Un nouvel appareil d'enregistrement automatique de l'activité oculo-motrice du jeune enfant - article ; n°1 ; vol.78, pg 145-161

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L'année psychologique - Année 1978 - Volume 78 - Numéro 1 - Pages 145-161
Summary
The paper describes an experimental method for the recording and computer analysis of eye movements during visual search. It relies on the corneal reflection principle and is especially suitable for the study of exploratory strategies in young children. The eye is lit by a parallel infrared beam and filmed by an infrared video camera positioned in the same optical axis. In this way, and by using a filtering system (Schmitt triggers), only three levels of illumination are present on the image : the bright spot (image of the reflection of the beam on the cornea), the light grey pupil and the dark background. Recording of the video images involves 64 lines per image with 128 time units on a line and 25 images per sec. Data are recorded on magnetic lape to allow experimentation outside the laboratory. Data are later analyzed on a computer, to determine for each image the position of the spot with respect to the pupil center; duration and location of fixations are then calculated by reference to a calibration table. The precision of the method reaches 2° for a visual field spanning 40° on the horizontal and 30° on the vertical axis.
Résumé
L'article décrit un dispositif expérimental fondé sur le principe du reflet cornéen et permettant l'enregistrement et le traitement automatique des mouvements oculaires d'exploration : il est plus spécialement prévu pour l'étude des stratégies d'exploration chez les jeunes enfants. L'œil est éclairé par une source infrarouge et filmé avec une caméra vidéo infrarouge dans le même axe optique que l'éclairage. Par ce dispositif et par l'utilisation d'un système à filtres logiques, l'image obtenue ne contient que trois niveaux déclairement : un spot très brillant (reflet cornéen), la pupille grise et le reste noir. L'enregistrement se fait en 64 lignes avec 128 points par ligne et 24 images par seconde, et les données peuvent être stockées sur enregistreur magnétique, permettant les études hors laboratoire. Ultérieurement les données sont analysées sur ordinateur, pour aboutir à déterminer pour chaque image la position du spot par rapport au centre de la pupille, et déduire de là la durée et la localisation des fixations, en référence à un calibrage individuel. La précision de ce repérage est inférieure à 2° pour un champ de + 20° en horizontal et + 15° en vertical.
17 pages
Source : Persée ; Ministère de la jeunesse, de l’éducation nationale et de la recherche, Direction de l’enseignement supérieur, Sous-direction des bibliothèques et de la documentation.
Publié le : dimanche 1 janvier 1978
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P.-M. Baudonnière
Marie-Germaine Pêcheux
P. Taranne
Un nouvel appareil d'enregistrement automatique de l'activité
oculo-motrice du jeune enfant
In: L'année psychologique. 1978 vol. 78, n°1. pp. 145-161.
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Baudonnière P.-M., Pêcheux Marie-Germaine, Taranne P. Un nouvel appareil d'enregistrement automatique de l'activité oculo-
motrice du jeune enfant. In: L'année psychologique. 1978 vol. 78, n°1. pp. 145-161.
doi : 10.3406/psy.1978.28234
http://www.persee.fr/web/revues/home/prescript/article/psy_0003-5033_1978_num_78_1_28234Abstract
Summary
The paper describes an experimental method for the recording and computer analysis of eye
movements during visual search. It relies on the corneal reflection principle and is especially suitable for
the study of exploratory strategies in young children. The eye is lit by a parallel infrared beam and filmed
by an infrared video camera positioned in the same optical axis. In this way, and by using a filtering
system (Schmitt triggers), only three levels of illumination are present on the image : the bright spot
(image of the reflection of the beam on the cornea), the light grey pupil and the dark background.
Recording of the video images involves 64 lines per image with 128 time units on a line and 25 images
per sec. Data are recorded on magnetic lape to allow experimentation outside the laboratory. Data are
later analyzed on a computer, to determine for each image the position of the spot with respect to the
pupil center; duration and location of fixations are then calculated by reference to a calibration table.
The precision of the method reaches 2° for a visual field spanning 40° on the horizontal and 30° on the
vertical axis.
Résumé
L'article décrit un dispositif expérimental fondé sur le principe du reflet cornéen et permettant
l'enregistrement et le traitement automatique des mouvements oculaires d'exploration : il est plus
spécialement prévu pour l'étude des stratégies d'exploration chez les jeunes enfants. L'œil est éclairé
par une source infrarouge et filmé avec une caméra vidéo infrarouge dans le même axe optique que
l'éclairage. Par ce dispositif et par l'utilisation d'un système à filtres logiques, l'image obtenue ne
contient que trois niveaux déclairement : un spot très brillant (reflet cornéen), la pupille grise et le reste
noir. L'enregistrement se fait en 64 lignes avec 128 points par ligne et 24 images par seconde, et les
données peuvent être stockées sur enregistreur magnétique, permettant les études hors laboratoire.
Ultérieurement les données sont analysées sur ordinateur, pour aboutir à déterminer pour chaque
image la position du spot par rapport au centre de la pupille, et déduire de là la durée et la localisation
des fixations, en référence à un calibrage individuel. La précision de ce repérage est inférieure à 2°
pour un champ de + 20° en horizontal et + 15° en vertical.L'Année Psychologique, 1978, 78, 145-161
NOTE
UN NOUVEL APPAREIL
D'ENREGISTREMENT AUTOMATIQUE
DE L'ACTIVITÉ OCULOMOTRICE
DU JEUNE ENFANT
par P. -M. Baudonnière, M. -G. Pêcheux, P. Taranne1
Laboratoire de Psychologie expérimentale et comparée*
Université René-Descartes et EPHE, 3e section
Associé au CNRS
SUMMARY
The paper describes an experimental method for the recording and
computer analysis of eye movements during visual search. It relies on the
corneal reflection principle and is especially suitable for the study of
exploratory strategies in young children. The eye is lit by a parallel infrared
beam and filmed by an infrared video camera positioned in the same
optical axis. In this way, and by using a filtering system (Schmitt triggers),
only three levels of illumination are present on the image : the bright spot
(image of the reflection of the beam on the cornea), the light grey pupil
and the dark background. Recording of the video images involves 64 lines
per image with 128 time units on a line and 25 per sec. Data are
recorded on magnetic tape to allow experimentation outside the laboratory.
Data are later analyzed on a computer, to determine for each image the
position of the spot with respect to the pupil center ; duration and location
of fixations are then calculated by reference to a calibration table. The
precision of the method reaches 2° for a visual field spanning 40° on the
horizontal and 30° on the vertical axis.
INTRODUCTION
L'intérêt de l'étude des mouvements oculaires lors de tâches cogni-
tives chez l'enfant, déjà souligné par E. Vurpillot en 1969, n'a pas été
1. Nous remercions l'équipe du Pr Bruner (Oxford), M. Y. Barbin (ingé
nieur, Paris), MM. P. Bovet, B. Teston et J. Pynte (Laboratoires de Psychol
ogie et de Phonétique, Aix-en-Provence), et M. V. Duquenne (Laboratoire
de Psychologie expérimentale, Paris V) de l'aide qu'ils nous ont apportée.
L'enregistreur magnétique a été acquis dans le cadre d'un contrat de
recherche inter-UER de l'Université Paris V, portant sur les aspects biolo
gique, linguistique, psychologique, sociologique et pédagogique de l'appren
tissage de la langue maternelle orale et écrite, du préapprentissage de la
lecture et de l'écriture ; problèmes du bilinguisme.
2. 28, rue Serpente, 75006 Paris. 146 P. -M. Baudonnière, M.- G. Pêcheux, P. Taranne
démenti par les études menées ces dix dernières années (cf. Day, 1975).
Qu'il s'agisse de détection (Rand et Wapner, 1969). de comparaisons
(Vurpillot, Taranne, 1974), de raisonnement logique (O'Bryan, Boersma,
1971), l'analyse des stratégies d'exploration des données visuelles s'est
révélée une voie d'approche féconde pour l'étude des processus cognitifs
d'élaboration de la réponse. Mais toutes les études en ce domaine ont
montré que l'enregistrement de l'activité oculomotrice pose chez le
jeune enfant un certain nombre de problèmes spécifiques : pour exa
miner les enfants dans un cadre familier et pour constituer de larges
échantillons, il faut pouvoir expérimenter dans les écoles mêmes ; il
faut que l'installation soit rapide, les réglages simples, et que l'immobil
isation du sujet soit minimale ; enfin, il est souvent nécessaire d'utiliser
différents types de stimulus : diapositives mais aussi planches ou objets
réels.
En conséquence, des techniques telles que la vecto-oculographie
(Jeannerod, 1968), qui ont fait leurs preuves chez l'adulte, sont inuti
lisables chez l'enfant. Par contre, la méthode du reflet cornéen (Mack-
worth, 1968), qui répond à ces exigences (sauf la dernière) a permis de
réaliser dans l'équipe de E. Vurpillot un certain nombre de recherches
(Vurpillot, 1968 ; Vurpillot et Taranne, 1974 ; Vurpillot et Baudonn
ière, 1976 ; Vurpillot, Castelo, Renard, 1975 ; Pêcheux, 1976 ; Moal,
1976 ; Vurpillot, 1977). Mais ce n'est pas sans problèmes que ces données
ont été obtenues. La méthode, on le sait, consiste à filmer le reflet,
sur l'œil du sujet, de barres lumineuses solidaires du champ, et la posi
tion de ces reflets par rapport à la pupille varie selon la position du
regard dans le champ. Cela suppose donc que les limites de la pupille
soient nettes, et la méthode n'est utilisable que chez des enfants aux
yeux clairs. L'identification de la position des barres sur chaque prise
de vue peut être faite visuellement, ce qui suppose cependant un appren
tissage délicat et des risques d'erreur qui ne peuvent jamais être éliminés
totalement. Enfin, la prise de vues doit être faite au rythme minimum
de 8 images par seconde : le travail de lecture des films est long et fast
idieux, même pour un expérimentateur entraîné, et le nombre de sujets
des groupes expérimentaux est, en conséquence, souvent restreint.
Nous avons donc entrepris de modifier cette technique, en conser
vant tous ses avantages déjà reconnus. Deux ordres d'exigences étaient
à satisfaire :
1. Du point de vue des sujets : pouvoir examiner dans les écoles, tous
les enfants, quelle que soit la couleur ou la fragilité de leurs yeux
et sans que des repères brillants attirent le regard des plus jeunes ;
2. Du point de vue du traitement des données : permettre un dépouill
ement rapide d'un grand nombre de données, donc utiliser un ordina
teur, avec la double nécessité d'acquérir les données dans les écoles
en l'absence de l'ordinateur et de pouvoir les traiter sur un petit
ordinateur. Un nouvel appareil d'enregistrement automatique 147
L'analyse sur ordinateur supposait de passer du film (image bi-
dimensionnelle) à l'image vidéo (suite de lignes unidimensionnelles,
habituellement 625 lignes/image et 25 images/seconde). Par ailleurs,
un certain nombre de techniques déjà mises au point répondaient à
plusieurs de nos exigences :
— l'éclairage de l'œil en lumière infrarouge (Haith, 1969) permet de
fonctionner avec un éclairage ambiant faible et en l'absence de
repères attirants ;
— le principe de la « pupille brillante » (Merchant et Morrissette, 1974),
utilisé dans Poculomètre produit par Honeywell et par les chercheurs
du laboratoire de Bruner à Oxford, repose sur le fait que l'intérieur
de l'œil reflète, dans une certaine proportion, le faisceau éclairant ;
si la prise de vue est faite dans l'axe de ce faisceau, par l'intermé
diaire d'un miroir semi-transparent, la pupille apparaît claire,
quelle que soit la couleur de l'iris ;
— une partie du faisceau réfléchi par le miroir courbe de la cornée
forme un « spot » très brillant dont la position par rapport à la pupille
varie selon la position du regard dans le champ (Massé, 1976, p. 24).
Cette position peut être caractérisée par les coordonnées X et Y
du centre du spot dans un système cartésien dont l'origine est au
centre de la pupille ;
— l'image vidéo primitive peut comporter tous les niveaux de gris
entre le blanc et le noir. Les signaux peuvent être filtrés pour aboutir
à trois niveaux interprétables sans ambiguïté par l'ordinateur :
blanc brillant : spot ; gris clair : pupille ; noir : le reste du champ.
Sur ces bases, nous avons donc mis au point un système dont les
caractéristiques générales sont les suivantes :
— éclairage de l'œil par un faisceau infrarouge ;
— prise de vue « pupille blanche » ;
— utilisation d'une caméra vidéo sensible à l'infrarouge et fonctionnant
en double balayage : 625 lignes pour le cadrage et les réglages de
départ, 64 lignes pour l'enregistrement, qui permettent simultané
ment une cadence d'acquisition compatible avec les possibilités
de l'ordinateur et une précision suffisante ;
— stockage des images vidéo sur un enregistreur magnétique ;
— relecture des données à une cadence plus lente, avec reformation
des signaux et digitalisation ;
— analyse sur ordinateur des données digitalisées, selon le plan suivant :
— calcul, pour chaque image, des coordonnées X et Y du centre de
la pupille, du centre du spot et des coordonnées du du
spot par rapport au centre de la pupille ;
— regroupement des images correspondant à une même fixation
et calcul des coordonnées et de la durée de celle-ci ;
— localisation des fixations en fonction d'un calibrage individuel. P. -M. Baudonnière, M.- G. Pêcheux, P. Taranne 148
On aboutit donc à des données (suite de fixations dont la localisation
et la durée sont déterminées) dont le traitement ultérieur, maintenant
classique, permet de calculer les caractéristiques de l'activité oculo-
motrice pertinentes pour les problèmes spécifiques que l'on veut étudier.
La précision que cette technique permet est tout à fait adaptée aux
études des stratégies oculaires d'un point de vue cognitif. Il est clair,
par ailleurs, qu'elle élimine les risques d'erreurs inhérents à toute
lecture visuelle des films.
Le développement suivant précisera les différentes étapes de cette
méthode d'enregistrement et d'analyse automatique des mouvements
oculaires.
DESCRIPTION DU DISPOSITIF
SYSTÈME OPTIQUE (fig. 1)
Eclairage de l'œil
L'œil du sujet (droit ou gauche, au choix) est éclairé par un faisceau
parallèle infrarouge. La partie supérieure de la figure 1 présente la
manière dont ce faisceau est obtenu. La lampe-source (S) émet une
lumière riche en infrarouge (lampe quartz iode pour projecteur) ; la
, M
OEIL HI
H F2 Ll D 12
OBJECTIF
pupille
CAMERA
-spot
MONITEUR
Fig. 1. — Dispositif d'éclairage de l'œil et de prise de vue
S = source lumineuse; Ll '= condenseur ; D IF = verre dépoli pour
diffusion ; D = diaphragme ; L2 = lentille donnant le faisceau parallèle ;
FI = filtre des rayons visibles ; F2 = filtre des rayons chauds ; M = miroir
semi- transparent. Un nouvel appareil d'enregistrement automatique 149
lumière émise est condensée par une première lentille Ll, le faisceau
obtenu diaphragmé (D) et une seconde lentille L2 le transforme en
faisceau parallèle ; ce dernier traverse alors deux filtres :
— un filtre FI éliminant les rayons visibles au-dessous de 900 Â ;
— un F2 totalement les rayons chauds au-dessus
de 1 200 â.
Ne sont donc conservés que des rayons peu visibles et sans aucun
danger pour l'œil des sujets.
Les différents éléments sont montés sur un banc optique permettant
des réglages fins et l'ensemble est enfermé dans un caisson avec venti
lateur, ne laissant passer aucune lumière visible en direction du sujet.
Prise de vue
Le miroir semi-transparent M permet de confondre l'axe du faisceau
éclairant et l'axe de prise de vue de la caméra. On obtient ainsi une
pupille claire et un spot brillant (fig. 1, Moniteur). Pour un champ
situé à 50 cm du sujet et ayant une ouverture de ± 20° en horizontal
et ± 15° en vertical, nous avons utilisé un objectif de focale 300 mm
avec une bonnette de vision proche. Le diamètre vertical de la pupille
occupe alors environ les deux cinquièmes, au maximum la moitié,
de la hauteur de l'écran vidéo. Ceci nous a permis de concilier deux
exigences contraires : d'une part, plus l'image de la pupille est grande
plus la précision de la localisation du spot sera grande, d'autre part,
lors des fixations des points extrêmes du champ l'image de la pupille
doit rester dans les limites de l'image vidéo. Les caractéristiques de
l'objectif sont donc à choisir en fonction des du champ
à explorer.
SYSTÈME ÉLECTRONIQUE
Enregistrement
A ce niveau, le coffret de commande de la caméra a trois fonctions :
— Le double balayage : le balayage classique en 625 lignes permet
de visualiser l'image sur un moniteur courant et donc de cadrer très
facilement la prise de vue ; mais la haute fréquence des signaux qu'il
fournit dépasse les capacités d'acquisition de l'enregistreur et de l'ord
inateur utilisés. Pour l'enregistrement, on utilise donc le balayage
sur 64 lignes équidistantes réparties de manière homogène sur le champ ;
on diminue ainsi la fréquence des signaux en conservant une bonne
précision, la forme arrondie de la pupille et du spot étant très prédictible.
— Le système de seuils logiques : étant donnés les contrastes entre
le blanc brillant du spot, le gris clair de la pupille et les zones sombres
du reste du champ, les signaux vidéo peuvent être filtrés pour obtenir
trois niveaux homogènes. Le réglage de ces filtres peut être commencé P. -M. Baudonnière, M.- G. Pêcheux, P. Taranne 150
sur l'image visible en 625 lignes, puis contrôlé et ajusté sur oscilloscope
en 64 lignes.
— En 64 lignes et en vidéo logique, le coffret de commande peut
délivrer à l'enregistreur magnétique trois types de signaux sur trois
voies distinctes (cf. fig. 2) :
El : signal vidéo noir : iris, sclérotique, paupières, etc. (0 V) ;
gris : pupille (0,5 V) ;
blanc : spot (1 V) ;
E2 : signal synchro fin de ligne et fin d'image ;
E3 : horloge synchrone, battant à 102 kHz, soit 64 lignes x 64 tops par
ligne x 25 images/seconde. Chaque signal, vidéo ou synchro, peut
donc être daté en X (position sur la ligne) et Y (ligne de l'image).
Ll 0v
0,5 v
Ov El
E2
Ov lv
11:
E3 Voie horloge 64 tops/ ligne
Fig. 2. — Signaux délivrés par le coffret de commande
en vue de l'enregistrement
El = signaux video différant selon les lignes ; E2 = signaux de synchro
nisation fin de ligne et fin d'image ; E3 = signaux d'horloge à 102 kHz. Un nouvel appareil d'enregistrement automatique 151
L'enregistreur magnétique utilisé est équipé de 3 pistes FM-AM
synchrones, fonctionnant à une vitesse de déroulement de 30 ips et
acceptant dans ces conditions la fréquence de l'horloge, sans qu'il soit
possible de monter au-delà de 64 tops par ligne.
Traitement électronique des données enregistrées
Disposant pour le traitement informatique d'un ordinateur Tél
émécanique T1600, nous avons prévu le traitement électronique en
conséquence et ce qui est dit plus loin concerne ce calculateur. Il est
bien évident que l'utilisation d'un calculateur plus rapide est possible
et simplifierait certains problèmes.
Nous avons donc tenu compte de deux ordres de contraintes :
— la déformation des signaux par l'enregistreur magnétique, inévitable.
Les signaux doivent être reformés pour qu'il n'y ait pas de confusion
entre niveaux sur chacune des voies, et en conservant la synchron
isation des trois voies ;
— la cadence d'acquisition limitée du calculateur T 1600, qui nous a
déterminés :
1. A relire les enregistrements à une vitesse 8 fois plus lente (ce qui
accroît les déformations signalées ci-dessus) ;
2. A ne retenir que les informations strictement nécessaires et cela
par deux procédés : d'une part, sur l'ensemble des 64 tops d'une
ligne, 6 au maximum peuvent être significatifs : début de ligne,
début de pupille, début de spot, fin de spot, fin de pupille, fin
de ligne ; d'autre part, les lignes sans pupille n'apportent aucune
information pour localiser le spot par rapport à la pupille ;
3. A présenter à l'entrée du calculateur des données aussi épurées
que possible par un traitement électronique préalable.
En conséquence, le traitement des enregistrements est
le suivant (fig. 3) :
1. Au cours de la relecture les signaux de chacune des trois voies sont
travaillés :
— les signaux vidéo sont reformés par le système de seuils logiques ;
— les de synchro sont reformés en négatif, la distinction entre
fin de ligne et fin d'image étant assurée par la durée différente des
signaux ;
— la fréquence de l'horloge est multipliée par 2 (ce qui améliore la
précision du repérage sur les lignes, en aval de l'enregistreur magnét
ique) et les signaux d'horloge constituent un double compteur de
tops par ligne (X de 0 à 128) et de lignes (Y de 0 à 64) avec remise
à zéro en fin d'image. 152 P.-M. Baudonnière, M. -G. Pêcheux, P. Taranne
ï
LOGIQUE VIDEO | I SYNCHRO . , HORLOGE
VIDEO SYNCHRO HORLOGE LOGIQUE DEFORMEE DEFORMEE DEFORMEE
VIDEO SYNCHRO HORLOGE i i
Reformation des signaux
x 2
Détection des
changements d'état
> l
Codage de
sur l'événement Codage 3 bits de X et Y
sur 13 bits
Ordre
d'acquisition
au calculateur
Fig. 3. — Organigramme du traitement électronique
en lecture des enregistrements
2. Lorsque survient un changement d'état sur les signaux vidéo
ou synchro, il y a simultanément (flg. 4) :
— codage en 3 bits de la nature de ce changement ;
— saisie sur l'horloge-compteur des coordonnées X et Y de ce change
ment d'état et digitalisation sur 7 + 6 = 13 bits de ces données ;
— envoi d'un ordre à l'ordinateur d'acquérir ce pattern de 16 bits.
3. La prise de vue se faisant au rythme de 25 im. /s, les variations,
d'une image à la suivante, de la position de la pupille dans l'image sont
faibles. La durée entre la dernière ligne concernant la pupille sur une

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