixates on the symbols currently being processed by the brain Identifikation und Parametrisierung perzeptueller & kognitiver Prozesse Einblicke in das Wie? und Warum? beim Problemlösen (z.b. Suchstrategien)

10 Die eye-mind Hypothese Finde die rote 9! Finde die 5! Alternative Methoden Verbalisierung von Problemlöse-Strategien Räumlich-zeitliche Schlussfolge-Techniken (Williams et al., 1999) Analyse produkt-basierter psychophysischer Daten Kritik / Grenzen der Methode Entkoppelung von Aufmerksamkeit & Blick Parafoveale Verarbeitung Verarbeitung vorheriger Informationen Höhere kognitive Verarbeitungsprozesse Vorteile der Messung von Augenbewegungen Indirekt, nicht-invasiv Beobachtung natürlichen (unbewussten) Informationsverarbeitens Prozess-basiertes Maß

11 Augenbewegungsmessung Invasiv erfasst werden: Elektrookulographie Kontaktlinsenmethode Nicht invasiv erfasst werden: Corneareflextracking Limbus-/Pupil-Tracking Purkinje Tracking Videobasiertes Eye Tracking Elektrookulographie Spannungsunterschied zwischen Netzhaut (negativ) und Hornhaut (positiv) Spannungsunterschied wird verstärkt und aufgezeichnet Quelle: Duchowski/Vertegaal Vertegaal: : Eye-Based Interaction in Graphical Systems: Theory & Practice. Siggraph Quelle: Zipp: Optimierung der Oberflächenableitung bioelektrischer Signale. Düsseldorf: VDI-Verl., 1988.

12 Kontaktlinsenmethode genau, aber aufwendig Spiegel oder searchcoil Magnetische Spule(n) in der Linse induzieren Spannungen, die sich proportional mit der Lage der Spulen im magnetischen Wechselfeld verändern Quelle: Joos et al.: Blickbewegungsmessung und praktische Anwendungen. TEAP Beispiel-Trajektorien Quelle: Quelle:

13 Tracking optischer Charakteristika Purkinje-Bilder Limbus-Tracking Corneareflex-Tracking Pupillen-Tracking Quelle: Duchovki/Vertegaal: Eye-Based Interaction in Graphical Systems: Theory & Practice. Siggraph Quelle: Carbone/Kösling: Eye-Tracking. Blickbewegungsmessung im Überblick. IK Videobasiertes Eye Tracking SMI-EyeLink Eye Tracker Pupiltracking (EyeLink II zusätzlich Corneareflex) Binokulares Tracking Berechnung der Blickposition Kalibrierung Kompensation von Kopfbewegungen Zeitliche Auflösung 250 Hz Räumliche Genauigkeit 0,5 1 o Online-Verfügbarkeit der Daten und nachfolgende Analyse SMI EyeLink I Quelle: [ ]

14 Videobasiertes Eye Tracking SR Research EyeLink II Videobasiertes Eye Tracking LC Technologies EyeGaze

15 Videobasiertes Eye Tracking SMI iviewx HED

16 Kognition und Perzeption Leseforschung Betrachtung statischer und bewegter Szenen / Bilder Aufmerksamkeitssteuerung Medizinische Forschung (Diagnose & Therapie) Klinische Studien Neurologische, psychiatrische Erkrankungen Entwicklungsstörungen Neurophysiologie und Augenheilkunde Okulomotorische Steuerung: Sakkadensteuerung, optokinetischer Nystagmus Anwendungen Entwicklung von Benutzer-Schnittstellen Ergonomie Evaluation / Verbraucherverhalten Werbung Beispiele Leseforschung Medizin Benutzerschnittstellen Verbraucherverhalten

17 Leseforschung Experimentelle Leseforschung erster Ansatzpunkt der Blickregistrierung Ende des 19. Jhd. (z.b. Erdmann und Dodge, 1898) Lesen eines Textes nicht kontinuierlich, sondern sprunghaft Unabhängige Variable z.b. Schwierigkeit des präsentierten Textes Abhängige Variablen z.b. Anzahl der Fixationen pro Zeile, Dauer der Fixationen, Anzahl der Regressionen auf frühere Textpassagen Untersuchungen zum Umfang der beim Lesen aufnehmbaren Zeichen: Ca. zehn Zeichen links und rechts vom Fixationspunkt können verarbeiten werden, d.h. pro Fixation ca. drei Worte (Rayner, 1975) Medizin Hilfe bei der Diagnose bestimmter Erkrankungen des Nervensystems, z.b. Schizophrenie oder Parkinson-Syndrom Blickpositions-abhängige Stimuluspräsentation zu Therapiezwecken, z.b. bei Hemi-Neglect Patienten Kontrolle von Heilerfolgen einer Therapie Interaktive, blickgesteuerte Benutzeroberflächen als Kommunikationsschnittstelle für Patienten mit motorischen Defiziten

18 Benutzerschnittstellen und Ergonomie Messung von Blickbewegungen bei Autofahrern, Piloten usw. U.a. Aufschluß über Faktoren, die die Aufmerksamkeit beeinflussen und ggf. zu erhöhtem Unfallrisiko führen Kritische Faktoren: Ergonomie und Verständlichkeit von Bedienelementen, Instrumenten und Anzeigen Ziel ist eine optimale Anordnung und Gestaltung der Fahrerumgebung Verbraucherverhalten Erste Einsätze der Blickregistrierung in der Werbung ca Untersuchung der Wirkung von Werbeprospekten und spots vor dem Start einer Werbekampagne (Consumer appeal) Überprüfung der Positionierung von Produkt, Produktnamen und -informationen

19 Verbraucherverhalten Packaging research, label viewing Verbraucherverhalten Print advertising

20 Beispiel-Blicktrajektorien Gemeinschaftliche visuelle Suche Face-to-face View subject A View subject B Beispiel-Blicktrajektorien Gemeinschaftliche visuelle Suche eingeschränkte Kommunikation Behind screen View subject B View subject A

21 Beispiel-Blicktrajektorien Greifen, Objektmanipulation und Hindernisvermeidung Beispiel-Blicktrajektorien Straßenverkehr

22 Entscheidungsprozesse beim Fußball (Höner, 2003; Kösling & Höner, 2003)

23 Entscheidungsprozesse beim Fußball Einführung 1. Zunächst weitgefasste Informationsaufnahme 2. Anschließend Fokussierung zur Ausführung einer Handlung Denken lähmt, und Handeln macht gewissenlos. Problem: Abschirmungs-Unterbrechungs Dilemma (Goschke, 1997) Fragestellung: Was kennzeichnet den Entscheidungsprozess, wie verläuft die Informationsaufnahmebereitschaft?

24 Wissenschaftliche Problematisierung? Theorie- und methodenbedingte Dekomponierung des Entscheidungsverhaltens Theorie Kognitiv-handlungstheoretische Rekonstruktion im Rahmen der Rubikon-Theorie der Handlungsphasen (Gollwitzer, 1996) Methodik Erhebung der Informationsaufnahmebereitschaft (IAB) per Eye Tracking Methode (Williams, Davids & Williams, 1999) Rubikon-Theorie der Handlungsphasen (Heckhausen, 1989; Gollwitzer, 1996) Heuristisches Modell Vier verschiedene Handlungsphasen ABWÄGEN ENTSCHEIDEN prä-dezisionale Phase R U B I K O N PLANEN ABSCHIRMEN post-dezisionale Phase AUSFÜHREN aktionale Phase BEWERTEN post-aktionale Phase

25 Konzept der kognitiven Orientierungen Abwägende vs. planende kognitive Orientierung Diesseits bzw. jenseits der Bildung einer Zielintention ( Rubikon ) weit gefasste IAB Zielintention (Gollwitzer & Bayer, 1999) eng gefasst IAB Der kognitive Rubikon Volitionale Theorien gehen von einem abrupten Anstieg von Abschirmungsprozessen unmittelbar nach der Entstehung einer Handlungsabsicht aus. Dieser diskontinuierliche Sprung in den Abschirmfunktionen könnte ein Mittel zur Bestimmung des Zeitpunkts der Absichtsgenese sein. (Kuhl, 1987, S.109) Problemstellungen 1. Unterscheiden sich die abwägende und planende kognitive Orientierung hinsichtlich der Weite der Informationsaufnahmebereitschaft (IAB) im Entscheidungsprozess? 2. Welchen Verlauf nimmt die Weite der IAB im Entscheidungsprozess? 3. Zu welchem Zeitpunkt ist der kognitive Rubikon zu vermuten?

26 Experiment-Details Probanden - n = 65 DFB Jugend-Nationalspieler - Alter: M = 15.9 Jahre (SD = 1.0) - Spielerfahrung: M = 9.7 Jahre (SD = 1.5) Stimuli - 24 Entscheidungssituationen mit 3:3- bzw. 3:2-Angriffen Aufgabenstellung 1. Wer? -Entscheidung: Anspiel des rechten oder linken Angreifers? 2. Wie? -Entscheidung: Paß in den Fuß oder in den Lauf? Art der Entscheidungsmitteilung 1. Rechtes bzw. linkes Fußpad (in der Szene unter Zeitdruck) 2. Verbal (z.b. Blau, in den Lauf, nach der Szene) Apparatur - SMI Eyelink I Eye Tracker - Visuelle Entwicklungsumgebung fuer Eye Tracking Experimente VDesigner (z.b. Kösling, Clermont & Ritter, 2001) Experimenteller Aufbau

27 Stimulus-Präsentation Überprüfung der ökologischen Validität Capturing superior performance Können Experten (Jugend-Nationalspieler) ihre höhere Leistungsfähigkeit im Vergleich zu Novizen (Spieler unterer Ligen im gleichen Alter) unter künstlichen Laborbedingungen reproduzieren? 60 Experts Novices 58 Index of Quality U 15 U 17 Age

28 Beispiel-Blicktrajektorie Merkmalsstichprobe (Variablen) Unabhängige Variable: - Handlungsphase (prä- vs. postdezisional) Abhängige Variablen: - mittlere Sakkadenlänge (α = 0.955) - Anteil an Sakkaden > 80 Pixel (α = 0.953) ( Abwägesakkaden ) left forward right forward right defender left defender gaze hor. gaze positions (x-pixels) Zeit in 4ms time in s

29 1. Prä- vs. Post-dezisionales Blickverhalten (über alle 24 Szenen gemittelt) Variable M pre M post Significance Effect Ratio of deliberative saccades 48% 17% χ² (1) = , p <.001 Φ = 0.29 Saccade length 126 Pixel 50 Pixel t (31275) = 49.4, p <.001 r = Prä- vs. Post-dezisionales Blickverhalten (szenenspezifisch) Ratio Quota of deliberative of deliberative saccades saccades. 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% ww1 ww2 ww3 ww4 ww5 ww6 ww7 ww8 ak1 ak2 ak3 ak4 ak5 ak6 ak7 ak8 pk1 pk2 pk3 pk4 pk5 pk6 pk7 pk8 pre 51% 51% 45% 47% 43% 48% 52% 48% 41% 55% 57% 46% 48% 49% 44% 50% 47% 46% 51% 42% 44% 52% 49% 53% post 15% 21% 19% 15% 17% 11% 12% 13% 17% 19% 11% 23% 27% 21% 21% 21% 6% 6% 24% 12% 26% 12% 21% 15% Die hochsignifikanten Ergebnisse sind unabhängig von der inhaltlichen Gestaltung der Szenen (z.b. Kreuzsituationen!)

30 2. Verlauf der Informationsaufnahmebereitschaft Ratio of deliberative saccades relative time to "Rubicon" in s Analyse des Zeitpunkts des kognitiven Rubikons Effect effect Phi Φ 0,45 0,4 0,35 0,3 0, Grenzwert zur time Setzung before des response Rubikons button in press ms vor in ms dem Tastendruck Bei maximaler Effektgröße Φ max = 0,41 ist der kognitive Rubikon ca. 600 ms vor dem Tastendruck zu vermuten 0

31 Zusammenfassung und Diskussion Der Entscheidungsprozess ist durch eine abwägende und planende kognitive Orientierung gekennzeichnet. Mit der Absichtsbildung kommt es (ca. 600 ms vor dem motorischen Tastendruck) zu einem rapiden Abfall der Weite der Informationsaufnahmebereitschaft. Abschirmungs-Unterbrechungs-Dilemma in jeder Phase einer Handlung (Entscheidung, Planung, Ausführung) existent (vgl. Goschke, 1997, S. 389) Konzept der kognitiven Orientierungen liefert eine theoretische Grundlage für eine phasenspezifische Optimierung zwischen Abschirmung und Unterbrechung, wenn es nicht zu bildhaft im Sinne einer disjunkten Trennung abwägender und planender Aktivitäten interpretiert wird (vgl. Gerjets, 1995). Players who attempt to score rather than pass the ball are narrow-minded but certainly not in a stubborn sense. Instead, the underlying decisionmaking process can be explained on cognitive psychology grounds.

32 Further Findings Capturing superior performance in decision-making: Expertise approach (Ericsson & Smith, 1991) Superior decision quality (correctness and speed) in experts: - U15/17 experts better than U15/17 novices - U17 experts better than U15 experts - Senior league players better than U15/17 experts INTRODUCTION METHOD RESULTS CONCLUSIONS correctness 80% 79.0% 78.5% 75.5% 75% 70% 69.4% 65% 60% 60.0% 55% time in ms quality U U15 U U17 Senioren seniors U15 U U U17 Senioren seniors U15 U U17 U seniors Senioren Novizen Experten Oberliga novices Novizen Experten experts Oberliga seniors Novizen Experten Oberliga 2x2-ANOVA F (1; 104) p 2x2-ANOVA F (1; 104) p 2x2-ANOVA F (1; 104) p expertise (nov. vs exp.) <.001 expertise (nov. vs exp.) expertise (nov. vs exp.) 8.64 <.01 age (U15 vs. U17) age (U15 vs U17) age (U15 vs U17) interaction interaction interaction Further Findings Capturing superior performance in decision-making: Expertise approach (Ericsson & Smith, 1991) Superior decision quality (correctness and speed) in experts: - U15/17 experts better than U15/17 novices - U17 experts better than U15 experts - Senior league players better than U15/17 experts INTRODUCTION METHOD Midfielders, playmakers and center players better than forward and wing players Width of (visual) information processing area monotonously increases with defensive character of player position RESULTS CONCLUSIONS The chosen experimental setting is a valid approach to capture superior (cognitive) performance in offensive game situations

33 Further Findings Concept of premeditation (Gollwitzer & Malzacher, 1996) Premeditation leads to significantly improved decision quality Experts attend more/longer to cues relevant for premeditation formation General INTRODUCTION METHOD Concept of mindsets and Rubicon theory apply to all types of players, ages and levels of experience Tendencies towards analytic and synthetic gaze patterns were found in novices and experts, respectively RESULTS CONCLUSIONS First Person Shooter Games (with A. Kenny, D. Delaney, S. McLoone & T. Ward) Again, the Shielding-Interruption Dilemma exists in each action phase. Deliberative and implemental mindsets also characterise decision making in first person shooter (FPS) games. The cognitive Rubicon is reached 850 ms before the motor response. This lag could be used to improve anticipatory abilities of FPS games. INTRODUCTION METHOD RESULTS CONCLUSIONS