TY - THES A1 - Rothkegel, Lars Oliver Martin T1 - Human scanpaths in natural scene viewing and natural scene search T1 - Menschliche Blickspuren beim Betrachten und Durchsuchen natürlicher Szenen BT - the role of systematic eye-movement tendencies N2 - Understanding how humans move their eyes is an important part for understanding the functioning of the visual system. Analyzing eye movements from observations of natural scenes on a computer screen is a step to understand human visual behavior in the real world. When analyzing eye-movement data from scene-viewing experiments, the impor- tant questions are where (fixation locations), how long (fixation durations) and when (ordering of fixations) participants fixate on an image. By answering these questions, computational models can be developed which predict human scanpaths. Models serve as a tool to understand the underlying cognitive processes while observing an image, especially the allocation of visual attention. The goal of this thesis is to provide new contributions to characterize and model human scanpaths on natural scenes. The results from this thesis will help to understand and describe certain systematic eye-movement tendencies, which are mostly independent of the image. One eye-movement tendency I focus on throughout this thesis is the tendency to fixate more in the center of an image than on the outer parts, called the central fixation bias. Another tendency, which I will investigate thoroughly, is the characteristic distribution of angles between successive eye movements. The results serve to evaluate and improve a previously published model of scanpath generation from our laboratory, the SceneWalk model. Overall, six experiments were conducted for this thesis which led to the following five core results: i) A spatial inhibition of return can be found in scene-viewing data. This means that locations which have already been fixated are afterwards avoided for a certain time interval (Chapter 2). ii) The initial fixation position when observing an image has a long-lasting influence of up to five seconds on further scanpath progression (Chapter 2 & 3). iii) The often described central fixation bias on images depends strongly on the duration of the initial fixation. Long-lasting initial fixations lead to a weaker central fixation bias than short fixations (Chapter 2 & 3). iv) Human observers adjust their basic eye-movement parameters, like fixation dura- tions and saccade amplitudes, to the visual properties of a target they look for in visual search (Chapter 4). v) The angle between two adjacent saccades is an indicator for the selectivity of the upcoming saccade target (Chapter 4). All results emphasize the importance of systematic behavioral eye-movement tenden- cies and dynamic aspects of human scanpaths in scene viewing. N2 - Die Art und Weise, wie wir unsere Augen bewegen, ist ein bedeutender Aspekt des visuellen Systems. Die Analyse von Augenbewegungen beim Betrachten natürlicher Szenen auf einem Bildschirm soll helfen, natürliches Blickverhalten zu verstehen. Durch Beantwortung der Fragen wohin (Fixationsposition), wie lange (Fixationsdauern) und wann (Reihenfolge von Fixationen) Versuchspersonen auf einem Bild fixieren, lassen sich computationale Modelle entwickeln, welche Blickspuren auf natürlichen Bildern vorhersagen. Modelle sind ein Werkzeug, um zugrunde liegende kognitive Prozesse, insbesondere die Zuweisung visueller Aufmerksamkeit, während der Betrachtung von Bildern zu verstehen. Das Ziel der hier vorliegenden Arbeit ist es, neue Beitr¨age zur Modellierung und Charakterisierung menschlicher Blickspuren auf natürlichen Szenen zu liefern. Speziell systematische Blicksteuerungstendenzen, welche größtenteils unabhängig vom betrachteten Bild sind, sollen durch die vorliegenden Studien besser verstanden und beschrieben werden. Eine dieser Tendenzen, welche ich gezielt untersuche, ist die Neigung von Versuchspersonen, die Mitte eines Bildes häufiger als äußere Bildregionen zu fixieren. Außerdem wird die charakteristische Verteilung der Winkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sakkaden systematisch untersucht. Die Ergebnisse dienen der Evaluation und Verbesserung des SceneWalk Modells für Blicksteuerung aus unserer Arbeitsgruppe. Insgesamt wurden 6 Experimente durchgeführt, welche zu den folgenden fünf Kernbefunden führten: i) Ein örtlicher inhibition of return kann in Blickbewegungsdaten von Szenenbetrachtungsexperimenten gefunden werden. Das bedeutet, fixierte Positionen werden nach der Fixation für einen bestimmten Zeitraum gemieden (Kapitel 2). ii) Die Startposition der Betrachtung eines Bildes hat einen langanhaltenden Einfluss von bis zu fünf Sekunden auf die nachfolgende Blickspur (Kapitel 2 & 3). iii) Die viel beschriebene zentrale Fixationstendenz auf Bildern hängt davon ab, wie lange die erste Fixation dauert. Lange initiale Fixationen führen zu deutlich geringerer zentraler Fixationstendenz als kurze Fixationen (Kapitel 2 & 3). iv) Menschliche Betrachter passen Fixationsdauern und Sakkadenamplituden an die visuellen Eigenschaften eines Zielreizes in visueller Suche an (Kapitel 4). v) Der Winkel zwischen zwei Sakkaden ist ein Indikator dafür, wie selektiv das Ziel der zweiten Sakkade ist (Kapitel 4). Alle Ergebnisse betonen die Wichtigkeit von systematischem Blickbewegungsverhalten und dynamischen Aspekten menschlicher Blickspuren beim Betrachten von natürlichen Szenen. KW - eye movements KW - scene viewing KW - computational modeling KW - scanpaths KW - visual attention KW - Augenbewegungen KW - Szenenbetrachtung KW - Computationale Modellierung KW - Blickspuren KW - Visuelle Aufmerksamkeit Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-420005 ER - TY - THES A1 - Ohl, Sven T1 - Small eye movements during fixation : the case of postsaccadic fixation and preparatory influences T1 - Kleine Augenbewegungen während der Fixation: Der Fall der postsakkadischen Fixation und vorbereitender Einflüsse N2 - Describing human eye movement behavior as an alternating sequence of saccades and fixations turns out to be an oversimplification because the eyes continue to move during fixation. Small-amplitude saccades (e.g., microsaccades) are typically observed 1-2 times per second during fixation. Research on microsaccades came in two waves. Early studies on microsaccades were dominated by the question whether microsaccades affect visual perception, and by studies on the role of microsaccades in the process of fixation control. The lack of evidence for a unique role of microsaccades led to a very critical view on the importance of microsaccades. Over the last years, microsaccades moved into focus again, revealing many interactions with perception, oculomotor control and cognition, as well as intriguing new insights into the neurophysiological implementation of microsaccades. In contrast to early studies on microsaccades, recent findings on microsaccades were accompanied by the development of models of microsaccade generation. While the exact generating mechanisms vary between the models, they still share the assumption that microsaccades are generated in a topographically organized saccade motor map that includes a representation for small-amplitude saccades in the center of the map (with its neurophysiological implementation in the rostral pole of the superior colliculus). In the present thesis I criticize that models of microsaccade generation are exclusively based on results obtained during prolonged presaccadic fixation. I argue that microsaccades should also be studied in a more natural situation, namely the fixation following large saccadic eye movements. Studying postsaccadic fixation offers a new window to falsify models that aim to account for the generation of small eye movements. I demonstrate that error signals (visual and extra-retinal), as well as non-error signals like target eccentricity influence the characteristics of small-amplitude eye movements. These findings require a modification of a model introduced by Rolfs, Kliegl and Engbert (2008) in order to account for the generation of small-amplitude saccades during postsaccadic fixation. Moreover, I present a promising type of survival analysis that allowed me to examine time-dependent influences on postsaccadic eye movements. In addition, I examined the interplay of postsaccadic eye movements and postsaccadic location judgments, highlighting the need to include postsaccadic eye movements as covariate in the analyses of location judgments in the presented paradigm. In a second goal, I tested model predictions concerning preparatory influences on microsaccade generation during presaccadic fixation. The observation, that the preparatory set significantly influenced microsaccade rate, supports the critical model assumption that increased fixation-related activity results in a larger number of microsaccades. In the present thesis I present important influences on the generation of small-amplitude saccades during fixation. These eye movements constitute a rich oculomotor behavior which still poses many research questions. Certainly, small-amplitude saccades represent an interesting source of information and will continue to influence future studies on perception and cognition. N2 - Die Beschreibung des Blickbewegungsverhaltens als eine sich abwechselnde Folge von Sakkaden und Fixationen stellt eine starke Vereinfachung dar, denn auch während einer Fixation bewegen sich die Augen. Typischerweise treten Bewegungen von kleiner Amplitude (z.B. Mikrosakkaden), 1-2 mal pro Sekunde während einer Fixation auf. Frühe Studien zu Mikrosakkaden wurden von Fragen bezüglich des Einflusses von Mikrosakkaden auf die visuelle Wahrnehmung, und Studien zu der Rolle von Mikrosakkaden bei der Fixationskontrolle dominiert. Fehlende Evidenz für eine Rolle, die ausschließlich Mikrosakkaden zufällt, führten zu einer sehr kritischen Betrachtung von Mikrosakkaden. In den letzten Jahren rückten Mikrosakkaden wieder mehr in den Fokus. Vielerlei Zusammenhänge mit Wahrnehmung, okulomotorischer Kontrolle und Kognition, sowie neue Erkenntnisse bezüglich der neurophysiologischen Implementierung von Mikrosakkaden konnten aufgedeckt werden. In den letzten Jahren wurden verschiedene Modelle der Mikrosakkadengenerierung vorgestellt. Auch wenn sich diese in ihren exakten Mechanismen unterscheiden, so teilen sie doch die Annahme, dass Mikrosakkaden in einer topographisch organisierten motorischen Karte für Sakkaden ausgelöst werden. Diese Karten beinhalten eine Repräsentation für klein-amplitudige Sakkaden im Zentrum der Karte (mit dem rostralen Pol der colliculi superiores als neurophysiologische Implementierung). In der vorliegenden Arbeit kritisiere ich, dass Modelle der Mikrosakkadengenerierung ausschließlich auf Resultaten langanhaltender präsakkadischer Fixation beruhen. Ich führe an, dass Mikrosakkaden in einer natürlicheren Situation untersucht werden sollten, nämlich während der Fixation nach einer großen Sakkade. Die Untersuchung postsakkadischer Fixation bietet eine neue Möglichkeit Modelle der Mikrosakkadengenerierung zu falsifizieren. In den Studien zeige ich, dass Signale über den Fehler in der Sakkadenlandeposition (visuelle und extra-retinale), sowie fehler-unabhängige Signale, wie die Zielreiz-Exzentrizität, einen entscheidenden Einfluss auf kleine Sakkaden haben. Diese Resultate erfordern Modifikationen an dem kürzlich eingeführten Modell von Rolfs, Kliegl und Engbert (2008), um die Generierung von kleinen Sakkaden auch während der postsakkadischen Fixation erklären zu können. Darüber hinaus präsentiere ich eine viel versprechende Ereigniszeitanalyse, die uns erlaubt zeitabhängige Einflüsse auf das postsakkadische Blickbewegungsverhalten zu untersuchen. Außerdem untersuche ich das Zusammenspiel von postsakkadischen Augenbewegungen und postsakkadischen Positionsurteilen. Dabei wird die Bedeutung von postsakkadischen Augenbewegungen als Kovariate in den statistischen Analysen betont. Ein zweites Ziel dieser Arbeit besteht darin Modellvorhersagen bezüglich vorbereitender Einflüsse auf die Mikrosakkadengenerierung zu untersuchen. Die Ergebnisse, hinsichtlich eines signifikanten Einflusses des preparatory set auf die Mikrosakkadenrate unterstützt die wesentliche Modellannahme, dass erhöhte fixationsbezogene Aktivität zu einer größeren Anzahl an Mikrosakkaden führt. In der vorliegenden Arbeit präsentiere ich wichtige Einflüsse auf die Generierung von kleinen Sakkaden während der Fixation. Diese Augenbewegungen stellen ein vielseitiges okulomorisches Verhalten dar, welche weiterhin zahlreiche Fragen mit sich bringen und sicherlich zukünftige Studien zu Wahrnehmung und Kognition beeinflussen werden. KW - Augenbewegungen KW - Mikrosakkaden KW - Sekundärsakkaden KW - Korrektursakkaden KW - Landepositionsfehler KW - eye movements KW - microsaccades KW - secondary saccades KW - corrective saccades KW - saccadic error Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69862 ER -