Name: gaze in action: head-mounted eye tracking of children's dynamic visual attention during naturalistic behavior
Uploaded: 2018-11-14T13:15:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Gaze in Action: Head-mounted Eye Tracking of Children's Dynamic Visual Attention During Naturalistic Behavior at JoVE.com

这项研究由国家卫生研究院资助 r01hd07401 (c. y.)、T32HD007475-22 (j. i. b., d. h. a.) 和 f32hd093280 (l. k. s.);国家科学基金会赠款 bcs1523982 (l. b. s., c. y.);和印第安纳大学通过新兴领域研究倡议-学习: 大脑, 机器和儿童 (l. b. s.)。作者感谢参与这项研究的儿童和家长志愿者, 他们同意被用于这一协议的数字和拍摄。我们也感谢计算认知和学习实验室的成员, 特别是斯文·班巴赫、陈安亭、史蒂文·埃尔姆林格、塞思·福斯特、格雷斯·利桑德里和查琳·泰在制定和完善这一协议方面提供的协助。

本教程是基于一个程序, 收集头戴式眼动数据与幼儿批准的机构审查委员会在印第安纳大学。在幼儿参与实验之前, 获得了知情的父母同意。
1. 研究的准备工作
<ol><li>
眼动追踪设备.选择几种商用眼动追踪系统中的一个, 该系统要么专门为儿童销售, 要么修改系统, 使其使用定制的婴儿帽, 如图1和图 2所示。通过以下步骤, 确保眼动追踪系统具有对婴儿?...

<ol>
	<li>Tatler, B. W., Hayhoe, M. M., Land, M. F., Ballard, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Eye+guidance+in+natural+vision:+Reinterpreting+salience.">Eye guidance in natural vision: Reinterpreting salience.</a> Journal of Vision. 11 (5), 1-23 (2011).</li><li>Hayhoe, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vision+using+routines:+A+functional+account+of+vision.">Vision using routines: A functional account of vision.</a> Visual Cognition. 7 (1-3), 43-64 (2000).</li><li>Land, M., Mennie, N., Rusted, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Roles+of+Vision+and+Eye+Movements+in+the+Control+of+Activities+of+Daily+Living.">The Roles of Vision and Eye Movements in the Control of Activities of Daily Living.</a> Perception. 28 (11), 1311-1328 (1999).</li><li>Franchak, J. M., Kretch, K. S., Adolph, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=See+and+be+seen:+Infant-caregiver+social+looking+during+locomotor+free+play.">See and be seen: Infant-caregiver social looking during locomotor free play.</a> Developmental Science. 21 (4), 12626 (2018).</li><li>Franchak, J. M., Kretch, K. S., Soska, K. C., Adolph, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Head-mounted+eye+tracking:+a+new+method+to+describe+infant+looking.">Head-mounted eye tracking: a new method to describe infant looking.</a> Child Development. 82 (6), 1738-1750 (2011).</li><li>Kretch, K. S., Adolph, K. 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B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Joint+Attention+without+Gaze+Following:+Human+Infants+and+Their+Parents+Coordinate+Visual+Attention+to+Objects+through+Eye-Hand+Coordination.">Joint Attention without Gaze Following: Human Infants and Their Parents Coordinate Visual Attention to Objects through Eye-Hand Coordination.</a> PLoS One. 8 (11), 79659 (2013).</li><li>Yu, C., Smith, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiple+Sensory-Motor+Pathways+Lead+to+Coordinated+Visual+Attention.">Multiple Sensory-Motor Pathways Lead to Coordinated Visual Attention.</a> Cognitive Science. 41, 5-31 (2016).</li><li>Yu, C., Smith, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Social+Origins+of+Sustained+Attention+in+One-Year-Old+Human+Infants.">The Social Origins of Sustained Attention in One-Year-Old Human Infants.</a> Current Biology. 26 (9), 1-6 (2016).</li><li>Kretch, K. S., Franchak, J. M., Adolph, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crawling+and+walking+infants+see+the+world+differently.">Crawling and walking infants see the world differently.</a> Child Development. 85 (4), 1503-1518 (2014).</li><li>Yu, C., Suanda, S. H., Smith, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Infant+sustained+attention+but+not+joint+attention+to+objects+at+9+months+predicts+vocabulary+at+12+and+15+months.">Infant sustained attention but not joint attention to objects at 9 months predicts vocabulary at 12 and 15 months.</a> Developmental Science. , (2018).</li><li>Hennessey, C., Lawrence, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noncontact+binocular+eye-gaze+tracking+for+point-of-gaze+estimation+in+three+dimensions.">Noncontact binocular eye-gaze tracking for point-of-gaze estimation in three dimensions.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56 (3), 790-799 (2009).</li><li>Elmadjian, C., Shukla, P., Tula, A. D., Morimoto, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+gaze+estimation+in+the+scene+volume+with+a+head-mounted+eye+tracker.">3D gaze estimation in the scene volume with a head-mounted eye tracker.</a> Proceedings of the Workshop on Communication by Gaze Interaction. , 3 (2018).</li><li>Castellanos, I., Pisoni, D. B., Yu, C., Chen, C., Houston, D. M., Knoors, H., Marschark, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Embodied+cognition+in+prelingually+deaf+children+with+cochlear+implants:+Preliminary+findings.">Embodied cognition in prelingually deaf children with cochlear implants: Preliminary findings.</a> Educating Deaf Learners: New Perspectives. , (2018).</li><li>Kennedy, D. P., Lisandrelli, G., Shaffer, R., Pedapati, E., Erickson, C. A., Yu, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Face+Looking,+Eye+Contact,+and+Joint+Attention+during+Naturalistic+Toy+Play:+A+Dual+Head-Mounted+Eye+Tracking+Study+in+Young+Children+with+ASD.">Face Looking, Eye Contact, and Joint Attention during Naturalistic Toy Play: A Dual Head-Mounted Eye Tracking Study in Young Children with ASD.</a> Poster at the International Society for Autism Research Annual Meeting. , (2018).</li><li>Yurkovic, J. R., Lisandrelli, G., Shaffer, R., Pedapati, E., Erickson, C. A., Yu, C., Kennedy, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+Dual+Head-Mounted+Eye+Tracking+to+Index+Social+Responsiveness+in+Naturalistic+Parent-Child+Interaction.">Using Dual Head-Mounted Eye Tracking to Index Social Responsiveness in Naturalistic Parent-Child Interaction.</a> Talk at the International Congress for Infant Studies Biennial Congress. , (2018).</li><li>Holmqvist, K., Nystr&#246;m, M., Andersson, R., Dewhurst, R., Jarodzka, H., Van de Weijer, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Eye tracking: A comprehensive guide to methods and measures. , (2011).</li><li>Saez de Urabain, I. R., Johnson, M. H., Smith, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=GraFIX:+a+semiautomatic+approach+for+parsing+low-+and+high-quality+eye-tracking+data.">GraFIX: a semiautomatic approach for parsing low- and high-quality eye-tracking data.</a> Behavior Research Methods. 47 (1), 53-72 (2015).</li><li>Franchak, J. M., Hopkins, B., Geangu, E., Linkenauger, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+head-mounted+eye+tracking+to+study+development.">Using head-mounted eye tracking to study development.</a> The Cambridge Encyclopedia of Child Development 2nd ed. , 113-116 (2017).</li><li>Yonas, A., Arterberry, M. E., Granrud, C. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Four-month-old+infants'+sensitivity+to+binocular+and+kinetic+information+for+three-dimensional-object+shape.">Four-month-old infants' sensitivity to binocular and kinetic information for three-dimensional-object shape.</a> Child Development. 58 (4), 910-917 (1987).</li><li>Smith, T. J., Saez de Urabain, I. R., Hopkins, B., Geangu, E., Linkenauger, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Eye+tracking.">Eye tracking.</a> The Cambridge Encyclopedia of Child Development. , 97-101 (2017).</li></ol>

该议定书为实施婴儿和幼儿头戴式眼动追踪提供了指导原则和实际建议。该方案是基于对父母幼儿在实验室环境中免费玩玩具的背景下的自然幼儿行为的研究。内部眼动追踪设备和软件用于校准和数据编码。然而, 该协议旨在普遍适用于使用各种头部式眼动追踪系统研究婴儿和儿童发展中的各种主题的研究人员。虽然该协议的最佳使用将涉及特定于研究的定制, 但这些一般做法的采用导致了在各种...

在过去的几十年里, 人们对研究婴幼儿视觉注意力的发展越来越感兴趣。这种兴趣在很大程度上源于利用时间测量作为评估婴儿时期其他认知功能的主要手段, 并已演变为研究婴儿视觉注意力本身。当代对婴幼儿视觉注意力的调查主要是在屏幕眼动追踪任务中测量眼动。婴儿坐在椅子或父母的腿在屏幕前, 而他们的眼睛运动是监测在呈现静态图像或事件。然而, 这些任务未能反映自然视觉注意力的动态性质和儿童自然视觉环境产生的手段----积极的探索。
婴儿和幼儿是活跃的生物, 移动他们的手、头、眼睛和身体来探索周围的物体、人和空间。身体形态、运动技能和行为的每一个新发展--爬行、行走、拾取物体、与社会伙伴接触--伴随着早期视觉环境的变化。因为婴儿所做的决定了他们所看到的, 他们所看到的服务于他们在视觉引导的行动中所做的事情, 因此研究视觉注意力的自然发展最好是在自然行为的背景下进行1。
头戴式眼动仪 (et) 已经发明并用于成人几十年的时间为 2,3。直到最近, 技术进步才使头戴式眼动技术适合婴儿和幼儿。参与者头上安装了两个轻量级相机, 一个场景摄像头朝外, 捕捉参与者的第一人称视角, 一个眼睛摄像头朝内拍摄眼睛图像。校准过程为算法提供训练数据, 该算法尽可能准确地将眼睛图像中瞳孔和角膜反射 (cr) 的变化位置映射到视觉上所关注的场景图像中的相应像素。该方法的目的是捕捉婴儿和婴儿在婴儿自由移动时对这些环境进行主动视觉探索的自然视觉环境。这些数据不仅可以帮助回答关于视觉注意力的问题, 还可以帮助回答关于广泛的感知、认知和社会发展的问题 4、5、6、7、8。这些技术的使用改变了对共同关注的理解 7、8、9、持续关注10、随着年龄和运动的发展而改变的视觉体验4,6,11、视觉体验在单词学习中的作用12。本文为婴儿和幼儿进行头部安装的眼动追踪实验提供了指导原则和实际建议, 并说明了在一个自然情况下, 头戴式眼动追踪可以产生的数据类型。幼儿的背景: 与家长自由流动的玩具游戏。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:639px;" width="639">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Head-mounted eye tracker</td>
			<td style="width:71px;">Pupil Labs</td>
			<td style="width:352px;">World Camera and Eye Camera</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

gaze in action: head-mounted eye tracking of children's dynamic visual attention during naturalistic behavior

幼儿的视觉环境是动态的, 随着儿童在身体和视觉上探索空间和物体并与周围的人互动, 他们的视觉环境也在不断变化。头戴式眼动追踪提供了一个独特的机会来捕捉儿童的动态自我中心视图, 以及他们如何在这些视图中分配视觉注意力。该协议为研究人员在实验室和更自然的环境中使用头戴式眼动仪提供了指导原则和实用建议。与基于屏幕的眼动追踪相比, 通过提高头部和身体运动的可移植性和自由度, 通过增加在生态上更有效的环境中收集数据的机会, 头戴式眼动是对其他实验方法的补充。该协议还可以与其他技术 (如运动跟踪和心率监测) 集成, 以提供高密度多式联运数据集, 用于检查自然行为、学习和开发, 而不是以前可能的。本文在一项旨在调查幼儿在一个自然背景下的视觉注意力的研究中, 说明了头戴式眼动过程中产生的数据类型: 与家长自由流动的玩具游戏。成功使用该协议将使研究人员能够收集数据, 这些数据不仅可用于回答有关视觉注意力的问题, 还可用于回答有关其他感知、认知和社交技能及其发展的广泛问题。

这里讨论的方法被应用到幼儿和父母之间自由流动的玩具游戏背景中。这项研究旨在调查在杂乱无章的环境中的自然视觉注意。dyads 被指示在6分钟内自由玩一套24个玩具。幼儿的视觉注意力是通过将外观的开始和偏移编码到特定感兴趣的区域 (roi)----24个玩具和父母的脸----以及分析每个 roi 的外观时间和时间的持续时间和比例来衡量的。结果如图 5所?...

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Gaze in Action: Head-mounted Eye Tracking of Children's Dynamic Visual Attention During Naturalistic Behavior

幼儿不是被动地观察世界, 而是积极探索和参与他们的环境。该协议为使用头戴式眼动仪记录婴儿和幼儿在自然行为背景下的动态视觉环境和视觉注意力提供了指导原则和实用建议。

行动中的目光: 在自然主义行为中对儿童动态视觉注意力的头戴式眼动

Young children's visual environments are dynamic, changing moment-by-moment as children physically and visually explore spaces and objects and interact ...

这种方法可以帮助研究人员从幼儿的角度了解世界是什么样子，以及他们如何在这个观点中分配他们真正的注意力。与在行为科学中广泛使用的基于屏幕的眼动追踪相比，头戴式眼动追踪使我们能够监控儿童在玩具游戏和图画书阅读等日常活动中的观察位置。演示这个程序的将是研究生卡塔利娜·苏亚雷斯-里维拉和张亚云，以及实验室经理丹尼尔·皮尔西。在开始实验之前，修改系统以使用定制的婴儿帽。选择一个在定位方面可调的场景摄像机，并且具有足够宽的角度来捕捉适合解决感兴趣的研究问题的视角。选择一种可调定位的眼部相机，其红外 LED 定位方式可使儿童眼角膜反射到这种光线。眼动追踪系统应尽可能不显眼和轻量级，以提供最大的机会，幼儿将容忍穿着设备。然后将场景和眼部摄像机连接到挂钩和环带上，该表环带贴在缝在儿童大小帽子上的一块钩和环带的对面，将系统嵌入到帽子中，并将摄像机定位，以便它们从儿童视图的中心区域。对于眼动追踪数据收集，有两个研究人员在场：一个与孩子互动，一个负责占用孩子，另一个负责放置和定位眼动追踪系统。让儿童充分参与占据儿童手的活动，使儿童无法伸手移动或抓住眼动追踪系统，将眼动追踪系统放在儿童头部。将场景摄像机放在前额上，以最佳近似于孩子的视场，并将场景摄像机视图居中，以了解孩子在研究期间将观看什么。要获得高质量的凝视数据，请定位眼部摄像头，以检测瞳孔和角膜反射，在整个眼睛的全范围运动中没有脸颊或睫毛遮挡。该协议最棘手的部分是将设备放在孩子的头上，调整摄像头，而不会惹恼孩子。速度、信心和实践是必不可少的。一旦场景和眼睛的图像质量尽可能高质量，请将孩子的注意力吸引到视野中的不同位置，以收集校准数据。注意在校准过程中孩子的身体定位与研究期间使用的位置相匹配。获得所有校准点后，开始收集眼动追踪数据。注意到眼动追踪系统被撞错或错位的任何点，允许必要时重新校准，并允许在错位之前和之后对数据进行单独编码。要在研究结束时校准眼动追踪数据，请打开适当的校准软件程序，并调整校准软件中各种检测参数的阈值，以获得良好的眼部图像。在第一轮校准过程中，当孩子清楚地看到场景图像中一个明显点时，确定校准点，请记住，这些点可能是研究人员在数据收集期间故意创建的点，也可以是研究中的点，只要这些帧准确地检测到瞳孔，凝视点就很容易识别。创建一系列校准点，以建立场景和眼睛之间的映射。如果眼动追踪系统在研究过程中随时改变位置，则为位置更改之前和之后的部分创建单独的校准。要对感兴趣区域进行编码，请根据研究问题编制所有应编码的感兴趣区域的列表，并使用儿童的眼睛图像、场景图像和凝视轨迹点来确定要直观地访问哪个感兴趣区域。滚动浏览一个帧，观察眼睛图像中瞳孔的瞬间，作为感兴趣区域可能已更改的主要提示。当眼睛发生可见的运动时，检查孩子是否将目光点转移到新的感兴趣区域，或者是否转移到没有定义的兴趣区域。尽管每个帧的感兴趣区域单独编码，但使用被分析的帧之前和之后的框架来获取可能有助于确定正确感兴趣区域的上下文信息。此处显示了两个 18 个月大的孩子的兴趣流样本区域。每个彩色块表示连续帧，在此期间，子对象查看特定感兴趣的区域。儿童在不同玩具子集的选择性上表现出个体差异，这从每个儿童在关注每个玩具区域时所花费的互动比例上的差异就表明。虽然两个孩子看所有玩具的总比例有些相似，但花在单个玩具上的时间比例在受试者内部和主题之间差别很大。此外，这些比例的看时间是如何实现的也不同，儿童二的平均看期几乎是儿童一的两倍。这些数据所证明的另一个属性是，两个孩子在会话期间很少看到父母的脸，当他们看到时，每个凝视持续时间通常不到一秒。研究人员可以同时将头戴式眼动仪放在儿童及其社交伴侣上，并将此程序与运动跟踪和心率监测等技术相结合，以提供高密度多模态数据集，回答各种问题。这些技术的使用改变了我们对发展文献中许多主题的理解，包括共同和持续的关注、随着年龄和运动发育而改变的视觉体验，以及视觉体验在单词学习中的作用。该协议已成功应用于临床人群，包括人工耳蜗植入儿童和被诊断患有自闭症谱系障碍的儿童。

Research

JoVE Journal

Behavior

Corticospinal Excitability Modulation During Action Observation

行动观察期间皮质脊体兴奋调节

This study used the transcranial magnetic stimulation/motor evoked potential (TMS/MEP) technique to pinpoint when the automatic tendency to mirror someone ...

科研

行为学

fMRI Validation of fNIRS Measurements During a Naturalistic Task

的fNIRS功能磁共振成像测量验证过程中一个自然主义任务

We present a method to compare brain activity recorded with near-infrared spectroscopy (fNIRS) in a dance video game task to that recorded in a reduced ...

Methods to Test Visual Attention Online

方法在线测试视觉注意

Online data collection methods have particular appeal to behavioral scientists because they offer the promise of much larger and much more representative ...

A Method to Quantify Visual Information Processing in Children Using Eye Tracking

一种方法来量化视觉信息加工儿童使用眼动追踪

Visual problems that occur early in life can have major impact on a child's development. Without verbal communication and only based on observational ...

Central and Divided Visual Field Presentation of Emotional Images to Measure Hemispheric Differences in Motivated Attention

中央和分割的视觉场表现的情绪图像, 以测量半球的差异, 激发注意

Two dominant theories on lateralized processing of emotional information exist in the literature. One theory posits that unpleasant emotions are processed ...

Eye Tracking During Visually Situated Language Comprehension: Flexibility and Limitations in Uncovering Visual Context Effects

视觉语言理解中的眼动追踪: 发现视觉语境效果的灵活性和局限性

The present work is a description and an assessment of a methodology designed to quantify different aspects of the interaction between language processing ...

Eye-tracking to Distinguish Comprehension-based and Oculomotor-based Regressive Eye Movements During Reading

眼动追踪在阅读中区分基于理解的和基于眼球的退行性眼球运动

Regressive eye movements are eye movements that move backwards through the text and comprise approximately 10-25% of eye movements during reading. As ...

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人类癫痫患者同步眼动追踪和单神经记录

Intracranial recordings from patients with intractable epilepsy provide a unique opportunity to study the activity of individual human neurons during ...

Investigating the Deployment of Visual Attention Before Accurate and Averaging Saccades via Eye Tracking and Assessment of Visual Sensitivity

通过视觉跟踪和视觉灵敏度评估, 探讨准确、平均的视频前视觉注意的部署

This experimental protocol was designed to investigate whether visual attention is obligatorily deployed at the endpoint of saccades. To this end, we ...

Exploring Infant Sensitivity to Visual Language using Eye Tracking and the Preferential Looking Paradigm

利用眼动追踪和偏好外观范式探索婴儿对视觉语言的敏感度

We discuss the use of the preferential looking paradigm in eye tracking studies in order to study how infants develop, understand, and attend to the world ...