人因研究中的眼动追踪

认知能力评估 什么是认知能力？ 目录 什么是认知能力？为何要研究认知能力？评估认知能力的意义是什么？眼动追踪基础知识眼动追踪研究的步骤情境意识使用眼动追踪技术评估海员的情境意识通过评估境意识提高海上钻探作业的安全性决策建筑外立面损坏评估中的决策飞行员在低能见度条件下的决策和视觉扫描模式认知负荷利用眼动追踪技术评估义肢用户的认知负荷利用眼动跟踪探索短途卡车司机的嗜睡和疲劳风险学习与技能习得眼动追踪揭示了新手和专家外科医生的视觉策略利用眼动追踪技术测量工业能源评估培训的效果团队认知评估程序员团队成功协作中的联合视觉注意力探索更多参考文献3456810121314161718222324262728303132 认知能力是开展任何任务所需的心理过程和技能。这些能力依赖于基本的认知过程，如关注特定的情况和环境、记忆、学习和问题解决。在人因工程中，理解认知能力至关重要，因为它有助于设计符合人类认知优势并弥补不足的系统、工具和环境。这些知识可以应用于提高各个领域的安全性、效率和用户体验，包括工作场所、交通运输和技术接口。 人因研究探讨了人类如何与系统（包括产品、工具、环境或技术）交互，从而优化设计和操作，进而提高人类的健康、表现、安全、人机交互和整体系统效能。这份白皮书重点关注了支撑人因研究和实际应用的核心认知能力。 认知能力评估的意义 为何要研究认知能力？ 这份白皮书关注人因研究中的不同领域： 医疗保健 航空航天 减少人为失误 通过设计与人类认知能力相符的系统，识别和减轻潜在的人为失误来源。 强化工作场所的安全性 生产制造 建筑与工程 了解注意力的疏忽如何导致工作场所的安全隐患，有助于降低事故风险。 设计直观的界面 研究认知能力有助于创建易于导航的界面和设计能够适应不同用户的包容性系统。 开展有效的培训 计算机科学 汽车 通过了解人们如何学习新任务，对培训项目进行优化，从而提高学习效率，改善记忆，并将关键技能转移给新员工。 改善认知负荷管理 研究认知负荷将为界面设计提供有价值的参考，以便在高压情况下以易于理解的方式呈现信息。 人机交互 体育效能 优化团队绩效 对团队认知的研究有助于打造能够有效沟通、对任务和目标有共同理解的团队，从而在关键环境中实现更好的团队协调性。 眼动追踪基础知识 穿戴式眼动仪（上）与屏幕式眼动仪（下）的工作原理示意图 眼动追踪是一种基于传感器的技术，用于衡量和记录视线的位置和运动行为。眼动仪是一种用于评估个体视线位置的设备，视线位置也被称为凝视点。 眼动仪可捕捉各种类型的刺激物上的视线位置。通常，被追踪的个体会将他们的注意力集中在可能出现在计算机屏幕上或现实世界环境中的刺激物上。 眼动追踪的价值基于眼-脑假设(Just and Carpenter, 1980)，该假设提出了一个人注视的内容与他们在任何给定时刻所关注的内容之间存在紧密的关系。追踪眼动是测量人们集中注意力的常用方法。尽管有时视线方向与一个人所关注的内容不匹配，但这只是视觉处理中的例外情况 (Deubel and Schneider, 1996)。 眼动仪衡量并记录在不同时间点的视线位置，从而可以对一些常见的眼动类型以及其他眼动指标进行分类。 •注视——眼睛在观察视觉刺激物时的暂时停留。持续时间为100到300毫秒。在注视期间，视觉系统捕捉并处理关于所注视内容的信息。•眼跳——有弹道特性的快速眼动行为，为了将视线对准新的视觉位置。眼跳发生在注视之间，持续时间为40到50毫秒。•瞳孔测量——通过瞳孔直径衡量瞳孔行为的波动。•眼睑开合度——衡量上眼睑和下眼睑之间可以容纳的最大球体的尺度，是眼睑运动（包括眨眼）检测的基础。 The camerastake high-resolution imagesof the user’s eyes and the patterns.3 眼动追踪研究的步骤 执行预测试 6 预测试在各种研究背景下都至关重要，它能够确保在进行正式研究的研究方法和研究流程的可行性。 确定研究目标 1 明确研究要实现的目标和解决的问题。确定希望在研究中关注的认知过程或行为。 执行正式研究 7 按照计划进行实验，同时使用眼动仪收集被试的眼动数据。监测被试的实验过程以确保他们遵守指示并尽量减少对被试的干扰。 选择被试 2 确定研究的目标人群。被试应该能够代表你的目标人群，并且适合你的研究目标。 数据收集 为每位被试进行眼动仪的校准，确保最佳的数据质量，并在被试完成任务或观看刺激的过程中收集眼动数据。确保数据记录准确无误。 8 选择眼动追踪设备 3 数据分析 根据研究需求选择合适的眼动追踪技术，如穿戴式眼动仪或屏幕式眼动仪。 分析收集到的眼动追踪数据。现有的眼动追踪数据分析工具（例如，Tobii Pro Lab）可以简化整个实验流程，包括数据收集、眼动行为分类和数据可视化。 9 准备刺激材料或任务 4 创建刺激物（例如，图像、视频、网页）或准备一个与解答研究问题相关的任务。 结果的解读 在研究目标的背景下解释研究的发现。根据分析眼动追踪数据得出关于认知过程或行为的结论。 设计实验方案 规划研究任务或刺激物呈现的顺序。考虑任务持续时间、呈现顺序和控制条件等因素。 听起来很复杂吗？您可以了解我们的Insight服务，它可以帮助您开展眼动追踪研究，包括数据的收集、分析和解读。 情境意识 培训与效能优化 团队协调性 表现最好的团队往往会更频繁地沟通，并进行相互交流，特别是涉及与SA（情境意识）相关的报告（Sorensen and Stanton,2016）。共享团队情境意识对应对突发紧急情况和灾害的准备工作至关重要（Laurila-Pant et al., 2023）。 对情境意识的监控使组织能够发现有待改进的方面并优化效能（Green等，2017）。 眼动追踪与情境意识之间的相关性 为何采用眼动追踪衡量情境意识？ 眼动追踪指标，包括注视比率、注视次数和注视时间，与情境意识（SA）正相关(Hasanzadeh et al., 2018; Merchant et al.,2001; Paletta et al., 2017)。这些眼动追踪指标比直接测量方法（如SAGAT）更能预测SA任务表现。视觉采样得分是一种定量评分（以百分比表示），用于通过评估个体在动态环境中监控和响应关键元素的能力来衡量SA。较高的视觉采样得分表明对重要任务相关信息的关注更有效、更及时，从而表征了更好的情境意识。它与表现评分正相关，且其相关性优于表现评分与SAGAT得分之间的相关性(de Winteret al., 2019)。 视觉注意是第一层情境意识的核心 关键环境元素的检测和感知是第一层级SA（情境意识）的关键组成部分。这个过程与个人的视觉注意力密切相关，而这一点可以通过眼动追踪技术有效衡量。事实上，眼动追踪已经显示出与第一层SA的强相关性（Zhanget al., 2023）。在海上钻井作业中，67%的错误发生在感知阶段（第一级），20%发生在理解阶段（第二级），13%发生在预测阶段（第三级）（Sneddon et al., 2011）。这突显了在关键环境中及时和专注的注意力对提升SA的关键作用。注意力将我们的注视点引导到对做出明智判断和保持SA至关重要的关键元素上（Caloca-Amber et al., 2024）。 什么是情境意识? 为何要衡量情境意识？ 安全与风险管理 情境意识（Situational awareness, SA）是指了解你周围发生了什么，并确定将注意力集中在哪里以实现任务的目标。情境意识由一个三级层次结构组成（Endsley, 1995）： 保持对周围环境的最佳意识可以帮助有效应对潜在的危险或威胁，从而防止事故并在各种人为因素所涉及的领域中将风险风险最小化（Green et al., 2017; Sneddon et al., 2011）。 第一层：在特定时间和空间范围内对元素的感知 •护士的情境意识不足是一个关乎患者安全的重要问题，导致多达60%使患者丧命的事故（Brady et al., 2013; Despins,2018）。•缺乏适当的情境意识是导致超过70%海事事故的原因（Hanzu-Pazara et al.,2008; Mccafferty and Baker, 2006）。•在汽车领域，大多数事故发生是由于驾驶员未能在正确的时间注视正确的位置（Lee, 2008）。 与其他生理测量方法相结合 我们以航空航天情境为例，飞行员可能会在机载气象雷达上观察到即将到来的风暴，同时注意到附近有另一架飞机的存在。 转换到更高的SA水平（第2级和第3级）需要激活大脑的下额叶、中额叶和上额叶——这些区域与认知功能、工作记忆、信息处理和理解相关。脑成像技术，如脑电图（EEG），可以帮助推断SA的第2级和第3级，并且可以与已经建立了与第1级SA相关的眼动追踪技术相结合（Zhang et al., 2023）。 客观且不受干扰的评估 眼动追踪是量化情境意识（SA）最常用的生理测量方法（Zhang et al., 2023）。相比于标准的冻结探测方法，整体意识评估技术（SAGAT）或情境呈现评估方法（SPAM），眼动追踪是评估情境意识的一个极具前景的替代方案。眼动追踪提供了实时的视觉注意力数据，而不会中断工作任务。这有助于减少与自我评估或观察者评估方法相关的回忆错误和人为偏差。 第二层：理解元素的含义 飞行员认识到风暴和其接近飞机而带来的潜在危险和风险。 第三层：对该元素在不久的将来状态的预测 飞行员预测天气条件可能如何变化，并预测受天气影响时飞机的轨迹，估计其速度、高度和预定的飞行路径。基于这些预测，飞行员会做出关于导航调整的明智决策。 改善决策能力 情境意识（SA）通过提供必要的信息，帮助个人准确评估情况并选择最合适的行动方案，从而改善决策能力（Van de Walle et al.,2016）。 专家们是怎样研究情境意识的？ 专家们是怎样研究情境意识的？ 使用眼动追踪技术评估海员的情境意识 通过评估情境意识提高海上钻探作业的安全性 该研究通过检测模拟海上驾驶场景中的视觉模式和眼动指标，研究海员的情境意识和注意分配之间的关系。13 名经验丰富的海员参与了舰桥模拟实验，同时使用 Tobii Pro Glasses 2 记录他们的眼动数据。根据态势感知评级技术（SART-2），被试被分为情境意识组和低情境意识组。模拟内容包括船舶离港、航道导航、遭遇、能见度低和抛锚。研究结果表明，高情境意识的海员倾向于更多地关注外部场景，而低情境意识的海员则更多地关注电子海图。在不同的兴趣区 (AOI) 中，注视和眼跳指标受兴趣区水平的显著影响，这证实了海员的注意力分配与其兴趣区之间的关系。在遭遇和能见度低等情景下，海员的情境意识水平与 AOI 中的注视和眼跳指标相关。研究结论表明，眼动追踪技术可以检测模拟海事场景中的视觉注意模式，从而有效测量和区分海员的情境意识水平。这一评估手段为筛选海员的认知能力标准奠定了基础。此外，利用眼动仪等简便可靠的方法评估海员的安全等级，有助于快速检测出高风险的认知状态，从而减少人为失误。 通过探讨眼动行为的特征，该研究区分了行业专家和新手在钻井模拟任务中的情境意识。被试需要监控屏幕上的虚拟现实钻井模拟器，任务是解释数据、阐述理解并指出观察到的任何异常。使用 Tobii Pro TX300 眼动仪测量被试的眼动行为。从眼动数据来看，专家正确识别并确认了异常点，而新手对异常点的注视很少，也没有确认异常点。因此，专家和新手之间的眼动差异表明，眼动跟踪系统可以捕捉到工人的分心情况，也可以识别到因缺乏情境意识产生的不准确注视。这一结果可以应用于实时报警反馈系统中，它可以在培训期间帮助新手学员意识到自己的不足，从而随着时间的推移改善他们的表现。总之，眼