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Sich den Blick zu Nutzen machen: Was bei Eye-Tracking zu beachten ist

Thomas Walter (Quelle: Interactive Minds Dresden) 

 Thomas Walter (Quelle: Interactive Minds Dresden)

Das Eye-Tracking erlebt in letzter Zeit eine starke Resonanz und ist in der Marktforschungs- und User Experience-Branche immer mehr im Kommen. Wenn man sich noch nicht näher mit Eye-Tracking befasst hat, ist es relativ schwierig, die Produkte der verschiedenen Hersteller qualitativ einzuordnen. Für den eigenen Gebrauch ist es daher notwendig, möglichst viele verschiedene Systeme auf Herz und Nieren zu prüfen, um so herauszufinden, welcher Eye-Tracker am besten die Anforderungen der bevorstehenden Anwendung erfüllt.

Die wichtigsten Eigenschaften eines Eye-Trackers stecken meist tief im Verborgenen. Mit hochauflösenden Kameras werden die Augen aufgezeichnet. Die entstandenen Bilder werden mit Hilfe einer Bildbearbeitungssoftware analysiert und verglichen. Eine Bild-Vergleichs-Analyse spielt eine wesentliche Rolle bei der Auswertung der Augenbilder. Die Analyse verwendet Algorithmen, die die Augen im aufgenommenen Kamerabild erkennen und möglichst unabhängig von Störfaktoren auswerten. Für die Berechnung der Position der Augen im Raum und der Blickrichtung verwendet der Eye-Tracker den Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Pupille und der Cornea-Reflektion. Aus diesem Vektor ergeben sich schließlich die Blickpositionen und Blickverläufe.
Es gibt verschiedene essentielle Merkmale, die zu beachten sind:
Quelle: Interactive Minds  

 Quelle: Interactive Minds

  1. Genauigkeit
  2. Kopfbewegungsspielraum
  3. Toleranz gegenüber Variationen des menschlichen Auges
  4. Einfache Kalibrierung
  5. Toleranz gegenüber infrarotem Umgebungslicht
  6. Sampling- bzw. Abtastrate
  7. Auswertungsmöglichkeiten in der Analyse

1. Genauigkeit
Für die Marktforschung zählt die Blickposition zu den wichtigsten Daten, die ein Eye-Tracker liefert. Sie wird als zweidimensionale Koordinate ausgegeben, in dreidimensionalen Versuchsaufbauten entsprechend als dreidimensionale. Dreidimensionales Eye-Tracking erfordert das Aufnehmen beider Augen, um deren Konvergenz zu berechnen.

Da die Blickposition auf dem Bildschirm eine der wichtigsten Informationen ist, die ein Eye-Tracker liefert, zählt die Genauigkeit des Eye-Trackers zu seinen entscheidenden Leistungsmerkmalen. Die Blickposition ändert sich durch Drehbewegungen des Auges. Daher wird die Genauigkeit als Abweichung in Winkelgrad ausgegeben. Gute Eye-Tracker haben in der Regel eine Abweichung von 0,5 Grad oder weniger. Bei einem Betrachtungsabstand von etwa 60 Zentimeter entspricht diese Abweichung ungefähr 0,53 Zentimeter auf der Betrachtungsfläche des Bildschirms.

Die Ungenauigkeit eines Eye-Trackers muss nicht unbedingt negativ gewertet werden. Sobald der Durchmesser des betrachteten Objekts auf dem Bildschirm größer als 0,5 Zentimeter ist, stellt die Abweichung von 0,5 Grad kein Problem dar. In Zeiten überfüllter Bildschirme und immer kleiner werdender Objekte spielt die Genauigkeit jedoch eine immer wichtigere Rolle für aussagekräftige Ergebnisse.
Es gibt einige Methoden, die Genauigkeit eines Eye-Trackers zu ermitteln. Fragen Sie zunächst den Hersteller nach einer Möglichkeit, die prognostizierten Blickpositionen in Echtzeit zu sehen und überprüfen Sie selbst, ob der dargestellte Blickpunkt mit dem tatsächlichen Blickpunkt übereinstimmt. Nehmen Sie sich im nächsten Schritt ein Programm zu Hilfe, welches die Blickbewegung eines Benutzers auf einem dargestellten Bild speichert, und schauen Sie sich die Aufzeichnungen noch einmal an. Wieder können Sie vergleichen, wie gut die aufgezeichneten den tatsächlichen Blickpositionen entsprechen.

2. Kopfbewegung
Es ist unerlässlich, dass ein Eye-Tracker die natürliche Blickbewegung eines Probanden auch dann nachverfolgen kann, wenn dieser sich bewegt. Daraus ergibt sich jedoch folgender Konflikt: Für eine hohe Genauigkeit verzichtet man auf die Kopfbewegungsfreiheit. Für mehr Spielraum bei der Bewegung des Kopfes büßt man Genauigkeit ein.

Bei hohen Genauigkeiten liefert die Eye-Tracking-Kamera ein hochauflösendes Bild des Auges – mindestens zehn Pixel pro Millimeter des Pupillendurchmessers. Bei einer Breite des Kamerasensors von 1000 Pixel, beträgt das Sichtfeld der Kamera lediglich 100 Millimeter. Da die Augen eines Menschen ungefähr 57 Millimeter voneinander entfernt sind, rutscht das Auge des Probanden außerhalb des Sichtfeldes der Kamera, sobald er sich mehr als 38 Millimeter bewegt.

In der aktuellen Eye-Tracking-Technologie gibt es mehrere Ansätze, die Bewegungsfreiheit zu erhöhen, ohne gleichzeitig an Genauigkeit einzubüßen. Eine Methode ist, hochauflösende Kameras mit steigender Pixelanzahl im Bildsensor zu verwenden. Jedoch führt eine erhöhte Sensor-Auflösung zu kleineren Pixeln und weniger Licht pro Pixel. Das Resultat sind weniger scharfe Bilder und reduzierte Genauigkeit.

Ein weiteres Verfahren zur Erhöhung der Kopfbewegungsfreiheit besteht darin, mehrere Kameras zu verwenden. Eine Verdoppelung der Kopfbewegungsfreiheit erfordert eine Verdoppelung der Kameraanzahl. Dies kann bei entsprechenden Anforderungen zu einer komplizierten Kamera-Konfiguration führen. Zu guter Letzt ist es ebenso möglich, die Kopfbewegungsfreiheit unter Beibehaltung der hohen Genauigkeit zu erhöhen. Man installiert die Eye-Tracking-Kameras dabei auf einem motorisierten Gelenk, sodass sie, auch während einer Bewegung des Kopfes, ausschließlich auf die Augen des Probanden fokussieren können. Um hierbei hochauflösende Augenbilder zu erhalten, nutzt die Kamera ein Teleobjektiv und bewegt sich ähnlich wie unsere Augäpfel. So können die Augen des Probanden im kleinen und hochauflösenden Blickfeld der Kamera weiterhin fokussiert werden. Sind die hochauflösenden Eye-Tracking-Kameras einmal nicht auf die Augen des Probanden gerichtet, kommen weitere Kameras zum Zuge. Diese Kameras mit niedrigerer Auflösung und einem Weitwinkel-Objektiv dienen zur Erkennung des Gesichts eines Probanden und helfen bei der Fokussierung der Augen. Ohne Genauigkeitsverlust wird so eine sehr große Kopfbewegungsfreiheit erzielt.

Beim Vergleich verschiedener Eye-Tracker sollte man daher sorgfältig prüfen, wie viel Kopfbewegungsfreiheit der Nutzer benötigt und wie genau der jeweilige Eye-Tracker hierbei arbeitet. Überprüfen Sie die Genauigkeit auch, während sich der Proband bewegt.

3. Toleranz gegenüber Variationen im menschlichen Auge
Um eine konstante, genaue und zuverlässige Messung zu gewährleisten, muss die Bildverarbeitung eines Eye-Trackers ein großes Spektrum unterschiedlicher Augenvariationen abdecken können. Hierbei sind folgende Faktoren von Bedeutung: Augenfarbe, Weitung der Pupille, Pupillendrift, Lidschlag, Kontaktlinsen/Brillen, wechselnde Lichtverhältnisse sowie unterschiedliche Kopf-Position und –Ausrichtung. Bis heute ist kein Eye-Tracker in der Lage, unter diesen verschiedenen Umständen alle menschlichen Augen zu messen. Aber einige Systeme verarbeiten eine breitere Palette als andere. Beim Vergleichen verschiedener Eye-Tracker für Ihr Projekt sollten Sie daher darauf achten, dass alle Systeme mit einer Reihe verschiedener Versuchspersonen und unter verschiedenen äußeren Umständen getestet werden.

4. Einfache Kalibrierung
Der Eye-Tracker muss sich auf die physiologischen Merkmale jedes Auges einstellen können. Die für das Eye-Tracking notwendigen Faktoren, wie die Krümmung der Hornhaut und die Position der Foveola (zentraler Sehpunkt) auf der Netzhaut, weichen von einem Menschen zum anderen ab. Um sich an diese Unterschiede anzupassen, wird der Eye-Tracker vor jeder Messung kalibriert. Hierbei fixiert der Proband eine Reihe von festgelegten Punkten auf dem Bildschirm. Beim Vergleich verschiedener Systeme sollten Sie herausfinden, ob die Kalibrierung schnell und einfach erfolgt und wie viel Prozent der Getesteten gute Ergebnisse in der Kalibrierung erzielen. Ebenso sollten Sie überprüfen, ob die Kalibrierung langanhaltend ist oder ob eine Abweichung der Blickposition nach wenigen Minuten auftritt.

5. Infrarotlicht
Die meisten Eye-Tracker nutzen Infrarotlicht aus Leuchtdioden (LEDs), um die Augen zu beleuchten, die relative Position der Pupille und die Reflexion auf der Hornhaut zu messen. Diese Koordinaten werden in der „pupil center corneal reflection (PCCR) method“ verwendet. Für die Beurteilung eines Eye-Trackers ist es ratsam zu erfragen wie viel Infrarotlicht das System in die Augen des Probanden sendet. Während die meisten Eye-Tracker innerhalb sicherer Grenzwerte arbeiten, verwenden einige einen hohen Infrarot-Bestrahlung-Bereich, um die niedrigere Empfindlichkeit der Kameras zu kompensieren. Nach Angaben des U.S. National Institute of Occupational Safety and Health liegt die am Auge gemessene zulässige Belastung für die Wellenlänge des in Eye-Trackern verwendeten infraroten Lichts bei maximal 0,7 mW/cm² (LaMarre, D.A. (1977). Development of Criteria and Test Methods for Eye and Face Devices, NIOSH).

Heutzutage findet man viele Eye-Tracker, die mit einfachen Webcams und keinerlei Infrarotlicht arbeiten. Diese Systeme sind einerseits natürlich sehr kostengünstig. Andererseits führen das Verwenden von Kameras mit niedriger Auflösung und das Fehlen einer gesteuerten (infraroten) Lichtquelle zu erheblichen Beeinträchtigungen in der Genauigkeit.

Quelle: Interactive Minds 

 Quelle: Interactive Minds

Eine kritische Aufgabe des Eye-Trackers liegt darin herauszufinden, wo im Kamerabild sich der Pupillenmittelpunkt befindet. Eine genaue Messung erfordert einen hohen Kontrast zwischen der Pupille und der umgebenden Iris. Angesichts der faszinierenden Struktur des menschlichen Auges gibt es zwei Möglichkeiten, um diesen Kontrast zwischen Pupille und Iris zu erzielen: das Bright-Pupil-Prinzip und das Dark-Pupil-Prinzip.

Beim Dark-Pupil-Prinzip werden die LEDs in einiger Entfernung zum Eye-Tracking-Kameraobjektiv angebracht. Dies hat zur Folge, dass dunkle Objekte genauso wie durch das menschliche Auge wahrgenommen werden. Beim Bright-Pupil-Prinzip werden die Lichtquellen in der Mitte des Kameraobjektivs angebracht, damit die Pupillen hell erscheinen.

Die umgebende Helligkeit ist bei der Wahl des richtigen Prinzips von immenser Bedeutung: Wenn das umgebende Infrarotlicht gering ist, bietet das Bright-Pupil-Prinzip einen besseren Kontrast zwischen Iris und Pupille: Die Iris ist dunkel und die Pupille ist hell. Sobald sich das umgebende Infrarotlicht erhöht, werden die Bilder der Iris heller und die Pupille bleibt hell, der Kontrast reduziert sich. Bei großen Mengen an infrarotem Umgebungslicht (beispielsweise im Sonnenlicht) wird mit dem Dark-Pupil-Prinzip ein besserer Kontrast zwischen Iris und Pupille erreicht: Die Pupille ist dunkel, die Iris hell. Generell kann man davon ausgehen, dass das Bright-Pupil-Prinzip in Innenräumen besser funktioniert. Für Untersuchungen im Freien ist das Dark-Pupil-Prinzip besser geeignet.

6. Abtast-Geschwindigkeit
Einige moderne Eye-Tracker verfügen über erhöhte Abtastraten. Während traditionelle Abtastraten zwischen 30 und 60 Hz (Samples pro Sekunde) variieren, bieten neuere Systeme bis zu 1000 Hz. Diese hohen Abtastraten sind besonders interessant, wenn man die Dynamik der Augenrotation (Sakkaden) untersuchen möchte oder wenn man mit visuellen Reizen und deren sofortiger Wirkung auf die Augenaktivität experimentiert. Bei typischen User-Experience-Untersuchungen ist eine Abtastrate von 60 Hz hingegen vollkommen ausreichend. Fixationen variieren normalerweise zwischen 100 und 500 Millisekunden. Eine 60 Hz-Abtastrate liefert im Normalfall zwischen 6 und 30 Datensätze pro Fixation – eine ausreichend hohe Zahlen, um die Fixationen und die jeweilige Fixationsdauer zu erkennen.

Es gibt zwei unterschiedliche Arten von Eye-Trackern: Remote - und Head-Mounted–Eye-Tracker. Remote-Eye-Tracker sind normalerweise unter einem Bildschirm montiert und messen die Augen des Probanden aus einer für Bildschirmabstände normalen Entfernung. Head-Mounted-Eye-Tracker werden im Normalfall mit Hilfe von Brillen oder anderen Gestellen auf dem Kopf des Probanden montiert und führen Messungen aus einer sehr kurzen Distanz durch. Da Remote-Eye-Tracker berührungslos arbeiten und nicht am Kopf des Probanden montiert werden müssen, sind sie im Regelfall weniger aufdringlich und genauer. Head-Mounted-Eye-Tracker sind dagegen fehleranfälliger. Zum einen können sie auf dem Kopf des Probanden verrutschen, zum anderen kann der Proband außerhalb des Erfassungsbereiches des Eye-Trackers blicken. Auf der anderen Seite kann nur ein Head-Mounted-Eye-Tracker die Blickpositionen in freier Bewegung des Probanden messen, wie dies beispielsweise bei POS-Studien erforderlich ist.

7. Analysemöglichkeiten
Die meisten Eye-Tracker werden bereits mit einer entsprechenden Software für die Datenanalyse und Erprobung verschiedener Usability-Untersuchungen ausgeliefert. Die Programme ermöglichen es, Experimente zu konfigurieren, Daten aufzuzeichnen und diese ansprechend zu analysieren und zu präsentieren. Unterschiedliche Analysetools erlauben es, Daten auf Bildern, Videos, simulierten und realen Umgebungen zu sammeln. Die Analyse- und Präsentationswerkzeuge beinhalten normalerweise Echtzeit-Gaze-Overlays, Fixationsanalysen, AttentionMaps sowie Areas of Interest bei dynamischen Bildinhalten (beispielsweise Webseiten und Videos). Auch die Analysemöglichkeiten der Software sollten Ihren Projektanforderungen gerecht werden.

Zusammenfassung
Nahezu jedes Eye-Tracking-System hat seine Stärken und Schwächen. Versuchen Sie deshalb möglichst viele Systeme zu testen. Haben Sie sich erst einmal für einen Eye-Tracker entschieden, werden Sie sehr schnell merken, dass sich viele weitere Möglichkeiten für Ihre Anwendungen und Analysen ergeben.

Thomas Walter ist im Sales & Service Bereich von Interactive Minds Dresden GmbH tätig.

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