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 Erscheinen eines Stimulus und der Reaktion zu tun.

Es gibt zwei Komponenten zur Messung der Reaktionszeit: den Zeitpunkt des Auftretens des Stimulus und den Zeitpunkt, an dem die Antwort des Teilnehmers erfolgte, was in Abb. 1 veranschaulicht ist.

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

Damit die Reaktionszeit genau gemessen werden kann, muss die genaue Zeit des Auftretens des Stimulus (Punkt A) bekannt sein, ebenso wie der Zeitpunkt, an dem die Reaktion des Teilnehmers (Punkt B) erfolgte, da die Reaktionszeit die Differenz zwischen diesen beiden Punkten ist. Von den beiden Punkten aus ist es einfach zu bestimmen, wann die Reaktion eines Teilnehmers stattfand, aber es ist schwierig zu wissen, wann genau der Stimulus auftrat (Punkt A).

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

1. Bildschirmaktualisierungsrate: Die Aktualisierungsrate des Monitors erfolgt mit 60Hz, sodass etwas, das geplant ist, nur dann auftreten kann, wenn der Monitor aktualisiert wird. Auch wenn dies auf Millisekundenebene geschieht, ist es ein wichtiger Faktor, den es zu quantifizieren gilt (wir erläutern später, wie dies mit der Request Animation Frame-Methode gemessen wird), da es direkten Einfluss auf den experimentellen Verlauf hat.

2. Natur der Programmierung: Alle Experimente basieren auf Programmierung und um Code auszuführen, muss dieser verarbeitet werden, da nichts instantan ist; dies dauert normalerweise 1-2 Aktualisierungszyklen.

3. Gerätekapazität: Auch wenn dies nicht häufig vorkommt, kann die Präsentation des Stimulus verzögert werden, wenn die Kapazität des Geräts des Teilnehmers sehr niedrig ist, da alle Systemverzögerungen (wie ein Computer-einfrieren) auftreten können. Wir besprechen später, wie wir dieses Problem überprüfen (den JavaScript Event Loop).

Zusammenfassend ist die Reaktionszeit von vielen Faktoren abhängig, auf deren Grundlage technologische Prozesse aufgebaut sind, um die Zeit zwischen dem Auftreten des Stimulus und der Reaktion des Teilnehmers genau zu bestimmen.

Peer-Reviewed Veröffentlichung in Behavior Research Methods

Schauen Sie sich dieses peer-reviewed Papier an, das in 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 hat.

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):

• Preloading (Caching): Sicherstellen, dass alle experimentellen Stimuli vor Beginn des Experiments geladen und lokal verfügbar sind, sodass während des experimentellen Fortschritts kein Laden erfolgt. Wenn also ein Teilnehmer an einer Studie teilnehmen möchte, sind alle Stimuli (Bilder, Audio und Video) bereits von unserem Server abgerufen und lokal auf ihrem Computer geladen.

• Pre-Rendering: Wenn das Experiment beginnt, wird der Inhalt rekursiv erstellt, sodass der nächste Frame und die nächste Probe im Hintergrund geladen werden und bereit sind, sobald der Teilnehmer bereit ist, fortzufahren. Dies wird durch einen Vorrendermechanismus ermöglicht.

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

Speichern der Teilnehmerantworten

Alle Experimente finden lokal auf dem Computer des Teilnehmers statt. Daher ist das Internet technisch gesehen nicht zwingend notwendig, 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 zum Server hochzuladen.

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

1. Ein lokaler Browser kann nicht unbegrenzt Speicher halten oder cachen. Durch häufiges Backup wird Speicher freigegeben, und das System läuft nicht Gefahr, zu laggen.
2. Wenn ein Teilnehmer stoppt oder ausscheidet, sind zumindest einige Daten für die Versuche, die sie abgeschlossen haben und auf die sie vor der Beendigung ihrer Teilnahme geantwortet haben, gespeichert.

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 (Stimulus-Auftakt) und Punkt B (die Reaktion des Teilnehmers) erfolgt sind. Da der Computer über eine allgemeine Systemuhr verfügt, ist diese überall gleich, unabhängig davon, wo/welche Anwendung Sie verwenden.

Über Systemarchitektur und Datenfluss der Reaktionszeit

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

Preloading (Caching)

Abb.3: Die Hauptsteps des Preloading/Caching-Mechanismus in Labvanced.

Preloading oder Caching erfolgt, bevor das Experiment beginnt. Labvanced ist so konzipiert, dass alle experimentellen Stimuli der Studie heruntergeladen werden, bevor die Studie beginnt. Dazu gehören alle Elemente, wie Bilder und Videos. Sie werden alle von den Labvanced-Servern abgerufen und lokal auf dem Gerät des Teilnehmers heruntergeladen, sodass während des Experiments selbst kein Laden stattfinden muss (Abb. 3).

Vorrendermechanismus

Abb. 4: Die Hauptschritte des Vorrendermechanismus in Labvanced.

Wir haben einen Vorrendermechanismus implementiert, um die Struktur der experimentellen Aufgaben, Versuche und Frames im Voraus zu erstellen. Zum Beispiel, wenn Sie im Versuch #1 einer Aufgabe sind, rendern wir alle Frames im aktuellen und kommenden Versuch im Voraus, sodass während des Experiments kein Laden erforderlich ist, einschließlich der Anweisungen, Texte, Audioobjekte, Fokussierungskreuze usw. Durch den Aufbau der Versuche und Frames im Voraus wird verhindert, dass der Browser langsamer wird oder überwältigt wird (Abb. 4).

Teilnehmerspezifische Messungen

Aufgrund der angeborenen Variabilität zwischen Geräten und Computern wird die Leistung durch die Definition beeinflusst. Indem ein Experiment auf einem lokalen System durchgeführt wird, das von seiner technischen Spezifikation begrenzt ist (d. h. Geschwindigkeit und Speicher sind nicht unbegrenzt, sondern durch deren technische Spezifikationen begrenzt), können Stimuli möglicherweise nicht wie erwartet angezeigt werden (es kann beispielsweise eine Verzögerung von einigen Millisekunden auftreten).

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

• Den Request Animation Frame
• Den JavaScript Event Loop

Request Animation Frame

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

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

Angenommen, Sie führen Code aus, um Stimuli bei 2000 ms anzuzeigen, wenn Sie dies ausführen, passiert nichts, der Stimulus wird automatisch beim nächsten Aktualisierungsintervall, 60 Millisekunden (Hz) später, beim 240-ms-Marker angezeigt. Sie können diese winzige Verzögerung messen und nachträglich berücksichtigen. Da wir den Request Animation Frame verwenden, können Sie genau wissen, wann ein Befehl ausgeführt wurde (wann er wirklich auf dem Monitor angezeigt wurde) und entsprechend anpassen (Abb. 5).

JavaScript Event Loop

Abb. 6: Die Schritte des JavaScript Event Loop, der CallBack-Funktion, um die Geschwindigkeit des Computers mithilfe von Labvanced zu bestimmen.

Ein weiteres Beispiel für teilnehmerspezifische Messungen ist die Bestimmung der Geschwindigkeit ihres Geräts.

Wenn Ihr Computer langsam ist, kann dies daran liegen, dass laufende Systemprozesse CPU-Ressourcen verwenden. Somit arbeitet der Browser mit den verfügbaren begrenzten Ressourcen, und alles wird langsamer.

Um zu bestimmen, ob dies auf Teilnehmerniveau passiert, verwenden wir den JavaScript Event Loop unter Verwendung von CallBack-Funktionen, die standardmäßig im Hintergrund automatisch ausgeführt werden, um die Zeit zu messen, die benötigt wird, damit die Funktion sich selbst zurückruft. Wenn es nicht innerhalb von 5 ms zurückkehrt, bedeutet dies, dass der Browser/Computer des Teilnehmers langsam ist, was die Integrität der experimentellen Ergebnisse zur Messung der Reaktionszeit beeinflussen könnte (Abb. 6). Wir berichten den Mittelwert in Millisekunden, den es benötigt, damit die CallBack-Funktion für den Teilnehmer zurückkehrt.

Für die Tausenden von Studien, die von Teilnehmern in Labvanced durchgeführt wurden, haben wir festgestellt, dass über 95 % der Teilnehmer einen gemeldeten Wert haben, der unter 3 ms liegt, manchmal sogar unter 1 ms. In einigen Fällen gibt es jedoch Ergebnisse, die im Durchschnitt 200-300 ms betragen, was dem Forscher Hinweise geben könnte, diese spezifischen Daten des Benutzers aus der endgültigen Datensatzanalyse auszuschließen.

Hauptmerkmale von Labvanced’s Reaktionszeit- und Präzisions-Timing-Funktionen:

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

• Temporale Genauigkeit der Stimuluspräsentationen
• Räumliche Genauigkeit der Stimuluspräsentationen
• Augenverfolgungsgenauigkeit und Abtastrate
• Quantifizierung und Messungen jeglicher geräte- und bildschirmbezogener Verzögerungen für jeden Teilnehmer, die Standardisierung, Vergleichbarkeit zwischen Probanden und Korrekturen ermöglichen. Dies geschieht durch die Präzision des Ereignisloops und den Request Animation Frame, die im vorherigen Abschnitt beschrieben wurden.

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

Vorteile von Labvanced’s Präzisem Timing

Dank 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:

• Kontrolliertes Timing der Stimuli: Forscher wissen, zu welchem Zeitpunkt die Stimuli genau auf dem Bildschirm angezeigt werden, wodurch Anpassung und genaue Messungen möglich sind.
• Starke rechentechnische und programmiertechnische Mechanismen: Um dem Forscher die genauesten Daten zu liefern, verwenden wir starke rechentechnische und programmiertechnische Mechanismen, um den Beginn der Stimuli auf dem Bildschirm des Teilnehmers genau zu quantifizieren.
• Erprobt und getestet: Wir haben mit Forschern aus der ganzen Welt zusammengearbeitet, um unsere Plattform zu optimieren, und unsere Funktionen wurden von unzähligen Forschungs- und akademischen Institutionen erprobt, die unser Online-Tool zur Messung der Reaktionszeit als Grundlage für ihre Studien und veröffentlichten Arbeiten verwenden.

Beispiel-Daten & Metriken zur Reaktionszeit

Abb. 8: Datenbericht aus einer Sitzung eines Teilnehmers, der 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
• Kognitiver Rückgang
• Wahrnehmung
• Leistungsbewertungen
• Merkmalskennung
  

LV Bibliotheksstudien:

Es gibt viele Studien, die messen, wie lange es dauert, bis eine Antwort auf einen Stimulus erfolgt; hier sind einige Beispiele für Aufgaben, die die Messung der Reaktionszeit in ihrem Kern haben:

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

Beliebte Forschungsbereiche, die Labvanced’s Präzises Timing nutzen:

• Wachsamkeit
• Kognitiver Rückgang
• Wahrnehmung
• Leistungsbewertungen
• Merkmalskennung