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对头部运动的研究可以提供对广泛主题的见解,包括非言语交流、注意力和人机交互。此外,研究头部运动对神经系统疾病的诊断和管理非常有用,因为异常的头部运动可能是帕金森病和脑震荡等疾病的指标。
在之前的博客中,我们解释了与 测量凝视,,这里我们概述了测量头部运动的重要概念。这些概念包括笛卡尔坐标系、平移和旋转的概念以及“六自由度”(6DOF)头部位置数据。
笛卡尔坐标系
头部跟踪数据通常在具有三个相互垂直的轴X、Y和Z的三维笛卡尔空间中描述。通常,X轴是水平的(见图1)。然而,Y轴和Z轴的方向可能取决于学科或背景,Y轴或Z轴要么垂直指向,要么前后指向。在图1中,左图显示了垂直的上下Y轴和前后Z轴,而右图则显示了相反的情况。
图1:笛卡尔坐标系的X、Y、Z轴。在左侧,X轴是水平的,Y轴是垂直的,Z轴指向前后。在右侧,Y轴和Z轴互换。
在笛卡尔坐标系中,三个轴(X、Y和Z)穿过一个共同的原点(O),如图2所示,其中X=0、Y=0和Z=0。对于每个轴,刻度标记相距一个单位长度,原点是正数和负数之间的分界点。
图2:三维笛卡尔坐标系,原点O,轴线X、Y和Z。轴刻度标记相距一个单位长度。
6自由度(6DOF)头部跟踪
在头部跟踪研究中,自由度(DOF)是指头部在三维空间中可以移动的独立方式的数量。头部可以通过平移(沿笛卡尔坐标系的三个轴移动)以及围绕同三个轴旋转</em]来自由改变位置。因此,三维空间中的任何头部姿势都可以用三个平移值(X、Y和Z坐标)和三个相应的旋转角度来描述,总共提供6个数据点。
在头部姿势研究中,旋转角度通常被称为俯仰角、偏航角和横滚角。
- 俯仰是围绕X轴的旋转(当我们点头“是”时)。
- 偏航是围绕Y轴的旋转(就像我们摇头“否”时一样)。
- 滚动是围绕Z轴的旋转(当我们进行左右颈部拉伸时)。
图3中的左图提供了沿X、Y和Z轴的三个平移运动的动态表示。图3中的右侧提供了围绕这些轴的三个旋转运动的动态表示——俯仰、偏航和横滚。
图3:在左侧,沿X、Y和Z轴的位置运动。右边是俯仰、偏航和横滚的旋转运动。
EyeLink 3头部跟踪数据
在我们新的头戴式眼动追踪系统中,EyeLink 3,1000 Hz 6DOF头部位置数据与通常的凝视数据一起提供。该系统使用一个独特的红外(IR)标记设备,放置在跟踪区域的上方或下方。
在图4中,监视器上的X、Y、Z轴反映了跟踪器的固定或空间坐标系,其原点位于屏幕中心,显示表面上的X和Y轴(X轴向右正,Y轴向上正),Z轴穿过屏幕。耳机上的X、Y、Z轴反映了耳机坐标系,该坐标系相对于固定(或空间)坐标系平移和旋转。所有头部旋转角度和头部位置坐标(例如,6DOF头部数据)表示这两个坐标系之间的关系,反映了耳机相对于2D屏幕平面的位置/方向。通过两个系统之间的相互作用,EyeLink 3提供了以毫米为单位的头部位置数据和以度为单位的旋转数据。该系统还提供了一种独特的基于像素的头部姿势测量方法,如所述在这个博客中。
图4:EyeLink 3屏幕和观察者的设置。使用两个笛卡尔坐标系来计算6DOF头部数据。固定空间框架的原点(0,0,0)位于监视器的中心,耳机框架的原点位于相机上方。
眼睛和头部组合数据
同时记录眼球运动和头部运动有可能为人类行为和协调的研究提供重要见解。例如,常见的基于实验室的眼动追踪任务,如阅读或视觉搜索,在现实世界中执行时通常伴随着头部运动,但研究人员很少考虑头部运动对任务绩效的贡献。此外,我们协调眼睛和头部运动的能力的困难可能会为神经和精神疾病提供见解。
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