Η μεθοδολογία καταγραφής των οφθαλμικών κινήσεων αποτελεί μία διαδικασία μέτρησης και καταγραφής είτε της κίνησης των ματιών σε σχέση με το κεφάλι ενός παρατηρητή ή του σημείου προσοχής του βλέμματος του πάνω σε μία οπτική σκηνή. Η έννοια της οπτικής σκηνής είναι ευρεία, καθώς είναι δυνατόν να αναφέρεται σε ένα αναλογικό προϊόν (για παράδειγμα έναν αναλογικό χάρτη) ή σε ένα ψηφιακό προϊόν (για παράδειγμα έναν ψηφιακό χάρτη), το οποίο μπορεί να απεικονίζεται σε μια οθόνη υπολογιστή, τηλεόρασης ή να προβάλλεται μέσω μιας κατάλληλης συσκευής σε μια επιφάνεια. Βέβαια, το ρόλο της οπτικής σκηνής είναι δυνατόν να διαδραματίζει ο φυσικός χώρος.
Κατά καιρούς, διαφορετικές τεχνικές έχουν χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό των κινήσεων του οφθαλμών. Πρόκειται για μεθόδους που είτε έχουν ως βάση τη δημιουργία ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου γύρω από τον οφθαλμό του παρατηρητή (ηλεκτρο-οφθαλμογραφία) ή τη χρήση ειδικών τύπων φακών επαφής. Η τεχνική όμως που έχει επικρατήσει για την καταγραφή των κινήσεων, κυρίως  λόγω της δυνατότητας άμεσης εφαρμογής της, βασίζεται στη χρήση συσκευών οι οποίες, αναλύοντας εικόνες του ματιού, είναι σε θέση να καταγράφουν την κίνηση  του βλέμματος επί της οπτικής σκηνής. Το Εργαστήριο Χαρτογραφίας του Ε.Μ.Π., διαθέτει το σύστημα καταγραφής κινήσεων οφθαλμού ViewPoint EyeTracker® της Arrington Research, η λειτουργία του οποίου στηρίζεται στην τελευταία από τις προαναφεθείσες τεχνικές.

Το σύστημα καταγραφής αποτελεί ένα εργαλείο εντοπισμού των κινήσεων του βλέμματος ενός παρατηρητή κατά τη διάρκεια παρατήρησης οπτικών σκηνών επί της οθόνης ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή. Τα βασικά μέρη από τα οποία απαρτίζεται το σύστημα είναι η συσκευή καταγραφής (hardware) και το λογισμικό επεξεργασίας (software). Το σύστημα έχει “ενσωματωθεί” σε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή, ο οποίος διαθέτει μια επιπλέον κάρτα γραφικών. Έτσι, παρέχεται η δυνατότητα της χρήσης δύο οθονών, η μία εκ των δύο χρησιμοποιείται από το χειριστή του συστήματος (primary monitor) και η άλλη για την προβολή των οπτικών σκηνών (secondary monitor). Η συσκευή καταγραφής (hardware), εσωτερικά της κεντρικής μονάδας του υπολογιστικού συστήματος, αποτελείται από μια πλακέτα που συνδέεται επί της μητρικής μονάδας και εξωτερικά από ένα σύστημα πρόσδεσης στο οπτικό σύστημα του παρατηρητή. Το σύστημα πρόσδεσης επιτρέπει την ύπαρξη μιας κάμερας και μίας φωτοδιόδου υπερύθρου φωτός για κάθε έναν εκ των δύο οφθαλμών του οπτικού συστήματος. Τη γεωμετρική διάταξη του συστήματος, συμπληρώνει η ύπαρξη ενός μηχανισμού σταθεροποίησης της θέσης του οπτικού συστήματος του παρατηρητή. Το σύστημα, παρέχει επίσης τη δυνατότητα της “επέκτασης” της οπτικής σκηνής στο φυσικό χώρο, καθώς διαθέτει και μια τρίτη κάμερα επί του συστήματος πρόσδεσης στο κεφάλι του παρατηρητή.

Γεωμετρική διάταξη του συστήματος κάμερα - φωτοδίοδος IR- μηχανισμός ακινητοποίησης παρατηρητή

Η λειτουργία του συστήματος για την καταγραφή των κινήσεων του οφθαλμού επιτυγχάνεται με μια σειρά διαδοχικών λειτουργιών. Η φωτοδίοδος υπερύθρου φωτός, η οποία βρίσκεται προσδεδεμένη κάτω από το μάτι του παρατηρητή, φωτίζει τον οφθαλμικό βολβό, ενώ ταυτόχρονα η εικόνα του καταγράφεται με τη βοήθεια της κάμερας που υπάρχει δίπλα στο φακό υπερύθρου. Ο φωτισμός επιτρέπει το διαχωρισμό της περιοχής της κόρης από αυτήν της ίριδας καθώς το υπέρυθρο φως δίνει τη δυνατότητα έντονης διαφοροποίησης των τόνων των δύο περιοχών. Έτσι, με την εφαρμογή ενός κατωφλίου, η διάκριση μεταξύ των δύο αυτών περιοχών καθίσταται δυνατή. Επιπλέον, η κάμερα καταγράφει την ανάκλαση του υπερύθρου φωτός στον οφθαλμό του παρατηρητή. Με την εφαρμογή αλγορίθμων κατάτμησης εντοπίζεται το κέντρο της κόρης καθώς και η θέση της ανάκλασης του φωτός. Το σύστημα, για κάθε παρατηρητή, κατασκευάζει ένα μαθηματικό μετασχηματισμό, μέσω του οποίου κάθε κίνηση της κεντρικής όρασης αντιστοιχίζεται στην κίνηση επί του οπτικού ερεθίσματος που προβάλλεται στην οθόνη (secondary monitor). Η δημιουργία της συνάρτησης αυτής πραγματοποιείται μέσω της διαδικασίας αυτοβαθμονό­μησης του συστήματος, η οποία εφαρμόζεται για κάθε παρατηρητή. Μετά την εύρεση του μετασχηματισμού απεικόνισης των οφθαλμικών κινήσεων, το σύστημα μπορεί να καταγράψει κάθε μετακίνηση επί της οθόνης προβολής ερεθισμάτων ή, κατ' επέκταση, κάθε μετακίνηση που συμβαίνει κατά την παρατήρηση στο φυσικό χώρο.

Διαγραμματική απεικόνιση της λειτουργίας του συστήματος καταγραφής

Για τον εντοπισμό του οπτικού κέντρου, το σύστημα χρησιμοποιεί τρεις διαφορετικές μεθοδολογίες. Έτσι, το σύστημα εντοπίζει το κέντρο της βοθρίας όρασης, είτε μέσω του εντοπισμού του κέντρου της κόρης του οφθαλμού (pupil location method),  ή μέσω του εντοπισμού της ανάκλασης του αμφιβληστροειδούς (glint location method) ή μέσω του εντοπισμού του διανύσματος του κέντρου της κόρης και της ανάκλασης του αμφιβληστροειδούς (pupil-glint vector).
Η διαδικασία της αυτοβαθμονόμησης, η αναγκαιότητα της οποίας περιγράφηκε παραπάνω, πραγματοποιείται μέσω της παρατήρησης σταθερών στόχων, υπό τη μορφή τετραγώνων στην οθόνη προβολής των οπτικών σκηνών. Η συγκεκριμένη διαδικασία έχει διάφορες παραμέτρους, αναφέροντας χαρακτηριστικά το συνολικό αριθμό των απεικονιζόμενων σταθερών σημείων και το χρόνο εμφάνισης καθενός, οι οποίες καθορίζονται ανάλογα με τις απαιτήσεις του πειραματικού σχεδιασμού. Τα δεδομένα που καταγράφονται δεν καλύπτουν μόνο την ανάγκη για καταγραφή συντεταγμένων μετακίνησης επί του οπτικού ερεθίσματος. Μέσω του συστήματος, παρέχεται η δυνατότητα καταγραφής του ακριβή χρόνου που γίνεται κάθε δειγματοληψία, η δυνατότητα δημιουργίας ειδικών περιοχών ενδιαφέροντος (ROIs) όπου μπορούμε να εξετάζουμε αν υπάρχει κάποια καταγραφή, η δυνατότητα καταγραφής του εύρους της κόρης του παρατηρητή, του λόγου των διαστάσεων των εφαπτόμενων πλευρών της κόρης, της στρέψης του οφθαλμού και  φυσικά παρέχεται η δυνατότητα καταγραφής της διάρκειας προσήλωσης της προσοχής του βλέμματος σε ένα συγκεκριμένο σημείο (fixation), το οποίο αποτελεί και το βασικό μέγεθος ανάλυσης και παρατήρησης των αποτελεσμάτων της καταγραφής. Επιπλέον, το σύστημα σύστημα συνοδεύει κάθε σημείο καταγραφής του από έναν δείκτη, ο οποίος δηλώνει την ποιότητα της συγκεκριμένης καταγραφής.

Εντοπισμός του κέντρου της κόρης (εικόνα στα αριστερά) και εντοπισμός της κόρης και της ανάκλασης του αμφιβληστροειδούς (εικόνα στα δεξιά)

Η συχνότητα δειγματοληψίας του συστήματος ορίζεται από το χειριστή του, στη διάθεση του οποίου υπάρχουν δύο επιλογές (30Hz ή 60Hz). Το οπτικό εύρος της καταγραφής αντιστοιχεί σε
± 44 μοίρες του οπτικού τόξου κατά την οριζόντια διεύθυνση και αντίστοιχα σε ± 20 μοίρες κατά την κατακόρυφη. Η ακρίβεια του συστήματος καταγραφής που είναι δυνατόν να επιτευχθεί κυμαίνεται στο διάστημα μεταξύ 0,25–1,00 μοίρας του οπτικού τόξου, με διακριτική ικανότητα που αντιστοιχεί σε 0,15 της μοίρας.
Το σύστημα καταγραφής αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο για την διεξαγωγή χαρτογραφικών πειραμάτων αλλά και άλλων ομοειδών τα οποία βρίσκουν εφαρμογή τόσο στην ψυχολογική έρευνα όσο και σε άλλους τομείς, όπως στη διαφήμιση ή στην αξιολόγηση της σχεδίασης ενός λογισμικού περιβάλλοντος. Για να κατανοηθεί η σημαντικότητα του εργαλείου αυτού, αρκεί να σκεφτούμε ότι μας παρέχει τη δυνατότητα απόκτησης της εικόνας του οπτικού ίχνους με ταυτόχρονο προσδιορισμό του χρόνου, η οποία με τη σειρά της υποδεικνύει τον τρόπο και τα σημεία προσήλωσης της προσοχής κατά την  παρατήρηση μιας σκηνής, ενός ερεθίσματος ή ενός φαινομένου.

Καταγραφή του οπτικού ίχνους κατά τη διάρκεια αναζήτησης ενός συμβόλου σε χαρτογραφικό υπόβαθρο

Βιβλιογραφία

Arrington Research, 2005, ViewPoint EyeTracker. PC-60 Software User Guide, Arrington Research Inc, Scottsdale (U.S.A.).
Duchowski A., 2007, Eye Tracking Methodology. (2nd edition), Springer-Verlag, London.
Κρασανάκης Β., 2009, Καταγραφή του ίχνους της οπτικής αναζήτησης: Μια μεθοδολογία διερεύνησης της επιλεκτικότητας της οπής ως βασικού χαρακτηριστικού του σχήματος. Διπλωματική Εργασία, Σχολή Αγρονόμων & Τοπογράφων Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα.

Βασίλειος Κρασανάκης
Διπλωματούχος Αγρονόμος & Τοπογράφος Μηχανικός Ε.Μ.Π.
Υποψήφιος Διδάκτορας Ε.Μ.Π.
krasvas@mail.ntua.gr