[论文解读] PUPILS pipeline: A flexible Matlab toolbox for eyetracking and pupillometry data processing
PUPILS 流水线是一个灵活、用户友好的 MATLAB 工具箱，旨在自动化眼动追踪和瞳孔测量数据的预处理。它能够检测眨眼和扫视，对缺失数据进行插值，并通过可自定义参数对瞳孔轨迹进行去噪处理，输出经过清理、带注释的数据，供后续分析使用，用户仅需输入采样频率和单位即可，无需额外干预。
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.
研究动机与目标
- 简化从商用眼动仪获取的噪声大、含伪迹的瞳孔追踪数据的预处理流程。
- 为研究人员提供即插即用的解决方案，减少认知神经科学研究中手动清理数据的工作量。
- 通过可配置算法，实现对关键瞳孔事件（眨眼、扫视和注视）的精确检测。
- 通过支持处理参数的自定义和处理阶段的模块化扩展，适应多样的实验设计。
- 确保与多种眼动仪在不同采样频率（例如 60 Hz 至 500 Hz）下的兼容性。
提出的方法
- 该流水线通过模块化流程处理原始眼动追踪数据：眨眼检测、扫视检测、数据插值和信号平滑。
- 眨眼检测依据既定标准，识别瞳孔大小低于平均值三个标准差的区域。
- 扫视检测基于五样本间隔内 gaze 位置向量的角速度，缺省阈值为 30°/s。
- 角速度通过连续 gaze 向量相对于头部中心的点积反余弦函数计算得出。
- 缺失数据和受眨眼影响的区域采用线性插值，插值前后可配置时间区间（缺省：眨眼前 50 ms，后 150 ms）。
- 最终信号通过默认截止频率为 10 Hz 的低通滤波器进行降噪处理，用户可自定义滤波参数。
实验结果
研究问题
- RQ1研究人员如何在无需大量人工干预的情况下，高效处理噪声大、含伪迹的瞳孔测量数据？
- RQ2在不同眼动追踪数据集中，检测眨眼和扫视的最优可配置参数是什么？
- RQ3模块化、可扩展的流水线在多大程度上能提升瞳孔测量数据分析的可重复性和灵活性？
- RQ4该流水线如何在不同采样率和追踪器类型下保持数据质量？
主要发现
- PUPILS 流水线在 60 Hz 低频和 500 Hz 高频眼动仪上均表现出一致的处理性能。
- 采用三倍标准差阈值的眨眼检测能可靠识别闭眼事件，显著减少误报。
- 使用 30°/s 速度阈值的扫视检测能有效捕捉快速眼动，且用户可调节阈值以适应特殊应用。
- 通过扩展的前、后眨眼窗口进行线性插值，可减少边缘伪影，提升信号连续性。
- 在 10 Hz 处理的低通滤波能有效降低高频噪声，同时保留与生理相关的瞳孔动态变化。
- 该工具箱输出一个完整标注的数据帧，包含原始、插值和去噪后的信号，可直接用于统计分析和时间序列分析。
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本解读由 AI 生成，并经人工编辑审核。