CN101779960B - 刺激信息认知能力值测试系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种刺激信息认知能力值测试系统，包括：刺激信息提供装置，为被试者呈现视、听觉刺激信息；视线跟踪装置，跟踪记录被试者在获取并处理视觉刺激信息过程中眼睛的运动状态；反馈数据采集装置，用于采集被试者响应刺激信息输入的反馈数据；认知指标值分析装置，根据所述视线跟踪装置的记录通过视动分析法获取被试者在处理视觉刺激信息过程中的认知指标值；认知准确度分析装置，根据所述反馈数据的内容计算被试者的认知准确度；认知能力值计算装置，根据所述认知指标值和认知准确度通过统计学方法计算获得表征被试者的综合认知能力的标准分数。本装置可以更准确地记录被试者的认知过程和被试者间的认知能力差异，并可以广泛应用于人才选拔、岗位安置、学习能力诊断、广告效果、驾驶员安全训练等领域。

Description

刺激信息认知能力值测试系统及其方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种用于定量检测被试者对刺激信息的认知过程、反应准确度和反应速度的系统及其方法。 

背景技术

人的大脑处理信息的过程类似于计算机处理信息的过程，把人脑与计算机类比来研究大脑与心理的现象是20世纪70年代兴起的学派叫认知心理学，是当代心理学研究的主流。人脑与计算机一样有信息的输入、编码、加工、贮存、提取、反应等一系列的操作过程，相当于一个信息加工系统。信息加工系统，也称为“符号操作系统”(Symbol Operation System)，主要由四部分组成，即感受器、处理器、记忆装置、效应器，其中感受器是接受信息的装置，也就是感觉系统；处理器是整个信息加工系统的控制部分，它决定着信息加工的目标、计划及计划的执行；记忆装置，主要是指永久性记忆，是信息加工系统的一个重要组成部分，其中存放大量的、由各种符号按照一定关系联结组成的符号结构，即信息；效应器是信息加工系统对信息做出反应的部分，这是整个系统的最后结构，控制着信息的输出。信息加工心理学就是研究信息在信息加工系统中的传递、转换、贮存和作用机制，以揭开头脑“黑箱”内的活动。 

信息加工心理学最具代表性的方法包括：因素型实验方法、眼动研究方法、口语报告分析法和计算机模拟法。其中，眼动(eye-movement)即眼球运动，它有三种基本方式：注视(fixation)、眼跳(saccades)和追随运动(pursuit movement)，这三种眼动方式经常交错在一起，目的均在于选择信息、将要注意的刺激物成 像于中央窝区域，以形成清晰的像。眼动可以反映视觉信息的选择模式，对于揭示信息加工的内部机制具有重要意义。 

目前，国内外相关领域内并没有专业的测试仪器对人脑在获取刺激信息后的认知能力进行定性和定量的分析，仅存在一些用于研究目的的辅助设备，例如用于上述眼动研究的眼动仪和一些反映人脑认知的部分方面的心理测试软件，而且基本都是从国外引进的，不符合中国的文化特点。 

发明内容

(一)技术问题 

本发明要解决的技术问题是获取人脑在处理刺激信息时的认知过程的指标化数据，结合信息处理准确度和反应速度对其认知能力进行定量描述。 

(二)技术方案 

为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种刺激信息认知能力值测试系统，包括： 

刺激信息提供装置，为被试者呈现视、听觉刺激信息，包括文字、图形、动画和声音信息； 

视线跟踪装置，跟踪记录被试者在获取并处理视觉刺激信息过程中眼睛的运动状态，包括眼睛位置坐标、停留时间、瞳孔直径； 

反馈数据采集装置，用于采集被试者响应所述视、听觉刺激信息输入的反馈数据； 

认知指标值分析装置，根据测试需要将刺激信息划分为多个认知区域，根据所述视线跟踪装置的记录通过视动分析法获取被试者在处理视觉刺激信息过程中的认知指标值，包括刺激信息上每一认知区域的总的注视点数量和总的注视持续时间、每一注视点处的瞳孔直径、平均每一注视点的注视持续时间； 

认知准确度分析装置，根据所述反馈数据的内容计算被试者的认 知准确度； 

认知能力值计算装置，根据所述认知指标值和认知准确度通过统计学方法计算获得表征被试者的综合认知能力的标准分数。 

其中，所述反馈数据采集装置包括视觉信息反应数据采集装置，其包括多个能实现数字和图形输入的反应按键；每一所述反应按键为铜质材料，且具有相同输入功能的按键以相同的间隙排列。 

其中，所述反应数据采集装置包括听觉信息反应数据采集装置，用于采集被试者的声音信息。 

其中，所述反应视线跟踪装置为红外线自动跟踪摄像头。 

本发明还提供一种刺激信息认知能力值测试方法，包括： 

S101：为被试者呈现视听觉刺激信息，包括文字、图形、动画和声音信息； 

S102：跟踪记录被试者在获取视觉刺激信息过程中眼睛的运动状态，包括眼睛位置坐标、瞳孔直径、停留时间； 

S103：接收被试者响应所述视听觉刺激信息而输入的反馈数据； 

S104：根据所述眼睛运动状态的记录通过视动分析法获取被试者在处理视觉刺激信息过程中的认知指标值；根据所述反馈数据的内容计算被试者的认知准确度值； 

S105：根据所述认知指标值和认知准确度值通过统计学方法计算获得被试者的认知能力量化值。 

其中，所述步骤S104进一步包括： 

S1041：根据需要将所述刺激信息划分为多个认知区域； 

S1042：将刺激信息界面上被试者眼睛停留时间超过17ms的位置识别为一个注视点； 

S1043：记录每一认知区域内总的注视点数量、总的注视持续时间、平均每一注视点的注视持续时间、每一注视点处的瞳孔直径作为被试者的认知指标值。 

其中，当所述步骤S1041中的所述多个认知区域包括问题区和多个选项区时，所述步骤S1043还记录被试者在所述多个选项区内的第一个注视点所在的区域以及第一个注视点的注视持续时间。 

其中，所述步骤S1043中，还记录被试者对同一认知区域的回视次数。 

其中，所述步骤S105进一步包括： 

S1051：根据历史认知准确度值和历史认知指标值获得准确度平均值和每一指标项目的平均指标值； 

S1052：根据当前被试者的认知指标值和所述平均指标值建立标准分数模型，计算得到当前被试者的每一指标项目的标准分数；根据当前被试者的反应准确度值与所述准确度平均值建立标准分数模型，计算得到当前被试者的反应准确度标准分数； 

S1053：对所述每一指标项目的标准分数和所述反映准确度标准分数求和，获得认知能力标准分数； 

S1054：将所述认知能力标准分数转化为T分数，记录为认知能力值。 

(三)有益效果 

本装置可以更准确地记录被试者的认知过程和被试者间的认知能力差异，并可以广泛应用于人才选拔、岗位安置、学习能力诊断、广告效果、驾驶员安全训练等领域。 

附图说明

图1是本发明的实施例的刺激信息提供装置以图片形式呈现的视觉刺激信息的示意图； 

图2是本发明的实施例的视线跟踪装置的示意图； 

图3是本发明的实施例的反馈数据采集装置的示意图； 

图4-5分别是本发明的实施例的认知指标值分析装置生成的不同被试者针对同一刺激信息的认知轨迹图； 

图6是本发明的实施例的刺激信息认知能力值测试系统的产品结构图。 

具体实施方式

本发明提出的刺激信息认知能力值测试系统，结合附图和实施例说明如下。 

本发明的刺激信息认知能力值测试系统包括：刺激信息提供装置、视线跟踪装置、反馈数据采集装置、认知指标值分析装置、认知准确度分析装置、认知能力值计算装置。 

刺激信息提供装置，为被试者呈现视、听觉刺激信息，包括文字、图形、动画和声音信息等； 

具体地，可以通过计算机的屏幕来呈现视觉材料，通过耳机来呈现听觉材料。这些刺激材料可以包含涉及到记忆、数学、语言、空间、表象、美术、音乐、逻辑推理等人脑认知的各个方面的内容，以图像、文字或声音的形式提供给被试者，并往往包含一个反馈提示。如图1所示为一示例性刺激信息-矩阵填充图，其涉及逻辑推理，反馈提示为根据图中左方已有信息，由右方选择区域的多个图形中选择与左方空白位置相符的图形。 

视线跟踪装置，跟踪记录被试者在获取并处理视觉刺激信息过程中眼睛的运动状态，包括眼睛位置坐标、停留时间、瞳孔直径等； 

具体地，视觉跟踪装置测量的是被试者眼睛相对于环境中单一固定平面的注视线。测量结果以光标或十字准星显示，叠加在来自远置场景摄像头或其他显示被试者视野的视频资源的图像上。该图像的录像带可用作永久的记录。记录的数据包括时间、眼睛位置的x、y轴坐标以及瞳孔直径，一些外部数据事件/标记也可以和眼动数据一起被记录。眼睛位置坐标与被试者正在观看的平面上的指定区域相关联。这些数据被转换为ASCII码格式以传送给数据分析装置或用于离 线电子表格分析。本实施例采用设置在计算机上的红外线自动跟踪摄像头作为视觉跟踪装置，如图2所示，其为现有技术，在此不作详述。 

反馈数据采集装置，用于被试者响应所述视、听觉刺激信息输入反馈数据； 

具体地，可以采用包含按键的反应器和带耳麦的耳机来实现反馈数据的输入；其中，反馈数据是指被试者在获取所呈现的刺激材料后经过一定时间的认知过程，针对刺激材料中包含的反馈提示做出的相应反应。例如，对于图1中的矩阵填充图的反馈提示，在一定的认知过程后，按下反应器上与认知结果(即所选择图形)相对应的数字按键，当然也可以通过耳麦采集被试者的包含认知结果的语音信息。 

如图3所示即为本实施例所采用的反应器。现有的一些测试软件是通过计算机的鼠标或者某个数字键盘来实现其反应按键的功能，但是，它们最大的问题是反应的准确性和一致性不够。而本实施例中，反应按键均使用特殊的铜质材料，且具有统一的间隙距离和灵敏度，克服了由于鼠标不同、计算机不同所造成的不准确性和不一致性。另外，本实施例将刺激信息的反馈所需的数字输入和图形输入全部设置为可以通过反应器进行输入，更有利于被试者准确反应。例如，涉及到数字记忆内容的刺激材料呈现时，被试者可以通过反应器进行多个数字符号的输入，而无须使用键盘，避免了因为外部客观原因导致的反应时间记录上的误差。 

数据处理装置，根据所述视线跟踪装置的记录通过视动分析法获取被试者在处理视觉刺激信息过程中的认知指标值；根据所述反馈数据的内容计算被试者的认知准确度；根据所述认知指标值和认知准确度通过统计学方法计算获得被试者的认知能力量化值。 

具体地，根据需要对刺激信息进行认知区域的划分；例如，对于图1所示的刺激信息，由于其为逻辑推理测试题，可以将其划分为位于图片左边的问题区域和位于右边的多个选项区域(可以按选项数量 进行划分)，并对上述多个区域进行编号；根据视线跟踪装置所记录的时间和眼睛位置坐标，将刺激信息界面上被试者眼睛停留时间超过一定阈值的位置识别为一个注视点，例如，可以设定为将注视时间超过17ms的位置识别为一个注视点。以此为基准，记录被试者在刺激信息呈现后的开始注视时间(在刺激信息上产生的第一个注视点时所对应的时间)、注视结束时间(开始通过反馈数据输入装置进行操作的时间)、在上述划分的每一认知区域内总的注视点数量、每一区域内的总的注视持续时间、平均每一注视点的注视持续时间、每一注视点处的瞳孔直径、每一认知区域内的注视点的平均瞳孔直径、多个选项区域内第一个注视点所在的区域(即对应于被试者第一次注视的选项)、该第一个注视点的注视持续时间以及同一认知区域的回视次数等等；其中，注视结束时间和开始时间之间的差值即为反应时间，其表征被试者的反应速度。认知指标值的选取可以根据测试需要设置。将这些量化数据作为反应被试者在获取并处理刺激信息过程中的认知能力的指标值进行存储。 

表1示例性列举了部分认知指标值，其中时间单位为ms，瞳孔直径单位为mm。本实施例的数据处理装置内包含存储有20万组被试者的历史测试指标值的数据库，并可以在系统使用过程中实时更新。 

表1 

认知区域编号	总注视时间  (ms)	总注视点个数	平均注视时间  (ms)	平均瞳孔直径  (mm)
					0	0.267	1	0.267	37.176
1	0	0	0	0
					2	0.567	2	0.283	33.976
3	0.317	2	0.158	36.25
					4	0	0	0	0
5	0.167	1	0.167	37.455
					6	0.333	1	0.333	34.857
7	1.933	11	0.176	35.589

具体地，数据处理装置内会存储与刺激信息中的反馈提示相对应的正确反馈数据，将反馈数据输入装置采集到的反馈数据与所述正确反馈数据进行比对(对于采集到的语音数据，通过语义分析进行比对)，可以获得被试者的反应准确度。所述反应准确度可以为一个绝对化数值。例如，可以设定为：针对每一反馈提示的正确反馈计为一分，从而获得一个绝对分数值。本实施例的数据处理装置内还包含存储有20万组被试者的历史反应准确度的数据库，并可以在系统使用过程中实时更新。 

接下来，数据处理装置会综合上述认知指标值和反应准确度(绝对分数值)通过统计学方法进行计算以获得一个用于标定被试者认知能力的量化值。具体地，仍以图1中所示刺激信息为例，试验表明，认知能力值较高的被试者在左方问题区域的注视时间较，在选项区域的注视时间较短；同时，在选项区域内对于与问题区域内的图像相关度较高的图形所在的区域内的注视时间较长且注视点较多，对于相关度较低或完全无关的图形所在区域的注视时间较短或完全不存在注视点；认知能力值较高的被试者对同一认知区域的回视次数较少，平 均注视时间较短；认知能力值较高的被试者在选项区域内的第一个注视点所对应的图形与正确反馈信息的相关程度较高，注视时间也会较长。而在上述相同情况下，认知能力值较低的被试者的反应则完全相反。此外，在某些刺激信息情况下，认知能力值较高的被试者眼睛的扫描幅度更大，注视点更多，并能关注到容易被认知能力值较低的被试者所忽视的区域。 

因此，本实施例的数据分析装置中，根据所述历史测试数据库中的数据，分别计算各项指标下的平均指标值，获得一组平均认知指标值；根据当前被试者的认知指标值与该组平均指标值建立Z分数模型，分别计算被试者每一指标项目下的标准分数(Z分数)；同理，根据所述历史反应准确度数据库中的数据，计算反应准确度平均值；根据当前被试者的反应准确度与该平均值建立Z分数模型，计算被试者的反应准确度标准分数(Z分数)；最后，将上述各项认知指标值标准分数和反应准确度标准分数相加，获得一个综合Z分数；将该综合Z分数转化为表征该被试者的认知能力水平状态的T分数，该T分数即为认知能力量化值。T分数和Z分数的换算方法为本领域公知常识，在此不作详述。 

此外，还可以根据视线跟踪装置的记录通过视动分析法在刺激信息界面上生成表征被试者认知过程的认知轨迹图，其可以鲜明反映被试者在对刺激信息进行处理时对信息材料各区域的先后注视顺序、针对同一区域的回溯次数，由此，可以表现不同被试者的认知能力的个体差异。如有需要，还可以获取被试者的关注区域和忽视区域，以及进一步地，获取具体关注点。例如，针对一副广告信息，通过被试者的认知轨迹图，可以检测得到被试者在该广告信息上最为关注的内容以及完全忽视的内容以评测该广告对其所属产品的推广程度；在交友网站上，可以通过被试者在多幅照片上的认知轨迹图识别其感兴趣的对象；等等。因此，其可以应用于心理学研究、网站设计等多个领域。 

如图4-5中线条所示即为不同被试者在获取同一刺激信息后生成的认知轨迹图，该刺激信息同样涉及逻辑推理，被划分为一个问题区域和六个选项区域，每一注视点按注视顺序标记。图4所示被试者在选项区域内生成的注视点为14个，远远大于问题区域内的注视点：6个；根据注视顺序，其对选项区域1和2较为关注，但其与正确认知结果(区域5)的相关程度不高，且完全忽视了正确的认知结果，在其内完全没有产生注视点；而图5所示的被试者的注视点更少但扫描范围更广，除了锁定正确认知结果(对应于注视点14和15)之外，还关注到了完全被图4所示被试者所忽略的选项区域6(其也与正确认知结果相关，仅存在颜色区别)。而且，即使在同样的认知时间内实现了正确的数据反馈，图5所示的被试者在选项区域内的回视次数也远远超过图4所示的被试者，例如，在选项区域1和2内多次回视；因此，图5为较优的认知轨迹。 

图6所示为本实施例的刺激信息认知能力值测试系统的成品示意图，其包括计算机1、设置于计算机1上的红外线自动跟踪摄像头4、与计算机1连接的反应器2和带耳麦的耳机3。其中，红外线自动跟踪摄像头4用于跟踪被试者视线，反应器2和耳机3的耳麦用于被试者的反馈数据的采集，计算机1的屏幕和耳机3可以分别为被试者呈现视觉、听觉刺激信息，其内设置的软件可以实现视线分析和数据处理，具体分析过程和数据处理过程已在上文的具体装置中进行了描述，在此不作重复。 

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。 

Claims (10)

1.一种刺激信息认知能力值测试系统，其特征在于，包括：

刺激信息提供装置，为被试者呈现视觉和/或听觉的刺激信息；

视线跟踪装置，跟踪、记录被试者在获取并处理视觉刺激信息过程中眼睛的运动状态；

反馈数据采集装置，用于采集被试者响应所述刺激信息而输入的反馈数据；

认知指标值分析装置，根据测试需要将刺激信息划分为多个认知区域，根据所述视线跟踪装置的记录通过视动分析法获取被试者在处理视觉刺激信息过程中的认知指标值，包括刺激信息上每一认知区域的总的注视点数量和总的注视持续时间、每一注视点处的瞳孔直径、平均每一注视点的注视持续时间；

认知准确度分析装置，根据所述反馈数据的内容计算被试者的认知准确度；

认知能力值计算装置，根据所述认知指标值和认知准确度通过统计学方法计算获得表征被试者的综合认知能力的标准分数。

2.如权利要求1所述的刺激信息认知能力值测试系统，其特征在于，所述反馈数据采集装置包括视觉信息反应数据采集装置，其包括多个能实现数字和图形输入的反应按键；每一所述反应按键为铜质材料，且具有相同输入功能的按键以相同的间隙排列。

3.如权利要求1所述的刺激信息认知能力值测试系统，其特征在于，所述反馈数据采集装置包括听觉信息反应数据采集装置，用于采集被试者的声音信息。

4.一种刺激信息认知能力值测试方法，其特征在于，包括：

S101：为被试者呈现视觉刺激信息；

S102：跟踪记录被试者在获取视觉刺激信息过程中眼睛的运动状态； 

S103：接收被试者响应所述刺激信息而输入的反馈数据；

S104：根据所述眼睛运动状态的记录通过视动分析法获取被试者在处理视觉刺激信息过程中的认知指标值；根据所述反馈数据的内容计算被试者的认知准确度值；

S105：根据所述认知指标值和认知准确度值通过统计学方法计算获得被试者的认知能力量化值。

5.如权利要求4所述的刺激信息认知能力值测试方法，其特征在于，所述步骤S101中还包括：为被试者呈现听觉刺激信息。

6.如权利要求4所述的刺激信息认知能力值测试方法，其特征在于，所述步骤S102中，所述眼睛的运动状态包括：眼睛位置坐标、瞳孔直径、停留时间。

7.如权利要求4所述的刺激信息认知能力值测试方法，其特征在于，所述步骤S104进一步包括：

S1041：根据需要将所述刺激信息划分为多个认知区域；

S1042：将刺激信息界面上被试者眼睛停留时间超过17ms的位置识别为一个注视点；

S1043：记录每一认知区域内总的注视点数量、总的注视持续时间、平均每一注视点的注视持续时间、每一注视点处的瞳孔直径作为被试者的认知指标值。

8.如权利要求7所述的刺激信息认知能力值测试方法，其特征在于，当所述步骤S1041中的所述多个认知区域包括问题区域和多个选项区域时，所述步骤S1043还记录被试者在所述多个选项区域内的第一个注视点所在的区域以及第一个注视点的注视持续时间。

9.如权利要求7所述的刺激信息认知能力值测试方法，其特征在于，所述步骤S1043中，还记录被试者对同一认知区域的回视次数。

10.如权利要求4所述的刺激信息认知能力值测试方法，其特征在于，所述步骤S105进一步包括： 

S1051：根据历史认知准确度值和历史认知指标值获得准确度平均值和每一指标项目的平均指标值；

S1052：根据当前被试者的认知指标值和所述平均指标值建立标准分数模型，计算得到当前被试者的每一指标项目的标准分数；根据当前被试者的反应准确度值与所述准确度平均值建立标准分数模型，计算得到当前被试者的反应准确度标准分数；

S1053：对所述每一指标项目的标准分数和所述反映准确度标准分数求和，获得认知能力标准分数；

S1054：将所述认知能力标准分数转化为T分数，记录为认知能力值。 

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