13 种关于研究的头部追踪应用案例
头部追踪是获取行为洞察的有力方式。尽管该功能可以与眼动追踪一起使用,但它仍然未被充分利用且鲜为人知。头部追踪与眼动追踪相关,因为它提供了有关注意力和方向的信息。由于头部追踪提供了额外的数据源,因此可以用于多种应用和研究环境,包括在实施眼动追踪存在挑战的情况下。
1. 注意力
所有使用头部追踪的研究的基础是注意力。由于头部运动与对刺激的方向和减弱有关,因此这种运动与注意力密切相关。事实上,许多研究结合了头部追踪和眼动追踪来评估注意力,因为二者是相关的。
头部追踪是量化注意力的一种粗略衡量方法,它是一种有益的测量,因为它不需要校准,这在与需要大量校准以便于特定参与者的眼动追踪相比是一个重要优势。因此,它是一个有价值的注意力测量。
由于易于使用(不需要校准),头部追踪在多种场景中更直接和被动地测量注意力,使得实时跟踪头部运动变得容易。在在线环境中,头部追踪也用于确定参与者是否面对和关注屏幕或其他地方。
2. 体育
在体育运动中,头部运动扮演着各种角色。头部运动有助于运动员不仅在空间中导航,而且还引导和影响他们的表现结果。例如,在篮球比赛中,头部假动作在各种比赛情况下被用来欺骗防守者,比如当某人想投篮或将球传向另一个方向。最近的一项研究检查了使用头部假动作在篮球中的制造成本,并发现使用头部假动作传球的反应时间比分开传球时更高。有趣的是,如果假动作的球员有更长的准备阶段,这种生产成本就会被消除(Güldenpenning et al.,2023)。
另一个例子是棒球,当一名球员走向击球区进行击球时。目光和集中注意力在投球上至关重要,但在击球时也会进行头部运动。事实上,来自体育心理学研究的证据分析了棒球行为,发现击球时头部旋转的发生频率高于眼睛。因此,头部运动在棒球中扮演重要角色,球员在击球时也可能低头或者转头看向本垒,这两种行为被发现是经过教练指导的(Terry & Fogt,2023)。
3. 僵直症
僵直症是一种不自主运动障碍,常规或周期性的肌肉收缩导致不规则的运动和/或姿势。该定义的一部分包括颤抖,包括头部摇晃颤抖。这在帕金森等神经疾病中被观察到,头部点头是无意识的。一般来说,僵直症的诊断是主观的且定义不明确,要求最低。对于局部僵直症综合征(局限于一个身体部位),没有可用的诊断标准(Albanese, Giovanni, & Lalli,2018)。对于 suffering from 头部摇晃颤抖的患者,头部追踪可以是一种量化运动的客观方法。
4. 远程研究
有许多技术可以用于研究头部追踪,但一个强大的用例是使用网络摄像头研究头部追踪,这为在线研究和远程研究打开了大门,参与者不必不断进入实验室,以便研究人员收集行为测量。使用 Labvanced,研究人员可以在 PC 或智能手机上激活头部追踪。这对于研究儿童很有用,因为对眼动追踪的校准可能很困难,此外也适用于依赖智能手机的研究。由于头部追踪不需要与眼动追踪相同程度的计算能力,因此其性能更快,适用于任何设备,而眼动追踪需要良好的 CPU/GPU 才能在远程良好运行。
展示 Labvanced 中头部运动的实时反馈效果。
尝试这个 简单的演示,在 Labvanced 中跟踪头部运动。当您开始实验时,面部网格会出现在您的脸上,显示神经网络正在工作。然后,您可以朝任何方向移动头部,看到滑块立即随着三维空间中头部运动的跟踪而移动。在后端,这些滑块相当于数据点和空间中的坐标。在 Labvanced 中,头部运动的数据通过 6 个数据流进行报告。
5. 感觉系统反馈与头部运动
来自传感系统的反馈,如视觉和听觉结合前庭信息,是运动追踪基本行为的核心。例如,看到(并且也要避免)一辆移动的汽车或躲避一只嗡嗡作响的蜜蜂。虽然这样的行为似乎简单,但它是一个复杂的行为,需要协调多感官输入。尽管评估头部追踪与移动声音结合的研究有限,但这是一个引导如何导航和理解周围环境的基本行为(Leung et al.,2016)。
6. 音乐
音乐是声音的一种有意义的表达,听众和/或创作音乐的人可能自然会引发运动。音乐充满了节奏和强烈的音乐转折。无论是听现场音乐还是录音版本,头部运动都是不可避免的。Swarbrick et al. 在 2019 年的一项研究表明,当参与者听到一张尚未发行的专辑(因此不熟悉)时,与听录音中的音乐相比,现场音乐会中会发生更多的头部运动。此外,那些熟悉音乐家之前作品的人在与中性听众相比时,头部运动和节奏也更多。通过跟踪头部运动,研究人员展示了对艺术家的钦佩和聆听现场音乐如何影响听音乐时的头部运动行为。
在过去十年中,随着各个行业技术的进步,沉浸式聆听系统变得越来越流行,提供了更强大的音乐聆听体验。最近的一项研究考察了音乐家在使用经典立体声系统和双耳空间化系统(通过双麦克风设置录制声频,并创造出一种如同现场聆听的 3D 声音效果)演奏时的偏好。在实验中,研究人员使用头部追踪作为行为测量,发现双耳空间化条件与沉浸感、社交存在、与其他音乐家的连结、定向及真实感的评分更高,且与经典立体声系统相比,头部运动更多。这些发现表明,改善的听觉体验导致了更高的参与度和/或“具身音乐认知机制的存在,导致更高程度的探索,以更好地理解行动–感知循环”(Tomasetti & Turchet,2023)。
在音乐表演的背景下,头部运动也在演奏音乐的音乐家之间的交流和信号传递中发挥作用。当即兴创作或音乐节奏不规则时,沟通对于音乐家来说是重要的。通过使用共享注意力,表演者可以向其他音乐家发出信号并进行互动。在一项由 Bishop、Cancino-Chacon 和 Goebi 在 2019 年发表的研究中,测量了头部运动,研究人员确定头部运动被用作在持音时进行交流的一种方式。此外,存在一种实践/排练效应,音乐家在与合作者更熟悉时表现出更多的运动。这些结果表明了协调和头部运动的重要性,这可以作为促进音乐创作环境中冒险行为的动力。
7. 人机交互
人机交互(HCI)专注于设计和计算机技术使用之间的重叠。因此,HCI 的一个主要主题是人类与计算机之间的互动。最常见的输入包括鼠标和键盘追踪,然而,创新使得它可以使用头部追踪作为一种输入,来与计算机进行互动和命令。
HCI在游戏研究中也发挥着至关重要的作用。在 HCI 和游戏的交汇处,重要的考虑领域包括:游戏玩法互动和行为,以及玩家的特点,HCI 专家帮助设计游戏。由于游戏中的互动可以承担多个角色,因此在这个类别中,头部点头和运动在整体游戏表现和设计中可以发挥重要功能。HCI、游戏化和通过控制进行头部运动的示例可以在 Ilves、Gizatdinova、Surakka 和 Vankka 开发的游戏中找到,玩家的目标是通过头部运动引导角色,还有使用面部表情的额外可能性。该研究的结果表明,玩家喜欢这种互动方式,觉得这更有趣,这表明这种方法值得考虑,以获得更有价值的体验。
8. 辅助技术
残疾人在人机交互和控制诸如计算机等设备时会遇到困难。对于这个群体,辅助技术作为提高独立使用和控制设备的可能解决方案(Zapala & Balaj,2012)。通过使用头部追踪,辅助技术可以通过头部运动进行导航和控制。通常也会将这些运动与其他输入,如眼动追踪的注视和语音识别相结合。
9. 航空
在航空环境中,研究认知和表现的研究也采用头部追踪指标。通常,这与眼动追踪结合以评估一个人相对于头部位置的注视方向。通过测量头部运动,研究人员可以获得有关认知过程的信息,如注意力、空间感知、自动运动,以及在涉及副驾驶的情况下的共同注意力和情境意识(Murthy et al.,2020)。
10. 汽车研究
在驾驶时,同时发生多个认知过程。最重要的是,注意力集中在道路和其他车辆上驱动决策和空间意识。这在变道等情况中显而易见。当变更车道时,视觉行为在决策之前,而在这方面,头部运动在通过面前或侧面镜子感知空间时发挥着重要作用(Pech、Lindner 和 Wanielik,2014)。这种研究可以在 Labvanced 中进行,使用固定在车辆仪表盘上的智能手机内置的网络摄像头进行远程头部追踪。
过马路
与移动性和环境相关的是过马路。在这项有趣的研究中,Zito 等人使用头部追踪评估年轻和年长行人如何过马路。结果发现,年长者往往比年轻行人更加常看向地面(而不是对面),而且老年行人的决策行为更受车辆距离的影响,而非速度。这项研究显示了在日常情况下头部追踪的重要性。
11. 沟通 / 肢体语言
如前一部分所提示的,头部运动可以通过肢体语言进行交流。这是一种常见的现象,超出了音乐的背景,出现在日常场合。这在交谈中表现得尤为明显,头部点头作为肢体语言被用来表示同意或不同意。在下一部分中,我们讨论文化在指示头部摇晃意味着“不”或“是”方面的作用。
头部运动在手语中也扮演着角色。在 Puupponen 的一项研究中,评估了芬兰手语中头部与躯干的关系。研究论文研究了不同复杂性的叙事如何影响头部和躯干的运动,同时一般评估这两部分在手语中的功能作为发音器的角色。总体结论是,头部运动在芬兰手语中扮演更大且更主动的角色,并且在大多数情况下,运动的共线性出现,而更复杂的组合则导致运动的差异。在手语中评估头部运动的角色是一个有趣的研究用例,并可以通过 Labvanced 在线进行研究。
12. 社会心理学
头部运动在非语言沟通中发挥着重要作用,但其中也存在社会或文化方面,这决定了肢体语言的含义,如头部点头和摇头。
例如,在美国文化中,垂直移动头部表示“是”或积极的回应。而在不同文化中,它可能意味着“不”或消极回应。保加利亚文化就是一个例子,其中的水平运动可以表示“不”。Andonova 和 Taylor 的一项研究评估了这些文化差异如何影响没有交流意图的认知过程,发现国家对认知情境如手势和文化特定的体现模式有影响。
13. 发展
对婴儿和儿童进行眼动追踪可能具有挑战性,因为长期的校准过程需要在校准阶段保持静止。这种观察在临床和健康人群中都已发现,并且在利用眼动追踪的 fMRI 研究中(Sasson & Elison,2012;Son et al.,2020)。头部追踪是解决这个问题的有效方法,因为它不需要校准。此外,在这一年轻群体中,头部方向和注意力高度相关(Langton,2000)。
在发展心理学中,头部追踪有许多应用,尤其是在临床研究领域。一项由 Song 等人于 2023 年 1 月发表的创新研究,通过开发一个算法,结合头部追踪与对自闭症儿童自己名字的反应建立了早期自闭症谱系障碍筛查的方法。这些变量结合的原因在于,对自己名字的缺乏反应被视为自闭症谱系障碍的早期警告信号之一。研究人员表明,利用这一考虑头部位置的算法,方法和临床诊断间一致性达到 93.3%。这样的发现为依赖头部追踪的新筛查测试铺平了道路,该测试比当前的筛查协议更快速和成本更低,后者需要大量时间、专业知识和资金。
结论
总体而言,头部追踪是一个强大且有用的功能,可在各种研究应用中用于研究认知功能,如注意力、感知、方向、决策和互动。通过网络摄像头启用头部追踪在在线研究环境中是可行的,能够通过远程管理开启新的研究方向。
参考文献
- Albanese, A., Di Giovanni, M., & Lalli, S. (2019). Dystonia: diagnosis and management. European journal of neurology, 26(1), 5-17.
- Andonova, E., & Taylor, H. A. (2012). Nodding in dis/agreement: a tale of two cultures. Cognitive processing, 13, 79-82.
- Bishop, L., Cancino-Chacón, C., & Goebl, W. (2019). Moving to communicate, moving to interact: Patterns of body motion in musical duo performance. Music Perception: An Interdisciplinary Journal, 37(1), 1-25.
- Fogt, N., & Terry, J. (2023). Survey of Visual and Predictive Aspects of Batting and Eye Care Utilization in Baseball Players. Journal of Sports and Performance Vision, 5(1), e1-e15.
- Güldenpenning, I., Weigelt, M., Böer, N. T., & Kunde, W. (2023). Producing deceptive actions in sports: The costs of generating head fakes in basketball. Human Movement Science, 87, 103045.
- Ilves, M., Gizatdinova, Y., Surakka, V., & Vankka, E. (2014). Head movement and facial expressions as game input. Entertainment Computing, 5(3), 147-156.
- Langton, S. R. (2000). The mutual influence of gaze and head orientation in the analysis of social attention direction. The Quarterly Journal of Experimental Psychology: Section A, 53(3), 825-845.
- Leung, J., Wei, V., Burgess, M., & Carlile, S. (2016). Head tracking of auditory, visual, and audio-visual targets. Frontiers in neuroscience, 9, 493.
- Murthy, L. R. D., Mukhopadhyay, A., Yellheti, V., Arjun, S., Thomas, P., Babu, M. D., ... & Biswas, P. (2020, March). Evaluating accuracy of eye gaze controlled interface in military aviation environment. In 2020 IEEE Aerospace Conference (pp. 1-12). IEEE.
- Pech, T., Lindner, P., & Wanielik, G. (2014, October). Head tracking based glance area estimation for driver behaviour modelling during lane change execution. In 17th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC) (pp. 655-660). IEEE.
- Puupponen, A. (2018). The relationship between movements and positions of the head and the torso in Finnish Sign Language. Sign Language Studies, 18(2), 175-214.
- Sasson, N. J., & Elison, J. T. (2012). Eye tracking young children with autism. JoVE (Journal of Visualized Experiments), (61), e3675.
- Son, J., Ai, L., Lim, R., Xu, T., Colcombe, S., Franco, A. R., ... & Milham, M. (2020). Evaluating fMRI-based estimation of eye gaze during naturalistic viewing. Cerebral Cortex, 30(3), 1171-1184.
- Song, C., Wang, S., Chen, M., Li, H., Jia, F., & Zhao, Y. (2023). A multimodal discrimination method for the response to name behavior of autistic children based on human pose tracking and head pose estimation. Displays, 76, 102360.
- Swarbrick, D., Bosnyak, D., Livingstone, S. R., Bansal, J., Marsh-Rollo, S., Woolhouse, M. H., & Trainor, L. J. (2019). How live music moves us: head movement differences in audiences to live versus recorded music. Frontiers in psychology, 9, 2682.
- Tomasetti, M., & Turchet, L. (2023). Playing With Others Using Headphones: Musicians Prefer Binaural Audio With Head Tracking Over Stereo. IEEE Transactions on Human-Machine Systems.
- Zapała, D., & Bałaj, B. (2012). Eye Tracking and Head Tracking–The two approaches in assistive technologies. In book: Sborn'ik pvr'ispvevkuu z mezinárodn'i vvedecké konference (pp.2406-2415).
- Zito, G. A., Cazzoli, D., Scheffler, L., Jäger, M., Müri, R. M., Mosimann, U. P., ... & Nef, T. (2015). Street crossing behavior in younger and older pedestrians: an eye-and head-tracking study. BMC geriatrics, 15(1), 1-10.