Visual search and eye movements: Studies of perceptual span

In visual search one tries to find the currently relevant item among other, irrelevant items. In the present study, visual search performance for complex objects (characters, faces, computer icons and words) was investigated, and the contribution of different stimulus properties, such as luminance contrast between characters and background, set size, stimulus size, colour contrast, spatial frequency, and stimulus layout were investigated. Subjects were required to search for a target object among distracter objects in two-dimensional stimulus arrays. The outcome measure was threshold search time, that is, the presentation duration of the stimulus array required by the subject to find the target with a certain probability. It reflects the time used for visual processing separated from the time used for decision making and manual reactions. The duration of stimulus presentation was controlled by an adaptive staircase method. The number and duration of eye fixations, saccade amplitude, and perceptual span, i.e., the number of items that can be processed during a single fixation, were measured. It was found that search performance was correlated with the number of fixations needed to find the target. Search time and the number of fixations increased with increasing stimulus set size. On the other hand, several complex objects could be processed during a single fixation, i.e., within the perceptual span. Search time and the number of fixations depended on object type as well as luminance contrast. The size of the perceptual span was smaller for more complex objects, and decreased with decreasing luminance contrast within object type, especially for very low contrasts. In addition, the size and shape of perceptual span explained the changes in search performance for different stimulus layouts in word search. Perceptual span was scale invariant for a 16-fold range of stimulus sizes, i.e., the number of items processed during a single fixation was independent of retinal stimulus size or viewing distance. It is suggested that saccadic visual search consists of both serial (eye movements) and parallel (processing within perceptual span) components, and that the size of the perceptual span may explain the effectiveness of saccadic search in different stimulus conditions. Further, low-level visual factors, such as the anatomical structure of the retina, peripheral stimulus visibility and resolution requirements for the identification of different object types are proposed to constrain the size of the perceptual span, and thus, limit visual search performance. Similar methods were used in a clinical study to characterise the visual search performance and eye movements of neurological patients with chronic solvent-induced encephalopathy (CSE). In addition, the data about the effects of different stimulus properties on visual search in normal subjects were presented as simple practical guidelines, so that the limits of human visual perception could be taken into account in the design of user interfaces.

Visuaalisella haulla tarkoitetaan jonkin kohteen näönvaraista etsimistä muiden ärsykkeiden joukosta. Visuaalista hakua on esimerkiksi se, kun etsitään tiettyä henkilöä ihmisjoukosta, lyijykynää työpöydältä tai vaikkapa kuvaketta tietokoneen näytöltä. Visuaalinen haku on keskeistä monissa työtehtävissä sekä liikenteessä. Erilaiset käyttöliittymät ja niiden sisältämät ärsykkeet, kuten tekstit ja symbolit, tulisi suunnitella ihmisen näköjärjestelmän kannalta mahdollisimman helposti havaittaviksi. Koska näöntarkkuus alenee ääreisnäössä voimakkaasti, kykenemme havaitsemaan yksityiskohtia vain pieneltä näkökentän alueelta. Luonnollisessa tilanteessa tarkimman näön aluetta siirretäänkin kiinnostuksen kohteesta toiseen silmiä liikuttamalla. Silmänliikkeitä mittaamalla saadaan tietoa visuaalisen haun tehokkuuteen vaikuttavista seikoista. Tässä tutkimuksessa selvitettiin monimutkaisten objektien, kuten kasvokuvien, kirjainten, kuvakkeiden sekä sanojen hakua. Haun aikana tapahtuvat silmänliikkeet rekisteröitiin. Tutkimuksessa pyrittiin selvittämään, miten erilaiset ärsykkeiden ominaisuudet, kuten vaaleus- ja värikontrasti, lukumäärä ja asettelu vaikuttavat visuaalisen haun tehokkuuteen ja silmänliikkeisiin. Erityisesti tutkittiin havaintokentän kokoa, eli sitä, kuinka paljon eri tyyppistä informaatiota yhdellä katseen kohdistuksella pystytään käsittelemään. Yhdessä osatutkimuksessa selvitettiin myös liuotinaineaivosairaudesta kärsivien potilaiden visuaalista hakua. Tutkimuksessa havaittiin, että yhdellä katseen kohdistuksella kyetään prosessoimaan useita ärsykkeitä. Sana tai kasvokuva löydettiin hakutilanteessa yhdellä katseen kohdistuksella 4 - 5 muun sanan tai kasvon joukosta, kun taas yksinkertaisempia kirjaimia ja kuvakkeita kyettiin prosessoimaan kerralla jopa 30 - 40. Ärsykkeiden ominaisuudet vaikuttivat havaintokentän kokoon: esimerkiksi vaaleuskontrastin alentuessa yhdellä katseen kohdistuksella havaittiin vähemmän ärsykkeitä ja vastaavasti hakuaika kasvoi. Liuotinaineaivosairaudesta kärsivien potilaiden havaintokenttä oli kapeutunut ja visuaalinen haku hidastunut. Tulokset osoittavat, että visuaalisen haun tehokkuus eri tilanteissa on yhteydessä havaintokentän kokoon, joka puolestaan vaikuttaa tarvittavien katseen kohdistusten lukumäärään. Erityisesti verkkokalvon rakenteesta johtuva näöntarkkuuden aleneminen ääreisnäössä näyttää määräävän havaintokentän kokoa ja siten selittävän visuaalisen haun tehokkuutta eri tilanteissa. Myöhemmän tason tiedonkäsittely, kuten oppiminen ja kyky suunnata tarkkaavaisuutta havaintokentässä, näyttävät vaikuttavan haun tehokkuuteen välillisemmin näiden varhaisemman tason rajoitusten sallimissa puitteissa. Tutkimuksen liitteeksi on koottu muutamia yksinkertaisia ohjeita siitä, kuinka käyttöliittymissä tapahtuvaa visuaalista hakua voidaan tehostaa suunnittelemalla niiden visuaaliset ärsykkeet riittävän suuriksi ja selkeästi erottuviksi, jotta havaintokentän koko olisi mahdollisimman suuri.