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Temporal and spatial aspects of eye-movement control : from reading to scanning

Zeitliche und räumliche Aspekte der Blicksteuerung : vom Lesen zum Scannen

  • 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-movementEye 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.show moreshow less
  • 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 wirBlickbewegungen 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Hans Arne Trukenbrod
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-70206
Advisor:Ralf Engbert
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2012
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2013/03/27
Release Date:2014/03/28
Tag:Blickbewegungen; Computationale Modellierung; Fixationdauern; Fixationspositionen; Fixationssequenzen
Eye movements; computational modeling; fixation durations; fixation positions; fixation sequences
RVK - Regensburg Classification:CP 7000
RVK - Regensburg Classification:CP 6000
RVK - Regensburg Classification:CP 2500
Organizational units:Humanwissenschaftliche Fakultät / Institut für Psychologie
Dewey Decimal Classification:1 Philosophie und Psychologie / 15 Psychologie / 150 Psychologie
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