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Human scanpaths in natural scene viewing and natural scene search

Menschliche Blickspuren beim Betrachten und Durchsuchen natürlicher Szenen

  • 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 thisUnderstanding 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.show moreshow less
  • 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,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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Lars Oliver Martin RothkegelORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-420005
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-42000
Subtitle (English):the role of systematic eye-movement tendencies
Advisor:Ralf Engbert
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2018/11/12
Release Date:2019/02/26
Tag:Augenbewegungen; Blickspuren; Computationale Modellierung; Szenenbetrachtung; Visuelle Aufmerksamkeit
computational modeling; eye movements; scanpaths; scene viewing; visual attention
Pagenumber:xv, 131
RVK - Regensburg Classification:CP 2500, CP 6000
Organizational units:Humanwissenschaftliche Fakultät / Strukturbereich Kognitionswissenschaften / Department Psychologie
Dewey Decimal Classification:1 Philosophie und Psychologie / 15 Psychologie / 150 Psychologie
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