Silmät on sielun peili: Silmänliiketutkimus turvallisuuskriittisten järjestelmien vuorovaikutussuunnittelun tukena OSA I

Torstai 29.11.2018 klo 15:45 - Terhi Holappa - USBIMED


10910483563_34ccc8f29f_z.jpg

BLOGI 1: Silmänliiketutkimuksen historia ja fysiologinen perusta

Katsaus silmänliiketutkimuksen historiaan

Silmänliiketutkimuksen (eye tracking) historia on pitkä ja taival on ollut myös kivinen niin teknologian kuin menettelytapojen ja tulosten tulkinnankin kannalta katsoen. Silmänliiketutkimuksen avulla voidaan kerätä tietoa silmänliikkeistä ja saadun datan pohjalta voidaan luoda päätelmiä siitä, mihin katsojan tarkkaavaisuus on kohdistunut. Yhteneväistä käsitystä kognitiivisten prosessien ja silmänliikkeiden välisestä yhteydestä ei ole vielä tänäkään päivänä, mutta silmänliiketutkimus voi tästä huolimatta mahdollistaa pintaa syvemmän tavan paljastaa ihmisen tietoisia tai tiedostamattomia prosesseja vuorovaikutustilanteissa erilaisten järjestelmien ja ympäristöjen kanssa. Metodi vaatii kuitenkin monien lainalaisuuksien ymmärtämistä, ollakseen hyödyllinen tutkijalle ja suunnittelijalle.

Silmänliiketutkimuksen kehitykseen on vaikuttanut mm. psykologisten teorioiden ja kamerateknologian kehitys. Fitts ja hänen kolleegansa olivat ensimmäisiä tukijoita, jotka hyödynsivät 1950 -luvulla elokuvakameroita tutkiessaan ilmavoimien lentäjien silmänliikkeitä vuorovaikutustilanteissa ohjaamon käyttöliittymien kanssa. Tämä pioneerityö on varhaisin esimerkki tutkimuksesta, jossa silmänliikeanalyysiä on hyödynnetty turvallisuuskriittisten laitteiden, ohjelmistojen tai ympäristöjen käyttöliittymien tutkimisessa.

Myöhemmin, 1970 -luvulla silmänliiketutkimuslaitteet kehittyivät, ihmisen silmän fysiologiaan perehdyttiin syvällisemmin sovellusalueen näkökulmasta ja psykologiset teoriat pyrkivät yhdistämään silmänliikkeet kiinteämmin ihmisen kognitiivisiin prosesseihin. Fokus oli tuolloin silmänliiketeknologian ja kertyneen datan analysointitekniikoiden kehittämisessä. Tietokoneiden yleistyessä ja videoteknologian kehityksen myötä vahvistui 1980 -luvulla kiinnostus vuorovaikutustutkimukseen, jossa hyödynnetään myös silmänliiketutkimusta. Paitsi, että kiinnostavaksi koettiin mitä tietoa käyttöliittymien laadusta voitaisiin saada silmänliiketutkimuksen avulla, haluttiin selvittää myös, miten silmänliikkeitä voisi käyttää järjestelmien ohjauksessa.

Vasta 1900 -luvun lopussa ja 2000 -luvun alussa teknologian laatu, käytettävyys ja hinnoittelu sekä tukevien inhimillisten teorioiden ja anayysimenetelmien kehitys alkoi olemaan sellaisella tasolla, että silmänliiketutkimuksesta saattoi tulla työväline myös käytännön suunnittelutyöhön, tieteellisen tutkimuksen rinnalle.

Kirjoittajan ensimmäinen kosketuspinta silmänliiketutkimusmetodiikkaan ajoittuu 2000 -luvun alkuun sekä näyttöön pohjautuvien (screen based / remote), että päähän kiinnitettävien (wearable) ratkaisujen osalta (näistä lisää seuraavassa blogissa). Metodiikan hyödyntämisalueinani on aina olleet erilaiset turvallisuuskriittiset laitteet, ohjelmistot ja ympäristöt. Eritysinä sovellusalueina viimeaikoina terveysteknologia ja liikenneturvallisuus sekä erilaiset käyttöliittymät näissä viitekehyksissä.

Mihin silmänliiketutkimus perustuu – taustalla oleva fysiologia

Ihmisen kapasiteetti on rajallinen ja kaikesta ympärillä olevasta informaatiosisällöstä suodatamme meille olennaisen säästääksemme aivojamme liialliselta hälyltä. Näköjärjestelmä kannalta katsoen suuntaamme tarkkaavaisuutemme aina yhteen kohteeseen kerrallaan. Näköaistimme informaatiosisältö välittyy aivoihin ja tulee siellä tulkituksi eli havainto syntyy. Rakennamme kuvaa visuaalisesta ympäristöstä käytännössä pala palalta. Tarkan näkemisen alue (fovea) sijaitsee verkkokalvon keskellä (kuva 1). Jos jotakin tapahtuu näkökentän ääriosissa, kohdistamme mielellämme tämän tarkan näkemisen alueen eli katseemme sinne.

10910331343_41c69e1fce_z.jpg

Kuva 1. Silmän rakenne

Ihmiselle on tyypillistä suunnata aktiivisesti huomiota ympäristöön. Tarkkaavaisuus saattaa ohjautua tietoisesti kohteeseen ja mielenkiinto herätä. Huomio voi kiinnittyä myös reaktiivisesti, kun ärsykekynnys ylittyy. Tahtotila voi syttyä ja tämä johtaa mahdolliseen toimintaan (kuva 2).

Kuva13.png

Kuva 2. Ihmisen havaintomekanismi

Silmänliikkeet koostuvat pääasiassa fiksaatioista eli katseen kiinnittymisistä sekä hypähdyksistä kiinnittymispisteiden välillä eli sakkaideista. Fiksaation aikana nähdään tarkasti noin peukalonpään kokoinen alue noin 60 cm etäisyydellä (kuva 3).

 

10910035365_f65733109f_z.jpg

Kuva 3. Tarkan näkemisen alue (foveal vision)

Tarkan näkemisen alueen pienen koon vuoksi, silmää täytyy siirtää usein. Näitä siirtymiä kutsutaan sakkaideiksi. Hypähdykset ovat hyvin lyhyitä (n. 25-100 ms), joten niiden aikana informaatio ei ehdi välittyä aivoihin. Sen sijaan fiksaation aikana informaatio ehtii välittyä ja silmänliiketutkimus mahdollistaa fiksaatioiden tutkimisen. Samalla tietoa kertyy myös näkökentän ääreisalueelta, mutta tätä tietoa silmänliiketutkimuslaitteiston avulla ei voida tutkia (kuva 4). Edellä mainittujen lisäksi on myös muita silmänliikkeitä, mutta niitä ei tässä asiayhteydessä käsitellä.

 

10910037905_ca16cf1d18_z.jpg

Kuva 4. Tarkan näkemisen alue sekä ääreisnäkö

Ihminen voi kohdistaa katseensa johonkin, ja tämä katsottu kohde ei kuitenkaan tule tulkituksi eli havaintoa ei synny. Katsoessamme emme kiinnitä huomiota kaikkiin yksityiskohtiin ja havaintomme ei vastaa täysin kamerakuvaa todellisuudesta. Olet esimerkiksi saattanut tuntea jonkun henkilön jo vuosia, mutta et välttämättä osaa sanoa, minkä väriset silmät ko henkilöllä on ellet ole kiinnittänyt asiaan erityistä huomiota eli suunnanut tarkkaavaisuutesi aktiivisesti ja ajatuksella tähän seikkaan. Silmänliiketutkimus ei voi vaikuttaa tähän realiteettiin, mutta laskennallisten fiksaatiopisteiden tarjoama informaatio mukaelee parhaalla mahdollisella tavalla ihmisen fysiologiaa.

Ihmisen visuaaliseen käyttäytymiseen vaikuttaa sekä ns. bottom-up tarkkaavaisuden kiinnittyminen että top-down tarkkaavaisuuden kiinnittyminen. Jälkimmäinen tarkoittaa tahdonalaista halukkuutta kiinnittää huomio johonkin seikkaan, mihin vaikuttaa aikaisemmat kokemukset ja odotusarvot niiden pohjalta. Ensimmäinen taas on ärsykeriippuvainen ja reaktiivinen. Huomiomme varastaa helposti tietyt ärsykkeet, kuten kallellaan olevat kohteet, liikkuvat tai välkkyvät kohteet, kirkkaat värit tai muodoltaan poikkeavat hahmot. Samoin odottamattomat uudet kohteet aikaisemmin tutussa ympäristössä.

Seuraavassa teemaan liittyvässä blogissani käsittelen silmänliiketutkimuksen tekniikoita, sovellusalueita ja rajoitteita esimerkkien valossa. Pysyhän kuulolla !

Paul M. Fitts, Richard E. Jones, and John L. Milton, “The Movements of Aircraft Pilots During Instrument-Landing Approaches,” Aeronautical Engineering Review 9, no. 2 (1950): 24–29.

Andrew T. Duchowski, Eye Tracking Methodology: Theory and Practice, Second Edition (London: Springer-Verlag, 2007).

Kuvien lähde: Rosenfeld Media