Präzises Timing

Hintergrund & Kontext

Die Reaktionszeit in der psychologischen Forschung wird verwendet, um kognitive Prozesse und Verhaltensweisen zu quantifizieren. Eine eindeutige Definition der Reaktionszeit hat mit der verstrichenen Zeit zwischen dem Auftreten eines Reizes und der Reaktion zu tun.

Die Messung der Reaktionszeit umfasst zwei Komponenten: den Zeitpunkt des Auftretens des Reizes und den Zeitpunkt der Reaktion des Teilnehmers, wie in Abb. 1 dargestellt.

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

Um die Reaktionszeit genau zu messen, muss der genaue Zeitpunkt des Auftretens des Reizes (Punkt A) bekannt sein, ebenso wie der Zeitpunkt der Reaktion des Teilnehmers (Punkt B), da die Reaktionszeit der Unterschied zwischen diesen beiden Punkten ist. Aus den beiden Punkten lässt sich leicht ableiten, wann die Reaktion eines Teilnehmers stattgefunden hat, aber es ist herausfordernd, genau zu wissen, wann der genaue Beginn des Reizes stattfand (Punkt A).

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

1. Bildschirmaktualisierungsrate: Die Aktualisierungsrate des Monitors erfolgt mit 60Hz, sodass etwas, das geplant ist, nur dann angezeigt werden kann, wenn der Monitor aktualisiert wird. Auch wenn dies auf Millisekundenebene geschieht, ist es ein wichtiger Faktor zur Quantifizierung (was wir später besprechen werden, wie es mit dem Request Animation Frame gemessen wird), da es die experimentelle Abfolge direkt beeinflusst.

2. Natur der Programmierung: Alle Experimente basieren auf Codierung und um Code auszuführen, muss er verarbeitet werden, da nichts sofort geschieht, normalerweise dauert dies 1-2 Aktualisierungsschleifen.

3. Gerätekapazität: Auch wenn dies nicht häufig vorkommt, wenn die Gerätekapazität des Teilnehmers sehr langsam ist, kann die Präsentation des Reizes verzögert werden, da alle Systemverzögerungen (wie ein Computerstillstand) eine Rolle spielen. Wir werden später erörtern, wie wir dieses Problem überprüfen (die JavaScript-Ereignisschleife).

Zusammenfassend ist die Reaktionszeit von vielen Faktoren betroffen, auf denen technologische Prozesse aufgebaut sind, um die Zeit zwischen dem Beginn des Reizes und der Reaktion des Teilnehmers genau zu bestimmen.

Fachlich begutachtete Veröffentlichung in Behavor Research Methods

Sehen Sie sich dieses fachlich begutachtete Papier an, das im Springer Nature’s 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 bietet.

Unser Prozess: Labvanced's Pipeline für präzises Timing

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

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

• Vorladen (Caching): Sicherstellen, dass alle experimentellen Reize vor Beginn des Experiments vorab geladen und lokal verfügbar sind, damit während des experimentellen Fortschritts kein Laden stattfindet. Wenn ein Teilnehmer also an einer Studie teilnehmen möchte, sind alle Reize (Bilder, Audio und Video) bereits abgerufen und lokal auf seinem Computer von unserem Server geladen.

• Vorab-Rendering: Wenn das Experiment beginnt, wird der Inhalt rekursiv erstellt, sodass der nächste Frame und Versuch im Hintergrund geladen werden und bereit sind, sobald der Teilnehmer bereit ist, weiterzumachen. Dies wird durch einen Vorab-Rendering-Mechanismus gesteuert.

• Teilnehmerspezifische Messungen: Da Online-Studien im Browser beginnen, hat jeder Teilnehmer begrenzte Computerressourcen (GPU, CPU), die berücksichtigt werden müssen, da sie die Leistung beeinflussen. Wir erfassen mögliche Verzögerungen und bieten diese als Korrekturvariable für den Forscher an, die auch als Ausschlusskriterium verwendet werden kann.

Speichern der Antworten der Teilnehmer

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

Wenn die Voraussetzungen jedoch vorhanden sind, ist unsere Software so eingerichtet, dass Datenaufzeichnung und Antworten automatisch nach jedem Versuch gespeichert werden. Dies ist wichtig, weil:

1. Ein lokaler Browser kann kein unbegrenztes Maß an Speicher halten oder cachen. Durch häufiges Backup wird Speicher freigegeben und das System läuft nicht Gefahr, langsamer zu werden.
2. Wenn ein Teilnehmer stoppt oder aussteigt, gibt es mindestens einige Daten, die für die Versuche gespeichert werden, die er abgeschlossen hat und bei denen er vor der Beendigung seiner Teilnahme Antworten gegeben hat.

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 zu bestimmen, wann Punkt A (Beginn des Reizes) und Punkt B (Reaktion des Teilnehmers) aufgetreten sind. Da der Computer eine allgemeine Systemuhr hat, ist dies unabhängig davon gleich, was Sie gerade tun oder verwenden.

Über Systemarchitektur und Datenfluss der Reaktionszeit

Während die oben beschriebene Pipeline die grundlegenden Schritte des Reaktionszeitprozesses erfasst, finden Sie hier eine detailliertere Erklärung von allem, was in Labvanced vor sich geht, um die Messung der Reaktionszeit genau und präzise zu gestalten.

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 Reize der Studie heruntergeladen werden, bevor die Studie beginnt. Dies umfasst alle Elemente wie Bilder und Videos. Sie werden alle von den Serven von Labvanced abgerufen und lokal auf dem Gerät des Teilnehmers heruntergeladen, sodass während des Experiments selbst kein Laden stattfinden muss (Abb. 3).

Vorab-Rendering-Mechanismus

Abb. 4: Die Hauptschritte des Vorab-Rendering-Mechanismus in Labvanced.

Wir haben einen Vorab-Rendering-Mechanismus implementiert, um die Struktur der experimentellen Aufgaben, Versuche und Frames im Voraus zu erstellen. Zum Beispiel, wenn Sie sich im Versuch #1 einer Aufgabe befinden, rendern wir alle Frames im aktuellen und kommenden Versuch im Voraus, damit das Laden nicht während des Experiments stattfindet, einschließlich der Anweisungen, Texte, Audioobjekte, Fixationskreuz usw. Durch das Vorab-Bauen der Versuche und Frames wird verhindert, dass der Browser langsamer wird oder überfordert wird (Abb. 4).

Teilnehmerspezifische Messungen

Aufgrund der inhärenten Variabilität zwischen Geräten und Computern wird die Leistung durch die Definition beeinflusst. Wenn ein Experiment auf einem lokalen System ausgeführt wird, das von Natur aus limitierte Ressourcen hat (z. B. Geschwindigkeit und Speicher sind nicht unbegrenzt, sondern durch ihre technischen Spezifikationen eingeschränkt), werden die Reize möglicherweise nicht wie erwartet angezeigt (es kann beispielsweise eine Verzögerung von mehreren Millisekunden auftreten).

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

• Das Request Animation Frame
• Die JavaScript-Ereignisschleife

Request Animation Frame

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

Alle 60 ms wird der Monitor unabhängig aktualisiert und aktualisiert, dies ist eine Konstante für alle Computer und Bildschirme. Um zu bestimmen, ob es eine Verzögerung bei der Präsentation des Reizes gibt (auf Millisekundenskala), wird das Request Animation Frame für alle Fälle verwendet, in denen ein zeitgesteuertes Reiz auftritt.

Angenommen, Sie führen Code aus, um Reize bei 2000 ms zu zeigen, wenn Sie ihn ausführen, passiert nichts, die Reize werden automatisch beim nächsten Aktualisierungsintervall, 60 Millisekunden (Hz) später, bei 240 ms angezeigt. Diese kleine Verzögerung können Sie messen und nachträglich berücksichtigen. Da wir das Request Animation Frame verwenden, können Sie genau wissen, wann ein Befehl ausgeführt wurde (wann es wirklich auf dem Monitor passiert ist) und entsprechend anpassen (Abb. 5).

JavaScript-Ereignisschleife

Abb. 6: Die Schritte der JavaScript-Ereignisschleife, der Callback-Funktion zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Computers mithilfe von Labvanced.

Ein weiteres Beispiel für teilnehmerspezifische Messungen bezieht sich auf die Bestimmung der Geschwindigkeit ihres Geräts.

Wenn Ihr Computer langsam ist, liegt das möglicherweise daran, dass aktive Systemprozesse ausgeführt werden, die die verfügbare CPU nutzen. Daher arbeitet der Browser mit den begrenzten Ressourcen, die zur Verfügung stehen, und als Ergebnis wird alles langsamer.

Um zu bestimmen, ob dies auf der Teilnehmer-/Benutzerebene geschieht, verwenden wir die JavaScript-Ereignisschleife mit Callback-Funktionen, die automatisch (standardmäßig) im Hintergrund läuft, um die Zeit zu messen, die benötigt wird, damit die Funktion auf sich selbst zurückkehrt. Wenn sie innerhalb von 5 ms nicht zurückkehrt, bedeutet das, dass der Browser/Computer des Teilnehmers langsam ist, was die Integrität der experimentellen Ergebnisse zur Messung der Reaktionszeit beeinträchtigen könnte (Abb. 6). Wir berichten den Mittelwert in Millisekunden, der für die Rückkehr der Callback-Funktion für den Teilnehmer benötigt wird.

Für die Tausenden von Studien, die von Teilnehmern in Labvanced durchgeführt wurden, haben wir festgestellt, dass über 95 % der Teilnehmer einen berichteten 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 darauf hinweisen könnte, diese Daten eines bestimmten Nutzers aus der finalen Datensatzanalyse auszuschließen.

Hauptmerkmale von Labvanced's Reaktionszeiten und Fähigkeiten zum präzisen Timing:

Unsere Top-Features zur Messung der Antworten der Teilnehmer umfassen (Abb. 7):

• Temporale Genauigkeit der Stimuli-Präsentationen
• Räumliche Genauigkeit der Stimuli-Präsentationen
• Genauigkeit des Eye Trackings und Abtastrate
• Quantifizierung und Messung aller geräte- und bildschirmbezogenen Verzögerungen für jeden Teilnehmer, die eine Standardisierung, Vergleichbarkeit zwischen den Probanden und Korrekturen ermöglichen. Dies geschieht über die Ereignisschleifenpräzision und das Request Animation Frame, das im vorherigen Abschnitt beschrieben wurde.

Abb. 7: Die Hauptmerkmale von Labvanced’s präzisem Timing / Reaktionszeitlösung.

Vorteile von Labvanced’s Präzisem Timing

Durch diese 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:

• Kontrolliertes Timing der Stimuli: Forscher wissen, wann die Stimuli auf dem Bildschirm präsentiert werden, was Anpassungen und genaue Messungen ermöglicht.
• Starke Rechen- und Programmiermechanismen: Um dem Forscher die genauesten Daten zu berichten, verwenden wir starke Rechen- und Programmiermechanismen, um den Beginn der Stimuli auf dem Bildschirm des Teilnehmers genau zu quantifizieren.
• Erprobt: Wir haben mit Forschern aus der ganzen Welt zusammengearbeitet, um unsere Plattform zu verfeinern. Infolgedessen wurden unsere Funktionen von unzähligen Forschungs- und akademischen Institutionen getestet, die unsere Online-Messung der Reaktionszeit als Grundlage für ihre Studien und veröffentlichten Arbeiten verwenden.

Beispieldaten & Metriken zur Reaktionszeit

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

Dinge, die Sie mit Labvanced's Präzisem Timing tun können:

• Wachsamkeit
• Kognitive Abnahme
• Wahrnehmung
• Leistungsmaße
• Merkmalserkennnung
  

LV Bibliotheksstudien:

Es gibt viele Studien, die messen, wie lange es dauert, bis auf einen Reiz reagiert wird. Hier sind einige Beispiele für Aufgaben, die der Messung der Reaktionszeit zugrunde liegen:

• N-back-Aufgabe: Ein kognitiver Test zur Messung der Kapazität des Arbeitsgedächtnisses. Reize werden präsentiert und der Teilnehmer wird herausgefordert zu bestimmen, ob es sich um denselben Reiz handelt, der n Schritte zurück präsentiert wurde.
• Stroop-Aufgabe: Diese klassische Aufgabe zeigt, wie erhöhte Reaktionszeiten auftreten, wenn ein Teilnehmer mit inkongruenten Reizen (ein Wort, das 'gelb' sagt, aber blau gefärbt ist) konfrontiert wird.
• 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 Abnahme
• Wahrnehmung
• Leistungsmaße
• Merkmalserkennnung

Theoretisch können Sie Reaktionszeit zu jedem Experiment hinzufügen, indem Sie einfach eine Reaktionszeitvariable in Ihrem Editor erstellen.

Sehen Sie, wie Sie einer Reaktionszeitaufgabe mit diesem Video zu Ihrer Studie hinzufügen können: