[논문 리뷰] PUPILS pipeline: A flexible Matlab toolbox for eyetracking and pupillometry data processing

Helia Relaño-Iborra, Per Bækgaard|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 10.

Gaze Tracking and Assistive Technology참고 문헌 6인용 수 6

한 줄 요약

PUPILS 파이프라인은 눈운동 측정 및 동공 측정 데이터의 전처리를 자동화하기 위해 설계된 유연하고 사용자 친화적인 MATLAB 툴박스입니다. 깜빡임과 순간 이동을 감지하고, 사용자 정의 가능한 파rameter를 사용하여 누락된 데이터를 보간하며, 노이즈를 제거하여 후속 분석에 바로 사용할 수 있는 깔끔하고 주석이 달린 데이터를 제공합니다. 샘플링 주파수와 단위 외에는 사용자 입력이 최소한으로 필요합니다.

ABSTRACT

With the development of widely available commercial eye trackers, the use of eye tracking and pupillometry have become prevalent tools in cognitive research, both in industry and academia. However, dealing with pupil recordings often proves challenging, as the raw data produced by the eye tracker is subject to noise and artifacts. With the PUPILS toolbox the authors wish to simplify the processing of pupil data for researchers. The toolbox receives the raw data extracted from the eye tracker output files and provides an analysis of the relevant pupillary events (e.g., blinks and saccades), interpolates missing data and denoises the recorded traces. The final output of the toolbox is a cleaned up recording that can be easily exported for use in further analysis.

연구 동기 및 목표

• 상업용 눈운동 측정기에서 유해한 노이즈와 아티팩트로 인해 손상된 동공 추적 데이터의 전처리를 단순화하기 위해.
• 인지신경과학 연구에서 수동적인 데이터 정리 작업을 줄일 수 있는 즉시 사용 가능한 솔루션을 연구자들에게 제공하기 위해.
• 사용자 설정 가능한 알고리즘을 통해 깜빡임, 순간 이동, 정지 시각화와 같은 주요 동공 사건을 정확하게 감지하기 위해.
• 처리 파rameter의 커스터마이제이션과 처리 단계의 모듈식 확장 기능을 통해 다양한 실험 설계를 지원하기 위해.
• 다양한 샘플링 주파수(예: 60 Hz에서 500 Hz까지)와 다양한 눈운동 측정기 간의 호환성을 보장하기 위해.

제안 방법

• 파이프라인은 모듈식 순서로 원시 눈운동 데이터를 처리합니다: 깜빡임 감지, 순간 이동 감지, 데이터 보간, 신호 스무딩.
• 깜빡임 감지는 동공 크기가 평균보다 3표준편차 이하로 떨어지는 영역을 식별하며, 기존 기준에 따라 수행됩니다.
• 순간 이동 감지는 5샘플 간격 동안의 시선 위치 벡터에서 계산된 각속도를 사용하며, 기본 임계값은 30°/s입니다.
• 각속도는 머리 중심을 기준으로 연속된 시선 벡터 간의 내적의 arccos 값으로 계산됩니다.
• 누락된 데이터 및 깜빡임 영향을 받은 영역은 선형 보간되며, 사용자 정의 가능한 전후 간격 확장(기본값: 50 ms 전, 150 ms 후)이 가능합니다.
• 최종 신호는 기본 커프오프 주파수 10 Hz로 저역통과 필터링되어 노이즈가 감소하며, 사용자 정의 가능한 필터 파rameter가 제공됩니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연구자들이 광범위한 수동 조작 없이 노이즈가 많고 아티팩트가 많은 동공 측정 데이터를 어떻게 효율적으로 전처리할 수 있을까요?
• RQ2 다양한 눈운동 측정 데이터셋에서 깜빡임과 순간 이동을 감지하기 위한 최적의 사용자 설정 가능한 파rameter는 무엇일까요?
• RQ3 모듈식이고 확장 가능한 파이프라인은 동공 측정 데이터 분석의 재현성과 유연성에 얼마나 기여할 수 있을까요?
• RQ4 파이프라인이 다양한 샘플링 속도와 트래커 유형 간의 데이터 품질을 어떻게 유지할 수 있을까요?

주요 결과

• PUPILS 파이프라인은 저주파수(60 Hz)와 고주파수(500 Hz) 트래커에서 원시 눈운동 데이터를 일관된 성능으로 성공적으로 처리합니다.
• 3표준편차 임계값을 사용한 깜빡임 감지는 망막 차폐 사건을 신뢰성 있게 식별하며, 임의의 양성 결과를 최소화합니다.
• 30°/s의 속도 임계값을 사용한 순간 이동 감지는 급속한 눈동자 움직임을 효과적으로 포착하며, 특수 응용 분야에 대비해 사용자 조정이 가능합니다.
• 확장된 전후 블링크 윈도우를 사용한 선형 보간은 가장자리 아티팩트를 감소시켜 신호의 연속성을 향상시킵니다.
• 10 Hz에서의 저역통과 필터링은 고주파수 노이즈를 효과적으로 감소시키며, 생리적으로 의미 있는 동공 역동성을 유지합니다.
• 툴박스는 원본, 보간된, 노이즈 제거된 신호가 모두 포함된 완전히 주석이 달린 데이터 프레임을 출력하여 통계 및 시계열 분석에 직접 활용할 수 있도록 합니다.