基于眼动数据测量认知负荷水平

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认知负荷是人在处理信息过程中所消耗的认知资源。由于认知负荷水平会显著影响人类执行任务的效率,所以在教育方法改进、交互产品设计、高压力工作监测等领域,都需要对认知负荷进行科学的测量。  目前测量认知负荷的方法可分为三类,分别是主观评定测量、任务绩效测量和生理测量。主观评定测量通过人的主观感受和体验评估认知负荷,需要依托于评价量表,容易受到主观影响。任务绩效测量根据任务中的绩效成绩间接评估认知负荷,其绩效成绩容易量化和统计,但其指标必须根据任务而设定。生理测量是一种客观、可量化的测量方法,其中眼动数据可以以非接触的方式采集,具有较高的实际应用价值。所以本文基于认知负荷理论设计了认知负荷眼动数据采集实验,对能够体现认知负荷的眼动特征进行了分析,提出了一种剔除用户个体差异的特征分析方法,并结合模式识别的理论方法完成了对认知负荷水平的测量。  本研究分为两个阶段,其主要研究内容如下:  第一阶段实现对两种认知负荷状态的识别。采用判断任务的实验范式诱发认知负荷;借助统计检验确定了12个能够体现认知负荷状态的特征;提出一种去除眼动特征中被试间差异的方法;利用支持向量机(SVM)完成对认知负荷状态的识别,其识别准确度为90.2%;根据识别结果确定认知负荷状态的最优特征。  第二阶段实现对认知负荷水平的量化。采用心算任务的实验范式,通过控制计算难度操纵认知负荷水平;提取55个眼动特征,并详细分析兴趣区驻留时间占比、计算过程中瞳孔大小改变量与认知负荷水平的关系;利用序列后向选择算法(SBS)和支持向量机,确定最优的特征组合并完成对认知负荷多个水平的识别,其识别准确率为74.4%;借助于分类的后验概率,完成对认知负荷的量化。  本研究利用眼动数据识别认知负荷状态、水平,并进一步完成对认知负荷水平的量化,从而说明了借助于眼动数据测量认知负荷水平的可行性。鉴于眼动数据采集的非接触性,上述研究结果有望推广到实际的应用场景之中。
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