13 Anwendungsfälle der Kopfverfolgung für die Forschung

Kopfverfolgung ist eine leistungsstarke Methode, um Einblicke in das Verhalten zu gewinnen. Obwohl diese Funktion zusammen mit der Augenverfolgung verfügbar ist, wird sie weiterhin nicht ausreichend genutzt und weniger bekannt. Kopfverfolgung steht in Verbindung mit Augenverfolgung, da sie Informationen über Aufmerksamkeit und Orientierung bereitstellt. Da die Kopfverfolgung eine zusätzliche Datenquelle bietet, kann sie für zahlreiche Anwendungen und Forschungseinrichtungen verwendet werden, insbesondere in Situationen, in denen die Implementierung von Augenverfolgung herausfordernd ist.

1. Aufmerksamkeit

Fundamental für alle Forschungsarbeiten, die Kopfverfolgung verwenden, ist die Aufmerksamkeit. Da Kopfbewegungen mit der Orientierung und der Beachtung von Reizen zusammenhängen, sind sie eine Bewegung, die sehr eng mit Aufmerksamkeit verbunden ist. Tatsächlich kombiniert viel Forschung die Kopfverfolgung mit Augenverfolgung, um die Aufmerksamkeit zu bewerten, da die beiden miteinander verbunden sind.

Die Kopfverfolgung ist ein groberer Maßstab zur Quantifizierung von Aufmerksamkeit und ist ein nützliches Maß, da sie keine Kalibrierung erfordert, ein großer Vorteil im Vergleich zur Augenverfolgung, die eine umfangreiche Kalibrierung erfordert, um spezifisch für den Teilnehmer zu sein. Daher ist es eine wertvolle Messgröße für Aufmerksamkeit.

Aufgrund ihrer Benutzerfreundlichkeit (keine Kalibrierung erforderlich) funktioniert die Kopfverfolgung direkter und passiver zur Messung der Aufmerksamkeit in zahlreichen Szenarien, was es einfach macht, Kopfbewegungen in Echtzeit zu verfolgen. In einer Online-Umgebung wird die Kopfverfolgung auch verwendet, um zu bestimmen, ob der Teilnehmer dem Bildschirm oder einer anderen Richtung zugewandt ist.

2. Sport

Im Sport spielen Kopfbewegungen verschiedene Rollen. Kopfbewegungen helfen den Spielern nicht nur, sich im Raum zu orientieren, sondern beeinflussen auch das Ergebnis ihrer Leistung. Zum Beispiel werden im Basketball Kopf-Fakes in verschiedenen Spielsituationen verwendet, um den Verteidiger zu täuschen, z.B. wenn man den Ball werfen oder in eine andere Richtung passen möchte. Eine aktuelle Studie untersuchte die Produktionskosten der Verwendung von Kopf-Fakes im Basketball und stellte fest, dass die Reaktionszeit höher ist, wenn ein Pass mit einem Kopf-Fake im Vergleich zu ohne Kopf-Fake ausgeführt wird. Interessanterweise fallen diese Produktionskosten weg, wenn der Spieler, der den Kopf-Fake macht, eine längere Vorbereitungsphase hat (Güldenpenning et al., 2023).

Ein weiteres Beispiel ist im Baseball, wenn ein Spieler zum Schlagplatz geht. Die Sicht und der Fokus auf den Pitch sind entscheidend, aber Kopfbewegungen werden auch beim Schlagen ausgeführt. Tatsächlich zeigen Beweise aus sportpsychologischen Studien, die Baseballverhalten analysieren, dass mehr Kopfrotation auftritt als das Auge beim Schlagen. Daher spielen Kopfbewegungen im Baseball eine große Rolle, wobei die Spieler auch wahrscheinlich den Kopf unten halten, wenn sie schlagen oder den Kopf in Richtung des Platten drehen, beides Verhaltensweisen, die als gecoacht festgestellt wurden (Terry & Fogt, 2023).

3. Dystonie

Dystonie ist eine unwillkürliche Bewegungsstörung, bei der regelmäßige oder periodische Muskelkontraktionen unregelmäßige Bewegungen und/oder Haltungen verursachen. Ein Teil dieser Definition umfasst Tremore, einschließlich Kopf-Schüttel-Tremoren. Dies wird bei neurologischen Erkrankungen wie Parkinson beobachtet, wo Kopf-Nicken unwillkürlich erfolgt. Die Diagnose von Dystonie im Allgemeinen ist subjektiv und nicht gut definiert mit minimalen Anforderungen. Für fokale Dystonie-Syndrome (die auf einen Körperteil lokalisiert sind) gibt es keine diagnostischen Kriterien (Albanese, Giovanni, & Lalli, 2018). Für Patienten, die unter Kopf-Schüttel-Tremoren leiden, kann die Kopfverfolgung eine objektive Methode zur Quantifizierung der Bewegungen sein.

4. Fernforschung

Es gibt viele Technologien, die zur Untersuchung der Kopfverfolgung verwendet werden können, aber ein leistungsstarker Anwendungsfall ist die Untersuchung der Kopfverfolgung mit einer Webcam, die den Zugang zu Online-Studien und Fernforschung eröffnet, bei denen die Teilnehmer nicht ständig ins Labor kommen müssen, damit Forscher Verhaltensmessungen sammeln können. Mit Labvanced können Forscher die Kopfverfolgung auf einem PC oder einem Smartphone aktivieren. Dies ist nützlich für Studien mit Kindern, bei denen die Kalibrierung für die Augenverfolgung schwierig sein kann, aber auch für Studien, die auf Smartphones angewiesen sind. Da die Kopfverfolgung nicht so viel Rechenleistung wie die Augenverfolgung benötigt, funktioniert sie schneller und auf jedem Gerät, während die Augenverfolgung eine angemessene CPU/GPU benötigt, um anständig remote zu arbeiten.

Echtzeit-Feedback-Blick auf Kopfbewegungen, die die Kopfverfolgung in Labvanced demonstrieren.

Probieren Sie diese einfache Demo zur Verfolgung von Kopfbewegungen in Labvanced aus. Wenn Sie mit dem Experiment beginnen, erscheint ein Gesichtsmesh über Ihrem Gesicht, das zeigt, dass das neuronale Netzwerk arbeitet. Dann können Sie Ihren Kopf in jede Richtung bewegen und sehen, wie sich die Schieberegler sofort als Ergebnis der Verfolgung der Kopfbewegung im dreidimensionalen Raum bewegen. Im Hintergrund entsprechen diese Schieberegler Datenpunkten und Koordinaten im Raum. Daten über Kopfbewegungen in Labvanced werden in 6 Datenströmen berichtet.

5. Feedback des sensorischen Systems und Kopfbewegung

Das Feedback von Sensorsystemen, wie visuell und auditiv, kombiniert mit vestibulären Informationen, ist das Herzstück des grundlegenden Verhaltens der Bewegungsverfolgung. Beispiele sind das Sehen (und auch Vermeiden) eines fahrenden Autos oder das Ausweichen einer summenden Biene. Während ein solches Verhalten einfach erscheint, ist es ein komplexes Verhalten, das die Koordination multikognitiver Eingaben erfordert. Die Forschung zur Kombination von Kopfverfolgung und bewegendem Klang ist begrenzt, obwohl es sich um ein grundlegendes Verhalten handelt, das leitet, wie man navigiert und seine Umgebung versteht (Leung et al., 2016).

6. Musik

Musik ist ein bedeutender Ausdruck von Klang, wo Bewegungen von denen, die zuhören und/oder es produzieren, natürlich ausgelöst werden können. Da Musik voller Rhythmus und kraftvoller musikalischer Wendungen ist. Ob man live Musik hört oder eine aufgezeichnete Version, es ist sicher, dass Kopfbewegungen stattfinden werden. Eine Studie von Swarbrick et al. im Jahr 2019 zeigte, dass, als Teilnehmer ein Album hörten, das noch nicht veröffentlicht wurde (also unbekannt war), mehr Kopfbewegungen bei einem Live-Konzert im Vergleich zum Anhören einer aufgezeichneten Version des Konzerts stattfanden. Darüber hinaus bewegten sich diejenigen, die mit der vorherigen Arbeit des Musikers vertraut waren, mehr und hatten mehr Rhythmus im Vergleich zu neutralen Zuhörern. Durch das Verfolgen von Kopfbewegungen zeigen die Forscher, wie Bewunderung für einen Künstler und das Zuhören von Live-Musik beide Verhaltensweisen wie Kopfbewegung beim Musikhören beeinflussen.

In den letzten zehn Jahren, als sich die Technologie in allen Branchen verbessert, werden immersive Hörsysteme beliebter und bieten ein leistungsfähigeres Musikerlebnis. Eine aktuelle Studie untersuchte die Vorlieben von Musikern für das Spielen mit klassischen stereophonen Systemen im Vergleich zu einem binauralen räumlichen System (Audio, das mit einer dualen Mikrofonanordnung aufgenommen wird und einen 3D-Audioeffekt erzeugt, als ob es live gehört wird). In dem Experiment verwendeten die Forscher Kopfverfolgung als Verhaltensmaß und fanden heraus, dass die binaurale Räumlichkeit mit höheren Bewertungen für Immersion, sozialen Präsenz, Verbindung mit anderen Musikern, Lokalisierung und Realismus assoziiert war und dass es mehr Kopfbewegungen im Vergleich zum klassischen stereophonen System gab. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die verbesserte auditive Erfahrung zu höherem Engagement führte und/oder dass „das Vorhandensein verkörperter Musik-Kognitionsmechanismen, die einen höheren Grad an Erkundung verursachen, um den Aktions-Wahrnehmungskreis besser zu verstehen“ (Tomasetti & Turchet, 2023).

Im Kontext der musikalischen Darbietung spielen auch Kopfbewegungen eine Rolle in der Kommunikation und Signalgebung zwischen spielenden Musikern. Kommunikation ist wichtig für Musiker, wenn sie improvisieren oder wenn das musikalische Timing unregelmäßig ist. Durch die gemeinsame Aufmerksamkeit können Darbieter signalisieren und mit anderen Musikern interagieren. In einer Studie von Bishop, Cancino-Chacon & Goebl, die 2019 veröffentlicht wurde, wurde die Kopfbewegung gemessen und die Forscher stellten fest, dass Kopfbewegungen als Kommunikationsmittel verwendet wurden, wenn Noten gehalten wurden. Darüber hinaus gab es einen Übungs-/Probe-Effekt, bei dem Musiker mehr Bewegung zeigten, als sie mit ihrem Co-Darbieter vertrauter wurden. Diese Ergebnisse zeigen die Bedeutung von Koordination und Kopfbewegungen, die als Motivation zur Förderung von Risikobereitschaft in einem kreativen musikalischen Kontext dienen können.

7. HCI

Human Computer Interaction (HCI) konzentriert sich auf die Überschneidung von Design und der Nutzung von Computertechnologie. Daher umfasst ein bedeutendes Thema in der HCI die Interaktion zwischen Menschen und Computern. Die häufigsten Eingaben sind Maus- und Tastenverfolgung, jedoch haben Innovationen es möglich gemacht, die Kopfverfolgung als Eingabe zu verwenden, um mit Computern zu interagieren und sie zu steuern.

HCI spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung von Spielen. Im Schnittpunkt zwischen HCI und Spielen sind wichtige Überlegungen: Spiel-Interaktionen und -verhalten sowie die Eigenschaften der Spieler, HCI-Experten helfen im Wesentlichen, Spiele zu gestalten. Da Interaktionen in Spielen mehrere Rollen haben können, können in dieser Kategorie Kopf-Nicken und Bewegungen eine bedeutende Funktion in der Gesamtspielleistung und -gestaltung besitzen. Ein Beispiel dafür, wie HCI, Gamification und Kopfbewegungen zur Kontrolle zusammenarbeiten können, findet sich in diesem Spiel, das von Ilves, Gizatdinova, Surakka & Vankka entwickelt wurde, bei dem es das Ziel des Spielers war, Kopfbewegungen zu verwenden, um einen Charakter zu steuern, mit der zusätzlichen Möglichkeit, Gesichtsausdrücke zu verwenden. Das Ergebnis der Studie zeigte, dass die Spieler diesen interaktiven Ansatz genossen und ihn unterhaltsamer und interessanter fanden, was darauf hindeutet, dass ein solcher Ansatz es wert ist, für ein lohnenderes Erlebnis in Betracht gezogen zu werden.

8. Unterstützende Technologien

Menschen mit Behinderungen haben Schwierigkeiten, mit Geräten wie PCs zu interagieren und sie zu steuern. Für diese Bevölkerungsgruppe bieten unterstützende Technologien eine mögliche Lösung zur Erhöhung der selbstständigen Nutzung und Kontrolle über Geräte (Zapala & Balaj, 2012). Durch die Verwendung von Kopfverfolgung können unterstützende Technologien über Kopfbewegungen navigiert und gesteuert werden. Es ist auch üblich, diese Bewegungen mit anderen Eingaben wie Blickverfolgung und Spracherkennung zu kombinieren.

9. Luftfahrt

Studien, die Kognitions- und Leistungsdaten in einem Luftfahrtumfeld untersuchen, verwenden ebenfalls Kopfverfolgungsmetriken. Sehr häufig geschieht dies in Verbindung mit Augenverfolgung, um zu bewerten, wohin man schaut, in Bezug auf die Kopfposition. Durch das Messen von Kopfbewegungen können Forscher Einblicke in kognitive Prozesse wie Aufmerksamkeit, räumliche Wahrnehmung, automatisierte Bewegungen und im Fall, dass ein Co-Pilot beteiligt ist, gemeinsame Aufmerksamkeit und situatives Bewusstsein gewinnen (Murthy et al., 2020).

10. Automobilforschung

Beim Fahren finden viele kognitive Prozesse gleichzeitig statt. Am wichtigsten ist die Aufmerksamkeit auf die Straße und andere Fahrzeuge, die Entscheidungsprozesse und räumliches Bewusstsein antreiben. Dies zeigt sich in Situationen wie Spurwechsel. Wenn man die Spur wechselt, geht das visuelle Verhalten der Entscheidung voraus, und dabei spielen Kopfbewegungen eine wichtige Rolle, wenn man den Raum wahrnimmt, indem man sich zu den vorderen oder seitlichen Spiegeln orientiert (Pech, Lindner, & Wanielik, 2014). Eine solche Studie kann in Labvanced mit der Fernkopfverfolgung unter Verwendung der Webcam, die in einem Smartphone montiert ist, durchgeführt werden.

Straßeneinübergang

In Zusammenhang mit Mobilität und Umwelt steht der Straßeneinübergang. In dieser interessanten Studie verwendeten Zito et al. die Kopfverfolgung, um zu bewerten, wie junge und alte Fußgänger die Straße überqueren. Die Ergebnisse zeigten, dass ältere Menschen dazu neigen, häufiger auf die Straße (anstatt auf die andere Seite) zu schauen als jüngere Fußgänger und dass das Entscheidungsverhalten älterer Fußgänger stärker von der Entfernung des Autos abhängig war als von dessen Geschwindigkeit. Eine solche Studie zeigt die Bedeutung von Kopfverfolgung in einer alltäglichen Situation.

11. Kommunikation / Körpersprache

Wie im vorherigen Abschnitt angedeutet, kann Kopfbewegung zur Kommunikation über Körpersprache verwendet werden. Dies ist ein häufiges Phänomen, das über den Kontext der Musik und in alltäglichen Situationen hinaus auftritt. Dies zeigt sich während eines Gesprächs, in dem Kopf-Nicken als Körpersprache verwendet wird, um Zustimmung oder Ablehnung anzuzeigen. Im nächsten Abschnitt diskutieren wir, wie Kultur eine Rolle dabei spielt, ob ein Kopfschütteln ‚nein‘ oder ‚ja‘ bedeutet.

Kopfbewegungen spielen auch eine Rolle in der Gebärdensprache. In einer Studie von Puupponen wurde die Beziehung zwischen dem Kopf und dem Oberkörper in der finnischen Gebärdensprache untersucht. Das Forschungspapier untersuchte, wie Narrative unterschiedlicher Komplexität die Bewegung von Kopf und Oberkörper beeinflussen und bewertete auch allgemein die Rolle dieser beiden Körperteile in der Gebärdensprache in ihrer Funktion als Artikulatoren. Die allgemeine Schlussfolgerung war, dass die Kopfbewegung in der finnischen Gebärdensprache eine größere und aktivere Rolle spielt und in den meisten Fällen eine gemeinsame Richtung der Bewegung auftritt, während komplexere Kombinationen zu Unterschieden in den Bewegungen führten. Die Untersuchung der Rolle von Kopfbewegungen in der Gebärdensprache ist ein interessantes Forschungsanwendungsbeispiel und kann online mit Labvanced untersucht werden.

12. Sozialpsychologie

Kopfbewegungen spielen eine wichtige Rolle in der nonverbalen Kommunikation, jedoch gibt es einen sozialen oder kulturellen Aspekt, der die Bedeutung der verwendeten Körpersprache wie Kopf-Nicken und -Schütteln bestimmt.

Zum Beispiel zeigt in der US-Kultur eine vertikale Bewegung des Kopfes ‚ja‘ oder eine positive Antwort an. Während es in verschiedenen Kulturen ‚nein‘ oder eine negative Antwort bedeuten kann. Die bulgarische Kultur ist ein Beispiel dafür, wo horizontale Bewegungen ‚nein‘ bedeuten können. Eine Studie von Andonova und Taylor bewertete, wie diese kulturellen Unterschiede kognitive Prozesse in einer Situation ohne kommunikative Absicht beeinflussen, und stellte fest, dass es einen Einfluss des Landes auf kognitive Situationen wie Gesten und kulturspezifische Verkörperungsmuster gibt.

13. Entwicklung

Die Augenverfolgung bei Säuglingen und Kindern kann aufgrund der langen Kalibrierungszeit und der Notwendigkeit, während der Kalibrierungsphase still zu bleiben, herausfordernd sein. Solche Beobachtungen wurden sowohl in klinischen als auch in gesunden Bevölkerungsgruppen und auch in Studien festgestellt, die Augenverfolgung in fMRI-Einstellungen nutzen (Sasson & Elison, 2012; Son et al., 2020). Kopfverfolgung ist eine leistungsstarke Lösung für dieses Problem, da sie keine Kalibrierung erfordert. Darüber hinaus sind die Kopfhaltung und die Aufmerksamkeit in dieser jungen Population stark miteinander verbunden (Langton, 2000).

In der Entwicklungspsychologie hat die Kopfverfolgung viele Anwendungsfälle, insbesondere im Bereich der klinischen Forschung. Eine innovative Studie von Song et al., veröffentlicht im Januar 2023, etablierte eine Methode zur frühen Screening-Diagnose von Autismus-Spektrum-Störungen bei Kindern, indem ein Algorithmus entwickelt wurde, der die Kopfverfolgung mit einer gemessenen Reaktion auf den eigenen Namen des autistischen Kindes kombiniert. Der Grund für diese Kombination von Variablen ist, dass die fehlende Reaktion auf den eigenen Namen als eines der frühen Warnzeichen für Autismus-Spektrum-Störungen angesehen wird. Die Forscher zeigten, dass bei Verwendung dieses Algorithmus, der die Kopfposition berücksichtigt, eine 93,3% Übereinstimmung zwischen der Methode und der klinischen Diagnose besteht. Solche Ergebnisse ebnen den Weg für einen neuen Screening-Test, der auf Kopfverfolgung basiert und schneller und kosteneffektiver ist als das aktuelle Screening-Protokoll, das viel Zeit, Fachwissen und Geld erfordert.

Fazit

Insgesamt ist die Kopfverfolgung eine leistungsstarke und nützliche Funktion, die in verschiedenen Forschungsanwendungen zur Untersuchung kognitiver Funktionen wie Aufmerksamkeit, Wahrnehmung, Orientierung, Entscheidungsfindung und Interaktionen eingesetzt werden kann. Die Aktivierung der Kopfverfolgung mit einer Webcam ist in Online-Forschungseinrichtungen möglich und kann neue Forschungswege durch Fernadministration eröffnen.

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