Katseenseuranta

Katseenseurantaa voidaan hyödyntää tutkittaessa esimerkiksi glaukooman vaikutusta potilaiden ajokykyyn.

Katseenseuranta on prosessi, jossa mitataan katseen suuntaa ja muita katseen käyttäytymiseen liittyviä ilmiöitä. Katseenseurantalaite on laite katseen suunnan ja silmien liikkeen mittaamiseksi. Katseenseurantaa käytetään muun muassa näön tutkimuksessa, psykologiassa, psykolingvistiikassa, markkinoinnissa, syöttölaitteena ihmisen ja tietokoneen vuorovaikutuksessa ja tuotesuunnittelussa. Katseenseurantaa käytetään myös yhä enemmän kuntouttavissa ja avustavissa sovelluksissa (jotka liittyvät esimerkiksi pyörätuolien, robottivarsien ja proteesien hallintaan). Katseen liikkeen mittaamiseen on olemassa useita menetelmiä. Suosituimmassa menetelmässä katseen suunta tunnistetaan silmästä heijastuneen valon perusteella. Muut menetelmät perustuvat esimerkiksi magnetometriaan tai elektro-okulografiaan .

Katseen suunnan lisäksi tyypillisiä tutkimuskohteita ovat katseen lyhyet pysähdykset eli niin kutsutut fiksaatiot ja niiden välissä tapahtuvat nopeat liikkeet, sakkadit. Fiksaatioiden aikanakaan silmä ei ole täysin pysähdyksissä, ja tällöin tapahtuvia pieniä liikkeitä kutsutaan mikrosakkadeiksi. Esimerkiksi verkkosivustojen käytettävyystutkimuksissa voidaan tutkia sivuston eri elementteihin kohdistuneiden fiksaatioiden määrää ja ajallista pituutta. Katseen suuntaan ja liikkeisiin liittyvien ominaisuuksien lisäksi voidaan tutkia pupillin koon ja silmänräpäytysten muutoksia.

Historia

Ensimmäiset katseenseurantatutkimukset tehtiin 1800-luvulla tekemällä havaintoja koehenkilöiden katseen liikkeistä ilman katseenseurantalaitteistoa. Vuonna 1879 Pariisissa Louis Émile Javal havaitsi, että lukeminen ei tapahdu tasaisella liikkeellä tekstiä pitkin, kuten aiemmin oletettiin. Sen sijaan lukiessa katseen liike koostuu sarjasta lyhyitä pysähdyksiä (fiksaatiot) ja nopeista liikkeistä pysähdysten välissä (sakkadit). ^[1]

Yarbus-katseenseurantalaite 1960-luvulta.

Katseen seuraama polku ihmisen kasvoja katsottaessa. Katseen polku koostuu sakkadeista ja fiksaatioista.

Varhaiset katseenseurantalaitteet olivat mekaanisia. Edmund Huey rakensi katseenseurantalaitteen käyttäen eräänlaista piilolinssiä, jossa oli reikä pupillille. Linssi oli kytketty alumiiniseen osoittimeen, joka liikkui vasteena silmän liikkeelle. Huey tutki katsetta lukemisen aikana ja havaitsi katseen liikkuvan välillä oikealta vasemmalle (näitä liikkeitä kutsutaan regressioiksi), ja hän osoitti, että jokaisen sanan kohdalla ei tapahdu fiksaatiota.

Ensimmäiset etäältä toimivat katseenseurantalaitteet rakensi Guy Thomas Buswell Chicagossa tallentamalla silmästä heijastuvat valonsäteet filmille. Buswell teki systemaattisia tutkimuksia lukemisesta ^[2] ja kuvien katselusta. ^[3]

Alfred L. Yarbus ^[4] teki 1950-luvulla merkittäviä katseenseurantakokeita, ja hänen vuonna 1967 julkaistua kirjaansa pidetään yhtenä alan merkkiteoksista. Yarbus osoitti, että koehenkilölle annetulla tehtävällä on erittäin suuri vaikutus tämän silmien liikkeeseen. Hän kirjoitti myös fiksaatioiden ja kiinnostuksen kohteen välisestä suhteesta.

1980-luvulta alkaen katseenseurantamenetelmiä on käytetty ihmisen ja tietokoneen vuorovaikutuksen tutkimiseen. Alussa kiinnostuksen kohteena oli erityisesti kuinka käyttäjät etsivät komentoja tietokonevalikoista. ^[5]

Viime aikoina katseenseurannalla on tutkittu käyttäjien vuorovaikutusta erilaisten tietokoneiden rajapintojen kanssa. Tutkimuksissa on selvitetty esimerkiksi kuinka helppokäyttöisiä rajapinnat ovat käyttäjille. ^[5] Toinen tietokoneisiin liittyvä käyttökohde on verkkosivustojen kehitys. Verkkosivujen kehittäjä voi olla kiinnostunut esimerkiksi siitä mihin käyttäjät kiinnittävät huomionsa verkkosivustolla, jotta mainokset voidaan sijoittaa mahdollisimman tehokkaasti. ^[6]

Katseenseurantalaitteet

Periaatekuva katseen suunnan ja liikkeiden tunnistamiselle videokuvasta. Pelkästään pupillin paikkaa tarkkailemalla ei voida tietää, johtuuko pupillin liike silmän vai pään liikkeistä. Silmän liikkeiden tunnistamisen avuksi voidaan ottaa sarveiskalvolta lähtevät heijastukset. Pienillä pään liikkeillä näiden heijastusten paikka pysyy suhteellisen samana. Kun mitataan pupillin keskipisteen ja sarveiskalvon heijastuksen välisen etäisyyden muutokset, voidaan päätellä katseen suunnan muutos.

Päähän puettava katseenseurantalaite. Molemmalle silmälle on LED-valonlähde näyttölinssin sivussa ja kamera näyttölinssin alla.

Katseenseurantatekniikka

Katseenseuranta voidaan toteuttaa eri tavoin tavoin: (i) mekaanisesti, mittaamalla silmään kiinnitetyn esineen (yleensä erityisen piilolinssin) liike ; (ii) optisesti, mittaamalla pupillista heijastunutta infrapunavaloa ilman suoraa kosketusta silmään; ja (iii) sähköisesti, mittaamalla silmän lihasten sähköpotentiaalia silmien ympärille sijoitetuilla elektrodeilla (elektro-okulografia). Näistä optisiin menetelmiin perustuvat katseenseurantalaitteet ovat yleisimpiä. ^[7]

Optinen katseenseuranta

Optiset katseenseurantalaitteet nauhoittavat usein käyttäjän silmien liikkeet videolle. Katseen suunnan tunnistaminen perustuu pupillista ja sarveiskalvolta heijastuvan infrapunavalon tunnistamiseen. Katseenseurantalaitteissa käytetään infrapunavaloa, sillä ihmissilmä ei näe infrapunavaloa eikä se siten vaikuta pupillin kokoon tai häiritse käyttäjän toimintaa. Sarveiskalvon heijastuksia taas tarvitaan erottamaan silmien liike pään liikkeistä (ks. oheinen kuva). ^[8]

Esimerkki näyttöön yhdistetystä katseenseurantalaitteesta.

Mekaaninen katseenseuranta

Mekaanisissa katseenseurantalaitteissa silmälle asetetaan piilolinssi jonka liikettä mitataan. Piilolinssissä voi olla peili tai erityinen magneettikenttäsensori. Magneettisensoreita käytettäessä koehenkilön tai -eläimen silmien ympärille asetettavat sähkömagneetit indusioivat piilolinsseihin magneettikentän jonka voimakkuudesta voidaan päätellä katseen suunta. ^[8]

Elektro-okulografiaan perustuva katseenseuranta

Elektro-okulografiaan perustuvassa katseenseurannassa koehenkilön silmien ympärille asennetaan elektrodit, jotka mittaavat silmän lihasten heikkoa sähköpotentiaalia. Sähköpotentiaalin muutoksista voidaan nähdä silmien suunnan muutos. Tällaiset katseenseurantalaitteet eivät kuitenkaan mittaa katseen suuntaa kovin tarkasti. Menetelmää käytetäänkin pääasiassa esimerkiksi unitutkimuksissa, sillä elektro-okulografialla silmän liikkeet voidaan mitata myös silmien ollessa kiinni, toisin kuin optisessa ja mekaanisessa katseenseurannassa.

Katseenseurantalaitteet

Katseenseurantalaitteen toteutus riippuu käyttökohteesta. Päähän puettavat mobiilit katseenseurantalaitteet soveltuvat esimerkiksi autoa ajettaessa tehtäviin kokeisiin. Toisaalta mobiili katseenseurantalaite voi olla myös integroituna VR-laseihin ^[9]. Paikallaan tapahtuvia katseenseurantakokeita varten on olemassa työpöytämalleja, joista osa on itsenäisiä ja osa integroituna suoraan näyttöpäätteeseen ^[8].

Käyttökohteet

Katseenseurantamenetelmiä käytetään monilla tieteenaloilla, mukaan lukien psykologia (erityisesti psykolingvistiikka); ihmisen ja tietokoneen vuorovaikutus (HCI); ergonomia; markkinointitutkimus ja lääketieteellinen tutkimus. Katseenseurantadataa voidaan analysoida tilastollisesti ja graafisesti, tavoitteena tunnistaa tyypillisiä katseen käyttäytymisen tapoja erilaisten tehtävien aikana. Tutkimalla fiksaatioita, sakkadeja, pupillien laajentumista tai silmien räpyttelyä voidaan tutkia esimerkiksi koehenkilön stressitasoa.^[7][8] Kaupallisista kohteista keskeisimpiä ovat markkinointi- ja käytettävyystutkimukset.

Kognitiivisen kuormituksen mittaaminen

Muutokset kognitiivisessa kuormituksessa aiheuttavat muutoksia pupillin koossa ^[10][11] ja silmien räpyttelyssä ^[12]. Tätä ilmiötä on hyödynnetty tutkittaessa kognitiivista kuormitusta ajosimulaattoreissa^[13], kokeneiden ja kokemattomien lääkärien eroissa ^[14], ihmisen ja tietokoneen vuorovaikutuksessa ^[15] sekä simultaanitulkkauksen ja muiden kielellisten tehtävien yhteydessä ^[16].

Markkinointi ja käytettävyys

Yksi merkittävimmistä katseenseurannan kaupallisista käyttökohteista on mainonnan ja markkinoinnin tehokkuuden tutkimus ^[17]. Katseenseurantaa käytetään laajalti myös käytettävyyden tutkimuksessa ^[18], esimerkiksi verkkosivustoja suunniteltaessa ^[19].

Katseenseuranta syötemenetelmänä

Katseenseurannan käyttöä syötemenetelmänä on myös tutkittu ^[20]. Katseenseurannan hyödyntämisen perusongelma on niin kutsuttu Midaan kosketuksen ongelma, eli kuinka erottaa tahaton ja tahallinen katseen liike kun käyttäjä haluaa esimerkiksi painaa nappia kohdistamalla siihen katseensa ^[21].

Viihdekäyttö

Katseenseurantaa käytetään VR-laseissa parantamaan käyttökokemusta^[22]. Lisäksi on olemassa kuluttajille tarkoitettuja, videopelaamiseen suunniteltuja katseenseurantalaitteita^[23].

Katseenseurantatutkimus Suomessa

Tunnetuimpia suomalaisia katseenseurantaa hyödyntäneitä tutkijoita ovat Turun yliopiston psykologian professori Jukka Hyönä ^[24] sekä Tampereen yliopiston professori Kari-Jouko Räihä^[25] ja dosentti Päivi Majaranta^[26]. Katseenseurantamenetelmiä on käytetty tutkimuksessa muun muassa Tampereen yliopistossa, Turun yliopistossa^[27], Itä-Suomen yliopistossa^[28], Aalto-yliopistossa^[29], Jyväskylän yliopistossa^[30] ja Helsingin yliopistossa^[31].

Lähteet

1. Reported in Huey 1908/1968.
2. Buswell (1922, 1937)
3. (1935)
4. Yarbus 1967
5. Määritä nimeke!Määritä julkaisija! ISBN 0-444-51020-6
6. Schiessl: Eye tracking and its application in usability and media research mmi-interaktiv.de.
7. Holmqvist, Kenneth ym.: Eye Tracking: A comprehensive guide to methods and measures. Springer, 2011. ISBN 0191625426
8. Duchowski, Andrew T.,: Eye tracking methodology : theory and practice. Cham, Switzerland: Springer. 988751501 Virhe: Virheellinen ISBN-tunniste Teoksen verkkoversio (viitattu 5.2.2020).
9. [1],Tobii VR
10. D. Kahneman, J. Beatty: Pupil Diameter and Load on Memory. Science, 23.12.1966, nro 3756, s. 1583–1585. doi:10.1126/science.154.3756.1583 ISSN 0036-8075 Artikkelin verkkoversio. (englanti)
11. Jackson Beatty: Task-evoked pupillary responses, processing load, and the structure of processing resources. Psychological Bulletin, 1982, nro 2, s. 276–292. doi:10.1037/0033-2909.91.2.276 ISSN 1939-1455 Artikkelin verkkoversio. (englanti)
12. Greg J. Siegle, Naho Ichikawa, Stuart Steinhauer: Blink before and after you think: Blinks occur prior to and following cognitive load indexed by pupillary responses. Psychophysiology, 2008, nro 5, s. 679–687. doi:10.1111/j.1469-8986.2008.00681.x ISSN 1469-8986 Artikkelin verkkoversio. (englanti)
13. Estimating cognitive load using remote eye tracking in a driving simulator | Proceedings of the 2010 Symposium on Eye-Tracking Research & Applications dl.acm.org. Viitattu 13.2.2020. (englanniksi)
14. Adam Szulewski, Nathan Roth, Daniel Howes: The Use of Task-Evoked Pupillary Response as an Objective Measure of Cognitive Load in Novices and Trained Physicians: A New Tool for the Assessment of Expertise. Academic Medicine, 2015-07, nro 7, s. 981–987. doi:10.1097/ACM.0000000000000677 ISSN 1040-2446 Artikkelin verkkoversio. (englanti)
15. Task-evoked pupillary response to mental workload in human-computer interaction – CHI '04 Extended Abstracts on Human Factors in Computing Systems dl.acm.org. Viitattu 13.2.2020. (englanniksi)
16. Jukka Hyönä, Jorma Tommola, Anna-Mari Alaja: Pupil Dilation as a Measure of Processing Load in Simultaneous Interpretation and Other Language Tasks. The Quarterly Journal of Experimental Psychology Section A, 1.8.1995, nro 3, s. 598–612. doi:10.1080/14640749508401407 ISSN 0272-4987 Artikkelin verkkoversio.
17. Michel Wedel, Rik Pieters: Eye Tracking for Visual Marketing. Foundations and Trends® in Marketing, 19.8.2008, nro 4, s. 231–320. doi:10.1561/1700000011 ISSN 1555-0753 Artikkelin verkkoversio. (englanti)
18. Joseph H. Goldberg, Anna M. Wichansky: The Mind's Eye, s. 493–516. Amsterdam: North-Holland, 1.1.2003. ISBN 978-0-444-51020-4 Teoksen verkkoversio (viitattu 13.2.2020). (englanti)
19. Nielsen, Jakob, 1957-: Eyetracking web usability. Berkeley, CA: New Riders, 2010. 495471898 Virhe: Virheellinen ISBN-tunniste Teoksen verkkoversio (viitattu 13.2.2020).
20. Päivi Majaranta, Andreas Bulling: Advances in Physiological Computing, s. 39–65. London: Springer, 2014. ISBN 978-1-4471-6392-3 Teoksen verkkoversio (viitattu 13.2.2020). (englanti)
21. Boris Velichkovsky, Andreas Sprenger, Pieter Unema: Human-Computer Interaction INTERACT ’97: IFIP TC13 International Conference on Human-Computer Interaction, 14th–18th July 1997, Sydney, Australia, s. 509–516. Boston, MA: Springer US, 1997. ISBN 978-0-387-35175-9 Teoksen verkkoversio (viitattu 13.2.2020). (englanti)
22. Sol Rogers: Seven Reasons Why Eye-tracking Will Fundamentally Change VR Forbes. Viitattu 15.2.2020. (englanniksi)
23. Tobii Gaming – Powerful Eye Tracking for PC Games Tobii Gaming. Viitattu 15.2.2020. (englanti)
24. Jukka Hyönä - Google Scholar -sitaatit scholar.google.com. Viitattu 13.2.2020.
25. Kari-Jouko Räihä - Google Scholar -sitaatit scholar.google.fi. Viitattu 13.2.2020.
26. Päivi Majaranta - Google Scholar -sitaatit scholar.google.fi. Viitattu 13.2.2020.
27. Arja Virran työryhmälle apuraha Suomen Kulttuurirahastolta www.utu.fi. Viitattu 13.2.2020.
28. -: Kirurgien avuksi kehitetään katseenseurantaa Uusiteknologia.fi. 6.9.2016. Viitattu 13.2.2020.
29. Opiskelijat suunnittelivat ja toteuttivat tuotteiden prototyyppejä kesäkurssilla | Aalto-yliopisto www.aalto.fi. Viitattu 13.2.2020.
30. Silmänliiketutkimus - Fysiologinen näköjärjestelmä ja katseenseurannan tekniikat jyx.jyu.fi.
31. Hymyilevät ihmiskasvot houkuttelevat koiria – kiitos oksitosiinin Helsingin yliopisto. 6.11.2017. Viitattu 13.2.2020.

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Katseenseuranta Wikimedia Commonsissa