Biosignal Augenaktivität - Cognitive Systems Lab

Biosignale und Benutzerschnittstellen – Augenaktivität 

Vorlesung WS 2012/2013 

Biosignale und 

Benutzerschnittstellen 

Biosignal: Augenaktivität 

Prof. Dr. Tanja Schultz 

Dipl. Math. Michael Wand 

1


K.-P. Hoffmann: Nystagmographie, 

Kapitel 13, pp. 185-192 

Literatur für diese Vorlesung 

in: Kramme (Hrsg.), Medizintechnik, Springer, 3. Auflage, 2006 

Silbernagl/Despopoulus: Dtv-Atlas der Physiologie 

Das visuelle System, Kapitel 12, pp. 242-270 

in: R. Schandry, Biologische Psychologie – Ein Lehrbuch, 

2. Auflage, 2006, BeltzPVU 

Papersammlung zur Vorlesung 

- Ordner 

- Verfügbar bei Frau Scherer 

- Sekretariat CSL 

- Fachschaft (geplant) 

2


Nystagmographie 

• Nystagmus (griech.: nystázein = nicken, schlafen) sind unkontrollierbare, 

rhythmische Bewegungen eines Organs 

• Üblicherweise bezieht man sich bei diesem Organ auf das Auge 

• Nystagmus = „Augenzittern“ 

• (klinisch) Nystagmus = schnellen Phase der Augenbewegung 

• Nystagmographie = elektrische od. optische Registrierung der 

Augenbewegung 

3


Mechanische 

Biosignale 

Gestik 

Mimik 

Bewegung 

Taxonomie Biosignale 

Thermische 


Wärme 

Hirn 

EEG 


Elektrische 


Augen 

EOG 

Muskeln 

EMG 

4 

Chemische 


MEG/PET 

fMRI 

Herz 

EKG 

Nichtsprachl. 

Artikulation 

Akustische 


Körper- 

geräusche 

Sprache


Anwendungen von Augenverfolgung 

• Entwicklungspsychologie 

• Industriedesign und Werbungsforschung 

• Kognitive Psychologie und Neuropsychologie 

• Mensch-Maschine Schnittstellen 

• Interface Design Forschung 

• Entertainment / Gaming 

• Lesestudien / Lernen 

• Das Auge als direkte Eingabemodalität 

Augenverfolgung statt Maus 

• Menschliche Interaktion / Kommunikation 

Focus of Attention 

5


• Das Auge 

• Augenbewegungen 

• Technik und Methodik 

• Geräte und Verfahren 

• Anwendungsbeispiele 

Überblick 

6


Auge als optischer Apparat 

Kamera Auge 

Linsensystem mit variabler Brennweite Augenlinse 

Blende mit verstellbarer Öffnung Pupille 

Lichtempfindliche Fläche = Film Netzhaut 

Entfernungseinstellung Akkomodation 

Blendeneinstellung (Lichteinfall regulieren ) Pupillenweite (1,5 – 8mm) 

7 

Schandry, S.243


Das Auge 

• Optischer Apparat des Auges: Hornhaut (Kornea), Kammerwasser, Linse, und 

Glaskörper 

• Einfallendes Licht durchdringt den optischen Apparat, bevor es die Netzhaut 

(Retina) mit den 

lichtempfindlichen Rezeptoren trifft 

• Dieser Apparat wirft ein 

(umgekehrtes) verkleinertes Bild 

der Umwelt auf die Netzhaut 

8 

dtv-Atlas, S.281


Die Hornhaut (Kornea) 

• Die Hornhaut ist das (klare) Fenster 

zum Auge. 

• Durch sie gelangt Licht in das Auge. 

Hornhaut & Augenlinse 

9 

Die Augenlinse 

• Die Augenlinse ist ein kleiner, 

elastischer, aus durchsichtigen 

Fasern bestehender Körper. 

• Als „natürliche Lupe“ dient sie zur 

Scharfstellung des Bildes. 

Wikipedia - Auge


• Der Ziliarkörper liegt hinter der Iris. 

Der Ziliarkörper 

• Hier wird die Augenflüssigkeit gebildet die durch die Kammerwinkel abfließt. 

• Am Ziliarkörper sitzt auch der Muskel, der die Linse verformt und so das 

Nahsehen ermöglicht. 

10 

Wikipedia - Auge


Die Iris 

• Die Iris ist eine farbige Blende, die 

durch ein Loch, die Pupille, Licht in 

das Innere des Auges lässt. 

• Bei starkem Lichteinfall zieht sie 

sich zusammen und die Pupille 

wird enger. 

Iris & Vorderkammer 

11 

Die Vorderkammer 

• Vorderkammer nennt man den 

Raum zwischen Iris und Hornhaut. 

• Sie enthält die Augenflüssigkeit, die 

die Hornhaut ernährt. 

Wikipedia - Auge


Die Aderhaut 

• blutgefäßreiche Schicht die der 

Versorgung dient. 

Aderhaut & Lederhaut 

12 

Die Lederhaut 

• feste, weiße Hülle des Auges. 

• Vorne geht sie in die durchsichtige 

Hornhaut über. 

Wikipedia - Auge


Die Netzhaut (Retina) 

• Die Netzhaut stellt die lichtempfindliche Innenauskleidung des Auges dar, in 

der verschiedene Sinneszellen sitzen. 

• Die Stäbchen sind für das Schwarz/Weiß-Sehen zuständig. 

• Die Zapfen sind für das Farbensehen zuständig. 

• Die Netzhaut wird mit eigenen Blutgefäßen versorgt. 

13 

Wikipedia - Auge


Der Sehnerv (N. Opticus) 

• Der Sehnerv überträgt die Informationen von der Netzhaut mit ihren 

Sinneszellen an das Gehirn. 

• An der Stelle, an der er aus dem Auge austritt, befinden sich keine 

Sinneszellen. 

• Man spricht hier auch vom „blinden Fleck“. 

• Beim Eintritt ins Gehirn kreuzen sich die Sehnerven, so dass die Informationen 

des linken Auges an die rechte, und die Informationen des rechten Auges an 

die linke Hirnhälfte weitergegeben werden. 

14 

Wikipedia - Auge


Die Augenmuskeln 

• Die sechs Augenmuskeln drehen die Augen und ändern damit die 

Blickrichtung. 

15 

Wikipedia - Auge


Das Auge 

• Einwandfreie Bildwiedergabe setzt voraus: 

• Durchsichtigkeit 

• Formkonstanz 

• glatte Oberflächen der einzelnen Teile 

• Durchsichtigkeit: 

• Tränenflüssigkeit verbessert Eigenschaften der Kornea 

• Iris regelt Lichteintritt durch ringförmige und radiäre Muskelfasern, die die 

Pupille verengen oder erweitern 

• Formerhaltung des Augapfels: 

• Hülle des Auges (Lederhaut – Sklera) 

• Augeninnendruck 

(Produktion und Abfluss des Kammerwassers) 

16


• Äußere Augenmuskeln: 

• Horizontale Auslenkung 

• Vertikale Auslenkung 

• Rollen 

Muskeln am Auge 

17 

Wirkung der Muskeln, 

rechtes Auge 

Wikipedia 

wikipedia


• Inneren Augenmuskeln: 

Muskeln am Auge 

• Musculus sphincter pupillae: Pupillenverenger 

• Musculus dilatator pupillae: Pupillenerweiterer 

(beide zur Adaptation an die Lichtverhältnisse) 

• Musculus ciliaris: 

zur Akkommodation, d.h. 

Krümmung der Linse 

18 

Querschnitt durch den 

Ziliarkörper, die Linse 

und den Musculus 

sphincter pupillae 

Wikipedia


Das Auge – ein Optisches System 

• Lichtstrahlen, die aus der Luft in ein anderes Medium übertreten, werden 

gebrochen 

• Bei kugelförmigen Grenzflächen entsteht eine Abbildung, d.h. alle von einem 

Punkt ausgehenden Strahlen treffen sich wieder in einem Punkt jenseits der 

Grenzfläche 

• Vorderer Brennpunkt F V (in der Luft), Hinterer Brennpunkt F H 

• Hauptpunkt H, Knotenpunkt K 

• Strahlen von entfernten Punkten 

werden als parallel betrachtet 

• Sie treffen sich in F H, wenn sie außerdem 

parallel zur optischen Achse eintreffen 

• Treffen sie schräg auf, werden sie neben 

F H in derselben Brennebene abgebildet 

• Strahlen von nahen Punkten sind nicht 

parallel und werden daher nicht in der 

Brennebene, sondern hinter F H abgebildet 

19 

dtv-Atlas, S.281


Linse – Akkommodation 

• Linse ist bikonvex gekrümmt (vorne etwas schwächer als hinten) 

• Brechkraft der Linse wird verstellt durch Veränderung ihrer Wölbung 

• Ringförmiger Ziliarmuskel: Kontraktion bewirkt Verringerung des 

Durchmessers der Linse stärkere Krümmung (insbes. Vorne) 

• Ein System von winzigen Bändern Zonulafasern spannt Linse ein 

• Kinder können 

die Brechkraft 

bis 14 Dioptrien 

variieren 

• Im Alter nimmt Elastizität 

der Linse ab, verminderte 

Krümmung 

• 10-jährige: 12 D 

30-jährige: 7,5 D 

50-jährige: 2 D 

70-jährige: 0,5 D 

20 

dtv-Atlas, S.281


Linse – Akkommodation 

• Fernakkommodation: die zueinander parallelen Strahlen, die von einem fernen 

Punkt herrühren, werden bei F H scharf abgebildet, genau bei F H liegt die 

Retina, so dass die Rezeptoren ein scharfes Bild erhalten (links, ) 

• Nahe Punkte sind unscharf, da sie hinter der Retina abgebildet werden 

(links, ) 

• Bei Nahakkommodation erhöht sich die Krümmung der Linse und damit die 

Brechkraft, nahe Punkte wandern in 

die Retinaebene (rechts, ) 

21 

dtv-Atlas, S.282


Retina 

• Innenseite der Bulbuswand ist von der Retina ausgekleidet 

• Ausgespart ist der Ausgang des Sehnervs 

• Gegenüber der Pupillenöffnung liegt das Zentrum des schärfsten Sehens (fovea 

centralis) 

• Retina enthält Stäbchen und Zapfen, Rezeptoren für Licht 

• Die zentralen 

Fortsätze 

verlassen als 

N. opticus den 

Bulbus (Augapfel) 

• Inversion der 

Retina 

22 

dtv-Atlas, S.281


Sehschärfe 

• Unter guten Lichtverhältnissen kann das normale Auge zwei Punkte 

unterscheiden, wenn davon ausgehende Strahlen einen Winkel von einer 

Bogenminute (1‘ = 1/60 ) bilden 

• Wenn Sie aus 3,3 m die Öffnung des rechten Landolt-Ringes erkennen können, 

beträgt Ihr Visus 1,0 

23 

dtv-Atlas, S.285


Sehfarbstoff 

• Stäbchen und Zapfen enthalten Sehfarbstoffe 

• Sie sind die Mittler bei der Umwandlung des Lichtreizes in eine elektrische 

Erregung des N.opticus 

• Rhodopsin: Proteinanteil (Opsin), Aldehyd (11-cis-Retinal) 

• Lichtreiz bewirkt Umlagerung am C-Atom 11 des Aldehyds 

Opsin + 11-trans-Retinal (dies bewirkt Erregung) 

dann zerfällt der Komplex und verliert rote Farbe 

(Bleichung) 

• Regenerierung 

Energieaufwand 

• Retinal ist das Aldehyd 

des Alkohols Retinol 

des Vitamin A1 

• Bei A1 Mangel 

Nachtblindheit 

24 

dtv-Atlas, S.285


Anpassung an Helligkeit 

Mechanismen zur Adaption an Helligkeitsunterschiede: 

1. Pupille: kann Menge des einfallenden Lichtes um Faktor 16 verändern 

2. Chemische Anpassung: viel Licht Senkung der zytosolischen Ca 2+ - 

Konzentration der Sensoren über längere Zeit Verminderung der 

Verfügbarkeit von Rhodopsin und Transducin Wahrscheinlichkeit, dass 

Rhodopsinmolekül durch weiteres Licht getroffen wird sinkt 

3. Räumliche Summation: Retinafläche 

(= Sensorenzahl), aus der die Sehnerv- 

faser Erregung bekommt, kann 

verändert werden 

4. Zeitliche Summation: kurze unter- 

schwellige Reize können durch Reiz- 

verlängerung überschwellig werden 

25


Farbensehen 

• Voraussetzung für Lichtempfindlichkeit der Photosensoren: Licht muss 

absorbiert werden 

• 3 Arten von Zapfen: 

• K-Zapfen: absorbieren kurzwelliges, blauviolettes Licht 

• M-Zapfen: absorbieren mittelwelliges, blaugrünes bis gelbes Licht 

• L-Zapen: absorbieren langwelliges, gelbes bis rotes Licht 

• Farbe auf Sehrinde wird konstruiert aus: 

• Meldungen der Zapfen 

• Umsetzung in einen 

Helligkeitskanal und in 

Gegenfarbkanäle in Retina 

und CGL 

• Bis zu 200 verschiedene 

Farbtöne 

26 

dtv-Atlas


• Gesichtsfeld: Ausschnitt aus der 

Umwelt, den unbewegtes Auge bei 

fixiertem Kopf sieht 

Gesichtsfeld, Sehbahn 

• Dinge in nasal gelegenen 

Gesichtsfeldhälften der Augen werden 

in temporal gelegenen 

Netzhauthälften abgebildet und 

umgekehrt 

• Fasern des Nervus Opticus bleiben auf 

gleicher Seite, Fasern im Chiasma 

Opticum laufen überkreuz 

27 

dtv-Atlas


Plastisches Sehen und Entfernungssehen 

• Entfernungssehen und plastisches Sehen sind in erster Linie eine Leistung 

beider Augen gemeinsam. Daher spricht man vom binokulären (beidäugigen) 

Gesichtsfeld (Abb. A) 

• Fixiert man mit beiden Augen einen Punkt, wird dieser beidseitig auf der Fovea 

abgebildet (Al, Ar), nämlich auf den sog. korrespondierenden Stellen der 

Netzhaut 

• Gleiches gilt für die Punkte B, C, da sie auf einem Kreis liegen, der durch A und 

beide K gebildet ist (Horopterkreis) 

28 

dtv-Atlas, S.294


Plastisches Sehen - Tiefensehen 

• Auf einem gedachten Mittelauge, das die beiden Netzhäute (im Sehzentrum) 

zur Deckung bringt, entsprechen korrespondierende Netzhautstellen einem 

Punkt A L+A R := A M 

• Für Punkte D außerhalb des Horopterkreises sieht das Mittelauge ein 

Doppelbild (D‘ und D‘‘), D‘ vom linken Auge 

• Liegen D und A nicht zu weit auseinander, entsteht durch zentrale 

Verarbeitung des Doppelbildes der 

Eindruck, D läge hinter A 

= Tiefenwahrnehmung 

• Analoges mit Punkt E, der näher als 

A erkannt wird (E‘ stammt vom 

rechten Auge) 

29 

dtv-Atlas, S.294


Tiefensehen und Entfernungssehen 

• Bei einäugigem Sehen oder Sehen auf weite Entfernungen wird Wahrnehmung 

durch folgende Phänomene erzeugt 

• Konturenüberschneidungen (D1), 

• Dunst (D2), Schattenwurf (D3), 

• Größenunterschiede (D4), etc. 

• Nähere Gegenstände bewegen sich schneller im Gesichtsfeld als entferntere 

(Tiefenwahrnehmung durch Relativbewegungen) 

30 

dtv-Atlas, S.294


• Mittlere Dicke 1/5mm 

• 6 Schichten versch. Zelltypen 

1. Pigmentepithelzellen 

= Ernährung 

2. Photorezeptorzellen Z/S 

= Licht Signal Nerv 

3. Horizontalzellen schaffen Quer- 

verbindungen zwischen entfernt 

liegenden Z/S und Bipolarzellen 

4. Bipolarzellen Synapsen mit S/Z 

Axone mit Ganglienzellen 

5. Amakrine Zellen schaffen Quer- 

verbindungen zwischen BPZ und GZ 

6. Ganglienzellen 

Axone bilden Sehnerv 

Netzhaut 

31 

Schandry, S.246


• Stäbchen (S) / Zapfen (Z) mit 

„Stapel“ aus ca. 1000 

Membranscheiben / -einfaltungen 

• Diese enthalten die Sehfarbstoffe 

(Photopigmente) 

• S/Z Pigmente unterscheiden 

sich in chemischer Struktur 

• Pigment der Stäbchen: 

Rhodopsin 

• Lichtenergie verändert 

dieses Molekül in seiner 

räumlichen Struktur 

• Pigment der Zapfen: 

ähnlich aber 3 Zapfentypen 

für rot/grün/blau und 

entsprechend versch. 

photosensitiver Pigmente 

Molekulare Vorgänge 

32 

Schandry, S.247


Photochemischer Prozess 

• Lichtenergie: 11-cis-Retinal Form geht über in all-trans-Form 

• Rhodopsin wird in Metarhodopsin II umgewandelt (wenige ms !) 

• M II verringert die Permeabilität der Stäbchenmembran für Natrium- und 

Kalziumionen 

• Bei Dunkelheit bleiben Na, Ka Kanäle auf durch zykl. Guanosinmonophosphat 

(cGMP) 

• Ständiger Strom positiver Ionen, das Zellinnere 

ist relativ depolarisiert 

• Licht Überschuss MetarhodopsinII 

cGMP wird umgewandelt in ein unwirk- 

sames Molekül zahlreiche Kanäle schließen 

sich weniger positive Ionen können ein- 

strömen negatives Zellinnnere weniger 

Transmitterausschüttung an Synapsen 

• Aktive Pumpe befördert Ca aus Zelle 

cGMP wird vermehrt gebildet 

Kanäle öffnen sich wieder 

• Anpassung an erhöhte Lichtzufuhr 

33


Photochemischer Prozess 

• Schnelle Adaption der Stäbchenaktivität 

• Das Visuelle System ist in erster Linie ausgelegt, Veränderungen des Lichteinfalls zu 

registrieren 

• Lässt die Beleuchtungsstärke nach, wird sofort Synthese von Rhodopsin stattfinden 

und das System ist wieder reaktionsbereit 

• Vorgänge in den Zapfen sind ähnlich ABER 

• Drei Zapfentypen für die Farben ROT, GRÜN, BLAU 

• Adaption an ändernde Lichtverhältnisse: Pupillenweite, 

Unterdrückung Stäbchensehen wenn hell, Stäbchen wenn dunkel 

• Dunkeladaption: 

Helligkeit: Farbstoffaufspaltung 

ergibt All-Trans-Retinal 

Dunkelheit: bevorzugt 11-cis 

• Nachtblindheit: Vitamin A1 11-cis 

• Stäbchen sind lichtempfindlicher als Zapfen 

• Stäbchen brauchen bis 1 Stunde 

für komplette Dunkeladaption 

34


Stäbchen vs. Zapfen 

• Die Stäbchen („rods“) für das skotopische Sehen in Dämmerung 

• Lichtsensitiv und aktiv bei wenig Licht, aber kein Farbensehen 

• Menschen, die keine Stäbchen haben, sind nachtblind. 

• Das Pigment der Stäbchen ist Rhodopsin; 

• Die Zapfen („cones“) für das 

photopische Sehen in Helligkeit 

• Farbsensitiv, aber nicht aktiv bei 

wenig Licht 

• Wenn sie fehlen, dann ist man tagblind. 

• Die 3 Pigmente der Zapfen (Photopsine) sind 

• Porphyropsin = Photopsin 1 

(L-Zapfen, Rot, langwellig empfindlich ~543nm, X-Chromosome) 

• Iodopsin = Photopsin 2 

(M-Zapfen, Grün, mittelwellig empfindlich ~522nm, X-Chromosom) 

• Cyanoposin = Photopsin 3 

(K-Zapfen, Blau, kurzwellig empfindlich ~420nm, Chromosom 7) 

35


Exkurs 1: Inverse Retina – warum? 

• Diese Frage bis heute nicht eindeutig beantwortet 

• Siehe z.B. Klaus Neuhaus und Henrik Ullrich 

http://www.wort-und-wissen.de/index2.php?artikel=sij/sij71/sij71-1.html 

• … inverse Retina … aus evolutionstheoretischer Sicht als phylogenetisch 

bedingte Fehlkonstruktionen bewertet … 

• … dass plausible Erklärungsmodelle für die Evolution von Wirbeltieraugen bis 

heute nicht verfügbar sind 

• Sehr interessanter Artikel: 

• Denton MJ (1999) The inverted Retina: 

Maladaptation or Pre-adaptation? 

Origins & Design 4, 14-17. 

• http://www.arn.org/docs/odesign/ 

od192/invertedretina192.htm 

36


Erklärungsversuch von Denton 

• Photorezeptoren generieren Nervenimpuls aus einem einzigen eingefangenen 

Photon = Verstärkungsleistung von ca. 10 5 -10 6 

• Dafür brauchen die Photorezeptoren extrem viel Energie 

• Photorezeptoren sind die „sauerstoffhungrigsten“ Zellen 

• Die gute Blutversorgung wird durch das Pigment Ephitel (RPE) gewährleistet 

(sie transportiert auch abgenutzte Teile der Photozellen ab) 

• Blutgefäße zwischen den Photorezeptoren Lücken zwischen den Rezeptoren 

schlechtere Auflösung 

• Blutgefäße an die Oberseite behindert Lichteinfall 

• Blut absorbiert das Licht sehr gut!! (außer rot) 

• Im Gegensatz dazu ist das Zellengeflecht transparent 

• (interessante Frage: warum inverse Retina bei kaltblütigen Fischen? – Präadaption?) 

37


Exkurs 2: Vitamin A1 Mangel 

• Warum führt A1 Mangel zu Nachtblindheit und nicht zu allgemein schlechter 

Sehkraft am Tag? 

• Das Pigment der Stäbchen ist das Rhodopsin (Sehpurpur) 

• Rhodopsin besteht aus dem Vitamin-A Aldehyd (11-cis-Retinal) und dem 

Eiweiß Opsin 

• Lichtreiz bewirkt Umlagerung am C-Atom 11 des Aldehyds 

Opsin + all-trans-Retinal, Opsin wird abgespalten 

• Dadurch wird eine Signalkaskade in Gang gesetzt, die letzten Endes zum 

Sehnerv führt. 

• Kein A1, kein 11-cis 

• Rhodopsin und Photopsin sind 

unterschiedlich in Regeneration 

• http://media.iupac.org/publications/ 

pac/1991/pdf/6301x0171.pdf 

38


• Das Auge 





Überblick 

39


Das Okulo-motorische System 

Aufgaben des Okulo-motorischen Systems: 

• Binokuläre Zentrierung und Fixierung der interessierenden Bildabschnitte auf 

Stelle des schärfsten Sehens 

• Fovea centralis (ca. 0,8 des zentralen Gesichtsfeldes) 

• Vermeiden retinaler Bildverschiebungen bei Eigen- und Umweltbewegungen 

• Zur Lösung dieser beiden Aufgaben stehen schnelle und langsame 

Augenbewegungen zur Verfügung: 

• Sakkaden (visueller Greifreflex) 

• Langsame Folgebewegung 

• Vestibulärer und optokinetischer Nystagmus 

• Konvergenzbewegung 

• Fixation 

(Fixationsphase ist von Mikrosakkaden gekennzeichnet) 

40


Augenbewegungen 

• Aufrechterhaltung des binokulären räumlichen Sehens wird sichergestellt 

durch: 

• Genauigkeit der sensomotorischen Verknüpfung 

• Möglichkeiten zur Kompensation von Störungen 

Bild: Schematische Darstellung der 


• Sakkaden 

• Folgebewegungen 

• Nystagmus 

• Konvergenz 

41 

K.-P. Hoffmann, S.186


Sakkaden 

Definition: Sakkaden sind schnelle (ruckartige) Augenbewegungen, die dem 

Erfassen eines neuen Fixationspunktes dienen (z.B. Lesen einer Zeile) 

• Zerebelläre Kontrolle (Kleinhirn) 

• Generierung in der paramedianen pontinen Formatio reticularis 

• Maximale Geschwindigkeit: 700/s 

Geschwindigkeit nimmt mit der Größe der Bewegung zu 

• Dauer: 30 – 120ms 

• Latenz 

• Überschwingweite: prozentuale Abweichung vom Fixationsort nach einer 

Sakkade 

• Wird das neue Blickziel nicht erreicht, erfolgt nach etwa 100-300 ms eine 

Korrektursakkade 

42


Sakkaden 

• Sakkaden lassen sich unterscheiden in: 

• Intern getriggerte Willkürsakkaden (Erinnerungssakkaden, Antisakkaden, 

Suchsakkaden) 

• Durch externe (visuelle oder akustische) Reize getriggerte automatisch 

ablaufende Reflexsakkaden 

• Spontane, scheinbar zufällige Sakkaden 

• Bildverschiebungen (etwa beim Lesen) werden im Moment der 

Augenbewegung zentral unterdrückt 

• Beispiel: 

Sieht man seine beiden Augen im Spiegel abwechselnd an, nimmt nur ein 

Dritter die Augenbewegungen wahr 

43


Folgebewegungen 

Definition: Folgebewegungen konjugieren das Auge und führen es langsam einem 

bewegten Sehziel nach (Gegenstand „im Auge behalten“) 

• Konturen des Objektes können dabei zusätzlich durch Sakkaden abgetastet 

werden 

• Winkelgeschwindigkeiten im Schnitt bei 30-50/sec 

• Verfolgung und Stabilisierung des bewegten Sehziels auf der Retina 

44


Nystagmen 

Definition: Nystagmen sind unwillkürliche, rhythmische, in zwei Phasen 

ablaufende okuläre Oszillationen 

• Ruck-Nystagmus: eine langsame und eine schnelle Phase, letztere bezeichnet 

die Richtung des Nystagmus 

• Pendel-Nystagmus: in beiden Richtungen gleichschnelle Augenbewegung 

• Optokinetischer Nystagmus = vestibulo-okulärer Reflex 

durch großflächige Reize ausgelöster Ruck-Nystagmus 

• Typisches Beispiel für Optokinetischen Nystagmus: 

Betrachten eines Baumes während einer Zugfahrt: 

• Langsame Phase entspricht der Bewegung des Zuges 

(Folgebewegung) 

• Schnelle Phase ist der Fixationswechsel (Sakkaden) 

45


Nystagmen 

• Vestibulo-okulärer Reflex kann auftreten durch eine vestibuläre Reizung, 

Beispiele: 

• Mechanische Reizung durch Drehbewegung 

(Karusselfahren: während der Fahrt schlägt der Nytagmus in Drehrichtung, 

danach in Gegenrichtung) 

• Audiokinetische Reizung bei bewegten Schallquellen 

• … 

46


Konvergenz- und Torsionsbewegungen 

Definition: Konvergenzbewegungen gleichen interretinale Bildfehler, die bei der 

Fixation auftreten können, aus. 

• Sehr langsam (10/sec) 

• Geringe Amplitude (maximal 15) 

Definition: Torsionsbewegungen sind Drehbewegungen um die Sehachse mit einer 

Amplitude bis 10 und einer Geschwindigkeit bis 200/sec 

• Können spontan oder aber optokinetisch auftreten (Anblick einer 

Rollbewegung der Umwelt) bzw. vestibulär bei Körper- und Kopfkippungen 

47


Regelung von Augenbewegungen 

Prinzipieller Aufbau des okulo-motorischen Systems 

48 



• Das Auge 





Überblick 

49


Messtechniken 

• Guter Übersichtsartikel über Techniken der Messung von 

• Blickrichtung und 


G. Schneider; J. Kurt: Technische Prinzipien zur Messung der Blickrichtung und der 


http://www2.hu-berlin.de/reha/eye/Technische%20Prinzipien_Eye.pdf 

50


Grundlagen 

• Hochmobiler Augapfel und komplexe Verarbeitung 

• Ziel ständig im Blick trotz Kopfbewegung 

• Daher benötigt man zur Messung des Blickzieles 

• Bestimmung der Augenstellung 

• Stellung der Pupille 

• Stellung des Kopfes 

• Bestimmung des objektiven Blickzieles 

Kalibrierung notwendig, um die Beziehung zwischen der Augenstellung, dem 

System Empfänger (oder Kamera) und der Umgebung herzustellen 

51


Kalibrierung 

• Benötigt Punkte im Blickgebiet, die dem System in ihrem räumlichen 

geometrischen Verhältnis bekannt sind 

• … die von dem Betrachter im Vorfeld der Messung in einer Kalibrierung fixiert 

werden müssen 

• Bei dem Betrachten eines Bildes auf einem Monitor sind die Punkte durch die 

Bildgröße des Monitors festgelegt. Dabei wird entweder: 

1. der Infrarot-Empfänger (oder Kamera) in der Nähe 

der Augen (ca.5cm) durch eine Art Helm am Kopf 

geometrisch fest angeordnet oder 

2. Kameras werden mit dem zu betrachtenden Monitor in einem 

festen geometrischen Verhältnis angeordnet und nehmen die 

Bewegungen der Pupille berührungslos ohne 

Körperkontakt jedoch über einen größeren 

Abstand auf (ca. 60cm) 

52


Berührungslose Verfahren 

• Künstliche Markierungen als Reflexpunkte an der Stirn (Eye-Maus) 

• Physiognomische Merkmale der Testperson, wie der Abstand der Augen (Tobii) 

• Augenbild im Gesicht über NN analysieren, um so die Blickrichtung bestimmen 

zu können. 

53


Messverfahren Wunschliste 

• Kein direkter Kontakt mit Probanden, bzw. unbemerkt 

• Einsetzbar für alle Gruppen (Baby, Kinder, Erwachsene) 

• Setup Zeit, Kalibrierung, Marker 

• Uneingeschränkter Blick auf Kopf und Gesicht 

• Messung horizontaler, vertikaler (üblich) und Torsionsbewegungen 

(selten) 

• Sehr hohe räumliche Auflösung: 0,01° 

• Sehr hohe zeitliche Auflösung: ca. 2ms 

• Sehr weite Messdynamik: 600° pro sec 

• Geringe Reaktionsträgheit (Echtheitsfähigkeit) 

• Niedrige Kosten 

• Geringe Störeinflüsse bei Grimassen etc. 

• Derartige Systeme existieren noch nicht 

• Geeignete Auswahl hängt von Einsatzgebiet ab 

54


• Das Auge 





Überblick 

55


Verfahren 

1. Kontaktlinsen - elektromagn. Spulen-System 

2. Elektrookulogramm (EOG) 

3. Lichtreflektionen am Auge (IROG) 

• Kontaktlinsen - optische Reflexion 

• Cornea- und Pupillen-Reflektions-Beziehung, 

• Purkinje-Image-tracking 

4. Video-Okulographie (VOG) 

• Limbustracking 

• Pupillentracking 

5. Neuere Entwicklungen 

• Projektion von Text direkt auf der Retina 

• mobile Bestimmung der Blickrichtung 

• Nicht-Kopfgetragene VOG 

6. Spezialanwendungen 

56


• Optisches Verfahren 

1. Kontaktlinsen 

• Reflektion eines Lichtes wird durch kleine Spiegel in der Kontaktlinse 

aufgenommen 

• Magnetokulographie (MOG) 

• Messung der Potentialdifferenzen über Magnetfeldänderungen mit 

supraleitendem Quanteninferometer 

• Berührungslos 

• Auflösung derzeit noch nicht gut 

• Technisch und finanziell aufwändig 

(Abschirmung, Kühlung) 

• Elektromagnetische Technik (Search-Coil) 

• Kontaktlinse mit dünner Spule wird ins Auge gesetzt; 

Augenbewegung induziert in der Spule eine Spannung 

• Rauscharmes Signal, Auflösung gut 

57


Magnetic Eye Coil / Search Coil 

• VT: hohe zeitliche und räumliche Auflösung 

• NT: unangenehm, Gefahr von Ödemen 

(< 20min Benutzung) 

• Hohe räumliche Auflösung (0.01°) 

• Gute zeitliche Auflösung, z.B. 1000 Hz kein 

Problem – aktuell wahrscheinlich die einzige geeignete Technologie für 

hochfrequente sakkadische Oszillationen 

• Vertikale Aufnahmen gut, Torsionale Aufnahmen ebenfalls möglich 

• Gute Linearität 

• Langsames Setup, Kalibrierung notwendig 

• Kosten: System ca. $ 15.000, Eye Coil ca. $ 100 

• Eye Coil hält im Schnitt für zwei Probanden 

• Risiken: Beschädigung der Kornea bzw. Übertragung von Krankheiten 

bei Mehrfachgebrauch 

58


Prinzip: 

2. Elektrookulogramm (EOG) 

• Augenbewegungen erzeugen zwischen Hornhaut und Netzhaut elektrische 

Potentialdifferenz von 0,4 bis 1 mV 

• Aufzeichnen dieser (cornearetinalen) Potentiale durch Aufbringen von 

Hautelektroden nahe der Augen 

59


EOG (Konstantes Ruhepotential) 

Prinzip: Augapfel verhält sich wie ein Dipol, d.h. Netzhaut hat negative Polarität 

gegenüber der Hornhaut (wegen Konzentrationsdifferenzen versch. Ionen im 

Pigmentepithel der Netzhaut) 

Ruhelage: Pole liegen symmetrisch zwischen den Elektroden 

Augen nach links: linke Elektrode wird positiver 

Auge nach rechts: rechte Elektrode wird positiver 

Schandry, S.592 

60


Elektrookulographie (EOG) 

• Elektroden über bzw. unter den Augen für vertikale Augenbewegung; 

Elektroden miteinander gekoppelt, um Messfehler zu minimieren 

• Seitliche Elektroden für horizontale Bewegungen 

• Messung der Augenbewegung 

• Durch Augenbewegungen nähern sich Vorderseite und Rückseite des 

Auges an Elektrode, Spannungsdifferenz 

• Spannungsdifferenz ist ungefähr proportional zu Blickwinkel 

• Messung der Ruhepotentialveränderung: 

• Änderung des Ruhepotentials durch Veränderung der 

Beleuchtungssituation 

• Proband schaut zwischen zwei festen Punkten hin und her 

• Dunkeladaption 

• Größe des Gleichstromes = Messung der Augenposition 

• Größe des Wechselstromes = Messung der Augenbewegung (auch 

Elektronystagmografie) 

61


Vorteile: 

Vor- und Nachteile EOG 

• Routinemäßig in Klinik angewandt (Gleichgewichtsorgan) 

• Gute räumliche und zeitliche Genauigkeit 

• bis zu ±70° mit Genauigkeit von 1,5 - 2 Winkelgrad 

• Genauigkeit nimmt insbesondere bei vertikalen Augenbewegungen größer 

als 30° stark ab 

• Zeitliche Auflösung ca. 40Hz 

• EOG besitzt den größten Messbereich 

• Niedrige Kosten (ca. $500) 

Nachteile / Artefakte: 

• Setup braucht Zeit, Elektroden anbringen, Kalibrieren 

• Potentialschwankungen aufgrund von Muskelbewegungen 

• Verfälschungen durch Lidschläge und Schwankungen 

• Potentialänderung bei Hell-/Dunkel, Adaption des Auges 

62


Corneareflexionsmethode 

3. Lichtreflektionen am Auge 

• Registrierung von (Infrarot-) Lichtreflexen auf der Hornhautoberfläche 

• Der Krümmungsradius der Hornhaut ist kleiner als der des Augapfels 

Cornea-Reflex wandert in Richtung der Augenbewegung. 

• Reflexionsort wird durch Infrarotdioden als analoges Signal aufgezeichnet 

• Oder über Diodenzeile durch CCD-Zeilenkameras oder Videokameras 

aufgezeichnet 

64


Zwei prinzipielle Anordnungen 

3a. Cornea Reflex Methode 

• Kopfgestützte Apparatur oder ortsfeste Apparatur 

Nachteile der Cornea Reflex Methode 

• Benötigt künstliche Lichtquelle; Position Kopf – zu künstlicher Lichtquelle muss 

stabil sein 

• „Freie“ Beweglichkeit, falls Apparatur am Kopf aber das Gewicht der App. 

Beeinflusst die Kopfbewegungen 

• Blickrichtungsbestimmung erfordert Bestimmung Kopfrichtung 

• Kalibrierung mit integrierten Eichobjekten notwendig 

• Artefakte durch Passgenauigkeit der Brille, individuelle Verformungen der 

Hornhaut, fehlende Tränenflüssigkeit 

• Vertikale und horizontale Augenbewegungen bis ca. 15° 

Vorteile der Cornea Reflex Methode: Berührungslos 

65


• CCD = Charge-Coupled Device 

CCD-Kamera 

• Ein CCD-Sensor ist ein elektronisches Bauteil, das als Sensor ausgelegt ist 

• CCDs wurde im Jahr 1969 eigentlich zur Datenspeicherung entworfen 

• Willard Boyle und George E. Smith wurden für die Erfindung des CCD im Jahre 

2009 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet 

• CCD Bauteile sind lichtempfindlich und geben ein zur eingestrahlten 

Lichtmenge proportionales Signal aus 

• Sensor bestehen meistens aus einer Matrix (seltener einer Zeile) mit 

lichtempfindlichen Fotodioden = Pixel, Kantenlängen 3-20 µm 

• Je größer die Fläche der Pixel, desto höher ist die Lichtempfindlichkeit, aber bei 

gleicher Sensorgröße ums kleiner die Bildauflösung 

• 1975: CCDs in Fernsehkameras 

• 1983: Einsatz der CCD-Sensoren als Bildsensoren in 

Astronomie und Satellitenfernerkundung 

• 2D CCD-Sensoren werden in Videokameras und 

Digitalkameras eingesetzt 

• 1D CCD Arrays in Faxgeräten, Spektrometern, Scannern und Barcodelesern 

• Quelle: Wikipedia 

66


Beispiele 

Kopfgestützten Apparaturen - Cornea-Reflexion 

Microguide ExpressEye Optom Iota AB, EyeTrace 

http://www.eyemove.com http://www.optom.de/ (ehemals Permobil Meditech) 

67


3b. Purkinjebilder 

• Methode: Infrarot-Leuchtdioden reflektieren unterschiedlich auf den 

optischen Grenzflächen des Auges 

= Purkinjebilder 

• Treten in verschiedenen Tiefen des Auges auf 

• 1. Purkinjebild ist die Hornhautreflexion 

• 4. Purkinjebild tritt auf der Schnittstelle der Linse mit dem Glaskörper auf 

• Relation verändert sich während Augenbewegung 

68 

Purkinje-Tracker 

http://www.fourward.com 

Fourward Optical Tech., Inc


Purkinjebilder 

• Manchmal auch zu finden unter Infrarotokulographie (IROG) oder 

Photoelektronystagmographie (PENG) 

Vorteile: 

• Wenig störanfällig 

• Derzeit die genauste Methode dabei rel. schnell 

• Messung von Augenbewegungen bis zu 0,1 möglich 

Nachteile: 

• Artefakte durch Lidbewegungen, Pupillenweite 

• Benötigt detailliertes Modell der Grenzflächen und optischen Systeme im Auge 

• Geht nur bei geöffneten Augen 

• 4.Perkinje-Reflexion sehr schwach 

• Hoher Justierungsaufwand 

• Kopf muss fixiert werden 

69


Infrared Reflection 

• IR ist weniger geräuschbehaftet als EOG, funktioniert allerdings nur gut mit 

offenen Augen (i.e. +- 10 deg) vom Zentrum 

• Gute räumliche Auflösung: ca. 0,1° 

• Zeitliche Auflösung: typischerweise 100 Hz, auch größer möglich 

• Vertikale Aufnahmen möglich, allerdings ist es schwierig Blinzelartefakte von 

Augenbewegungen zu unterscheiden. 

• Schnelles Setup, Kalibrierung notwendig 

• Nicht-Linear! Signal kehrt sich zwischen +15 und +20° um 

• Moderate Kosten – ca. $4000. 

• Gut geeignet für Anwendungen wie Studien zu Mikroaugenbewegungen 

• Nicht geeignet für Messung von Folgebewegungen und Sakkaden wegen 

Nichtlinearität 

70


4. Videookulographie (VOG) 

• Miniaturvideokameras auf der Grundlage von infrarot-empfindlichen 

Sensoren, Bildfrequenzen von 250-500 Hz 

• Illumination durch Leuchtdioden auf Augen gerichtet 

• Pupille ist Ort geringster Lichtreflexion und als dunkelster Punkt im Bild 

lokalisierbar, repräsentiert Augenbewegung 

• Zeitliche Auflösung besser als MOG, schlechter als EOG 

• Nicht am geschlossenen Auge 

K.-P. Hoffmann, S.189 

71


• Zweidimensionale Ansicht des Auges 

VOG 

• Merkmalsselektion, Texturanalyse durch Bildverarbeitung 

• Pupille suchen 

• Pixelkoordinaten des Pupillenzentrums + Kallibrierung 

• Rücktransformation in horizontale und vertikale Augenposition 

Abbildung auf die Kameraebene durch Zentralprojektion (aus Gründen der 

Übersichtlichkeit ohne die Drehachsenverschiebung) [aus Schreiber 1999] 

72


Limbus-Tracking 

VOG Techniken 

• Optische Registrierung des Überganges zwischen Iris und Bindehaut 

• VT: guter Kontrast 

• NT: Randfläche unscharf und keine vertikale Augenbewegungen erfassbar, 

weil Iris zu einem großen Teil vom Augenlid bedeckt ist 

Pupillen-Tracking 

• Registrierung des Überganges von der Pupille zur Iris 

• VT: Scharfe Grenzfläche, kleinere Pupille, so dass auch vertikale horizontale 

Augenbewegungen aufgenommen werden können 

• NT: Farbkontrast kleiner (auch abh. von Augenfarbe, zB braune Iris) 

• Artefakt: Helligkeitsanpassung der Pupille 

Alternativ: 

• Wie bei Corneareflexion wird Auge durch IR Lichtquelle beleuchtet 

• Pupille absorbiert IR, reflektierte Strahlen mit IR Kamera aufnehmen 

VOG liefert geringe zeitliche (Videonorm 50Hz oder Hochgeschwindigkeitskamera, 

10kHz!) und räumliche Auflösung 

73


[Shackel 1960] Kopfrichtung + EOG 

Beispiele 

74 

Messanordnung mit halbdurchlässigem 

Spiegeln, vor den Augen angebracht. 

Bildet das Infrarot-Bild des Auges auf die 

CCD-Kamera ab 

Kopfhautbewegungen können zu 

Artefakten führen


• Analyse des Fahrerverhaltens über eine Blickrichtungsanalyse. [SensoMotoric 

Instruments http://www.smi.de] 

• Spezifikation von diesem Eyetracker 

• Sampling Rate 50/60 Hz 

• Tracking Resolution, Pupil/CR 0.1 deg. (typ.) 

• Gaze Position Accuracy 0.5°-1.0 deg. (typ.) 

• Tracking Range +/- 30° horz., +/-25° vert. 

• Weight of head unit 450 g 

Beispiele 

75


VENG 

• Kombination Videobrille (Head Mounted Display) mit Kamerasystem 

• Keine Artefakte durch Kopfrichtung auf die Blickrichtung 

• Räumliche Auflösung (1 part in 1024) – gut genug. 

• Zeitliche Auflösung (30-60 hz) – gut genug. 

• Vertikale Aufnahmen (Torsion) möglich 

• Einfach anzuwenden, Kalibration ist oft unnötig 

• Abdeckungen können Sicht verdecken (sehr nützlich) 

• Gesamtkosten: etwa $18,000 

76


5a. Virtual Retina Displays (VRD) 

• Direkte Projektion von Text oder Bildern auf der Retina 

• VRD könnte Head Mounted Displays (HMDs) ablösen 

• HMD erzeugt virtuelles Bild, das über optische Systeme projiziert und aktiv 

vom Benutzer betrachtet wird 

• Bei VRD entsteht das Bild unmittelbar auf der Netzhaut 

• Pixel werden in einem Raster über einen Laser auf die Netzhaut gebracht, 

indem ein horizontaler Scanner den Laserstrahl auf der Retina reihen- und 

zeilenweise positioniert 

• lichtbrechende und lichtreflektierende Spiegel oder modulierbare Prismen 

lenken den Laser so auf die Netzhaut, dass beim Betrachter der Eindruck eines 

großen, virtuellen Bildes entsteht. 

• Die Systeme arbeiten mit niedrigen Lichtintensitäten, daher keine Gefahr für 

das menschliche Auge. 

77


5b. Virtual Retina Displays (VRD) 

Herkömmliche Methode (links) VRD (rechts) 

78 

"Nomad" von [Microvision 2004 ] 

SVGA Auflösung entspricht 19 Zoll 

Monitor 

Refresh-Rate von 60 Hertz 

Hauptauftraggeber – US ARMY


5c. Mobile Eyetracking 

79


• VT: Kopf frei beweglich, nicht invasiv 

Nicht kopfgetragene VOG 

• Aber: Augenposition muss bekannt sein 

• Nachführen der Kamera, große Brennweite 

• Beispiel www.Tobii.com, Specs: 

• Sampling Rate 50 Hz 

• Tracking Resolution 0.25 deg. (typ.) 

• Gaze Position Acc 0.5° deg. (typ.) 

• Head-Motion speed < 10 cm/s 

ERICA Incorporated http://www.ericainc.com/system.html 

80


• MRI + Eyetracking 

6. Spezialanwendungen 

• Z.B. MR-Eyetracker , Cambridge Research Systems http://www.crsltd.com/ 

• Wegen MRI keine magnetischen Teile!! 

• Spiegelsysteme und Lichtleitkabel leiten die Informationen über die Augen- 

bewegungen nach 

draußen 

• Messprinzip IROG 

81


• Das Auge 





Überblick 

82


Anwendungen von Augenverfolgung 

• Entwicklungspsychologie 

• Industriedesign und Werbungsforschung 

• Kognitive Psychologie und Neuropsychologie 

• TC Hain 









83


Entwicklungspsychologie 

• Augenverfolgung ist extrem nützlich, um das Verhalten von Säuglingen zu 

verstehen 

• Durch direkte Beobachtung dessen, worauf Kinder reagieren, kann man 

Einsichten in ihre kognitive Entwicklung gewinnen 

• Erfordert: 

• Unaufdringliche Testapparaturen 

• Schnelle und einfache Kalibrierung 

• Spezielle Kalibrierungsroutinen, um die Aufmerksamkeit von Babies zu 

erwecken 

• Einfaches Setup, Audio und Video Stimuli 

84


Industrielles Design und Werbungsforschung 

• Durch Augenverfolgung kann man erfassen, welchen Eindruck ein Design oder 

Werbung auf den Zuschauer hat 

• Typische Fragestellungen sind: 

• Wieviel Beachtung schenkt der Beobachter den verschiedenen Elementen 

• Welche Verpackung ist am effektivsten? 

• Welche Verkaufsregale erfahren die meiste Beachtung? 

• Worauf achten Leute bei einer Werbung? 

• Wie erreicht man, dass Zuschauer die headline sehen? 

• Was braucht man: 

• Unaufdringliche Geräte 

• Tragbare Geräte 

85


Kognitive Psychologie und Neurophysiologie 

• Augenbewegungsverfolgen ist eine etablierte Methode 

• Der experimentellen Psychologie 

• Augenforschung 

• Einsichten in die kognitiven neurologischen Abläufe 

• Was genau sieht die Person 

• Welche Reaktionen löst es aus 

• Studien wie 

• Autismus 

• ADHD (Attention-deficit hyperactivity disorder) 

• Neurologische und visuelle Defizite 

• Systematische und intuitive Strategien 

• … 

86


Kognitive Psychologie und Neurophysiologie 

• Zwei Typen von Augenbewegungen 

• Willkürliche Augenbewegungen 

Steuerung und Kontrolle von Devices 

• Unwillkürliche Augenbewegungen gesteuert vom Gleichgewichtssystem 

• Daher wird die Analyse von Augenbewegungen eingesetzt 

• Zur Diagnose von Störungen des Augenbewegungsapparates aber auch des 

Gleichgewichtssystem 

• Außerdem bei Schlafanalyse zur Erfassung der REM-Phasen 

87


big nystagmus elicited by sound 

Videos from Thomas C Hain 

http://dizziness-and-balance.com Thomas C Hain 

88


nystagmus elicited by pressure 

Videos from Thomas C Hain 

http://dizziness-and-balance.com Thomas C Hain 

89


Neurokinetics 

Klinische Bestimmung von Balanceproblemen 

90


Mensch-Maschine Schnittstellen 









92


Interface Design 

• Augenverfolgung erlaubt Einsicht, auf welche Weise Interface Designs das 

Benutzerverhalten beeinflussen 

• Beispiele von Fragen, die man mit Augenverfolgung zu beantworten sucht: 

• Sind Elemente der Interaktion verstanden und geeignet? 

• Welche Suchstrategien werden verwendet? 

• An welche Stelle sollen wichtige Inhalte platziert werden? 

• Was passiert, wenn die Interaktion zusammenbricht? 

• Was braucht man: 

• Einfache Datensammlung 

• Unaufdringliche Apparatur wegen Experimentartefakte 

• Softwareintegration für web, screen und Kamera 

• Kompensation von Kopfbewegungen 

93


• Wii-mote-ähnliche Devices 

Gaming / Entertainment 

• PC und andere Spiele werden interessanter 

• Biofeedback als zusätzlicher Eingabestrom in Spielen 

• Emotiv Systems 

• CyberLearning 

• NeuroSky 

• Elektroden- 

Headsets 

EMG, EOG 

• Einschätzen 

der Benutzer 

auch online, 

remote 

• Marktforschung 

• … 

94 

http://gadgetsplanet.info


Lesestudien / Lernen 

• Augenverfolgung bietet Einsichten in den Leseprozess 

• Kenntnis darüber, wohin der Leser genau sieht, erlaubt Analyse der Fragen: 

• Welche Passagen bereiten Probleme? 

• Wie kann die Lesefertigkeit verbessert werden? 

• Üben oder Veränderung der Texte/Darstellung 

• Kenntnisse über typische Muster der Fixations- und Sakkaden beim Lesen 

• Worüber ist der Leser gestolpert? 

• Was sind die optimale Textlänge und Bildkontraste? 

• Lernsoftware, Tutoren 

• Im Lesebereich: LISTEN, CHENGO, … 

• Hier wird meist Sprache als Indikator von Schwierigkeiten verwendet, aber 

… 

95


Textverarbeitung 

• Lesen: Folge von Sakkaden und Fixationen, um die Tatsache auszugleichen, 

dass der Bereich des schärfsten Sehens sehr eng ist 

• Fixationen: Augen halten für ca. 250ms inne; große interindividuelle 

Unterschiede 

• Sakkaden umfassen ca. 8 Buchstabenabstände (Solso, Kognitive Psychologie), 

hängt nicht von der Textgröße ab 

• Regressionen: 10-15% der Zeit verbringt der Leser mit Augenrückbewegungen, 

um Material nochmal anzusehen 

• Gute Leser: gute Gestaltinformation über Wörter und Buchstaben in Bereich 

17-19 Buchstabenabstände zum Fixationspunkt (ca. 5 Grad Blickwinkel) 

• Hypothesen: peripheres Sehen wird zum Vorhersagen im Text benutzt 

• VS Zeit während der Fixation wird benutzt um Texteigenart zu bestimmen 

96


• BioKom – Fraunhofer Rostock, CG topics6/ 1997, Dr. Vatterrott 

• Ziel: Steuerung interaktiver Systeme 

hier insbesondere: 

• Alternative Eingabemethoden 

für Schwerstbehinderte 

• Basis: Augenbewegungen 

• Modularer Systemaufbau 

• Spezialanwendungen 

• Spezialtools zur Nutzung 

von Standardanwendungen 

• EMG: 1/0 angespannt/entspannt 

• EOG: Registrierung von Augen- 

bewegungen in 4 Richtungen 

• Einsatz in der Rehabilitation 

• Herausforderungen: 

• Benutzerspezifische Signale 

• Benutzerspezifische Vorlieben 

Auge statt Maus 

97


BioKom Beispiele 

• Augengesteuerte Lernsoftware 

• Bildbenennung 

• Mathetrainer 

• Virtuelle Tastatur für herkömmliche 

Editoren 

98


Menschliche Interaktion: Focus of Attention 

Ansehen – Auge – Kopfbewegung 

Camera View Panoramic View 

Interactive Systems Labs, Dr. Rainer Stiefelhagen 

99 

Perspective 

View


• Aufzeichnung von Sakkaden 

• Hier provoziert durch optische Reize 

Verfahren - Sakkaden 

100 



Verfahren - Folgebewegungen 

• Proband folgt Punkt mit Geschwindigkeit von ca. 10-40/s 

• Bestimmt werden: 

• Geschwindigkeitssymmetrie 

• Verstärkungsfaktor (gain) 

(Reiz- Antwortamplidude) 

• Kohärenz 

• Phase 

• Mit zunehmender 

Geschwindigkeit 

zerfällt die glatten 

Folgebewegung 

Anteil an Sakkaden 

nimmt zu 

10/s = 0,15Hz 

20/s = 0,39Hz 

30/s = 0,45Hz 

101 



Verfahren – Optokinetischer Nystagmus 

• Wird provoziert z.B. durch 

• rotierende Trommel mit aufgebrachten Streifen 

• Horizontal bewegende Muster auf Fernseher 

• Beispiel hier: Horizontale Muster mit 20/s, wechselnde 

Bewegungsrichtung 

102 



Verfahren – Vestibulärer Nystagmus 

• Spülen des äußeren Gehörgangs mit warmem (44 C) oder kaltem (30 C) 

Wasser 

• Vestibulookulärer Reflex wird mit Drehstuhl getestet 

103

Biosignal Augenaktivität - Cognitive Systems Lab

Erfolgreiche ePaper selbst erstellen

Template löschen?

Als Template speichern?