Präzises Timing

Hintergrund & Kontext

Die Reaktionszeit in der psychologischen Forschung wird verwendet, um kognitive Prozesse und Verhaltensweisen zu quantifizieren. Eine klare Definition der Reaktionszeit bezieht sich auf die Zeit, die zwischen dem Auftreten eines Stimulus und der Reaktion vergeht.

Es gibt zwei Komponenten zur Messung der Reaktionszeit: den Zeitpunkt des Auftretens des Stimulus und den Zeitpunkt, zu dem die Reaktion des Teilnehmers erfolgt ist, dargestellt in Abb. 1.

Abb. 1: Die beiden Hauptkomponenten der Messung der Reaktionszeit.

Damit die Reaktionszeit genau gemessen werden kann, müssen der genaue Zeitpunkt des Auftretens des Stimulus (Punkt A) sowie der Zeitpunkt der Reaktion des Teilnehmers (Punkt B) bekannt sein, da die Reaktionszeit die Differenz zwischen diesen beiden Punkten ist. Anhand der beiden Punkte ist es einfach festzustellen, wann die Reaktion des Teilnehmers stattfand, aber es ist schwierig zu wissen, wann genau der Stimulus aufgetreten ist (Punkt A).

Warum ist es schwierig zu bestimmen, wann Punkt A auftritt? Es gibt drei Hauptgründe, die beeinflussen, wann ein Stimulus erscheint:

1. Bildschirmaktualisierungsrate: Die Aktualisierungsrate des Monitors liegt bei 60 Hz, sodass etwas nur dann auftreten kann, wenn der Monitor aktualisiert wird. Auch wenn dies auf Millisekunden-Ebene geschieht, ist es ein wichtiger Faktor, den es zu quantifizieren gilt (über den wir später besprechen, wie er mit dem Animation Frame Request gemessen wird), da er den experimentellen Ablauf direkt beeinflusst.

2. Natur der Programmierung: Alle Experimente basieren auf dem Codieren, und um Code auszuführen, muss er verarbeitet werden, da nichts instantaneous ist. Dies dauert normalerweise 1-2 Aktualisierungszyklen.

3. Gerätekapazität: Auch wenn dies nicht häufig vorkommt, kann es sein, dass die Kapazität des Geräts des Teilnehmers sehr langsam ist, sodass die Präsentation des Stimulus verzögert werden kann, da alle Systemverzögerungen (wie ein Computer, der einfriert) auftreten. Wir besprechen später, wie wir dieses Problem überprüfen (die JavaScript-Event-Schleife).

Zusammenfassend wird die Reaktionszeit von vielen Faktoren beeinflusst, auf denen technologische Prozesse basieren, um die Zeit zwischen dem Auftreten des Stimulus und der Reaktion des Teilnehmers genau zu bestimmen.

Peer-Review-Publikation in Behavior Research Methods

Sehen Sie sich dieses peer-reviewed Paper an, das im Springer Nature Behavior Research Methods im Mai 2022 veröffentlicht wurde. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass Labvanced die genauesten Reaktionszeitmessungen im Vergleich zu anderen webbasierten Tools hat.

Unser Prozess: Labvanced‘ Pipeline für präzises Timing

Abb. 2: Die allgemeine Pipeline für präzises Timing und das Erfassen genauer Reaktionszeiten in Labvanced.

Um präzises Timing und Reaktionszeiten zu gewährleisten, folgt unsere Software diesen Schritten (Abb. 2):

• Vorladen (Caching): Sicherstellen, dass alle experimentellen Stimuli vor Beginn des Experiments geladen und lokal verfügbar sind, damit das Laden nicht während des experimentellen Fortschritts erfolgt. Wenn ein Teilnehmer an einer Studie teilnehmen möchte, sind alle Stimuli (Bilder, Audio und Video) zuvor abgerufen und lokal auf seinem Computer von unserem Server geladen worden.

• Vorbereitung: Wenn das Experiment beginnt, wird der Inhalt rekursiv erstellt, sodass der nächste Frame und die nächste Probe im Hintergrund geladen und bereit sind, sobald der Teilnehmer bereit ist, fortzufahren. Dies geschieht mithilfe eines Vorbereitungsmechanismus.

• Teilnehmer-spezifische Messungen: Da Online-Studien im Browser beginnen, hat jeder Teilnehmer begrenzte Computerressourcen (GPU, CPU), die bei der Leistung berücksichtigt werden müssen. Wir erfassen mögliche Verzögerungen und stellen diese als Korrekturvariable dem Forscher zur Verfügung, die auch als Ausschlusskriterium verwendet werden kann.

Speicherung der Antworten der Teilnehmer

Alle Experimente finden lokal auf dem Computer des Teilnehmers statt. Daher ist das Internet technisch gesehen nicht zwingend erforderlich, um ein Experiment durchzuführen. Das Internet wird nur zu Beginn benötigt, um das Experiment lokal vorzuladen, und am Ende, um die Daten und Antworten wieder auf den Server hochzuladen.

Wenn die Voraussetzungen vorhanden sind, ist unsere Software so eingestellt, dass die Datenaufzeichnung und die Antworten automatisch nach jeder einzelnen Probe gespeichert werden. Dies ist wichtig, da:

1. Ein lokaler Browser kann nicht unbegrenzt viel Speicher halten oder cachen. Durch häufiges Backup wird der Speicher freigegeben, und das System läuft nicht Gefahr, zu verzögern.
2. Wenn ein Teilnehmer stoppt oder aussteigt, sind mindestens einige Daten für die Proben gespeichert, die sie vor dem Abbruch ihrer Teilnahme abgeschlossen haben und auf die sie geantwortet haben.

Über den Zeitstempel

Während das Experiment aktiv ist, hat die Labvanced-App keinen Zugriff auf alle anderen Prozesse oder Teile des Computers. Wenn jedoch etwas mit Reaktionszeit aufgezeichnet wird, ist ein Zeitstempel erforderlich, und die App kann auf die Systemzeit der Computeruhr zugreifen, um festzustellen, wann Punkt A (Stimulusauftreten) und Punkt B (Reaktion des Teilnehmers) stattgefunden haben. Da der Computer über eine allgemeine Systemuhr verfügt, ist dies überall gleich, egal wo oder was Sie tun oder verwenden.

Über die Systemarchitektur und den Datenfluss der Reaktionszeit

Während die oben beschriebene Pipeline die grundlegenden Schritte des Reaktionszeitprozesses erfasst, folgt hier eine detailliertere Erklärung darüber, was in Labvanced passiert, um die Messung der Reaktionszeit genau und präzise zu machen.

Vorladen (Caching)

Abb.3: Die Hauptschritte des Vorladen/Caching-Mechanismus in Labvanced.

Vorladen oder Caching erfolgt, bevor das Experiment überhaupt beginnt. Labvanced ist so eingerichtet, dass alle experimentellen Stimuli des Studiums heruntergeladen werden, bevor die Studie beginnt. Dies umfasst alle Elemente wie Bilder und Videos. Alle werden von den Labvanced-Servern abgerufen und lokal auf dem Gerät des Teilnehmers heruntergeladen, sodass während des Experiments selbst kein Herunterladen stattfinden muss (Abb. 3).

Vorbereitungsmechanismus

Abb. 4: Die Hauptschritte des Vorbereitungsmechanismus in Labvanced.

Wir haben einen Vorbereitungsmechanismus implementiert, um die Struktur der experimentellen Aufgaben, Versuche und Frames im Voraus zu erstellen. Wenn Sie beispielsweise in Versuch #1 einer Aufgabe sind, bereiten wir alle Frames des aktuellen und zukünftigen Versuchs vor, sodass während des Experiments kein Laden erforderlich ist, einschließlich der Anweisungen, Texte, Audioobjekte, Fixationskreuze usw. Durch die Vorausplanung der Versuche und Frames wird verhindert, dass der Browser langsamer wird oder überwältigt wird (Abb. 4).

Teilnehmer-spezifische Messungen

Wegen der inhärenten Variabilität zwischen Geräten und Computern wird die Leistung von der Definition beeinflusst. Wenn ein Experiment auf einem lokalen System durchgeführt wird, das von den technischen Spezifikationen begrenzt ist (d.h. Geschwindigkeit und Speicher sind nicht unbegrenzt, sondern durch ihre technischen Spezifikationen begrenzt), werden die Stimuli möglicherweise nicht wie erwartet angezeigt (z.B. kann es zu einer Verzögerung von einigen Millisekunden kommen).

Um diese geräte- und teilnehmerspezifischen Schwankungen zu erfassen, haben wir die folgenden Mechanismen implementiert:

• Den Request Animation Frame
• Die JavaScript-Event-Schleife

Request Animation Frame

Abb. 5: Demonstration des Request Animation Frame-Mechanismus in Labvanced.

Alle 60 ms aktualisiert und aktualisiert der Monitor unabhängig, das ist eine Konstante für alle Computer und Bildschirme. Um festzustellen, ob es eine Verzögerung bei der Präsentation des Stimulus gibt (auf Millisekunden-Ebene), wird der Request Animation Frame verwendet, wann immer ein zeitlich geplanter Stimulus stattfindet.

Angenommen, Sie führen Code aus, um Stimuli nach 2000 ms anzuzeigen, wenn Sie es ausführen, passiert nichts; die Stimuli werden automatisch beim nächsten Aktualisierungsrate, 60 Millisekunden (Hz) später, zur 240 ms-Marke präsentiert. Sie können dieses kleine Lag messen und nachträglich berücksichtigen. Da wir den Request Animation Frame verwenden, wissen Sie genau, wann ein Befehl ausgeführt wurde (wann er tatsächlich auf dem Monitor erschien) und können entsprechend anpassen (Abb. 5).

JavaScript-Event-Schleife

Abb. 6: Die Schritte der JavaScript-Event-Schleife, der Callback-Funktion, um die Computergeschwindigkeit mithilfe von Labvanced zu bestimmen.

Ein weiteres Beispiel für teilnehmerspezifische Messungen hat mit der Bestimmung der Geschwindigkeit ihres Geräts zu tun.

Wenn Ihr Computer langsam ist, kann es daran liegen, dass aktive Systemprozesse laufen, die die verfügbare CPU nutzen. Daher arbeitet der Browser mit den verfügbaren begrenzten Ressourcen, was alles verlangsamt.

Um festzustellen, ob dies auf Teilnehmer-Ebene geschieht, verwenden wir die JavaScript-Event-Schleife mit Callback-Funktionen, die automatisch (standardmäßig) im Hintergrund läuft, um die Zeit zu messen, die benötigt wird, damit die Funktion auf sich selbst zurückkommt. Wenn sie nicht innerhalb von 5 ms zurückkehrt, bedeutet es, dass der Browser/Computer des Teilnehmers langsam ist, was sich negativ auf die Integrität der experimentellen Ergebnisse zur Messung der Reaktionszeit auswirken könnte (Abb. 6). Wir berichten den Durchschnittswert in Millisekunden, den es dauert, bis die Callback-Funktion für den Teilnehmer zurückkehrt.

Für die Tausenden von Studien, die von Teilnehmern in Labvanced abgeschlossen wurden, haben wir festgestellt, dass über 95 % der Teilnehmer einen angegebenen Wert haben, der unter 3 ms liegt, manchmal sogar unter 1 ms. In einigen Fällen gibt es jedoch Ergebnisse, die durchschnittlich 200-300 ms betragen, was den Forscher dazu anregen könnte, die Daten dieses bestimmten Nutzers aus der endgültigen Datenanalyse auszuschließen.

Hauptmerkmale von Labvanced’s Reaktionszeiten- und präzisen Timing-Fähigkeiten:

Unsere Hauptmerkmale zur Messung der Antworten der Teilnehmer umfassen (Abb. 7):

• Temporale Genauigkeit der Stimuluspräsentationen
• Räumliche Genauigkeit der Stimuluspräsentationen
• Augenverfolgungsgenauigkeit und Abtastrate
• Quantifizierung und Messungen von geräte- und bildschirmbezogenen Verzögerungen für jeden Teilnehmer, die eine Standardisierung, Vergleichbarkeit zwischen Subjekten und Korrekturen ermöglichen. Dies erfolgt durch die Event-Loop-Genauigkeit und den Request Animation Frame, die im vorherigen Abschnitt beschrieben sind.

Abb. 7: Die Hauptmerkmale von Labvanced’s Lösung für präzises Timing / Reaktionszeit.

Vorteile von Labvanced’s präzisem Timing

Aufgrund dieser Schritte und Mechanismen bietet Labvanced eine genaue und präzise Lösung zur Messung der Reaktionszeit während online Experimenten. Wir heben die folgenden Vorteile unserer Plattform hervor:

• Kontrollierte Timing der Stimuli: Forscher kennen die genaue Zeit, zu der die Stimuli auf dem Bildschirm präsentiert werden, sodass Anpassungen und genaue Messungen möglich sind.
• Starke Berechnungs- und Programmiermechanismen: Um dem Forscher sicherzustellen, dass die genauesten Daten angegeben werden, verwenden wir starke Berechnungs- und Programmiermechanismen, um den Zeitpunkt des Auftretens der Stimuli auf dem Bildschirm des Teilnehmers genau zu quantifizieren.
• Bewährt und getestet: Wir haben mit Forschern aus der ganzen Welt zusammengearbeitet, um unsere Plattform zu optimieren, und infolgedessen wurden unsere Funktionen von unzähligen Forschungs- und Bildungseinrichtungen getestet, die unser Online-Reaktionszeitmessung als Basis für ihre Studien und veröffentlichten Arbeiten nutzen.

Beispiel-Daten & -Metriken zum Thema Reaktionszeit

Abb. 8: Datenbericht aus einer Sitzung eines Teilnehmers, der die Stroop-Aufgabe mit Labvanced durchgeführt hat; die 3. Spalte von rechts zeigt die aufgezeichneten Reaktionszeiten.

Dinge, die Sie mit Labvanced’s präzisem Timing tun können:

• Wachsamkeit
• Kognitive Beeinträchtigung
• Wahrnehmung
• Leistungsmaße
• Merkmalswahrnehmung
  

LV Bibliothek Studien:

Es gibt viele Studien, die messen, wie lange es dauert, bis eine Reaktion auf einen Stimulus erfolgt. Hier sind einige Beispiele für Aufgaben, bei denen die Messung der Reaktionszeit im Mittelpunkt steht:

• N-back-Aufgabe: Ein kognitiver Test zur Messung der Arbeitsgedächtniskapazität. Stimuli werden präsentiert, und der Teilnehmer wird herausgefordert, festzustellen, ob es sich um den gleichen Stimulus handelt, der n Schritte zurückgelegt wurde.
• Stroop-Aufgabe: Diese klassische Aufgabe zeigt, wie die Reaktionszeiten erhöht werden, wenn einem Teilnehmer inkongruente Stimuli (ein Wort, das „gelb“ sagt, das aber blau gefärbt ist) präsentiert werden.
• Gesichtserkennung: Gesichtserkennung ist tief in der menschlichen Natur verwurzelt, und die Reaktionszeit kann gemessen werden, wie lange es dauert, bis der Teilnehmer zwei oder mehr Gesichter erkennt oder unterscheidet.

Beliebte Forschungsbereiche, die Labvanced’s präzises Timing nutzen:

• Wachsamkeit
• Kognitive Beeinträchtigung
• Wahrnehmung
• Leistungsmaße
• Merkmalswahrnehmung