13 Anwendungsmöglichkeiten der Kopfverfolgung in der Forschung
Die Kopfverfolgung ist eine leistungsstarke Methode, um Einblicke in das Verhalten zu gewinnen. Obwohl diese Funktion zusammen mit der Augenverfolgung verfügbar ist, wird sie weiterhin zu wenig genutzt und ist weniger bekannt. Die Kopfverfolgung ist mit der Augenverfolgung insofern verwandt, als sie Informationen über Aufmerksamkeit und Orientierung liefert. Da die Kopfverfolgung eine zusätzliche Datenquelle bereitstellt, kann sie in zahlreichen Anwendungen und Forschungsszenarien eingesetzt werden, insbesondere in Situationen, in denen die Implementierung der Augenverfolgung herausfordernd ist.
1. Aufmerksamkeit
Fundamental für alle Forschung, die Kopfverfolgung verwendet, ist Aufmerksamkeit. Da Kopfbewegungen mit Orientierung und der Reaktion auf Reize zusammenhängen, ist es eine Bewegung, die sehr eng mit Aufmerksamkeit gekoppelt ist. Tatsächlich kombiniert viele Forschung Kopfverfolgung mit Augenverfolgung, um die Aufmerksamkeit zu bewerten, da die beiden zusammenhängen.
Kopfverfolgung ist ein gröberes Maß zur Quantifizierung von Aufmerksamkeit und ist ein vorteilhaftes Maß, da es keine Kalibrierung erfordert, was im Vergleich zur Augenverfolgung, die umfangreiche Kalibrierung benötigt, um spezifisch für den Teilnehmer zu sein, ein großer Vorteil ist. Daher ist es eine wertvolle Messung 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 festzustellen, ob der Teilnehmer dem Bildschirm zugewandt ist oder auf etwas anderes achtet.
2. Sport
Im Sport spielen Kopfbewegungen verschiedene Rollen. Kopfbewegungen helfen Spielern nicht nur dabei, sich im Raum zu orientieren, sondern beeinflussen auch den Ausgang ihrer Leistung. Zum Beispiel werden im Basketball Kopfbewegungen in verschiedenen Spielsituationen verwendet, um den Verteidiger zu täuschen, zum Beispiel, wenn man den Ball werfen oder in eine andere Richtung passen möchte. Eine aktuelle Studie untersuchte die Produktionskosten von Kopfbewegungen im Basketball und stellte fest, dass die Reaktionszeit höher ist, wenn ein Pass mit einer Kopfbewegung ausgeführt wird als ohne. Interessanterweise werden diese Produktionskosten negiert, wenn der Spieler, der die Kopfbewegung ausführt, eine längere Vorbereitungsphase hat (Güldenpenning et al., 2023).
Ein weiteres Beispiel ist im Baseball, wenn ein Spieler an die Platte geht, um zu schlagen. Blick und Fokus auf den Pitch sind entscheidend, aber auch Kopfbewegungen werden während des Schlags ausgeführt. Tatsächlich deuten Beweise aus sportpsychologischen Studien, die Baseballverhalten analysieren, darauf hin, dass mehr Kopfrotation als Augenbewegung beim Schlagen auftritt. Somit spielen Kopfbewegungen im Baseball eine große Rolle, da Spieler auch dazu neigen, ihren Kopf beim Schlagen nach unten zu halten oder sogar ihren Kopf in Richtung Platte zu drehen, wobei beide Verhaltensweisen als trainierbar erachtet 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 Kopfgeschüttel. Dies wird bei neurologischen Erkrankungen wie Parkinson beobachtet, wo Kopfnicken unwillkürlich erfolgt. Die Diagnose von Dystonie ist im Allgemeinen subjektiv und nicht gut definiert mit minimalen Anforderungen. Für fokale Dystonie-Syndrome (die auf ein Körperteil lokalisiert sind) gibt es keine diagnostischen Kriterien (Albanese, Giovanni, & Lalli, 2018). Für Patienten, die unter Kopfgeschüttel leiden, kann die Kopfverfolgung eine objektive Methodik 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 die Tür zu Online-Studien und Fernforschung öffnet, 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 Kalibrierungen für die Augenverfolgung schwierig sein können, aber auch für Studien, die auf Smartphones angewiesen sind. Da die Kopfverfolgung nicht so viel Rechenleistung wie die Augenverfolgung erfordert, funktioniert sie schneller und auf jedem Gerät, während die Augenverfolgung eine anständige CPU/GPU benötigt, um auch aus der Ferne vernünftig zu funktionieren.
Echtzeit-Feedback über Kopfbewegungen, das die Kopfverfolgung in Labvanced demonstriert.
Probieren Sie diese einfachen Demo zur Verfolgung von Kopfbewegungen in Labvanced aus. Wenn Sie das Experiment starten, erscheint ein Gesichtsnetz 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 Folge der Verfolgung der Kopfbewegungen im dreidimensionalen Raum bewegen. Im Backend sind diese Schieberegler äquivalent zu Datenpunkten und Koordinaten im Raum. Daten über Kopfbewegungen in Labvanced werden in 6 Datenströmen erfasst.
5. Feedback des sensorsystems und Kopfbewegung
Feedback von Sensorsystemen, wie visuelle und auditive Informationen kombiniert mit vestibulären Informationen, ist das Herzstück des grundlegenden Verhaltens des Bewegungs-Trackings. 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 multisensorischer Eingaben erfordert. Die Forschung zur Kombination von Kopfverfolgung und bewegendem Klang ist begrenzt, obwohl es ein grundlegendes Verhalten ist, das leitet, wie man sich in seiner Umgebung orientiert und sie versteht (Leung et al., 2016).
6. Musik
Musik ist ein bedeutender Ausdruck von Klang, wobei Bewegungen von denen, die zuhören und/oder sie produzieren, natürlich hervorgerufen werden können. Da Musik voller Rhythmus und kraftvoller musikalischer Wendungen ist. Ob beim hören von Live-Musik oder einer aufgenommenen Version, Kopfbewegungen werden sicherlich stattfinden. Eine Studie von Swarbrick et al. aus dem Jahr 2019 zeigte, dass Teilnehmer, die ein Album hören, das noch nicht veröffentlicht wurde (und somit unbekannt ist), während eines Live-Konzerts mehr Kopfbewegungen machen als beim Hören einer aufgezeichneten Version des Konzerts. Darüber hinaus bewegten sich die Teilnehmer, die mit den früheren Arbeiten des Musikers vertraut waren, auch mehr und hatten mehr Rhythmus im Vergleich zu neutralen Zuhörern. Durch die Verfolgung von Kopfbewegungen zeigen die Forscher, wie Bewunderung für einen Künstler und das Hören von Live-Musik beide Verhaltensweisen wie Kopfbewegungen beim Musikhören beeinflussen.
Im letzten Jahrzehnt, da sich die Technologie in allen Branchen verbessert, werden immersive Hörsysteme immer beliebter und bieten ein kraftvolleres Musikerlebnis. Eine aktuelle Studie untersuchte die Vorlieben von Musikern beim Spielen mit klassischen stereophonen Systemen im Vergleich zu einem binauralen räumlichen System (Audio, das mit einem dualen Mikrofon-Setup aufgezeichnet wird und einen 3D-Klangeffekt erzeugt, als ob es live gehört wird). In dem Experiment verwendeten die Forscher die Kopfverfolgung als Verhaltensmaß und fanden heraus, dass die binaurale räumliche Bedingung mit höheren Bewertungen für Immersion, soziale Präsenz, Verbindung zu anderen Musikern, Lokalisierung und Realismus verbunden war und dass es mehr Kopfbewegungen im Vergleich zum klassischen stereophonen System gab. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das verbesserte Hörexperiment zu höherer Engagement führte und/oder dass "die Präsenz von verkörperten Musik-Kognitionsmechanismen, die eine höhere Exploration bewirken, um den Handlungs-Wahrnehmungs-Kreislauf besser zu verstehen" (Tomasetti & Turchet, 2023).
Im Kontext der musikalischen Darbietung spielen Kopfbewegungen auch eine Rolle in der Kommunikation und dem Signalisieren zwischen den aufführenden Musikern. Kommunikation ist für Musiker wichtig, wenn sie improvisieren oder wenn das musikalische Timing unregelmäßig ist. Durch die Nutzung geteilter Aufmerksamkeit können Darsteller andere Musiker signalisieren und mit ihnen interagieren. In einer Studie von Bishop, Cancino-Chacon und Goebi, veröffentlicht 2019, wurde die Kopfbewegung gemessen und die Forscher stellten fest, dass die Kopfbewegung als Methode zur Kommunikation verwendet wurde, wenn Noten gehalten wurden. Darüber hinaus gab es einen Übungs-/Proben-Effekt, bei dem Musiker mehr Bewegung zeigten, als sie mit ihren Mitspielern vertrauter wurden. Diese Ergebnisse zeigen die Bedeutung von Koordination und Kopfbewegungen, die als Motivation für das Fördern von Risikobereitschaft in einem kreativen musikalischen Kontext dienen können.
7. HCI
Die Mensch-Computer-Interaktion (HCI) konzentriert sich auf die Überschneidung zwischen Design und der Nutzung von Computertechnologie. Ein wichtiges Thema in der HCI ist daher die Interaktion zwischen Menschen und Computern. Zu den häufigsten Eingaben gehören Maus- und Tastaturverfolgung, jedoch haben Innovationen es möglich gemacht, dass Head Tracking als Eingabemethode genutzt wird, um mit Computern zu interagieren und diese zu steuern.
HCI spielt auch eine entscheidende Rolle in der Spielestudie. Im Schnittbereich zwischen HCI und Spielen sind wichtige Überlegungen: Interaktionen und Verhaltensweisen im Gameplay sowie die Eigenschaften der Spieler. HCI-Experten helfen im Wesentlichen dabei, Spiele zu entwerfen. Da Interaktionen in Spielen mehrere Rollen haben können, können in dieser Kategorie Kopfnicken und Bewegungen eine signifikante Funktion für die gesamte Spielleistung und -gestaltung haben. Ein Beispiel dafür, wie HCI, Gamification und Kopfbewegungen zur Steuerung zusammenkommen, findet sich in einem Spiel, das von Ilves, Gizatdinova, Surakka & Vankka entwickelt wurde, bei dem das Ziel des Spielers darin bestand, Kopfbewegungen zu verwenden, um eine Figur zu steuern, wobei zusätzlich die Möglichkeit bestand, Gesichtsausdrücke zu verwenden. Das Ergebnis der Studie zeigte, dass die Spieler diesen interaktiven Ansatz genossen und ihn als unterhaltsamer und interessanter empfanden, was darauf hindeutet, dass ein solcher Ansatz für ein lohnenderes Erlebnis in Betracht gezogen werden sollte.
8. Assistive Technologien
Menschen mit Behinderungen haben Schwierigkeiten beim Interagieren und Steuern von Geräten wie PCs. Für diese Bevölkerungsgruppe dienen assistive Technologien als mögliche Lösung zur Steigerung der unabhängigen Nutzung und Kontrolle über Geräte (Zapala & Balaj, 2012). Durch die Verwendung von Kopfverfolgung können assistive Technologien mittels Kopfbewegungen navigiert und gesteuert werden. Es ist auch üblich, diese Bewegungen mit anderen Eingaben wie Blickverfolgung und Spracherkennung zu kombinieren.
9. Luftfahrt
Studien, die Kognition und Leistung in einer Luftfahrtsituation untersuchen, verwenden ebenfalls Kopfverfolgungsmetriken. Sehr oft erfolgt dies in Verbindung mit Augenverfolgung, um zu bewerten, wo jemand im Verhältnis zur Kopfposition hinblickt. Durch die Messung von Kopfbewegungen können Forscher Einsichten in kognitive Prozesse wie Aufmerksamkeit, räumliche Wahrnehmung, automatische Bewegungen und im Falle eines Co-Piloten gemeinsamer Aufmerksamkeit und situativer Bewusstheit 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 die Entscheidungsfindung und das räumliche Bewusstsein steuert. Dies wird in Situationen wie dem Spurwechsel offensichtlich. Beim Spurwechsel geht dem Entscheidungsprozess das visuelle Verhalten voraus und hierbei spielen Kopfbewegungen eine wichtige Rolle bei der Wahrnehmung des Raums, indem sie auf die vorderen oder seitlichen Spiegel orientiert werden (Pech, Lindner, & Wanielik, 2014). Eine solche Studie kann in Labvanced mit der Fernkopfverfolgung unter Verwendung der in das Smartphone integrierten Webcam durchgeführt werden, die auf dem Armaturenbrett des Fahrzeugs montiert ist.
Straßenüberquerung
In Verbindung mit Mobilität und Umwelt steht die Straßenüberquerung. In dieser interessanten Studie verwendeten Zito et al. die Kopfverfolgung, um zu bewerten, wie junge und alte Fußgänger die Straße überqueren. Die Ergebnisse ergaben, dass ältere Menschen dazu neigen, häufiger nach unten auf die Straße zu schauen (im Gegensatz zur anderen Seite) als jüngere Fußgänger und dass das Entscheidungsverhalten älterer Fußgänger mehr durch die Entfernung des Autos und weniger durch seine Geschwindigkeit bestimmt wurde. Eine solche Studie zeigt die Bedeutung der Kopfverfolgung in einer alltäglichen Situation.
11. Kommunikation / Körpersprache
Wie im vorherigen Abschnitt angedeutet, kann die Kopfbewegung zur Kommunikation über Körpersprache verwendet werden. Dies ist ein häufiges Phänomen, das über den Kontext von Musik hinaus in alltäglichen Situationen auftritt. Dies wird während des Gesprächs deutlich, wo Kopfnicken als Körpersprache verwendet wird, um Zustimmung oder Ablehnung anzuzeigen. Im nächsten Abschnitt besprechen wir, wie Kultur eine Rolle spielt, um anzuzeigen, ob ein Kopfschütteln 'nein' oder 'ja' bedeutet.
Kopfbewegungen spielen auch eine Rolle in der Gebärdensprache. In einer Studie von Puupponen wurde die Beziehung zwischen Kopf und Torso in der finnischen Gebärdensprache untersucht. Die Forschungsarbeit befasste sich damit, wie Erzählungen von unterschiedlicher Komplexität die Bewegung von Kopf und Torso beeinflussen, während auch die allgemeine Rolle dieser beiden Körperteile in Gebärdensprachen in ihrer Funktion als Artikulatoren untersucht wurde. Das allgemeine Fazit war, dass die Kopfbewegung eine größere und aktivere Rolle in der finnischen Gebärdensprache spielt und dass in den meisten Fällen eine Co-Okkurrenz in der Koordination der Bewegung festgestellt wurde, während komplexere Kombinationen Unterschiede in den Bewegungen zur Folge hatten. Die Untersuchung der Rolle von Kopfbewegungen in der Gebärdensprache ist ein interessantes Anwendungsbeispiel in der Forschung und kann online über 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 Kopfnicken und -schütteln bestimmt.
Beispielsweise zeigt die Kultur der USA, dass eine vertikale Kopfbewegung 'ja' oder eine positive Reaktion anzeigt. Während in anderen Kulturen dies 'nein' oder eine negative Reaktion bedeuten kann. Die bulgarische Kultur ist ein Beispiel, wo horizontale Bewegungen 'nein' anzeigen können. Eine Studie von Andonova und Taylor bewertete, wie diese kulturellen Unterschiede kognitive Prozesse in einer Situation ohne kommunikative Absicht beeinflussen und fand heraus, dass es einen Einfluss des Landes auf kognitive Situationen gibt, wie Gesten und kulturspezifische Verkörperungsmuster.
13. Entwicklung
Die Augenverfolgung bei Säuglingen und Kindern kann aufgrund der langen Kalibrierungszeit und der Anforderung, während dieser Phase ruhig zu bleiben, herausfordernd sein. Solche Beobachtungen wurden sowohl in klinischen als auch in gesunden Populationen festgestellt und auch in Studien, die Augenverfolgung in fMRI-Settings verwendeten (Sasson & Elison, 2012; Son et al., 2020). Die Kopfverfolgung ist eine leistungsstarke Lösung für dieses Problem, da sie keine Kalibrierung erfordert. Darüber hinaus sind Kopfhaltung und Aufmerksamkeit in dieser jungen Bevölkerung stark miteinander verbunden (Langton, 2000).
In der Entwicklungspsychologie hat die Kopfverfolgung viele Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im Bereich der klinischen Forschung. Eine innovative Studie von Song et al., veröffentlicht im Januar 2023, etablierte eine Methode zum frühen Screening von Autismus-Spektrum-Störungen bei Kindern, indem ein Algorithmus entwickelt wurde, der Kopfverfolgung mit der gemessenen Reaktion auf den eigenen Namen des autistischen Kindes kombiniert. Der Grund für diese Kombination von Variablen liegt darin, dass das Fehlen einer Reaktion auf den eigenen Namen als eines der frühen Warnzeichen für Autismus-Spektrum-Störungen betrachtet 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 ein leistungsstarkes und nützliches Merkmal, das in verschiedenen Forschungsanwendungen verwendet werden kann, um kognitive Funktionen wie Aufmerksamkeit, Wahrnehmung, Orientierung, Entscheidungsfindung und Interaktionen zu untersuchen. Die Aktivierung der Kopfverfolgung mit einer Webcam ist in Online-Forschungseinstellungen möglich und kann neue Forschungswege durch Fernadministration eröffnen.
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