眼动心理学的理论、技术及应用研究，本文主要内容关键词为：理学论文,动心论文,理论论文,技术论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
视觉系统是人类获取外部信息最重要的通道，在实验心理学的早期历史中心理学家就 开始注意到眼动特征及其规律的心理学意义，利用眼动技术(eye movement technique) 探索人在各种不同条件下的信息加工机制也成为当代心理学研究的重要范型，其研究规 模和涉猎领域在国内外都迅速扩展。2001年在芬兰召开的第十一届欧洲眼动研讨会提交 的报告主要包括五大方面：视觉信息加工与快速眼动；阅读中的眼动与语言加工；阅读 中眼动控制的计算模型；人与计算机交互作用的眼动研究；媒体应用和通讯中的眼动研 究等[1]。就国内来说，沈德立教授领导的研究群体有效地开辟了中文阅读的眼动研究 ，取得了重要成果，并于2004年5月在天津师范大学召开了国际性的眼动研究学术研讨 会，有力地推动了国内“眼动仪实验室”的建设，是对国内眼动心理学研究的一次动员 。本文在此介绍眼动研究的基本理论、技术及其在心理学中可能的应用领域。
一、眼动及其记录技术的发展
19世纪末20世纪初，心理学家开始使用简单的眼动记录技术考察人在图形扫描和文字 阅读中的眼动轨迹，以及这些眼动轨迹与视觉信息加工之间的关系。在20世纪中期以前 ，研究者就为心理学研究开发出许多眼动记录技术，只不过这些眼动记录技术都存在误 差大、操作难和对被试眼动带来较大负担等缺点。20世纪中期以后，摄像技术的引入， 特别是计算机技术的运用推动了高精度眼动仪的研发，极大地促进了眼动研究在国际心 理学及相关学科中的应用。
眼动有三种基本方式：注视(fixation)、眼跳(saccades)和追随运动(pursuit
movement)[2](pp.5-13)。(1)注视：是指将眼睛的中央窝对准某一物体的时间超过100 毫秒，在此期间被注视的物体成像在中央窝上，获得更充分的加工而形成清晰的像。但 注视不等于眼球的静止，注视中常常伴随着三种形式的极为细微的眼动：自发性的高频 眼球微颤、慢速漂移(slow shifts)和微跳(microsaccades)。这些细微眼动是视觉信息 加工所必须的信息提取机制。一般认为，慢速漂移使目标逐渐离开中央窝的中心，而由 微小跳动纠正这个偏差，以保持正确的注视状态，这就使得被注视物体在视网膜上的成 像位置不断发生变换以克服网膜适应导致的视像消失[3](pp.415-420)，而眼球震颤则 可将刺激信息调制成交流信号以便能穿过视觉通道[4](pp.41-44)。(2)眼跳：是注视点 或注视方位的突然改变，这种改变往往是个体意识不到的。眼跳的速度很快，最高可达 每秒450度，眼跳的幅度则可以从2分度到20度。眼跳过程中可以获取刺激的时空信息， 但几乎不能形成刺激的清晰像，所以眼跳可以实现对视野的快速搜索和对刺激信息的选 择。(3)追随运动(Pursuit movement)：当被观察物体与眼睛存在相对运动时，为了保 证眼睛总是注视这个物体，眼球会追随物体移动。追随运动常常伴随较大的眼跳和微跳 ，它是“由运动目标的速度信息输入到中枢神经系统，眼睛为了追随这个目标而引起的 一种连续反馈的伺服运动。”[4](pp.41-44)
上述三种眼动方式经常交错在一起，目的均在于选择信息、将要注意的刺激物成像于 中央窝区域，以形成清晰的像。眼动可以反映视觉信息的选择模式，对于揭示认知加工 的心理机制具有重要意义。研究发现，两眼的跳动几乎完全一致，这为眼动研究提供了 诸多便利。那么眼动记录的参数有哪些?如何得到这些眼动参数呢?
从近年来发表的研究报告看，利用眼动仪进行心理学研究常用的资料或参数主要包括 ：
(1)眼动轨迹图。它是将眼球运动信息叠加在视景(visual scene)图像上形成注视点及 其移动的路线图，它能最具体、直观和全面的反映眼动的时空特征[5](pp.119-142)， 由此判定各种不同刺激情境下、不同任务条件下、不同个体之间、同一个体不同状态下 的眼动模式及其差异性。
(2)眼动时间。将眼动信息与视景图像叠加后，利用分析软件提取多方面眼动时间数据 ，包括注视(或称注视停留)时间、眼跳时间、回视时间、眼跳潜伏期[6](p.572)、追随 运动时间，以及注视过程中的微动时间，包括自发性高频眼球微颤、慢速漂移和微跳时 间。同时，可以提取各种不同眼动的次数，主要是在不同视景位置或位置间的注视次数 、眼跳次数、回视次数等等。这些时间和位置信息可用于精细地分析各种不同的眼动模 式，进而揭示各种不同的信息加工过程和加工模式。
(3)眼动的方向和距离。即在二维或三维空间内考察眼动方向(角度)。这方面的信息与 视景迭加可以揭示注意的对象及其转移过程，而且可以结合时间因素计算眼动速度。
(4)瞳孔大小与眨眼。瞳孔大小与眨眼也是视觉信息注意状态的重要指标，而且与视景 迭加可以解释不同条件下的知觉广度或注意广度，也可以揭示不同刺激条件对注意状态 的激发。
眼动的时空特征是视觉信息提取过程中的生理和行为表现，其与心理活动直接或间接 的关系是奇妙而有趣的，这也是100多年来心理学家致力于眼动研究的原因所在。眼动 记录最初是作为生理学任务进行的。德国著名生理学家Müller、Hueck等曾在19世纪对 眼动进行了系统研究，发现了视旋转，即眼球以视轴为中心的中央旋转，揭示出头部转 向一侧的运动是补偿眼睛在相反方向上的旋转的规律。后来Volkman尝试对眼动的速度 进行测量，验证了眼睛水平运动比垂直运动的速度快，单眼运动比双眼运动快[7](pp.4 54-457)。此后，眼动技术随着科学技术的发展而发展，先后经历观察记录法、机械记 录法、光学记录法、影视记录法等几代方法。现在，主要使用的是集成了光学技术、摄 影技术、计算机硬件技术和计算机软件技术的眼动记录系统——现代化大型精密的眼动 仪。国内也有系列的眼动仪产品，但其商品化进程缓慢。心理学研究中使用的还多为进 口眼动仪，比如近年出现在国内心理学实验室的产品主要有：加拿大SR公司生产的
EyeLink-Ⅱ眼动追踪记录系统、美国“应用科学实验室”(Applied Science
Laboratories，简称ASL)研发的504和501型眼动仪、德国SMI公司研发的SMI眼动追踪系 统(SMI Eye Tracking Systems)等，都是集成的眼动追踪系统。
现代眼动仪的结构一般包括四个系统：光学系统、瞳孔中心坐标提取系统、视景与瞳 孔坐标迭加系统、图像与数据的记录与分析系统。第一，光学系统：是在一个特定的支 架结构中装载三个微型摄像机，其中一个是指向视景、一个对准左眼眼球或来自左眼眼 球的反射光路、一个对准右眼眼球或来自右眼眼球的反射光路(有的只装载两个摄像机 ，除一台用于拍摄视景之外，就只有一台摄像机记录一只眼睛的眼动)。像加拿大SR公 司生产的EyeLink-Ⅱ是在头盔式支架上装载三个摄像机，其中有两个摄像机直接对准左 右眼眼球；德国SMI公司生产的iView X Hi-Speed型眼动仪是在固定式支架上装载两个 摄像机，其中有一个是对准来自左眼或右眼眼球的反射光路。第二，瞳孔中心坐标提取 系统：该系统主要是利用图像扫描及其信号转换，将眼动录像中瞳孔中心方位的信息转 换成表征二维坐标的数字信号，然后传送给计算机处理并贮存。第三，视景与瞳孔坐标 迭加系统：这是一个计算机的软件系统，它能将表征瞳孔中心及其移动的数字信号进行 适当变换，与来自视景摄像机传送的数字信号匹配，将瞳孔中心坐标迭加在视景图像上 ，从而直观地标记出某一时刻瞳孔中心对准场景的哪一个位置即注视点，以及随着时间 的推移注视点的移动路线。第四，图像与数据的记录与分析系统：这也是一个计算机软 件系统，它能将迭加后的图像呈现在显示器上，并将其数字化以表征注视点的时空特征 。由此，可以得到的主要结果或参数包括：注视点随时间变化的轨迹图、注视点分布的 三维和二维密度图、各种不同形式眼动的位置、速度和时间等等。
二、眼动与视觉信息加工的基本关系模型
眼动(eye-movement)主要是指眼球运动，它与人体的肌肉运动一样是一种反射活动。 由于必须在刺激信号通过皮层中枢的作用下，下行到脑干眼动核才能启动眼球运动，期 间的意识作用是不可避免的(这里不包括纯粹的生理性眼动)，所以眼动又被称为主动性 眼动[4](pp.41-44)。眼动的主动性虽然在很多时候是指服从于活动的任务性，但也包 括在没有意识指引下发生的无意注意过程，这时的主动性所指就是对信息的“觉察性” 或“觉知性”。所以一般来说，眼动伴随着“想看什么”或“看到了什么”，能最充分 地显示视觉信息加工中的选择性注意。在人与环境的交互作用中，视觉信息的选择性提 取与选择性加工起着非常重要的作用。为了适应环境，我们需要选择那些与活动目的相 适应的信息而忽视那些与目标毫不相关的信息，但有时对信息的选择并不符合任务要求 。因此，视野中各部分被选择的控制机制既包括外源性控制(exogenous control)，也 包括内源性控制(endogenous control)[8](p.3)。前者是由刺激特性控制的信息选择， 也称为刺激驱动或自下而上的信息选择；后者是由目标或期望控制的信息选择，也称为 目标驱动或自上而下的信息选择。眼动的心理学研究正是基于视觉信息加工与眼动的密 切关系，所以该领域中的基本理论主要是关于视觉信息加工与眼动的关系理论，特别是 眼跳与注意的关系模型：竞争—整合模型(The Competitive Integration Model)。
Godiin和Theeuwes在大量实验研究的基础上提出了“竞争—整合模型”[8](pp.15-18) 以解释外源性眼跳(exogenous saccades)与内源性眼跳(endogenous saccades)之间的 竞争。这一模型是根据各种不同任务情况下的眼跳行为来建立的，它同时提供了一个注 意与眼跳的关系框架。竞争—整合模型认为眼跳过程发生在一个共同的眼跳地图(
saccades map)上。这个眼跳地图是动态的、可变的、心理性的，它是整合了来自不同 方面(如外源性和内源性)信息的结果。在某一时刻，视觉系统依靠内外信息整合而导致 眼跳地图上某一点的激活强度达到阈限，从而触发眼跳。眼跳完成后，新的眼跳地图形 成。可见，眼跳是眼跳地图上各点激活的相互抑制或相互加强的结果。一个位置发生的 与眼跳有关的激活会向近区扩散，同时抑制远区；两个相对较远区域的激活互相抑制； 两个相邻区域的激活互相加强。因此，眼跳过程就是表征眼跳地图位置间激活的竞争。 这里不存在独立的注视点“中心”及其“移动”，注视位置是眼跳地图的一部分。当观 察者主动注视一个具体位置时，该位置处在眼跳地图的中心，其激活明显加强[9](pp.1 693-1695)。注视位置与外周位置之间存在侧抑制(lateral inhibit)，因此注视位置被 加强的同时，外周区域达到激活阈限的过程就受到抑制。需要进行眼跳时，与注视关联 的激活受到抑制，从而解除外周区域受到的侧抑制。当相邻区域的激活强度均达到阈限 时，注视点就会停留在这两个区之间的某个位置。而当较远的两个区域激活加强时，互 相抑制就会阻止激活达到阈限值。
一般来讲，眼跳是指向一个特定位置的，而在视景中存在许多可能的眼跳目标，这就 需要一种选择机制，或需要一种指向眼跳地图上特定位置的控制信号。研究者认为在眼 跳和视觉信息加工之间存在一种共同的选择性注意机制[8](pp.15-18)，这样，当一个 选择性注意控制信号作用于眼跳地图而启动眼跳的时候，这个选择性的注意控制信号也 同时作用于视觉系统以实现客体特征的加工，也就是说在眼跳区域的客体特征的加工得 到加强。与此同时，如果眼跳地图上的另一个位置激活加强，选择性注意控制信号也有 可能作用于这个位置以阻止眼跳。所以说，这又是一种抑制性控制信号，它防止眼跳区 域客体特征加工的削弱。很明显，这体现了眼动过程的意识控制性。
注意和眼跳关系密切，都具有选择视野中相关部分的目的和共同的功能系统[8](p.4) 。人们为了对某一客体作进一步的加工和反应，注意和眼跳这两个定向系统都会指向这 一客体，以使其处在眼跳地图的中心，地图上的该位置保持强激活，抑制其他区域的激 活以防止眼跳。当然，关于眼跳与注意的关系也有不同观点。Posner认为[10](pp.3-25 )，为了形成眼跳程序，必须先要注意到眼跳的区域，而且注意的转移是在准备眼跳位 置时就完成了。按照这样的观点，注意转移不总是伴随眼跳，可以假设注意和眼跳程序 通常是相关的，但需要一个启动信号激活眼跳程序[11](pp.1827-1837)，因此也有可能 在注意转移时眼睛还保持不动。不管怎样，心理学家都承认注意与眼动的内在关系，而 注意是信息加工过程中普遍存在的心理机制，所以通过眼动过程了解注意的状态及其方 向，可以为揭示信息加工的内部机制提供独特而有效的路径。
三、眼动心理学研究的主要应用领域
眼动研究有广泛的心理学价值，它“暗示着大脑如何搜集或筛选信息”[12](p.56)。 毫无疑问，视觉信息的接收、搜索和提取特征与人的活动目的相关联，也就是与人的动 机系统、态度体系相关联；与接受者或搜索者的信息加工能力、加工方式相关联；与主 客观因素影响下的无意注意及有意注意相关联；甚至“与心理失调”“社交性内向等个 性品质”相关联。
可见，眼动研究在心理学的许多分支中都具有明显价值：(1)视觉信息加工心理机制的 研究：视觉信息加工是心理学基础研究的重要课题，眼动信息可以在细微方面反映信息 提取和选择方面的过程与规律。比如，Riggs和Ratliff等在眼动研究中发现[3](pp.415 -420)，光刺激如果持续作用于视网膜的同一个区域，该区域会在几秒钟内发生适应， 观察者就看不到这个刺激光点了，这种视觉系统的适应性现象可以解释许多相关的视觉 现象。(2)动机与态度的研究：在相同情境下，记录被试的眼动信息，可以探测到被试 对信息的选择取向，从而研究不同个体在相同情境下的动机与态度取向。比如对不同阅 读内容的注视时间、对不同商品的注视时间等可以反映被试的阅读动机、消费动机；对 相同客体或文字材料的注视时间及其伴随的视轴漂移可以反映被试的态度特征。(3)发 展心理学的研究：认知发展是儿童心理发展的核心成分，通过记录不同年龄的儿童青少 年在各种不同条件下的眼动信息，可以探测其信息加工能力、学习能力的发展水平(注 ：南京师范大学教科院许卓娅教授前不久谈到一项眼动研究设想：“国外最近有研究表 明6个月的婴儿具有初期的数概念形成能力，在反复依次给婴儿呈现一个、两个、三个 、四个……物体，如果下一轮在呈现一个、两个、三个之后，没有紧接着呈现四个物体 ，则可以纪录到特殊的ERP。那么，与此同时，改用眼动记录技术，是否可以纪录到婴 儿比较特殊的视觉搜索现象呢?”很显然，这一没想是很有价值的，它可能暗示着一条 揭示概念学习发生年龄的另一有效路径。)。比如，青少年在阅读中的系列加工和平行 加工是同步发展的，还是存在一个平行加工出现的转折期或关键期?这一问题可以从比 较不同年龄儿童阅读中眼跳的次数与时间来获得一定程度的解决。(4)教育心理学的研 究：此方面的研究是国内外当前眼动研究的主要领域，特别是在阅读的眼动研究方面成 果丰富[13](pp.213-234)。“在阅读一个材料时，我们的眼睛移动到文章的不同位置以 获取必要的信息来帮助理解这一材料”，“阅读中的眼动行为由连续的注视点和眼跳构 成”[14](p.159)，其中每一次注视的时距和每一次眼跳的方向与时长是阅读眼动研究 的两方面基本参数，它可以反映阅读中的认知和知觉加工过程[15](pp.1474-1484)。如 果将眼动分析应用于学科问题解决的研究，则可以探究并比较不同学生在解决各种问题 时对外部信息的提取并由此推断其表征问题的过程和机制。(5)消费心理学的研究：利 用眼动研究可以精细地研究不同产品、产品包装、产品陈列方式等引起消费者的关注程 度，以及广告设计策略等。研究中一般假定：消费者对某一广告元素注视的时间越长、 回视的次数越多，那么他对其就越感兴趣，而这一广告元素对应的产品特征就更有可能 影响消费者的购买行为。而广告设计中，有策略地引起消费者更多的注视和回视，则可 以提高产品的销售量。此外，网页浏览的眼动研究也是广告心理研究中的一个有价值的 课题，它可以揭示浏览者注视更多的区域以及他为了回避广告尽量不去注视的区域等[1 6](pp.633-644)。(6)工程心理学的研究：工程设计中经常考虑人的因素的制约性，比 如视觉信息搜索的速度、范围及其快捷性等，利用眼动研究可以探测人-机交互作用中 的视觉信息提取及视觉控制问题[17](pp.517-530)。(7)交通心理学的研究：眼动的交 通心理学研究主要涉及驾驶舱内的表盘设计问题、道路建设及路标设置问题、驾驶者在 驾驶过程中的视觉信息搜索及其培训问题等等。国内西安交大建有“眼动仪实验室”， 进行着一些交通心理研究及相关设计问题研究。(8)体育心理学的研究：在各种体育运 动过程中，视觉信息的提取是其基本的心理支持，而视觉信息提取的不同模式可能正反 映了高水平运动员与一般水平运动员或新手之间的运动能力的差异性。所以，记录不同 水平运动员在运动训练或比赛过程中的眼动模式，有利于提供对新手进行有效训练的模 式和策略。有些体育运动项目，如球类运动、拳击、击剑，甚至高尔夫球运动都可以采 用眼动仪进行研究。(9)病理心理学的研究：不难假设，面对同样的视觉图景，具有病 理心理特征的观察者，与正常状态下的观察者相比，必然具有不同的眼动模式。所以， 可以采用眼动技术进行病理心理学的研究和制订更为可靠的病理心理筛选的眼动标准。
四、眼动心理学研究的主要趋势
眼动心理学的研究是一个方兴未艾的领域，其技术手段、研究思想和涉及的课题领域 都还处在迅速的发展过程中。尤其是在中国，随着各大学纷纷开办心理学专业和投入大 量资金建立包括“眼动仪实验室”在内的实验研究基地，了解和准备使用眼动仪进行研 究的心理学家队伍将会在近五年内迅速扩大。纵观现代心理学的发展历程和眼动心理学 的研究状况，可以预见其在未来一个时期的发展与变化趋势。
1.眼动仪向智能化、系列化、便携式方向发展
随着计算机软、硬件技术的快速更新，眼动仪的智能化还将进一步发展，这将促进其 精确度和采样率的大幅度提高，尤其是硬件的小型化、低成本会加速眼动仪市场规模的 扩张和这一研究手段的普及，进而导致眼动研究向广度、深度及应用领域扩张。此外， 小型化和便携式眼动仪，使得眼动研究可以深入到人们的工作、学习和生活情境中。比 如，广告浏览、文体活动、网络信息查寻、汽车驾驶、机器修理等等，这可以大大改进 研究的生态效度[2](pp.46-47)。
眼动仪产品的系列化也是该领域重要的发展趋势。由于不同的研究情境、不同的研究 任务、不同的被试群对眼动仪的功能特点可能有不同的要求，所以在各种情况下均使用 同一套眼动仪并不理想，许多时候也是不可能的。美国的ASL和德国的SMI都开发了系列 产品，以适应各种不同研究情境的需要，推动研究向精细化方向发展。
2.国内研究趋于规模化并将可能出现若干协作群体
今明两年，国内将有一批眼动仪实验室建成，随之会有一批心理学家和研究生从事专 门的眼动心理学研究。而不同学科点会根据自身长期研究积累的不同，开展不同分支领 域的研究，使国内眼动心理学研究出现规模化和专业化。在此基础上，会出现若干不同 方向的研究群体，并会定期召开全国性的和国际性的眼动研究学术研讨会。
3.应用研究继续成为该领域主题的同时，基础眼动研究将得到深化
国内外眼动研究依然会顺应当前整个心理学发展的总体趋势，加强应用研究，特别是 与经济建设和高科技领域结合的研究将会成为眼动心理学的主题。如人机交互中的眼动 研究、媒体应用与通讯中的眼动研究等。但是，从国外研究现状来看，眼动研究也成为 心理学基础实证研究的重要手段，即利用眼动记录技术对视觉信息加工进行精细地记录 和分析，从视觉信息加工的行为特点来探讨心理活动的深层心理机制和生理机制。如
Pomplun，Reing和Shen进行的视觉搜索中眼动选择的计算模型的研究[18](pp.299-312) ，对当前认知心理学中的“知觉计算理论”就是一种贡献。同时，有一些研究将把眼动 仪与其他大型精密设备如fMRI结合使用，有利于认知过程生理机制的深层次研究。
4.近期仍以资料积累为主要任务，但其理论建构也越来越受到重视
当前眼动研究还以资料积累为主，因为许多研究还都是停留在眼动现象的测定与描述 ，对眼动的内在心理原因分析不够。虽然也存在一些理论模型假设，如前文所述的“竞 争—整合模型”，是注意、眼动与视觉信息加工三者之间的基本关系模型；阅读中的“ 直接控制(direct control)模型”和“认知控制(cognitive control)模型”等。但是 ，这些模型虽然能够在一定范围内解释实验现象，却不能在较高的抽象层次上说明信息 加工的机制，还需要在实验资料积累的基础上进一步发展，尤其是需要在结合了现代认 知神经科学研究结果的基础上，建立具有广泛解释效度的心理加工理论。