Ανάπτυξη μεθοδολογίας ανάλυσης οφθαλμικών κινήσεων για τη μελέτη της οπτικής αντίληψης σε χάρτες κινούμενης εικόνας

Κρασανάκης, Βασίλειος; Krassanakis, Vassilios

dc.contributor.author	Κρασανάκης, Βασίλειος	el
dc.contributor.author	Krassanakis, Vassilios	en
dc.date.accessioned	2014-12-23T09:08:26Z
dc.date.available	2014-12-23T09:08:26Z
dc.date.issued	2014-12-23
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/39974
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.1450
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	οπτική αντίληψη	el
dc.subject	ανάλυση οφθαλμικών κινήσεων	el
dc.subject	χάρτες κινούμενης εικόνας	el
dc.subject	αλγόριθμοι εντοπισμού προσηλώσεων	el
dc.subject	όραση σε στάδιο προ-προσοχής	el
dc.subject	visual perception	en
dc.subject	eye movement analysis	en
dc.subject	animated maps	en
dc.subject	fixation detection algorithm	en
dc.subject	pre-attentive vision	en
dc.title	Ανάπτυξη μεθοδολογίας ανάλυσης οφθαλμικών κινήσεων για τη μελέτη της οπτικής αντίληψης σε χάρτες κινούμενης εικόνας	el
dc.title	Development of a methodology of eye movement analysis for the study of visual perception in animated maps	en
dc.contributor.department	Τομέας Τοπογραφίας, Εργαστήριο Χαρτογραφίας	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Χαρτογραφία	el
heal.classification	Cartography	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2014-12-11
heal.abstract	Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει σκοπό τη διερεύνηση στοιχείων που σχετίζονται με την οπτική αντίληψη χαρτών κινούμενης εικόνας αξιοποιώντας τεχνικές καταγραφής και ανάλυσης οφθαλμικών κινήσεων. Πιο συγκεκριμένα, κύριος στόχος της διατριβής είναι ο προσδιορισμός της ελάχιστης οριακής τιμής της δυναμικής μεταβλητής της διάρκειας που απαιτείται για τον εντοπισμό ενός κινούμενου σημειακού συμβόλου πάνω σε χαρτογραφικά υπόβαθρα από την κεντρική όραση. Στα πλαίσια της διατριβής σχεδιάζεται και υλοποιείται μια πειραματική έρευνα όπου οι μεταβλητές που εξετάζονται σχετίζονται τόσο με ιδιότητες της κίνησης του κινούμενου σημειακού συμβόλου όσο και με το επίπεδο της περιεχόμενης πληροφορίας του χαρτογραφικού υποβάθρου. Η ιδιότητα της κίνησης συντίθεται από τις μεταβλητές της διάρκειας η οποία αναφέρεται στο χρονικό διάστημα που το σημειακό σύμβολο διατηρεί τη θέση του πάνω στο χαρτογραφικό υπόβαθρο και της μετάθεσης η οποία εκφράζεται μέσω της Ευκλείδειας απόστασης μεταξύ των διαδοχικών θέσεων του σημειακού συμβόλου. Το βασικό υπόβαθρο που αξιοποιείται στην πειραματική έρευνα αποτελείται από έναν πραγματικό τοπογραφικό χάρτη ο οποίος χαρακτηρίζεται από υψηλό βαθμό πολυπλοκότητας λόγω του μεγάλου όγκου δεδομένων που απεικονίζει. Η επίτευξη των διακριτών επιπέδων πληροφορίας επιτυγχάνεται μεταβάλλοντας το επίπεδο της έντασης των επιμέρους χαρτογραφικών συμβόλων του τοπογραφικού χάρτη ενώ η διερεύνηση υλοποιείται και σε κενό υπόβαθρο. Τα υποκείμενα που συμμετέχουν στην έρευνα καλούνται να παρατηρήσουν τις οπτικές σκηνές που σχεδιάζονται κατά τον πειραματικό σχεδιασμό χωρίς να απαιτείται η εκπόνηση κάποιας συγκεκριμένης εργασίας (σε συνθήκες ελεύθερης παρατήρησης) ενώ οι οφθαλμικές κινήσεις τους καταγράφονται. Η ανάλυση των οφθαλμικών κινήσεων που καταγράφονται κατά την πειραματική διαδικασία βασίζεται στο κύριο μέγεθος που αναφέρεται στις προσηλώσεις και στη δημιουργία στατιστικών δεικτών οι οποίοι προκύπτουν από αυτές και αξιοποιούνται για την ποσοτική περιγραφή της οπτικής συμπεριφοράς του συνόλου των υποκειμένων. Η αναζήτηση του ελάχιστου ορίου εντοπισμού, η συσχέτιση μεταξύ των μεταβλητών της πειραματικής διαδικασίας αλλά και η προσέγγιση της μελέτης της συνολικής συμπεριφοράς παρατήρησης ολοκληρώνεται αξιοποιώντας το μοντέλο της γραμμικής παλινδρόμησης. Η ανίχνευση των προσηλώσεων πραγματοποιείται μέσω ενός νέου αλγορίθμου ο οποίος αναπτύσσεται στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Ο νέος αλγόριθμος βασίζεται τόσο σε χωρικά όσο και σε χρονικά κριτήρια για τον εντοπισμό των προσηλώσεων, εντάσσεται στου αλγορίθμους διασποράς (I-DT) ενώ για την επικύρωσή του γίνεται μια σύγκριση με έναν αλγόριθμο της ίδιας οικογένειας αξιοποιώντας πραγματικά δεδομένα παρατήρησης. Ο αλγόριθμος που δημιουργήθηκε αποτέλεσε τη βάση για τη δημιουργία ενός νέου λογισμικού εργαλείου (EyeMMV toolbox) το οποίο αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Το λογισμικό εργαλείο υποστηρίζει την πλήρη ανάλυση πειραματικών δεδομένων οφθαλμικών καταγραφών σε βασικά και παράγωγα μεγέθη και παρέχει τη δυνατότητα υλοποίησης κατάλληλων μεθόδων για την οπτικοποίηση των δεδομένων. Για τον ελέγχο της ποιότητας των δεδομένων εφαρμόζεται μια διαδικασία ελέγχου της βαθμονόμησης του συστήματος καταγραφής η οποία πραγματοποιείται εκτιμώντας τη θέση του βλέμματος κατά την παρατήρηση σταθερών στόχων μέσω ενός αλγορίθμου ασαφούς ταξινόμησης. Επιπροσθέτως, για τη διερεύνηση του επιπέδου του θορύβου ως προς τη χωρική και τη χρονική διάσταση του συστήματος καταγραφής που χρησιμοποιείται στη διεξαγωγή της πειραματικής έρευνας εφαρμόζεται μια διαδικασία ελέγχου αξιοποιώντας μετρήσεις από ένα ζεύγος τεχνητών οφθαλμών. Η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων έδειξε πως η δυναμική μεταβλητή της διάρκειας διαδραματίζει το σημαντικότερο ρόλο στη διαδικασία καθώς εμφανίζει σχεδόν απόλυτη συσχέτιση με τη μέση διάρκεια προσηλώσεων πάνω στο κινούμενο σημειακό σύμβολο. Το αναζητούμενο όριο προσδιορίζεται με ακρίβεια μικρότερη από την ελάχιστη διάρκεια μιας προσήλωσης και αντιστοιχεί στην τιμή 360±87 ms. Η επίδραση του επιπέδου της περιεχόμενης πληροφορίας περιορίζεται μόνο στην απόκριση των υποκειμένων που αφορά το χρονικό διάστημα μετά τον εντοπισμό του συμβόλου από την κεντρική όραση ενώ το μέγεθος που εκφράζει τη μετάθεση του στόχου δεν δείχνει να έχει σημαντική επίδραση στη διαδικασία εντοπισμού. Η μεθοδολογία που παρουσιάζεται στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής μπορεί αξιοποιηθεί για τη διερεύνηση των οριακών τιμών των μεταβλητών του χαρτογραφικού συμβολισμού που χρησιμοποιούνται για την οπτικοποίηση δυναμικών αλλαγών σε χάρτες κινούμενης εικόνας.	el
heal.abstract	The objective of the present doctoral dissertation is the study of elements related to visual perception in animated maps using techniques of capturing and analyzing eye movements. More specifically, the main aim is referred to the investigation of the minimum threshold of the dynamic variable of duration which is required for the detection by the central vision of one moving point symbol on cartographic backgrounds with discriminant levels of information. The referred minimum temporal threshold is examined through an experimental study based on the collection of eye tracking data. The analysis of the experimental data is based on the identification of fixation events which are detected through an innovative algorithm introduced for the purposes of the present dissertation. The introduced algorithm is also used for the development of a complete post-analysis toolbox appropriate for eye movement analysis. An extended literature review is presented in order to compose the theoretical framework of the examined research fields. Specifically, the literature review contains: (a)Review of concepts related to aspects of visual perception, description of the preattentive stage of vision and basic features, the influence of perception and attention in map reading process and the constraints provided by the physiology of eyes in cartographic symbolization. (b) Description of animated maps and dynamic variables of cartographic symbolization. Moreover, different types of animated maps are reported. (c) Review of eye movement analysis process; main and derived metrics, fixation identification algorithms, data visualization techniques and software appropriate for the performance of analysis. & (d) Review of studies performed in cartographic research using eye tracking methodology. The contribution of the present doctoral dissertation is twofold as it provides crucial indications about the limits of cartographic symbolization in the case of animated maps and it suggests an extension of the existing fixation identification algorithms. Moreover, the complete analysis toolbox that is developed can be used for the experimental analysis and visualization of data collected using eye tracking techniques. A cartographic experimental study is designed and performed for the examination of the main research question. The location of a point symbol changes in successive visual scenes while the background remains constant. Hence, subject perceive the change of the point symbol's location as a moving object. The experimental variables are related to both properties that characterize the element of motion of the moving point symbol and the level of information of the cartographic backgrounds. The properties which are referred to the moving point symbol are the duration and the range of relocation. Duration is equal to the time that the location of the moving point symbol remains constant on the background while the range of relocation corresponds to the Euclidean distance calculated between two successive locations of the moving point symbol. A real topographic map composes the main base background of the experimental study. The topographic map is characterized by high level of visual complexity as it consists of a variety of different cartographic symbols which represent different geographic information such as several point symbols, contours, annotation, hydrological and transport network. Cartographic backgrounds with discrete level of information are produced in order to serve as base maps of the experimental study. The production of different information levels is based on the change of intensity of the cartographic symbols of the topographic map. Moreover, a blank background is also used as the level characterized by the absence of information. Different combinations among the experimental variables produce the total amount of stimuli that compose the visual scenes of the experimental study. Subjects are asked to observe some stimuli on a computer monitor while their eye movements are recorded by an eye tracking device. Therefore, the experimental study is performed under free viewing conditions without a specific task to complete. The conditions remain constant for all subjects during the experimental process. The eye tracking data are collected in the sampling frequency of 60Hz using the pupil location method. Totally, 86 subjects participate in the experimental study. The analysis of the recorded eye movements is based on the computation of fixation events and on the definition of 6 statistical indexes derived from fixations. The fixations' derived indexes include computations referred to the subjects' percentage that succeed to detect the moving point symbol, the mean duration of fixations on the point symbol, the mean percentage of the ratio of the fixations' duration on point symbol to the total duration on the visual scene, the mean number of fixations on the point symbol, the mean percentage of the ratio of the number of fixations on point symbol to the total duration on the visual scene and the mean time to first fixation on the point symbol. The statistical indexes are computed for every visual scene of the experimental study. The statistical indexes are used for the quantitative description of subjects' visual reaction. The model of linear regression is also used in order to examine possible correlations among the experimental variables and for the investigation of the total visual reaction. The detection of fixations is performed using an introduced algorithm. The new algorithm is based on temporal and spatial constraints for fixation identification and it is a dispersion based algorithm (I-DT). The spatial constraint is based on a “two-step” thresholds while the temporal ones corresponds to the minimum fixation duration. The validation of the results of the fixation identification algorithm is made by comparing with those of an algorithm of dispersion type with a moving window using real eye tracking data. The introduced algorithm is used for the development of a new toolbox called EyeMMV (Eye Movements Metrics & Visualizations) appropriate for post-experimental eye movement analysis. The toolbox developed in the scripting language of MATLAB. EyeMMV toolbox supports the complete analysis of eye tracking data in main (fixations, saccades, scan path) and derived metrics. It further supports different types of visualizations (gaze plots, fixation locations and duration plots, spacetime- cube, heatmap) and regions of interest (ROIs) analysis. A case study is also reported in order to provide the functionality of the toolbox. The data quality collected in the cartographic experimental study is tested through a calibration checking procedure. It is based on the estimation of mean gaze positions during the observation of fixed targets by performing a fuzzy clustering algorithm (c-means). Moreover, a checking procedure is performed using a pair of artificial eyes for the investigation of the level of spatial and temporal noise produced during the capturing of eye movements by the specific eye tracking equipment that is used in the experimental study. The results of the analysis reveal important suggestions about subjects' reaction in moving point symbols in animated maps. The analysis indicates that the dynamic variable of duration is the most important variable for the detection by the central vision of the moving point symbols as it is fully correlated with the mean value of fixation duration. The value of the minimum temporal threshold required for the fixation on the moving point symbol corresponds to 360±87 ms. The value of the standard deviation of the minimum temporal threshold is smaller than the minimum duration of a fixation (100 ms) which is reported in literature. The level of background's information influences only the post detection reaction of subjects while the range of relocation does not affect the procedure of moving point detection by the central vision. The presented methodology can be used in order to investigate thresholds of the quantitative variables of cartographic symbolization which are used in order to visualize dynamic changes in animated maps. In comparison with an existing dispersion type algorithm, the introduced algorithm produces strongly related results in fixation detection. It suggests a process of removing the level of noise produced by the eye tracking equipment in the case that it is constant and can be reported. Furthermore, the source code of EyeMMV toolbox is distributed through GitHub under GNU GPLv.3 license (link: https://github.com/krasvas/EyeMMV). EyeMMV toolbox can be executed in every computer platform (Windows, Linux & Mac OS) where MATLAB software has been pre-installed, having all the benefits of MATLAB including its advantageous speed of execution. Some other interesting points for future research include the investigation of the minimum temporal threshold in other types of maps and/or in more realistic conditions conducting experiments with novice and professional map users (or/and users with different genders and ages). Moreover, subjects' post-reaction (after moving point detection) can be examined. Additionally, statistical indexes which are defined for the analysis can be used in order to examine the relation between the observation and the level of information as indicators for the cognitive load or as metrics to measure the perceived complexity during map reading.	en
heal.sponsor	Χορήγηση υποτροφίας από τον Ειδικό Λογαριασμό Κονδυλίων Έρευνας (Ε.Λ.Κ.Ε.) του Ε.Μ.Π.	el
heal.advisorName	Φιλιππακοπούλου, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Ευδοκιμίδης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Νάκος, Βύρων	el
heal.committeeMemberName	Κόκλα, Μαργαρίτα	el
heal.committeeMemberName	Μυρίδης, Μύρων	el
heal.committeeMemberName	Ναθαναήλ, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Τσούλος, Λύσανδρος	el
heal.academicPublisher	Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	246 σ.
heal.fullTextAvailability	true