TY - THES A1 - Trukenbrod, Hans Arne T1 - Temporal and spatial aspects of eye-movement control : from reading to scanning T1 - Zeitliche und räumliche Aspekte der Blicksteuerung : vom Lesen zum Scannen N2 - Eye movements are a powerful tool to examine cognitive processes. However, in most paradigms little is known about the dynamics present in sequences of saccades and fixations. In particular, the control of fixation durations has been widely neglected in most tasks. As a notable exception, both spatial and temporal aspects of eye-movement control have been thoroughly investigated during reading. There, the scientific discourse was dominated by three controversies, (i), the role of oculomotor vs. cognitive processing on eye-movement control, (ii) the serial vs. parallel processing of words, and, (iii), the control of fixation durations. The main purpose of this thesis was to investigate eye movements in tasks that require sequences of fixations and saccades. While reading phenomena served as a starting point, we examined eye guidance in non-reading tasks with the aim to identify general principles of eye-movement control. In addition, the investigation of eye movements in non-reading tasks helped refine our knowledge about eye-movement control during reading. Our approach included the investigation of eye movements in non-reading experiments as well as the evaluation and development of computational models. I present three main results : First, oculomotor phenomena during reading can also be observed in non-reading tasks (Chapter 2 & 4). Oculomotor processes determine the fixation position within an object. The fixation position, in turn, modulates both the next saccade target and the current fixation duration. Second, predicitions of eye-movement models based on sequential attention shifts were falsified (Chapter 3). In fact, our results suggest that distributed processing of multiple objects forms the basis of eye-movement control. Third, fixation durations are under asymmetric control (Chapter 4). While increasing processing demands immediately prolong fixation durations, decreasing processing demands reduce fixation durations only with a temporal delay. We propose a computational model ICAT to account for asymmetric control. In this model, an autonomous timer initiates saccades after random time intervals independent of ongoing processing. However, processing demands that are higher than expected inhibit the execution of the next saccade and, thereby, prolong the current fixation. On the other hand, lower processing demands will not affect the duration before the next saccade is executed. Since the autonomous timer adjusts to expected processing demands from fixation to fixation, a decrease in processing demands may lead to a temporally delayed reduction of fixation durations. In an extended version of ICAT, we evaluated its performance while simulating both temporal and spatial aspects of eye-movement control. The eye-movement phenomena investigated in this thesis have now been observed in a number of different tasks, which suggests that they represent general principles of eye guidance. I propose that distributed processing of the visual input forms the basis of eye-movement control, while fixation durations are controlled by the principles outlined in ICAT. In addition, oculomotor control contributes considerably to the variability observed in eye movements. Interpretations for the relation between eye movements and cognition strongly benefit from a precise understanding of this interplay. N2 - Blickbewegungen stellen ein wichtiges Instrument dar, um kognitive Prozesse zu untersuchen. In den meisten Paradigmen ist allerdings wenig über die Entstehung von Sakkaden und Fixationen bekannt. Insbesondere die Kontrolle der Fixationsdauern wurde häufig außer acht gelassen. Eine wesentliche Ausnahme stellt die Leseforschung dar, in der sowohl zeitlichliche als auch räumliche Aspekte der Blickbewegungssteuerung im Detail betrachtet wurden. Dabei war der wissenschaftliche Diskurs durch drei Kontroversen gekennzeichnet, die untersuchten, (i), welchen Einfluss okulomotorische bzw. kognitive Prozesse auf die Blicksteuerung haben, (ii), ob Worte seriell oder parallel verarbeitet werden und, (iii), wie Fixationsdauern kontrolliert werden. Die vorliegende Arbeit zielt im wesentlichen darauf ab, die Dynamik von Fixationssequenzen zu erforschen. Ausgehend von den Erkenntnissen beim Lesen untersuchten wir Blickbewegungen in Nichtlese-Aufgaben, mit dem Ziel allgemeine Prinzipien der Blicksteuerung zu identifizieren. Zusätzlich versuchten wir mit Hilfe dieser Aufgaben, Erkenntnisse über Prozesse beim Lesen zu vertiefen. Unser Vorgehen war sowohl von der Durchführung von Experimenten als auch der Entwicklung und Evaluation computationaler Modelle geprägt. Die Hauptbefunde zeigten: Erstens, okulomotorische Phänomene des Lesens lassen sich in Suchaufgaben ohne Wortmaterial replizieren (Kapitel 2 & 4). Dabei bestimmen okulomotorische Prozesse die Fixationsposition innerhalb eines Objektes. Diese wiederum beeinflusst das nächste Sakkadenziel sowie die Fixationsdauer. Zweitens, wesentliche Vorhersagen von Modellen, in denen Blickbewegungen von seriellen Aufmerksamkeitsverschiebungen abhängen, konnten falsifiziert werden (Kapitel 3). Stattdessen legen unsere Erkenntnisse nahe, dass die Blicksteuerung von der parallelen Verarbeitung mehrerer Objekte abhängt. Drittens, Fixationsdauern werden asymmetrisch kontrolliert (Kapitel 4). Während hohe Verarbeitungsanforderungen Fixationsdauern unmittelbar verlängern können, führen niedrige Verarbeitungsanforderungen nur zeitlich verzögert zu einer Reduktion. Wir schlagen ein computationales Modell ICAT vor, um asymmetrische Kontrolle zu erklären. Grundlage des Modells ist ein autonomer Zeitgeber, der unabhängig von der momentanen Verarbeitung nach zufälligen Zeitintervallen Sakkaden initiiert. Unerwartet hohe Verarbeitungsanforderungen können die Initiierung der nächsten Sakkade hinauszögern, während unerwartet niedrige Verarbeitungsanforderungen den Beginn der nächsten Sakkade nicht verändern. Der Zeitgeber passt sich allerdings von Fixation zu Fixation neuen Verarbeitungsanforderungen an, so dass es zu einer zeitlich verzögerten Reduktion der Fixationsdauern kommen kann. In einer erweiterten Version des Modells überprüfen wir die Kompatibilität ICATs mit einer realistischen räumlichen Blicksteuerung. Die Ähnlichkeit von Blickbewegungsphänomenen über Aufgaben hinweg legt nahe, dass sie auf allgemeinen Prinzipien basieren. Grundlage der Blicksteuerung ist die verteilte Verarbeitung des visuellen Inputs, während die Kontrolle der Fixationsdauer auf den Prinzipien von ICAT beruht. Darüber hinaus tragen okulomotorische Phänomene wesentlich zur Variabilität der Blicksteuerung bei. Ein Verständnis dieses Zusammenspiels hilft entscheidend den Zusammenhang von Blickbewegungen und Kognitionen besser zu verstehen. KW - Blickbewegungen KW - Fixationssequenzen KW - Computationale Modellierung KW - Fixationdauern KW - Fixationspositionen KW - Eye movements KW - fixation sequences KW - computational modeling KW - fixation durations KW - fixation positions Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70206 ER - TY - THES A1 - Chandra, Johan T1 - The role of the oculomotor control in eye movements during reading N2 - Most reading theories assume that readers aim at word centers for optimal information processing. During reading, saccade targeting turns out to be imprecise: Saccades’ initial landing positions often miss the word centers and have high variance, with an additional systematic error that is modulated by the distance from the launch site to the center of the target word. The performance of the oculomotor system, as reflected in the statistics of within-word landing positions, turns out to be very robust and mostly affected by the spatial information during reading. Hence, it is assumed that the saccade generation is highly automated. The main goal of this thesis is to explore the performance of the oculomotor system under various reading conditions where orthographic information and the reading direction were manipulated. Additionally, the challenges in understanding the eye movement data to represent the oculomotor process during reading are addressed. Two experimental studies and one simulation study were conducted for this thesis, which resulted in the following main findings: (i) Reading texts with orthographic manipulations leads to specific changes in the eye movement patterns, both in temporal and spatial measures. The findings indicate that the oculomotor control of eye movements during reading is dependent on reading conditions (Chapter 2 & 3). (ii) Saccades’ accuracy and precision can be simultaneously modulated under reversed reading condition, supporting the assumption that the random and systematic oculomotor errors are not independent. By assuming that readers increase the precision of sensory observation while maintaining the learned prior knowledge when reading direction was reversed, a process-oriented Bayesian model for saccade targeting can account for the simultaneous reduction of oculomotor errors (Chapter 2). (iii) Plausible parameter values serving as proxies for the intended within-word landing positions can be estimated by using the maximum a posteriori estimator from Bayesian inference. Using the mean value of all observations as proxies is insufficient for studies focusing on the launch-site effect because the method exhibits the strongest bias when estimating the size of the effect. Mislocated fixations remain a challenge for the currently known estimation methods, especially when the systematic oculomotor error is large (Chapter 4). The results reported in this thesis highlight the role of the oculomotor system, together with underlying cognitive processes, in eye movements during reading. The modulation of oculomotor control can be captured through a precise analysis of landing positions. N2 - Zahlreiche Theorien des Lesens gehen davon aus, dass Sakkaden beim Lesen auf die Wortmitte abzielen, um eine optimale Informationsverarbeitung zu erreichen. Die Lan- depositionen von Sakkaden verfehlen oft die Wortmitte und weisen eine hohe Varianz auf, mit einem zusätzlichen systematischen Fehler, der durch die Entfernung zwischen der Sakkadensstartposition und der Position der Wortmitte moduliert wird. Das Verhalten der Okulomotorik, wie es sich in der Statistik der Sakkadenlandepositionen widerspiegelt, erweist sich als sehr robust und wird hauptsächlich von räumlichen Informationen beeinflusst. Daher wird angenommen, dass der Sakkadengenerierungprozess automatisiert ist. Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, das Verhalten des okulomotorischen Systems unter verschiedenen Lesebedingungen zu untersuchen. Hierzu wurden orthographische Informationen und die Leserichtung manipuliert. Blickbewegungsdaten repräsentieren den okulomotorischen Prozess beim Lesen. Die Herausforderungen beim Verständnis dieser Daten wurden thematisiert. Insgesamt wurden zwei experimentelle Studien und eine Simulationsstudie durchgeführt, die zu folgenden Hauptergebnissen führen: (i) Die Blickbewegungsmuster beim Lesen von Texten mit manipulierter Orthographie veränderten sich spezifisch zur jeweiligen Bedingung, sowohl in zeitlichen als auch räumlichen Kennwerten der Blickbewegungsdaten. Dies legt nahe, dass die okulomotorische Kontrolle beim Lesen an die Manipulation anpasst (Kapitel 2 & 3). (ii) Sowohl Genauigkeit, als auch Präzision von Sakkaden lassen sich durch die veränderte Leserichtung verbessern. Das Ergebnis zeigt, dass systematische und zufällige Fehler des okulomotorischen Systems nicht unabhängig sind. Das Bayes’sche Model zur Sakkadenplanung kann die empirischen Ergebnisse approximieren und zeitgleich die verbesserte Sakkadenausrichtung erklären. In der Rechts-nach-Links Lesebedingung verbessert sich die Präzision von sensorischen Informationen, während das a priori erlernte Vorwissen unverändert bleibt (Kapitel 2). (iii) Plausible Parameterwerte, die als Annäherung für intendierte Landepositionen dienen, können durch Verwendung des maximalen a posteriori Schätzers aus der Bayes’schen Inferenz geschätzt werden. Die einfache Mittelwertsmethode weist die stärksten Verzerrung bei der Schätzung der Effektstärke des Launch-Site-Effekts auf. Daher ist sie nicht ausreichend um den Effekt zu beschreiben. Falsch verorterte Fixationen bleiben eine Herausforderung für die derzeit bekannten Schätzmethoden, insbesondere wenn der systematische okulomotorische Fehler groß ist (Kapitel 4). Die in dieser Arbeit berichteten Ergebnisse unterstreichen die Rolle des okulomotorischen Systems, zusammen mit den zugrundeliegenden kognitiven Prozessen, bei der Blicksteuerung beim Lesen. Die Modulation der okulomotorischen Steuerung kann durch die genauen Analysen der Sakkadenlandepositionen erfasst werden. T2 - Die Rolle der Okulomotorik in Blickbewegungen beim Lesen KW - Oculomotor control KW - Eye movements KW - Reading KW - Blickbewegungen KW - Okulomotorik KW - Lesen Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-475930 ER -