Präzises Timing

Hintergrund & Kontext

Die Reaktionszeit in der psychologischen Forschung dient zur Quantifizierung kognitiver Prozesse und Verhaltensweisen. Eine klare Definition der Reaktionszeit bezieht sich auf die Zeitspanne zwischen dem Erscheinen eines Stimulus und der Antwort.

Es gibt zwei Komponenten zur Messung der Reaktionszeit, den Zeitpunkt des Eintreffens des Stimulus und den Zeitpunkt, an dem die Antwort des Teilnehmers erfolgt ist, wie in Abb.1 veranschaulicht.

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

Damit die Reaktionszeit genau gemessen wird, muss der genaue Zeitpunkt des Stimulus-Eintreffens (Punkt A) bekannt sein, ebenso wie der Zeitpunkt der Antwort des Teilnehmers (Punkt B), da die Reaktionszeit die Differenz zwischen diesen beiden Punkten ist. Aus den beiden Punkten lässt sich leicht ermitteln, wann die Antwort eines Teilnehmers erfolgte, aber es ist herausfordernd genau zu wissen, wann der Stimulus genau aufgetreten ist (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 Bildschirmaktualisierungsrate erfolgt bei 60Hz, sodass etwas, das geplant ist, nur stattfinden kann, wenn der Bildschirm aktualisiert wird. Obwohl dies auf Millisekundenskala ist, ist es ein wichtiger Faktor zur Quantifizierung (über den wir später sprechen, wie dies mit dem Animationsanforderungsverfahren gemessen wird), da es den experimentellen Ablauf direkt beeinflusst.

2. Natur der Programmierung: Alle Experimente basieren auf Codierung, und damit der Code ausgeführt werden kann, muss er verarbeitet werden, da nichts augenblicklich ist. Dies benötigt normalerweise 1-2 Aktualisierungszyklen.

3. Gerätekapazität: Obwohl dies nicht häufig vorkommt, kann es vorkommen, wenn die Gerätekapazität des Teilnehmers wirklich langsam ist, dass die Stimuluspräsentation verzögert wird, da alle Systemverzögerungen (wie ein Computerfreeze) auftreten können. Wir besprechen später, wie wir dieses Problem überprüfen (die JavaScript-Ereignisschleife).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Reaktionszeit von vielen Faktoren beeinflusst wird, auf denen technologische Prozesse basieren, um die Zeit zwischen dem Eintreffen des Stimulus und der Antwort des Teilnehmers genau zu bestimmen.

Peer-Review-Veröffentlichung in Behavior Research Methods

Schauen Sie sich dieses peer-reviewed 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 Messungen der Reaktionszeit 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):

• Vorladen (Caching): Sicherstellen, dass alle experimentellen Stimuli a priori vor Beginn des Experiments geladen und lokal verfügbar sind, damit während des experimentellen Ablaufs kein Laden stattfindet. Wenn ein Teilnehmer also an einer Studie teilnehmen möchte, sind alle Stimuli (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 wird und bereit ist, sobald der Teilnehmer bereit ist, fortzufahren. Dies wird durch einen Vorab-Rendering-Mechanismus gesteuert.

• Teilnehmer-spezifische 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 liefern sie als Korrekturvariable an den Forscher, die auch als Ausschlusskriterium verwendet werden kann.

Speichern der Antworten der Teilnehmer

Alle Experimente erfolgen lokal auf dem Computer des Teilnehmers. Daher ist das Internet technisch nicht 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 jedoch die Voraussetzungen vorhanden sind, ist unsere Software so eingerichtet, dass die Datenerfassung und die Antworten nach jedem Versuch automatisch gespeichert werden. Dies ist wichtig, da:

1. Ein lokaler Browser kann nicht unbegrenzt Speicher halten oder cachen. Durch häufige Sicherung wird Speicher freigegeben, und das System läuft nicht Gefahr, verzögert zu werden.
2. Wenn ein Teilnehmer stoppt oder ausscheidet, sind zumindest einige Daten für die Versuche gespeichert, die sie vor der Beendigung 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 zu bestimmen, wann Punkt A (Stimulus-Eintreffen) und Punkt B (Antwort des Teilnehmers) erfolgt sind. Da der Computer über eine allgemeine Systemuhr verfügt, ist dies unabhängig davon, wo / was Sie tun oder verwenden, gleich.

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 geschieht, um die Messung der Reaktionszeit genau und präzise zu machen.

Vorladen (Caching)

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

Das Vorladen oder Caching erfolgt, bevor das Experiment überhaupt beginnt. Labvanced ist so eingerichtet, dass alle experimentellen Stimuli der Studie heruntergeladen werden, bevor die Studie beginnt. Dies umfasst 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 Herunterladen stattfinden muss (Abb. 3).

Vorab-Rendering-Mechanismus

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

Wir haben einen Vorab-Rendering-Mechanismus eingerichtet, um die Struktur der experimentellen Aufgaben, Versuche und Frames im Voraus zu erstellen. Wenn Sie beispielsweise im Versuch #1 einer Aufgabe sind, rendern wir alle Frames im aktuellen und kommenden Versuch vor, damit kein Laden während des Experiments stattfindet, einschließlich der Anweisungen, des Textes, der Audiobestandteile, des Fixationskreuzes usw. Durch das Vorab-Rendering der Versuche und Frames wird verhindert, dass der Browser langsamer wird oder überfordert wird (Abb. 4).

Teilnehmer-spezifische Messungen

Aufgrund der inhärenten Variabilität zwischen Geräten und Computern wird die Leistung durch die Definition beeinflusst. Einfach durch das Ausführen eines Experiments auf einem lokalen System, das von Natur aus in den Ressourcen begrenzt ist (z. B. Geschwindigkeit und Speicher sind nicht unendlich, sondern durch ihre technischen Spezifikationen eingeschränkt), werden die Stimuli möglicherweise nicht wie erwartet angezeigt (es kann beispielsweise eine Verzögerung von einigen Millisekunden geben).

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

• Das Animationsanforderungsverfahren
• Die JavaScript-Ereignisschleife

Animationsanforderungsverfahren

Abb. 5: Darstellung des Animationsanforderungsverfahrens in Labvanced.

Alle 60 ms aktualisiert und aktualisiert sich der Monitor unabhängig, dies ist konstant für alle Computer und Bildschirme. Um festzustellen, ob es eine Verzögerung bei der Präsentation des Stimulus (auf Millisekundenskala) gibt, wird das Animationsanforderungsverfahren in allen Fällen verwendet, in denen ein zeitgesteuerter Stimulus auftritt.

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, zum 240 ms-Punkt präsentiert. Sie können diese kleine Verzögerung messen und nachträglich berücksichtigen. Da wir das Animationsanforderungsverfahren verwenden, können Sie genau wissen, wann ein Befehl ausgeführt wurde (wann er tatsächlich auf dem Monitor erschien) und entsprechend anpassen (Abb. 5).

JavaScript-Ereignisschleife

Abb. 6: Die Schritte der JavaScript-Ereignisschleife, der Callback-Funktion, zur Bestimmung der Computergeschwindigkeit mit Labvanced.

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 vorhanden sind, die die verfügbare CPU nutzen. Daher nutzt der Browser die begrenzten Ressourcen, die verfügbar sind, und infolgedessen wird alles langsamer.

Um festzustellen, ob dies auf Teilnehmerebene geschieht, verwenden wir die JavaScript-Ereignisschleife mit Callback-Funktionen, die automatisch (standardmäßig) im Hintergrund ausgeführt wird, um die Zeit zu messen, die benötigt wird, damit die Funktion sich selbst zurückruft. Wenn sie nicht innerhalb von 5 ms zurückkehrt, bedeutet das, dass der Browser/Computer des Teilnehmers langsam ist, was die Integrität der experimentellen Ergebnisse zur Messung der Reaktionszeit beeinträchtigen kann (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 abgeschlossen 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 liegen jedoch Ergebnisse vor, die durchschnittlich 200-300 ms betragen, was den Forscher möglicherweise dazu auffordert, die Daten dieses bestimmten Benutzers aus der endgültigen Datenanalyse auszuschließen.

Hauptmerkmale von Labvanced’s Reaktionszeit- und Präzisionstiming-Fähigkeiten:

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

• Temporelle Genauigkeit der Stimuluspräsentationen
• Räumliche Genauigkeit der Stimuluspräsentationen
• Augenverfolgungsgenauigkeit und Abtastrate
• Quantifizierung und Messung von geräte- und bildschirmbezogenen Verzögerungen für jeden Teilnehmer, die eine Standardisierung, Vergleichbarkeit zwischen Probanden und Korrekturen ermöglichen. Dies geschieht durch die Präzision der Ereignisschleife und das Animationsanforderungsverfahren, die im vorherigen Abschnitt beschrieben wurden.

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

Vorteile von Labvanced’s Präzisionstiming

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:

• Kontrolliertes Timing der Stimuli: Forscher haben Kenntnis über die genaue Zeit, zu der Stimuli auf dem Bildschirm präsentiert werden, was Anpassungen und genaue Messungen ermöglicht.
• Starke rechnerische und programmiertechnische Mechanismen: Um sicherzustellen, dass die genauesten Daten gemeldet werden, verwenden wir starke rechnerische und programmiertechnische Mechanismen, um den Beginn der Stimuli auf dem Bildschirm des Teilnehmers genau zu quantifizieren.
• Ausprobiert und getestet: Wir haben mit Forschern aus der ganzen Welt zusammengearbeitet, um unsere Plattform zu optimieren, und als Ergebnis wurden unsere Funktionen von unzähligen Forschungs- und akademischen Institutionen, die unsere Online-Messung der Reaktionszeit als Grundlage für ihre Studien und veröffentlichten Arbeiten nutzen, erprobt und getestet.

Beispiel Daten & Metriken zur Reaktionszeit

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

Dinge, die Sie mit Labvanced’s Präzisionstiming tun können:

• Wachsamkeit
• Kognitiver Rückgang
• Wahrnehmung
• Leistungsmaße
• Merkmalswahrnehmung
  

LV Bibliotheksstudien:

Es gibt viele Studien, die messen, wie lange es dauert, bis auf einen Stimulus reagiert wird. Hier sind einige Beispiele für Aufgaben, die im Kern die Messung der Reaktionszeit haben:

• N-back-Aufgabe: Ein kognitiver Test zur Messung der Arbeitsgedächtniskapazität. Stimuli werden präsentiert und der Teilnehmer wird herausgefordert, zu beurteilen, ob es sich um denselben Stimulus handelt, der n Schritte zurück präsentiert wurde.
• Stroop-Aufgabe: Diese klassische Aufgabe zeigt, wie erhöhte Reaktionszeiten auftreten, wenn ein Teilnehmer mit inkongruenten Stimuli (ein Wort, das 'gelb' sagt, aber in Blau gefärbt ist) präsentiert wird.
• Gesichtsverkennung: Die Gesichtsverkennung ist tief im menschlichen Wesen verwurzelt und die Reaktionszeit kann gemessen werden, wie lange es dauert, bis der Teilnehmer ein oder mehrere Gesichter erkennt oder unterscheidet.

Beliebte Forschungsbereiche, die Labvanced’s Präzisions-Timing nutzen:

• Wachsamkeit
• Kognitiver Rückgang
• Wahrnehmung
• Leistungsmaße
• Merkmalswahrnehmung

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

Sehen Sie, wie Sie einen Reaktionszeitversuch zu Ihrer Studie mit diesem Video hinzufügen können: