OHJE KIRJAPAINOLLE: B5-arkin vasen- ja yläreuna kohdistetaan A4-arkin vasempaan jayläreunaan. Näin pitäisi marginaaliksi tulla taitteen puolella noin 33 mm ja muualla noin 22 mm.

Tietojenkäsittelytiede 34 (Huhtikuu 2012) sivut 54–71 c© kirjoittaja(t)Toimittaja: Jorma Tarhio

Katseenseuranta syötemenetelmänä

Päivi MajarantaTampereen yliopisto

Informaatiotieteiden yksikköpaivi.majaranta@uta.fi

Tiivistelmä

Katseenseuranta mahdollistaa silmien liikkeen ja katseen suunnan mittaamisen. Erityisenhyödyllinen katseenseuranta on vaikeavammaisille, tarjoten vaihtoehtoisen tavan kommu-nikoida. Kun tietokone analysoi ja muuttaa katseinformaation katsevektoreiksi ja edelleennäytön koordinaateiksi, katsetta voidaan käyttää tietokoneen ohjaamiseen. Hiiren korvik-keena katse on nopea, mutta epätarkka osoitusmenetelmä. Artikkelissa tutustumme kat-seenseurannan perusteisiin ja katsekäyttöliittymän suunnittelun haasteisiin. Käymme lä-pi tapoja tehostaa katseella kirjoittamista yksinkertaisten käyttöliittymäratkaisujen avulla.Käyttäjäkokeiden tulokset osoittavat, että katseella kirjoittamisen miellyttävyyttä ja no-peutta voidaan parantaa merkittävästi huolellisen käyttöliittymäsuunnittelun avulla.

1 Johdanto

Ihminen käyttää katsetta visuaalisen infor-maation keräämiseen ympäristöstä. Kat-seen suunnasta voi päätellä, mihin katso-jan visuaalinen huomio kohdistuu. Kat-se on myös tärkeä osa jokapäiväistä ih-mistenvälistä vuorovaikutusta, esimerkik-si keskusteluissa vuoronvaihdon ilmaisi-jana tai ympäristön esineisiin kohdistuva-na osoitusvälineenä [22]. Merkitsevä kat-se suolasirottimeen voi saada pöytäseuru-een jäsenen ojentamaan sen sinulle.

Silmänliikkeiden seurantamenetelmiäon perinteisesti hyödynnetty tutkimusväli-neenä mm. lääketieteessä, psykologiassa,markkinointi- ja käytettävyystutkimuksis-sa [7]. Tutkijoita on kiinnostanut esi-merkiksi se, miten silmät liikkuvat ihmi-sen lukiessa, kuvia katsoessa tai erilaissaongelmanratkaisu- ja hakutehtävissä [33].Katseen käyttäytymisen uskotaan heijas-

tavan kognitiivisia prosesseja. Tätä tietoavoidaan edelleen soveltaa ihmisen ja tek-nologian väliseen vuorovaikutukseen. Yk-si esimerkki on lukemisen apuohjelma, jo-ka osaa automaattisesti hakea käännöksenvieraskieliselle sanalle havaitessaan poik-keaman lukemisessa; käyttäjän katse py-sähtyy vaikean sanan kohdalle normaaliapidemmäksi aikaa [16].

Katse on myös luonteeltaan toimin-taa ennakoivaa [22]. Kohdetta katsotaan,ennen kuin kädet tarttuvat siihen. Kat-se on siis luonnollinen osoitusväline, jo-ten sen voisi ajatella sopivan hyvin esi-merkiksi hiirtä korvaamaan käyttöliitty-missä. Katseen tietoinen käyttäminen tie-tokoneen ohjaamiseen ei kuitenkaan oletäysin ongelmatonta. Käyttäjän aikomus-ten päättely pelkän katseen perusteella onhaasteellista: onko kyse yleisestä havain-nointitapahtumasta vai tietoisesta kohteen

Majaranta 55

valitsemisesta katseella?Esittelemme seuraavaksi silmän ja kat-

seen ominaisuuksia, jotka ovat olennai-sia käytettäessä katsetta syötemenetelmä-nä ihmisen ja tietokoneen välisessä vuoro-vaikutuksessa. Kerromme myös lyhyesti,miten katseenseurantalaite toimii ja tutus-tumme muutamiin esimerkkisovelluksiin,joissa katsetta on hyödynnetty menestyk-sekkäästi.

Yksi tärkeä sovellusalue on katseeseenpohjautuvat vammaisten apuvälineohjel-mistot. Pohdimme, mitä erityisvaatimuk-sia siitä seuraa, jos katseenseurantalaitetoimii käyttäjän ensisijaisena kommuni-kaatiomenetelmänä. Käymme läpi erityi-sesti katseella tapahtuvan tekstinkäsitte-lyn haasteita ja tutkimustuloksiin perus-tuvia konkreettisia esimerkkejä ja ohjei-ta siitä, kuinka katseella kirjoittamisenmiellyttävyyttä ja nopeutta voidaan paran-taa huolellisen käyttöliittymäsuunnittelunavulla. Monet näistä katsekirjoittamistatukevista ratkaisuista ja suunnittelun pe-riaatteista yleistyvät myös muihin katse-pohjaisiin sovelluksiin. Lopuksi pohdim-me katseenseurannan tulevaisuuden näky-miä ja tutkimushaasteita.

2 Silmänliikkeet ja visuaalinenhavaitseminen

Näköaisti on ensisijaisesti visuaaliseenhavainnointiin keskittyvä aisti, joten kat-seen käyttäminen komentojen antamiseentietokoneelle aiheuttaa omat haasteensa.Jos katsetta halutaan hyödyntää käyttöliit-tymissä, on tärkeää ymmärtää muutamiaperusasioita silmän toiminnasta ja katseenkäyttäytymisestä.

Ihmisen silmä on rakentunut siten, ettäsuurin osa aistinsoluista on keskittynyt ns.tarkan näön alueelle (fovea). Tarkan näönalue kattaa näkökentästä vain noin puo-litoista astetta. Helppo peukalosääntö fo-vean koon arviointiin on katsoa peukalon

kynttä käsivarren mitan etäisyydeltä. Kos-ka ihminen näkee yhdellä katseella vainpienen alueen tarkasti, silmää täytyy siir-tää, jos halutaan tutkia tarkemmin jotainääreisnäön alueen kohdetta.

Katseen pysähtymistä kohteeseen sa-notaan fiksaatioksi. Fiksaatio kestää noin200–300 ms. Katseen siirtymistä kohtees-ta toiseen sanotaan sakkadiksi. Sakkaditovat nopeita, ballistisia liikkeitä, joidenkesto on noin 20–40 ms. Näkeminen ta-pahtuu enimmäkseen fiksaation aikana jaaivot yhdistävät näköinformaation yhte-näiseksi näköhavainnoksi (lisätietoa ha-vaitsemisesta löytyy esim. [12]).

Katseenseuranta perustuu siihen, et-tä ihmisen pitää suunnata silmä (pupillija fovea) kohteeseen nähdäkseen tarkasti.Esimerkiksi lukiessa katsetta joutuu siir-tämään rivillä sanasta toiseen, koska ih-minen näkee tarkasti vain noin 11 kirjain-merkkiä yhdellä fiksaatiolla (käytännössäsakkadien pituus vaihtelee hieman eri kie-lissä). Fiksaation kesto vaihtelee riippuentekstin vaikeudesta. Katse pysähtyy vai-keiden sanojen kohdalle pidemmäksi ai-kaa tai niihin saatetaan palata myöhem-min. Katseen käyttäytyminen heijasteleesiis myös kognitiivista kuormaa. Toisaaltalyhyiden apusanojen (”ja”, ”kun”) yli saa-tetaan hypätä kokonaan, koska ne tunnis-tetaan fovean ja ääreisnäön reuna-alueellajo hahmon perusteella.

Katsominen on suurelta osin tiedosta-maton tapahtuma, jota ohjaavat erilaisettahdosta riippumattomat prosessit [12].Esimerkiksi liike ääreisnäön alueella ai-heuttaa helposti vilkaisun liikkeen suun-taan. Katsottavan kohteen piirteet myösohjaavat silmänliikkeitä ihmisen kerätes-sä tietoa ympäristöstään. Katse harvoinkohdistuu tyhjään pintaan, kun taas voi-makkaat kontrastit ja värit vetävät huo-mion puoleensa. Katsominen on osittainmyös opittu tapahtuma. Esimerkiksi län-

56 Katseenseuranta syötemenetelmänä

simaalaiset tutustuvat painettuun materi-aaliin edeten vasemmalta oikealle ja yl-häältä alas. Kokeneet Internetin käyttäjätovat ”sokeita” verkkosivujen mainosban-derolleille, koska ovat oppineet välttele-mään niitä [3].

Katseenseuranta voi paljastaa, mihinkohdistimme visuaalisen huomiomme taimitkä kohteet jäivät näkemättä (tarkas-ti). Fiksaatioista ja sakkadeista muodostu-va katsepolku kertoo, missä järjestyksessähuomiomme siirtyi kohteesta toiseen. Joskäyttäjällä on vaikeuksia löytää kohdetta,se saattaa näyttäytyä pitkänä, harhaileva-na katsepolkuna [9].

Kiinnostuksen tai aikomusten päättelyei kuitenkaan onnistu pelkän katseen pe-rusteella. Motivaatio ja tehtävän päämää-rä muuttavat myös katseen käyttäytymis-tä. Jos tavoite esimerkiksi taideteosta kat-soessa on arvioida kuvassa esiintyvien ih-misten ikä, se tuottaa aivan erilaisen kat-sepolun verrattuna tehtävään, jossa tavoit-teena on painaa muistiin esineiden ja ih-misten paikat [44].

Ihminen voi myös keskittyä tehtävään-sä niin, että häneltä jää havaitsemattaasioita, jotka hän normaalisti näkisi hel-posti [32]. Katseen suuntaaminen kohtee-seen ei siis takaa sitä, että kohde varmastihavaittiin tai sen sisältö ymmärrettiin.

3 Katse syötemenetelmänäKatse on nopea mutta epätarkka osoitus-menetelmä [18]. Kuten yllä opimme, kat-seen siirtäminen kohteesta toiseen vie vainparikymmentä millisekuntia ja katse ehtiikohteeseen, ennen kuin käsi siirtää hiirenkohdistinta [45].

Koska ihminen näkee kaiken tarkastitarkan näön alueen rajoissa, pelkän kat-seen suunnan perusteella ei voida varmuu-della sanoa, täsmälleen mihin pisteeseen(näytön pikseliin) käyttäjä on huomion-sa kiinnittänyt. Katseenseurantalaitteisto-

jen rajoitteet ja katseen suunnan mittaa-miseen liittyvät haasteet tuovat myös epä-varmuutta mittaustarkkuuteen – kerrom-me näistä seuraavassa luvussa. Yleisenäsääntönä voidaan kuitenkin pitää sitä, et-tä katseella osoittaminen on tarkkuudel-taan parhaimmillaan n. 0,5 astetta. Käy-tännössä tämä tarkoittaa n. 15 pikselin le-vyistä aluetta 17-tuumaisella 1024× 768-näytöllä 70 cm:n katseluetäisyydellä.

Katseenseurannan epätarkkuudestaseuraa se, että aivan pienimpiin kohteisiinon vaikea tai jopa mahdoton osua ilmanapuvälineitä. Kohteiden koon kasvattami-nen helpottaa niiden valintaa katseella,mutta vie samalla tilaa ruudulta. Tähänon kehitetty ratkaisuksi erilaisia hierark-kisia valikoita ja tekniikoita, joissa suu-rennuslasityökalujen avulla kohteen ko-koa kasvatetaan tarvittaessa [34]. Näidenkäyttö kuitenkin vie aikaa, joten samallamenetetään katseen vahvuudeksi mainittunopeus.

Katseenseurantalaitteesta tulevien häi-riöiden lisäksi silmien jatkuva pieni lii-ke (mikrosakkadit) aiheuttaa epätarkkuut-ta, joten hiiren kohdistimen sitominen sil-mänliikkeeseen sellaisenaan ei toimi. Hii-ren jatkuva liike häiritsee ja saattaa va-rastaa käyttäjän huomion [19]. Yleensäkatseeseen pohjaavissa hiiriemulaattoreis-sa kohdistimen nykivää liikettä pehmen-netään keskiarvoistamalla, jotta osoittami-nen olisi helpompaa ja miellyttävämpää.

Katseella osoittaminen vaatii jonkinverran harjoittelua myös siksi, että kohdis-tin on mittausvirheen takia usein muuta-man pikselin verran pielessä ja osuu har-voin täsmälleen katsotun kohteen keskel-le. Joskus onkin parempi piilottaa kohdis-tin ja sen sijaan antaa palaute valittavankohteen keskellä, jolloin katseenseurantanäyttäytyy käyttäjälle tarkkana.

Ehkä tarkkuuttakin suurempi haasteon kuitenkin katseen samanaikainen käyt-

Majaranta 57

tö havaitsemiseen ja komentojen antami-seen. Yleisesti puhutaan Midaksen koske-tus -ongelmasta, jossa kaikki, mihin ih-minen katsoo, tulee valituksi [18]. Vaik-ka teoriassa käyttäjä olisi oppinut ruudul-la näkyvän näppäimistön ulkoasun osa-ten siirtää katseen näppäimestä toiseenoikeassa järjestyksessä, jokin ylimääräi-nen liike (esim. kärpäsen laskeutuminenruudulle) voi aiheuttaa katseen tahatto-man siirtymisen väärän kirjaimen kohdal-le. Tarvitaan siis keinoja erottaa valinta sa-tunnaisesta katselusta.

Helpoin tapa välttää Midaksen koske-tus on yhdistää katseella osoittaminen jajonkun muun modaliteetin käyttö valinta-kytkimenä (esim. käsin, jaloin tai päällätoimiva painike, puhallus- tai imukytkin).Katse voidaan myös yhdistää puhekomen-toihin [20], mikä ei tietenkään toimi niil-lä vammaisilla, jotka käyttävät katsetta ni-menomaan puhetta korvaavana kommuni-kointimenetelmänä.

Valinta voidaan tehdä myös otsaa kur-tistamalla tai silmää räpsäyttämällä, mut-ta näihinkin liittyy omat haasteensa. Va-lintaan tarkoitettu silmänräpäys pitää erot-taa normaalista silmien räpyttelystä. Jat-kuva räpyttely ja otsan kurtistelu saatta-vat myös pidemmän päälle väsyttää jaotsan liikkeiden tunnistus saattaa vaatiaylimääräistä tekniikkaa (esim. lihasakti-viteettia mittaavien elektrodien kiinnittä-misen iholle [38]). Toisaalta on olemassamenetelmiä, joiden toiminta perustuu ko-konaan silmänräpäytyksiin [11].

Jos käytössä ei syystä tai toisesta olemuita syötetapoja kuin katse, pelkän kat-seen avullakin on mahdollista tehdä va-lintoja. Näistä eniten käytetty on viive-aika (engl. dwell time). Viiveellä valites-sa käyttäjä tahdonalaisesti kiinnittää kat-seensa kohteeseen normaalia katselua pi-demmäksi aikaa. Ajan pituus riippuu koh-desovelluksesta ja käyttäjän kokeneisuu-

desta. Pitkä viive (yli 1000 ms) sopii no-viiseille tai sovelluksiin, joissa valinnantekeminen vaatii harkintaa. Paljon toistu-via valintoja vaativissa sovelluksissa, ku-ten katseella kirjoittaminen, viive voi ol-la huomattavasti lyhyempikin; harjaantu-neet käyttäjät suosivat valinta-aikoja, jot-ka ovat 500 ms tai vähemmän [25].

Viive ehkäisee virhevalintoja, muttakatseen pitäminen pitkään paikallaan voiolla vaikeaa ja tuntua raskaalta. Tahatto-man silmänräpäytyksen tai sakkadin mah-dollisuus myös kasvaa viiveen ollessa yli800 ms [37]. Erityisen haastavaa katseel-la osoittamisen opettelu voi olla ihmiselle,joka ei vammansa takia ole ehkä koskaankäyttänyt tietokonetta [6].

Muita tapoja valita pelkän katseenavulla on mm. erilaisten valinta-alueidenlisääminen ruudulle tai ruudun ulkopuo-lelle. Esimerkiksi Ohno [31] käytti kak-siosaista valintapainiketta, jossa käyttäjänpiti siirtää katse painikkeen sisällä ko-mentoalueelta (komennon nimi) erillisellevalinta-alueelle vahvistaakseen valinnan.

Katse-eleet tarjoavat käyttökelpoisentavan valita pelkän katseen avulla. Käyt-täjä liikuttaa silmiä tietyssä järjestyk-sessä, jolloin hän piirtää silmillään tie-tyn kuvion, joka tulkitaan komennoksi.Katse-eleet voivat olla suhteellisia, jol-loin seurantalaite tarkastelee pelkästäänmuutoksia katseen suunnassa. Suhteelli-siin katse-eleisiin perustuvat komennotovat erityisen hyödyllisiä tilanteissa, jois-sa tarkka katseella osoittaminen ei toimi-si, esim. matkapuhelimen operointi katse-eleillä [2].

Elepohjaisia järjestelmiä on kehitettymyös tietokoneen ruudulla käytettäviksi.Tällöin ihminen katsoo ruudulla tai ruu-dun reunoilla tiettyjä alueita tietyssä jär-jestyksessä muodostaen näin katsepolun,joka voidaan tulkita eleenä. Molemmissatapauksissa pitää varmistaa, että eleet tun-

58 Katseenseuranta syötemenetelmänä

nistetaan oikein ja että ne erotetaan nor-maalista katselusta.

Katse-eleitä voi käyttää joko yksi-nään tai muiden menetelmien tukena;esim. Istance ym. [17] käyttivät eleitämoodin vaihtamiseen, kun käyttäjä siirtyi3D-maailmassa liikkumismoodista (katseohjaa avatarin liikkumista) hiirimoodiin(katse ohjaa hiiren kohdistinta).

Lopuksi on hyvä muistaa, että katseon aina ”päällä”. Katsekäyttöliittymän onhyvä tarjota mahdollisuus valita taukotila,joka sallii vapaan katseluun ilman pienin-täkään pelkoa vääristä valinnoista.

4 KatseenseurantalaitteetSilmänliikettä on yritetty vuosien saatossamitata erilaisin keinoin. Ensimmäiset tut-kimukset perustuivat suoraan havaintoon,jossa tutkija tarkkaili tutkittavan silmän-liikkeitä. Silmien liikettä on yritetty myöstallentaa erilaisilla teknisillä välineillä.

Varhaisimmat välineet saattoivat ollaepämiellyttäviä ja hankalia käyttää. Yar-bus [44] teki paljon siteeratut kokeensalaitteella, jossa käyttäjän silmään asetet-tiin kuppi, jonka liikkeitä järjestelmä re-kisteröi. Käyttäjän silmä jouduttiin huu-maamaan ja silmäluomet teippaamaan au-ki, jotta hän ei silmänräpäytyksillä olisivaurioittanut silmäänsä tai laitetta. Dod-gen ja Clinen 1900-luvun alkupuolellakehittämässä valokuvausta hyödyntäväs-sä menetelmässä silmään ei tarvinnut kos-kea, mutta siinäkin käyttäjän pää joudut-tiin tukemaan paikalleen, jotta pään lii-ke ei häiritsisi silmänliikkeiden rekiste-röintiä. Lisää esimerkkejä löytyy Wadenja Tatlerin [41] kattavasta silmänliiketut-kimuksen historiakatsauksesta.

Nykyään katseenseurantalaitteita ontarjolla laaja valikoima useilta eri valmis-tajilta. Saatavana on sekä päähän puetta-via että pöydälle tai ruudun kulmaan asen-nettavia laitteistoja. Lisäksi on mahdollis-

ta ladata netistä ohjelmisto, joka muuttaatavallisen web-kameran yksinkertaiseksikatseenseuranlaitteeksi.

Tutkimuskäytössä on yhä järjestelmiä,jotka vaativat pään tukemista ja linssinasettamista silmään, jotta laite rekisteröisipienimmätkin silmänliikkeet (kuten mik-rosakkadit, joita tapahtuu myös fiksaationaikana [12]). Duchowski [7] tarjoaa hy-vän johdatuksen katseenseurannan mene-telmiin, tekniikoihin ja sovellusalueisiin.Hansen ja Ji [14] puolestaan tarjoavat kat-sauksen katseen mallintamiseen ja seuran-taan käytetyistä menetelmistä.

Käytettävyystutkimuksiin ja vuorovai-kutteisiin sovelluksiin sopii paremminvideoteknologiaan perustuva katseenseu-rantalaite, joka seuraa pupillin liiket-tä kaukaa. Tyypillisessä videopohjaisessakatseenseurantalaitteessa on videokame-ra, joka kuvaa silmänliikettä ja tietokone,joka analysoi katsedataa (kuva 1). Useinkäytössä on myös heikkotehoinen infrapu-nasäde, jota käytetään katseenseurannantarkkuuden parantamiseen (ja silmän va-laisemiseen). Infrapuna aiheuttaa sarveis-kalvon pinnalle heijasteen, jonka tulok-sena videokuvassa on kaksi pistettä, joi-hin katsevektorin laskenta perustuu: pu-pillin keskikohta ja infrapunaheijaste. Nä-mä kaksi pistettä muuttavat sijaintia toi-siinsa nähden katsekulman muuttuessa.

Jotta katsevektori pystytään yhdistä-mään näytön koordinaatteihin, järjestel-mä pitää ensin kalibroida. Kalibrointi ta-pahtuu katsomalla näytöllä esitettäviä pis-teitä. Järjestelmä analysoi pupillin ja sar-veiskalvoheijasteen sijainnin kutakin kali-brointipistettä katsottaessa. Näytön muutosat lasketaan näiden kalibrointipisteidenperusteella. Kalibroinnin onnistuminen jatarkkuus vaikuttaa olennaisesti katseen-seurannan tarkkuuteen. Kalibrointi pitäätehdä jokaisen käyttäjän kohdalla erik-seen, koska ihmisten silmän geometria on

Majaranta 59

Kuva 1: Kuvan katseenseurantalaitteessa (www.see-tech.de) videokamera sijaitsee näytön allaja infrapunalähteet ovat kameran molemmin puolin. (c) www.cogain.org.

erilainen ja myös laitteistojen asetelmasaattaa vaihdella (etäisyys, katselukulma,valaistusolosuhteet).

Nykyaikaisilla laitteilla päästään useinnoin puolen asteen tarkkuuteen, muttakäytännössä mittaustarkkuus on usein hei-kompi. Yksi tarkkuuteen olennaisesti vai-kuttava asia on kameran resoluutio, esim.web-kameroilla osoitustarkkuus jää muu-tamiin asteisiin [15]. Tarkkuus saattaamyös heiketä käytön myötä. Järjestelmäsaatetaan siis joutua kalibroimaan myö-hemmin uudelleen, jollei ohjelmisto so-vella jotain dynaamista menetelmää, jokakorjaa kalibrointia käytön aikana [37].

Jos laite seuraa molempia silmiä, separantaa tarkkuutta. Erityisen hyödyllis-tä molempien silmien seuraaminen on ti-lanteissa, joissa esimerkiksi käyttäjän sil-mälasien pinnalle aiheutuu ympäristön va-lonlähteistä heijastuksia, jotka estävät pu-pillin näkymisen kameralle. Myös voima-kas meikki, piilolinssien aiheuttamat yli-määräiset heijastepisteet tai vääristymät,käyttäjän pään liike tai silmien siristämi-

nen voivat vaikeuttaa silmänliikkeen re-kisteröintiä tai estää kameraa näkemästäpupillia [10].

Videopohjaisissa järjestelmissä myösnäytteenottotaajuus saattaa rajoittaa tark-kuutta. Tutkimuskäyttöön tarkoitetut (jo-pa 500 Hz tai yli) laitteet pystyvät havait-semaan hyvin pienetkin muutokset. Ihmi-sen ja tietokoneen vuorovaikutuksen tut-kimukseen riittää hyvin useimpien mark-kinoilla olevien järjestelmien näytteenot-totaajuus (usein n. 50–120 Hz). Lisätietoakatseenseurantalaitteen toiminnasta löy-tyy esimerkiksi kirjasta [7].

5 Katseenseurantakommunikaationapuvälineenä

Motorisesti vammautuneille ihmisille kat-se tarjoaa tavan kommunikoida. Vakavaonnettomuus, sairaus tai aivoinfarkti voiaiheuttaa tilan, jossa ihminen ei pystyliikkumaan eikä puhumaan. EsimerkiksiALS (Amyotrofinen lateraaliskleroosi) on

60 Katseenseuranta syötemenetelmänä

vakava etenevä sairaus, joka rappeuttaaliikehermoja ja johtaa vähitellen täydel-liseen liikunta- ja puhekyvyttömyyteen.Lopulta silmien liike on ainut tapa kom-munikoida ympäröivän maailman kanssa.

Silmien liikettä ja katseen suuntaa voi-daan hyödyntää kommunikaatiossa. Yk-sinkertaisimmillaan lääkäri voi esimerkik-si pyytää potilasta katsomaan ylös myön-tymisen merkiksi. Henkilön eteen voidaanmyös asettaa läpinäkyvä kommunikaatio-taulu, johon on kiinnitetty kuvia tai kirjai-mia. Taulun avulla on mahdollista muo-dostaa sanoja ja lauseita katsomalla kir-jaimia yksi kerrallaan. Keskustelukump-pani tulkitsee viestin seuraamalla kom-munikaatiotaulun toiselta puolelta henki-lön katseen suuntaa (kuva 2). Kommuni-kaatiotaulua kehittyneempi menetelmä onkatseenseurantalaite, joka mahdollistaa it-senäisen kirjoittamisen ja tietokoneen oh-jaamisen katseella.

Täysin halvaantuneet ihmiset eivät oleainut käyttäjäryhmä, joka hyötyy katseen-seurannasta. Monelle pakkoliikkeistä kär-sivälle ihmiselle katse saattaa olla hel-pompi ja vähemmän raskas tapa ohjata tie-tokonetta kuin kytkimet tai päähiiri, koskakohteen katsominen ei vaadi ylimääräistäfyysistä ponnistelua [6].

Toimintaperiaatteet katseeseen perus-tuvassa apuvälineessä ovat samankaltaisetkuin tutkimuskäyttöön tarkoitetuissa kat-seenseuranlaitteissa yleensäkin. Joissaintapauksissa täsmälleen sama laite toimii-kin molemmissa tarkoituksissa; ero tuleeesiin ohjelmiston ja lisävarusteiden kaut-ta (esim. ympäristön hallinnan mahdol-listava lisäosa). Käyttötarkoitus, käyttäjänominaisuudet ja tarpeet ratkaisevat, mil-lainen laite–ohjelmisto-yhdistelmä toimiiparhaiten.

Katseenseurantalaitteen käyttäminenapuvälineenä asettaa sille vaatimuksia,jotka on hyvä huomioida sopivaa laitet-

ta valittaessa. Laitteistoissa on myös ero-ja, jotka saattavat vaikuttaa siihen, kuin-ka hyvin ne palvelevat erilaisia käyttäjiä.Käyttäjällä saattaa olla esimerkiksi pak-koliikkeitä, jolloin tulee valita laite, jokapystyy kompensoimaan pään liikkeitä jajonka toiminta-alue (kameran laajakulma)sallii pään eri asennot. Kaikille yhteisinävaatimuksina voidaan pitää luotettavuutta,kestävyyttä, turvallisuutta ja teknisen tuensaatavuutta. Helppokäyttöisyys ja laajen-nettavuus ovat tärkeitä ominaisuuksia.

Myös laitteen asennukseen tulee kiin-nittää huomiota: saako sen asennet-tua pyörätuoliin ja kallistettua sopivas-ti eri asennoissa käytettäväksi (esim.käyttäjän ollessa makuuasennossa). Jot-kin katseenseuranta-apuvälineet sisältävätkaiken tarpeellisen integroituna yhteenlaitteeseen (esim. tablet-tyyppinen ratkai-su), kun taas osa järjestelmistä tukee mo-dulaarista ratkaisua, jossa käyttäjä voi va-lita erikseen laitteen, lisäosat ja ohjelmis-tot. Laite kannattaa aina testata käyttäjänkanssa ennen lopullista valintaa. Katseenkäyttöön apuvälineenä löytyy hyvä johda-tus kirjasta [26], jota on ollut kirjoittamas-sa laaja joukko alan asiantuntijoita.

6 Katseella kirjoittaminenYleisin tapa kirjoittaa katseella on tarjotavirtuaalinäppäimistö tietokoneen ruudullaja käyttää katsetta osoitinvälineenä. Tieto-koneen ohjelma tulkitsee katseenseuran-talaitteelta saamansa tiedon katseen suun-nasta ja päättelee, mihin kohtaan näytölläkäyttäjä kulloinkin katsoo.

Käyttäjä katsoo ruutua kirjain kerral-laan. Hän antaa katseensa viipyä hetkenkunkin kirjaimen kohdalla. Lyhyt vilkai-su ei vielä aktivoi kirjainta. Viiveen avul-la tietokone pystyy erottamaan tietoisenvalinnan satunnaisesta katselusta. Seuraa-vaan kirjaimeen voi siirtyä, kun tietoko-ne ilmaisee joko äänimerkin tai visuaali-

Majaranta 61

Kuva 2: Nainen taulun toisella puolella katsoo kehyksen reunaa. Kirjaimen valinta tapahtuu kat-somalla ensin kirjainta ja sen jälkeen kirjaimen väriä vastaavaa nappia. Kirjainten ryhmittely hel-pottaa ja nopeuttaa katseen suunnan tulkintaa, kun avustajan ei tarvitse yrittää erottaa lähellä ole-via kohteita toisistaan. Avustaja varmistaa kirjaimen sanomalla sen ääneen. (c) www.cogain.org.

sen palautteen avulla, että kirjain tuli vali-tuksi. Pitkä viive auttaa ehkäisemään vir-hevalintoja, mutta hidastaa samalla kom-munikaatiota.

Katsetta voidaan käyttää tekstin tuotta-miseen monella eri tavalla. Jos henkilö eipysty kohdistamaan katsettaan, silmiä voi-daan käyttää kytkimen tavoin. Tällöin ha-lutun kirjaimen valinta tapahtuu esimer-kiksi katsomalla alas tai silmää räpäyttä-mällä. Perhonen lasikuvussa -kirjan kir-joittaja [1] käytti räpäytystä valintame-netelmänä avustajan luetellessa kirjaimiayksi kerrallaan. Elepohjaisessa järjestel-mässä jokaiselle kirjaimelle on oma katse-eleensä [43]. Esimerkiksi L-kirjaimen voimuodostaa katsomalla ensin ylhäältä alasja sitten oikealle.

Katseella kirjoittamisen nopeuttami-seksi on kehitetty erilaisia kielimalliin pe-rustuvia järjestelmiä, jotka pystyvät jo kir-joitetun tekstin tai kirjainten perusteellaennustamaan, mitä käyttäjä todennäköi-

sesti haluaa kirjoittaa seuraavaksi. Erilai-sin käyttöliittymätekniikoin nämä järjes-telmät sitten tarjoavat todennäköisiä vaih-toehtoja käyttäjälle, pyrkien täten nopeut-tamaan ja helpottamaan kirjoittamista [8].

Järjestelmä voi esimerkiksi tarjota to-dennäköisten sanojen listoja käyttäjäl-le [24]. Sanalistojen käytössä pitää kuiten-kin huomata, että niiden läpikäyminen vieaikaa ja kognitiivisia resursseja [21]. Li-säksi sanalistat vievät tilaa ruudulla, jotenvarsinkaan pitkät listat eivät välttämättäedistä katseella kirjoittamisen tehokkuut-ta ja miellyttävyyttä.

Kuuluisin tai ainakin eniten mediahuo-miota kerännyt ennustava järjestelmä lie-nee Dasher [42], jossa käyttäjä navigoianimoidussa kirjainten ”maailmassa”. Jo-kaisella kirjaimella on oma aktiivinen alu-eensa, jonka sisällä kirjain tulee valituk-si. Alueen koko vastaan kirjaimen sen het-kistä todennäköisyyttä, joten todennäköi-syyden kasvaessa myös kirjaimen ruudul-

62 Katseenseuranta syötemenetelmänä

ta valtaama alue kasvaa tehden sen näinhelpommin valittavaksi.

Katseeseen perustuvia tekstinsyöttö-järjestelmiä on kehitetty muutaman vuo-sikymmenen ajan ja niiden käyttö kom-munikaation apuvälineenä on yleistynytviime vuosina [29]. Vaikka järjestelmiäon kehitetty useita, niiden käytettävyyttäja vuorovaikutuksen yksityiskohtia ei olejuurikaan tutkittu [28]. Meidän tavoittee-namme oli tutkia, kuinka sopivan palaut-teen ja huolellisen käyttöliittymäsuunnit-telun avulla katseella kirjoittamista voi-daan tehostaa ja parantaa sen miellyttä-vyyttä. Olimme myös kiinnostuneita siitä,kuinka kauan oppiminen vie ja kuinka no-peasti katseella on mahdollista kirjoittaa.

Keskityimme ensisijaisesti viiveaikaanpohjautuvan näppäimistön tutkimiseen.Tutkimme erilaisten käyttöliittymäratkai-sujen toimivuutta rakentamalla prototyyp-pejä ja testaamalla vaihtoehtoisia käyttö-liittymäratkaisuja käyttäjäkokein. Kokeetsuoritettiin Tampereen yliopiston labora-toriossa. Osallistujat olivat vapaaehtoisiaopiskelijoita tai laitoksen henkilökuntaankuuluvia ihmisiä, joilla ei ole fyysistävammaa, mikä on syystä ottaa huomioontuloksia tulkittaessa.

Vaihtoehtojen paremmuutta arvioitiinmm. mittaamalla kirjoitusnopeutta ja vir-heiden määrää. Suorituskyvyn arviointiinkäytettiin tekstinsyöttötutkimuksissa ylei-sesti käytettyjä mittareita. Kirjoitusno-peutta arvioitiin laskemalla, kuinka mon-ta sanaa minuutissa käyttäjä kirjoittaa,yhden sanan tarkoittaessa viittä merk-kiä mukaan lukien välilyönti ja välimer-kit [23]. Virhemääriä arvioitaessa otettiinhuomioon sekä lopulliseen tekstiin jää-neet virheet (virheprosentti) että kirjoi-tuksen aikana korjatut virheet. Korjattujenvirheiden määrä laskettiin jakamalla sa-nan kirjoittamiseen käytetty näppäimistö-jen painallusten kokonaismäärä (mukaan

lukien korjausnäppäin) lopullisen sananmerkkien määrällä [35].

Lisäksi kehitimme omia mittareita, joi-den avulla pystyimme arvioimaan käyttä-jän katseen käyttäytymistä [27]. Laskim-me mm., kuinka monta kertaa käyttäjäjoutui siirtämään katseensa näppäimistönja tekstikentän välillä sekä kuinka montakertaa käyttäjä katsoi kohdekirjainta, en-nen kuin lopulta valitsi sen (keskimääräi-nen fiksaatioiden määrän suhde valinto-jen määrään, optimin ollessa yksi fiksaa-tio per valinta).

Käytettävyyttä selvitettiin havainnoi-malla käyttäjiä ja sitä, millaisiin vaikeuk-siin he törmäsivät eri ohjelmaversioitakäyttäessään. Osallistujien mielipiteitä jakokemuksia kartoitettiin haastatteluin jakyselylomakkein. Osa käyttäjäkokeista olipitkittäisiä, eli osallistujat tulivat testiinuseita kertoja.

Kerron seuraavaksi lyhyesti testaamis-tamme käyttöliittymäratkaisuista ja käyt-täjäkokeissa saamistamme tuloksista.

7 SyötepalauteYksi tutkimuskysymyksistä koski palaut-teen merkitystä ja sitä, miten katseella kir-joittamista voi helpottaa palautetta paran-tamalla. Kun käyttäjä kirjoittaa katseella,hän katsoo näytöllä olevaa näppäimistöä.Kohteen katsomiseen ei normaalisti liitymuuta luonnollista palautetta kuin näkö-havainto katsottavasta kohteesta.

Palautteen merkityksen huomaa ver-taamalla katseella kirjoittamista ja käsinkirjoittamista fyysistä näppäimistöä käyt-täen. Kun konekirjoittaja painaa kirjoi-tuskoneen näppäintä, hän saa palautettatunto-, kuulo- ja näköaistin kautta. Häntuntee näppäimen kosketuksen, kun sepainuu alas. Hän myös kuulee pienen nak-sahduksen ja näkee näppäimen painuvanalas, jos sattuu katsomaan näppäintä. Joshän katsoo tietokoneen ruutua, hän näkee

Majaranta 63

kirjaimen ilmestyvän tekstikenttään.Katseella kirjoitettaessa tietokoneoh-

jelman pitää antaa selkeää palautetta, jot-ta käyttäjä tietää mitä tapahtuu. Ensinnä-kin, jos ohjelma ei mitenkään reagoi käyt-täjän katseeseen, käyttäjä ei voi tietää, toi-miiko katseenseuranta oikein ja tunnistaa-ko se, mitä kirjainta käyttäjä katsoo. Kunnäppäin valitaan viivettä käyttäen, ilmansopivaa palautetta, käyttäjä joutuu arvai-lemaan, kuinka kauan hänen pitää tuijot-taa näppäintä, että se tulisi valituksi. Jot-ta käyttäjä tietäisi, milloin hän voi siirtyäseuraavaan kirjaimeen, ohjelman pitää an-taa selvä palaute näppäimen painallukses-ta. Visuaalinen palaute voi olla esimerkik-si se, että käyttäjä näkee ruudulla olevannäppäimen painuvan alas.

Testasimme palautteen vaikutusta kol-men kokeen sarjassa. Kokeissa käytet-ty menettelytapa oli kaikissa samankal-tainen. Käyttäjien tehtävänä oli kirjoittaakohdelauseita eri käyttöliittymävaihtoeh-doilla. Vaihtoehdot olivat muuten saman-kaltaisia, mutta annettavaa palaute oli eri.

Testeissä käytetyt lauseet oli poimittuMacKenzien erityisesti tekstinsyöttötutki-muksia varten kehittämästä lausekokoel-masta (englanniksi), jonka Poika Isokos-ki (University of Tampere, Finland) myö-hemmin käänsi suomeksi. Lauseet esitet-tiin ruudulla erillisessä kentässä ja käyt-täjät ohjeistettiin ensin painamaan lausemieleensä ja sen jälkeen kirjoittamaanlause niin nopeasti ja virheettömästi kuinpystyvät.

Käyttäjät myös ohjeistettiin korjaa-maan virheet heti kun sen havaitsivat,mutta jos virhe esiintyi aivan lauseen alus-sa, heidän ei tarvinnut palata korjaamaansitä. Aina lauseen lopuksi käyttäjää pyy-dettiin katsomaan Valmis-painiketta, jon-ka jälkeen ohjelma latasi uuden kohde-lauseen. Valinta tehtiin kaikissa kokeissaviiveaikaa käyttämällä.

Ensimmäisessä kokeessa testasimmeneljää eri vaihtoehtoista palautetta: (1)pelkkä visuaalinen palaute, (2) visuaali-nen palaute yhdistettynä naksahdusääneen(”klik”) valinnan merkkinä, (3) puhe ja vi-suaalinen palaute yhdessä, sekä (4) pelkkäpuhepalaute.

Kokeeseen osallistui 16 vapaaehtoista,jotka kaikki olivat noviiseja katseella kir-joittamisessa. Jokainen heistä testasi kaik-kia neljää eri palautevaihtoehtoa kirjoitta-malla viisi lausetta kullakin vaihtoehdolla.Koe toistettiin neljässä eri sessiossa ja pa-lautevaihtoehtojen järjestys tasapainotet-tiin sessioittain ja käyttäjittäin. Tuloksetperustuvat 13 käyttäjän aineistoon, kos-ka kolmen käyttäjän data jouduttiin hyl-käämään teknisten ongelmien takia (mm.katseenseurantalaitteen kalibraation epä-onnistuminen).

Tulokset osoittavat, että naksahdusää-nen liittäminen visuaaliseen palauttee-seen nopeuttaa merkittävästi kirjoitta-mista pelkkään visuaaliseen palauttee-seen verrattuna (p < ,0005). Keskimää-räiset kirjoitusnopeudet hitaimmasta no-peimpaan olivat: 7,00 (pelkkä puhe), 7,12(pelkkä visuaalinen palaute), 7,14 (puhe javisuaalinen palaute) ja 7,55 sanaa minuu-tissa (naksahdus yhdistettynä visuaaliseenpalautteeseen).

Puhepalautteen havaittiin olevan eri-tyisen hyödyllistä noviiseille, jotka vastaopettelevat katseella kirjoittamista. Kirjai-men sanominen ääneen vähensi virheidenmäärää merkittävästi (p = ,005). Kokeenosallistujat myös arvostivat äänipalautet-ta ja pitivät erityisesti naksahdusäänestä,koska se on lyhyt ja selvä osoitus onnistu-neesta valinnasta. He myönsivät puhepa-lautteen helpottavan kirjoittamista, muttamuutamia osallistujia jokaisen kirjaimensanominen ääneen ärsytti.

Kun noviisi harjoittelee kirjoittamistatavallisella näppäimistöllä, hän voi rau-

64 Katseenseuranta syötemenetelmänä

hassa katsoa näppäimistöä ja valita ha-luamansa kirjaimen painamalla näppäintäsormella. Kun viivettä käytetään valintaankatseella kirjoitettaessa, ohjelma valitseenäppäimen, kun viiveaika on kulunut um-peen. Jos käyttäjä ei ole varma, kuinka pit-kään hänen pitää katsoa kirjainta, jotta setulee valituksi, se aiheuttaa virheitä ja epä-varmuutta käyttäjässä.

Toisessa kokeessa tutkimme, kuinkaviiveajan kulumisen esittäminen animaa-tion avulla vaikuttaa katseella kirjoitta-misen tehokkuuteen. Kokeessa osallistu-jille esitettiin kaksi vaihtoehtoista käyt-töliittymää. Ensimmäisessä vaihtoehdos-sa käyttäjä sai palautetta pelkästään kat-seen kohdistumisesta näppäimeen ja näp-päimen onnistuneesta valinnasta. Toisessavaihtoehdossa lisäksi viiveajan kuluminenesitettiin animaation avulla. Kirjaimen ko-ko pieneni, kun käyttäjä katsoi sitä. Käyt-töliittymät olivat muuten samanlaiset.

Kokeessa havaittiin, että animaatio aut-toi osallistujia pitämään katseensa kohdis-tettuna näppäimeen riittävän pitkään, jot-ta se tuli valituksi. Animaatio siis esti vir-heitä, jotka aiheutuivat siitä, että käyttä-jä siirtyi seuraavaan kirjaimeen liian no-peasti. Tämä puolestaan nopeutti kirjoit-tamista. Nopeuden lisäys oli pieni, muttamerkittävä (7,02 animaation kera ja 6,65sanaa minuutissa ilman animaatiota, p <,01). Virheiden määrässä ei havaittu mer-kittävää eroa.

Kahdessa ensimmäisessä kokeessaosallistujat olivat noviiseja ja käytetty vii-veaika oli pitkä (900 ms). Kolmannessakokeessa tutkimme palautteen vaikutustapuolta lyhyemmällä viiveajalla (450 ms).Kokeen osallistujat oli koottu kahden ai-emman kokeen osallistujista, joten heilläkaikilla oli jo jonkin verran kokemustakatseella kirjoittamisesta.

Tulokset antavat viitteitä siitä, että pa-laute kannattaa sovittaa viiveaikaan. Ly-

hyt viiveaika vaati lyhyen, selkeän ja täs-mällisen palautteen. Esimerkiksi puhepa-laute ei välttämättä toimi lyhyellä viivea-jalla, koska kirjaimen sanominen ääneenvie aikaa. Kokeessa puhepalaute aiheut-ti erityisesti virheellisiä kirjaimen toistoja,eli käyttäjä kirjoitti vahingossa saman kir-jaimen kahteen kertaan. Vaikutti siltä, et-tä kuunnellessaan puhepalautetta käyttäjätjäivät kirjaimen kohdalle liian pitkäksi ai-kaa, mikä aiheutti virheellisen toiston.

Kokenut konekirjoittaja voi katsoa kir-joittamaansa tekstiä samanaikaisesti, kunhänen sormensa painelevat näppäimistöä.Katseella kirjoitettaessa katse on sidot-tu kohteeseen, jota ollaan valitsemassa.Käyttäjä ei siis voi samanaikaisesti se-kä katsoa tekstikenttää että valita kirjain-ta katseella. Tästä seuraa se, että käyttä-jä joutuu jatkuvasti siirtämään katsettaannäppäimistön ja tekstikentän välillä halu-tessaan tarkastella kirjoittamaansa tekstiä.

Kokeidemme tulokset osoittivat, ettätarve siirtää katsetta näppäimistön ja teks-tikentän välillä vähenee huomattavasti, josohjelma tukee kirjoittamista antamalla so-pivaa palautetta. Kokeissa mitatut erot eripalautevaihtoehtojen välillä olivat pieniä,muttavaikutus kumuloituu toistojen myö-tä pitkää tekstiä kirjoitettaessa.

Hyvä palaute kertoo selvästi, mihinkirjaimeen katse on kohdistettu ja mil-loin kirjain tulee valituksi. Kun käyttä-jä voi luottaa ohjelman antamaan palaut-teeseen, katseella kirjoittaminen on tehok-kaampaa, helpompaa ja miellyttävämpää.Lisätietoa ja kokeiden perusteella johdet-tuja suunnittelun ohjenuoria löytyy koos-teartikkelista Majaranta ym. [27].

8 Ulkoasu ja rakenneSuurin osa katsekirjoitukseen kehitetyis-tä menetelmistä perustuu jonkinlaiseentietokoneen näytöllä esitettyyn virtuaali-seen näppäimistöön. Yleisin näistä lienee

Majaranta 65

QWERTY-tyyppinen näppäimistö, jossakoko aakkosto näytetään ruudulla ja käyt-täjä kirjoittaa valitsemalla yhden näppäi-men yhdellä fiksaatiolla. Katseen epätark-kuudesta johtuen näppäinten koko on suu-ri ja näppäimistö vie paljon tilaa.

Katsekirjoituksen alkuaikoina katseen-seurantalaitteiden tarkkuus ei välttämättäriittänyt täysikokoisen näppäimistön esit-tämiseen. Tällöin näppäimistö toteutet-tiin hierarkkisena valikkorakenteena, jos-sa käyttäjä valitsi ensin kirjainryhmänja toisella kerralla halutun kirjaimen [8].Hierarkkisten valikkoratkaisujen ongel-mana on usein se, että rakenteen opette-lu vie aikaa ja valikoissa navigoiminen hi-dastaa kirjoittamista, koska yhden kirjai-men kirjoittamiseen vaaditaan useita ko-mentoja [30].

Valikkopohjaisia ratkaisuja käytetäännykyäänkin erityisesti web-kameraan jaavoimeen lähdekoodiin perustuvissa jär-jestelmissä (kts. esim. [4]), jotka tarjoa-vat edullisen mutta epätarkemman vaih-toehdon kaupallisille järjestelmille. Lisäk-si joillakin käyttäjillä silmien liikeradatsaattavat olla rajoittuneita sairaudesta joh-tuen, esimerkiksi sallien vain vertikaalisenliikkeen. Näppäimistön asettelulla ja so-pivalla valikkorakenteella on mahdollis-ta räätälöidä toimiva kommunikaatiojär-jestelmä vaativallekin käyttäjälle [6].

Yksi motivaatio tiivistää näppäimistö-asettelua on näyttötilan säästäminen tilan-teissa, joissa ruudun sisällön näkeminenon tärkeää. Täysikokoinen QWERTY viepaljon tilaa. Satunnaisissa tekstinsyöttö-tarpeissa, kuten peleissä tai verkkosivu-jen lomakkeita täyttäessä, voi olla tarpeenkäyttää näppäimistöä, joka peittää mah-dollisimman pienen osan näytöstä.

Me kehitimme QWERTY-näppäimistönpohjalta vieritettävän näppäimistöratkaisun[36].Näppäimistön opettelu ei vie aikaa, koskakirjainten asettelu on tuttu QWERTY (tai

muu käyttäjälle tuttu asettelu). Vieritettä-vä näppäimistö vie vähemmän tilaa, kos-ka vain osa näppäimistöä on näkyvissä.Vierityksen avulla käyttäjä saa näkyviin-sä piilossa olevat näppäimistön rivit (kuva3). Tilatarpeista riippuen, käyttäjä voi va-lita, kuinka monta riviä näppäimistöstänäytetään.

Testasimme vieritettävän näppäimis-tön toimivuutta ja käytettävyyttä käyttä-jäkokeessa. Kaikki kahdeksan kokeeseenosallistunutta henkilöä olivat jo aiemminosallistuneet johonkin kokeeseen, jossatestattiin katseella kirjoittamista. Kaikkiolivat siis ainakin jossain määrin koke-neita katseenseurannan käyttäjiä ja myösQWERTY-näppäimistön asettelu oli kai-kille tuttu.

Kokeessa tehtävänä oli kirjoittaalauseita, joista oli yksinkertaisuudenvuoksi poistettu erikoismerkit ja muut vä-limerkit paitsi piste ja pilkku. Osallistujatohjeistettiin kirjoittamaan kohdelauseetniin nopeasti ja virheettömästi kuin pys-tyvät mutta olemaan välittämättä mahdol-lisista virheistä (yksinkertaisuuden vuoksijätimme tässä kokeessa pois myös kor-jausnäppäimen).

Testin aikana osallistujat testasivat vie-ritettävää näppäimistöä kolmella eri aset-telulla: yksirivinen, kaksirivinen ja kolme-rivinen normaali näppäimistö, jossa kokokirjaimisto oli näkyvissä. Testiin kuuluikahdeksan sessiota. Jokainen sessio sisäl-si kaikki kolme asettelua ja käyttäjät kir-joittivat kahdeksan testilausetta jokaisel-la asetteluvaihtoehdolla. Asettelujen jär-jestys oli tasapainotettu sessioittain käyt-täjien kesken. Yksi sessio kesti noin 10–15 minuuttia.

Tulokset osoittavat, että näppäimistönjakaminen riveihin kyllä hidasti kirjoitta-mista, mutta idea sinänsä toimi hyvin. Vii-meisessä sessiossa keskimääräinen kirjoi-tusnopeus kolme-, kaksi- ja yksiriviselle

66 Katseenseuranta syötemenetelmänä

Kuva 3: Käyttäjä voi valita montako riviä näppäimistöstä näytetään. (c) [36].

näppäimistöille oli 15,06, 11,12 ja 7,29sanaa minuutissa. Virheiden määrä vaihte-li välillä 1–5 % mutta jäi viimeisessä ses-siossa alle 2 % kaikilla asetteluilla.

Testasimme vieritettävää näppäimistöämyös jatkokokeessa, jossa tutkimme voi-siko kirjoittamista tehostaa optimoidullanäppäinten asettelulla. Optimoidussa ver-siossa kirjaimet oli aseteltu todennäköi-syyksien perusteella siten, että vieritystar-ve pysyisi minimissä. Kaikkein yleisim-mät kirjaimet oli sijoitettu ensimmäiselleriville ja harvinaisemmat toiselle ja kol-mannelle, todennäköisyyden mukaan. Li-säksi välilyöntinäppäin lisättiin joka rivil-le yleisyytensä takia. Optimointi vähen-si vieritystarvetta ja paransi nopeutta hie-man, kaksirivisen näppäimistön kirjoitus-nopeus oli keskimäärin 12,18 ja yksirivi-sen 8,86 sanaa minuutissa. Toisaalta opti-moidun näppäimistön kirjainten järjestyk-sen opettelu vaatii aikaa, joten satunnai-seen pienennetyn näppäimistön käyttötar-peeseen se tuskin tuo lisäarvoa.

9 Oppiminen jakirjoitusnopeus

Halusimme tutkia myös, kuinka kauankestää oppia kirjoittamaan katseella jakuinka nopeasti katseella on mahdollistakirjoittaa.

Aiempi tutkimus osoittaa, että viive-aikaan perustuva katseella kirjoittaminenon hidasta. Kirjoitusnopeus on tyypilli-sesti noin viidestä kymmeneen sanaa mi-nuutissa [29]. Aiemmat tulokset perustu-vat noviiseilla mitattuihin aikoihin. Näis-sä tutkimuksissa viiveaika on yleensä ollutvakio, puolesta sekunnista sekuntiin. Mehalusimme tietää, kuinka nopeasti noviisitoppivat kirjoittamaan katseella voidessaanvapaasti säätää viiveaikaa.

Oppimista tutkittiin pitkittäiskokeessa,johon osallistujat (11 vapaaehtoista) kut-suttiin kukin kymmenen kertaa. Koease-telma ja proseduuri vastasivat pitkälti ai-empia kokeita, joissa käyttäjät kirjoittivatannettuja lauseita niin nopeasti ja virheet-tömästi kuin mahdollista. Kukin kymme-nestä sessiosta kesti n. 15 minuuttia, jotenyhteensä harjoitteluaikaa kertyi n. kaksi japuoli tuntia.

Majaranta 67

Tutkimusta varten toteutimme näppäi-mistön, johon oli lisätty mahdollisuus sää-tää kirjoitusnopeutta. Osallistujat pystyi-vät hidastamaan katseella kirjoittamistavalitsemalla miinus-näppäimen. Miinus-näppäin pidensi valintaan tarvittavaa vii-veaikaa ja antoi täten käyttäjälle enemmänaikaa katsoa kirjainta, ennen kuin se tuleevalituksi. Plus-näppäimellä käyttäjä pys-tyi nopeuttamaan kirjoittamista. Se lyhen-si viiveaikaa, jolloin kirjain tuli nopeam-min valituksi.

Testin alussa viiveaika oli yksi sekuntikaikilla osallistujilla, mutta testin aikanakukin heistä sai säätää kirjoitusnopeuttaoman halunsa mukaan. Useimmat kokeenosallistujista halusivat nopeuttaa kirjoitta-mista valinta-aikaa lyhentämällä jo aikai-sessa vaiheessa koesarjaa; monet halusivatnopeuttaa kirjoittamista jo ensimmäisel-lä kerralla. Kokeen lopussa viiveaika olikeskimäärin 282 millisekuntia. Toisin sa-noen, sekunnin kolmasosa oli useimmillekäyttäjille riittävän pitkä valinta-aika.

Lyhyt valinta-aika mahdollisti nopeankirjoittamisen. Viimeisellä kerralla mitat-tu keskimääräinen kirjoitusnopeus oli lä-hes 20 sanaa minuutissa, nousten ensim-mäisen session keskimääräisestä 6,9 sanaaminuutista nopeudesta 19,89 sanaan mi-nuutissa. Nopeinta oppiminen oli kolmenensimmäisen session aikana ja neljännensession keskimääräinen nopeus oli jo 16,2sanaa minuutissa ja sen jälkeen oppiminenja nopeuden kasvu hidastui huomattavasti(kuva 4).

Vastaavasti myös viiveajan säätäminenlyhyemmäksi tapahtui jo ensimmäistensessioiden aikana. Keskimääräinen viive-aika oli jo neljännessä sessiossa 378 mskun se viimeisessä sessiossa oli 282 ms.Viimeisessä sessiossa kaikkien käyttäjienviiveaika oli alle 400 millisekuntia, lyhim-män ollessa 180 ms ja pisimmän 380 ms.

Myös virheiden määrä väheni oppimi-

sen myötä, ollen ensimmäisessä sessios-sa keskimäärin 1,28 % ja 0,36 % viimei-sessä sessiossa. Osallistujien tarve korja-ta virheitä kasvoi hieman, nousten ensim-mäisen session 1,09:stä 1,18 valintaan perkirjoitettu merkki (keystrokes per charac-ter, KSPC). Lievä kasvu virheiden korjaa-misen määrässä ei ole yllättävä, koska no-peuden kasvu ja virheiden määrä kulke-vat usein rinnakkain ja niiden välillä jou-tuu tekemään kompromissin. Ero ei kui-tenkaan ollut merkitsevä (p > ,2).

Osallistujat pitivät viiveajan säätömah-dollisuutta tärkeänä. Subjektiivinen koke-mus kirjoittamisen rasittavuudesta ja sil-mien väsymisestä ei muuttunut merkittä-västi sessioiden välillä, vaikka viiveaikalyheni ja kirjoitusnopeus kasvoi.

Tulos on varsin rohkaiseva, koska seon kilpailukykyinen Dasherillä mitattu-jen kirjoitusaikojen kanssa. Dasher [42]on tekstin ennustamiseen perustuva kir-joitusjärjestelmä, jonka on sanottu olevanmaailman nopein tapa kirjoittaa katseella.Vastaavassa Dasherillä järjestetyssä kym-menen 15 minuutin sessiota kestäneessäkokeessa [40] noviisit saavuttivat keski-määräisen kirjoitusnopeuden 17,3 sanaaminuutissa. Toisaalta Dasherin oppimi-nen oli hitaampaa ja oppimiskäyrä olikinyhä selvässä noususuunnassa vielä kym-menennen session (2,5 h) jälkeen, kun seviiveaikaa käyttäneessä kokeessa tasoittuihuomattavasti jo neljännen session koh-dalla (1 h).

Tämän kokeen tulokset myös osoitta-vat, että yksinkertainen, helposti opittava,viiveaikaan perustuva näppäimistö ei ole-kaan niin hidas tapa kirjoittaa katseella,kuin on aiemmin kuviteltu. Kun käyttäjänannetaan vapaasti säätää viiveaikaa halu-tessaan, oppiminen etenee tehokkaasti jakäyttäjät saavuttavat kohtuullisen lyhyenharjoittelun jälkeen varsin nopeita kirjoi-tusaikoja.

68 Katseenseuranta syötemenetelmänä

Kuva 4: Käyttäjien kirjoitusnopeus kasvoi nopeasti ensimmäisten sessioiden aikana. (Katkovii-valla merkkitty osallistuja jätettiin pois analyyseistä, koska hän selvästi oli poikkeus.)

10 Tulevaisuudenkehityskohteita

Tutkimuksemme keskittyi katseella kir-joittamiseen. Tekstin tuottamiseen liit-tyy olennaisesti myös jo kirjoitetun teks-tin muokkaaminen. Tekstin editointi tar-joaakin paljon uusia tutkimuskysymyk-siä ja mahdollisuuksia uusille käyttöliitty-mäinnovaatioille. Käyttöliittymäratkaisu-ja suunniteltaessa on kuitenkin hyvä tie-dostaa, että moni liikerajoitteinen käyttä-jä saattaa haluta käyttää samoja työkalujakuin muutkin tietokoneen käyttäjät [13].Erikoisten räätälöityjen ratkaisujen sijaantai lisäksi kannattaa siis myös panostaahiiriemulaation tehostamiseen ja aputyö-kaluihin, jotka mahdollistavat normaalintietokoneen ja toimistotyökalujen käytönkatseella.

Tässä työssä raportoituihin käyttäjä-tutkimukseen osallistuneet ihmiset eivätkärsineet fyysisistä rajoitteista. Uskommekuitenkin, että tulokset ovat ainakin osit-

tain yleistettävissä myös kohderyhmän ih-misille ja heille mahdollisilla käyttöliitty-män parannuksilla saattaa olla jopa suu-rempi merkitys. Pidämme kuitenkin tär-keänä, että jatkossa kohderyhmän ihmi-set osallistuisivat enemmän myös ohjel-mien testaamiseen, ja näin on jo tapah-tunutkin kansainvälisten kollegoidemmetoimesta [6].

Vaikeasti vammaisten tuominen labo-ratorioon voi olla hankalaa. Yksi mah-dollisuus olisi kehittää etätestausta, jol-loin käyttäjät voisivat testata järjestelmiänormaalissa arkipäivän käytössä [5]. Täl-löin vastaan tulevat yksityisyyden suoja jasiihen liittyvät kysymykset. Tutkittavaa jakehitettävää on siis myös tällä saralla.

Katseenseuranta on kulkenut pitkänkehitystien. Enää ei ihmisten silmään tar-vitse kiinnittää mitään, jotta silmän liiket-tä voidaan tutkia. Enää ei käyttäjien päätämyöskään tarvitse tukea paikalleen, kos-ka nykyiset laitteet pystyvät toimimaan

Majaranta 69

pään liikkeistä huolimatta. Myös ohjel-mistot ovat kehittyneet, nyt katseella voilähettää sähköpostia, selata webbiä, pela-ta pelejä, tai jopa ohjata pyörätuolia – to-sin vain suljetussa tilassa siihen liittyvienriskien tähden [34].

Katseenseurantalaitteen voi myös teh-dä itse web-kamerasta lataamalla siihenohjelmiston netistä [4]. Kun laitteiden hin-nat laskevat, uskomme, että katseohjausleviää myös arkiseen käyttöön, meidänkaikkien iloksi [5]. Vihjeitä tästä on jonäkyvissä Tobiin esiteltyä ensimmäisenprototyyppiversion kannettavasta tietoko-neesta, johon katseenseuranta on integroi-tu [39].

11 YhteenvetoKatseenseuranta mahdollistaa katseenkäytön tietokoneen syötteenä tai kom-munikaation apuvälineenä. Me tutkimme,miten katseella kirjoittamisen miellyttä-vyyttä ja nopeutta voidaan parantaa huo-lellisen käyttöliittymäsuunnittelun avul-la. Tulokset osoittavat, että pienet paran-nukset käyttöliittymässä lisäävät käyttäjä-tyytyväisyyttä ja tehostavat kirjoittamistamerkittävästi. Vaikka ero olisi pieni yhdensanan tai lauseen kohdalla, eron merkityskasvaa samalla, kun kirjoitettavan tekstinmäärä kasvaa. Tulokset myös osoittavat,että mahdollisuus säätää viiveaikaa tukeetehokasta oppimista ja mahdollistaa koh-tuullisen nopean katseella kirjoittamisen.

KiitoksetTämä artikkeli pohjautuu pitkälti väitös-kirjatyöhöni, joka koostui useista yhtei-sartikkeleista. Haluan kiittää kaikkia al-kuperäisten artikkelien kirjoittajia, joidenkanssa minulla oli ilo työskennellä: Kari-Jouko Räihä, I. Scott MacKenzie, AnneAula, Oleg Spakov, Outi Tuisku, Ulla-Kaija Ahola, Niina Majaranta, RichardBates, Mick Donegan, Gintautas Daunys

ja Poika Isokoski. Kiitän myös Timo Po-rasta Latex-konsultaatiosta.

Viitteet1. Bauby, J.-D. (1997). Perhonen lasikuvus-

sa. WSOY.2. Bulling, A., Roggen, D., & Tröster, G.

(2008). It’s in your eyes - towards context-awareness and mobile HCI using wearableEOG goggles. Proceedings of the 10thInternational Conference on UbiquitousComputing (UbiComp ’08), 84-93. NewYork: ACM.

3. Burke, M., Hornof, A., Nilsen, E., & Gor-man, N. (2005). High-cost banner blind-ness: ads increase perceived workload,hinder visual search, and are forgotten.ACM Transactions on Computer-HumanInteraction 12(4), 423-445.

4. COGAIN Downloads (2012).http://www.cogain.org/wiki/downloads.(1.2.2012)

5. Donegan, M., Majaranta, P., Hansen, J.P.,Hyrskykari, A., Aoki, H., Hansen, D.W.,& Räihä, K-J. (2012). Conclucion and alook to the future. Majaranta et al. (Eds.),Gaze interaction and applications of eyetracking: Advances in assistive technolo-gies (pp. 365-376), IGI Global.

6. Donegan, M., Morris, D. J., Corno, F., Sig-norile, I., Chió, A., Pasian, V., Vignola, A.,Buchholz, M., & Holmqvist, E. (2009).Understanding users and their needs. Uni-versal Access in the Information Society8(4), 259-275.

7. Duchowski, A. T. (2003). Eye trackingmethodology: Theory and practice. Lon-don: Springer-Verlag.

8. Frey, L. A., White, K. P. Jr., & Hutchin-son, T. E. (1990). Eye-gaze word proces-sing. IEEE Transactions on Systems, Man,and Cybernetics 20(4), 944-950.

9. Goldberg, J. H., & Kotval, X. P. (1999).Computer interface evaluation using eyemovements: methods and constructs Inter-national Journal of Industrial Ergonomics24(6), 631-645.

10. Goldberg, J. H., & Wichansky, A. M.(2003). Eye tracking in usability eva-

70 Katseenseuranta syötemenetelmänä

luation: A practitioner’s guide . Hyö-nä, J., Radach, R., & Deubel, H. (Eds.),The mind’s eye: Cognitive and appliedaspects of eye movement research (pp.493-516). Amsterdam, The Netherlands:North-Holland.

11. Grauman, K., Betke, M., Lombardi, J.,Gips, J., & Bradski, G. R. (2003). Com-munication via eye blinks and eyebrowraises: Video-based human-computer in-terfaces. Universal Access in the Informa-tion Society 2(4), 359-373.

12. Haber, R.N. & Hershenson, M. (1973) ThePsychology of Visual Perception. London:Holt, Rinehart and Winston.

13. Hakola, J. (2011). Tekstin editointi kat-seella. Pro gradu -tutkielma, Tampereenyliopisto, Informaatiotieteiden yksikkö.http://tutkielmat.uta.fi/pdf/gradu05453.pdf

14. Hansen, D. W., & Ji, Q. (2010). In theeye of the beholder: A survey of modelsfor eyes and gaze. IEEE Transactions onPattern Analysis and Machine Intelligence32(3), 478-500.

15. Hansen, D. W., & Pece, A. E. C. (2005).Eye tracking in the wild. Computer Visionand Image Understanding 98(1), 155-181.

16. Hyrskykari, A., Majaranta, P., & Räihä,K.-J. (2003). Proactive response to eyemovements. M. Rauterberg, M. Menozzi,& J. Wesson (Eds.), Proceedings of INTE-RACT 2003 (pp. 129-136), IOS Press.

17. Istance, H.O., Bates, R., Hyrskykari, A.,& Vickers, S. (2008) Snap clutch, a mo-ded approach to solving the Midas touchproblem. Proceedings of the Symposiumon Eye Tracking Research & Applications(ETRA’08), 221-228. New York: ACM.

18. Jacob, R. J. K. (1991). The use of eyemovements in human-computer interac-tion techniques: What you look at is whatyou get. ACM Transactions on Informa-tion Systems 9(3),152-169.

19. Jacob, R. J. K. (1995). Eye tracking in ad-vanced interface design . Barfield, W., &Furness, T. A. III, (Eds.), Virtual environ-ment and advanced interface design (pp.258-288). New York: Oxford UniversityPress.

20. Kaur, M., Tremaine, M., Huang, N., Wil-der, J., Gacovski, Z., Flippo, F., & Mant-ravadi, C. S. (2003) Where is ”it”? Eventsynchronization in gazespeech input sys-tems. Proceedings of the 5th internationalconference on Multimodal interfaces (IC-MI’03), 151-158. New York: ACM.

21. Koester, H. H., & Levine, S. P. (1994).Modeling the speed of text entry with aword prediction interface. IEEE Transac-tions on Rehabilitation Engineering 2(3),177-187.

22. Land, M., Mennie, N., & Rusted, J.(1999). The roles of vision and eye move-ments in the control of activities of dailyliving. Perception 28, 1311-1328.

23. MacKenzie, I.S. (2003) Motor behaviourmodels for human-computer interaction.In J. M. Carroll (Ed.), Toward a Multi-disciplinary Science of Human-ComputerInteraction (pp. 27-54). Morgan Kauf-mann.

24. MacKenzie, I.S., & Zhang, X. (2008). Eyetyping using word and letter predictionand a fixation algorithm. Proceedings ofthe 2008 Symposium on Eye-Tracking Re-search & Applications (ETRA ’08), 55-58. New York: ACM.

25. Majaranta, P., Ahola, U.-K., & Spakov,O. (2009). Fast gaze typing with an ad-justable dwell time. Proceedings of the27th International Conference on HumanFactors in Computing Systems (CHI ’09),357-360. New York: ACM.

26. Majaranta, P., Aoki, H., Donegan, M.,Hansen, D.W., Hansen, J.P., Hyrskykari,A., & Räihä, K-J. (Eds.) (2012) Gaze inte-raction and applications of eye tracking:Advances in assistive technologies, IGIGlobal. (Release date: October 2011. Co-pyright (c) 2012. 382 pages.)

27. Majaranta, P., MacKenzie, I. S., Aula, A.,& Räihä, K.-J. (2006). Effects of feedbackand dwell time on eye typing speed andaccuracy. Universal Access in the Infor-mation Society 5(2), 199-208.

28. Majaranta, P., & Räihä, K.-J. (2002).Twenty years of eye typing: Systems anddesign issues. Proceedings of the 2002

Majaranta 71

Symposium on Eye Tracking Research andApplications (ETRA ’02), 15-22. NewYork: ACM.

29. Majaranta, P., & Räihä, K.-J. (2007). Textentry by gaze: Utilizing eye-tracking. I.S. MacKenzie & K. Tanaka-Ishii (Eds.),Text entry systems: Mobility, accessibility,universality (pp. 175-187). San Francisco,CA: Morgan Kaufmann.

30. Miniotas, D., Spakov, O., & Evreinov, G.E. (2003). Symbol creator: An alterna-tive eye-based text entry technique withlow demand for screen space . In Rau-terberg, M., Menozzi, M., & Wesson,J. (Eds.), Human-Computer Interaction –INTERACT 2003 (pp. 137-143). Amster-dam, The Netherlands: IOS Press.

31. Ohno, T. (1998) Features of eye gaze in-terface for selection tasks. Proceedingsof the 3rd Asia Pacific Computer-HumanInteraction (APCHI’98), 176-182. Was-hington, DC: IEEE Computer Society.

32. Pappas, J., Fishel, S., Moss, J., Hicks, J.& Leech, T. (2005). An eye-tracking ap-proach to inattentional blindness. Procee-dings of the Human Factors and Ergono-mics Society, September 26-30, 2005, Or-lando, FL, HFES.

33. Rayner, K. (1995). Eye movements andcognitive processes in reading, visualsearch, and scene perception. J. M. Find-lay, R. Walker, & R. W. Kentridge(Eds.), Eye movement research: Mecha-nisms, processes and applications (pp. 3-22). Amsterdam: North Holland.

34. Skovsgaard, H., Räihä, K-J., & Tall, M.(2012). Computer control by gaze. P. Ma-jaranta et al. (Eds.) Gaze interaction andapplications of eye tracking: Advances inassistive technologies (pp. 78-102), IGIGlobal.

35. Soukoreff, R. W., & MacKenzie, I. S.(2003). Metrics for text entry research:An evaluation of MSD and KSPC, and anew unified error metric. Proceedings ofthe ACM Conference on Human Factorsin Computing Systems (CHI’03) (pp. 113-120). New York: ACM.

36. Spakov, O. & Majaranta, P. (2009). Sc-rollable keyboards for casual eye typing.PsychNology Journal 7(2), 159-173.

37. Stampe, D. M., & Reingold, E. M. (1995).Selection by looking: A novel computerinterface and its application to psycho-logical research. J. M. Findlay, R. Wal-ker, & R. W. Kentridge (Eds.), Eye mo-vement research: mechanisms, processesand applications (pp. 467-478). Amster-dam: Elsevier.

38. Surakka, V., Illi, M., & Isokoski, P. (2004)Gazing and frowning as a new tech-nique for human-computer interaction.ACM Transactions on Applied Perception1(1), 40-56.

39. Tobii (2011). Tobii unveils theworld’s first eyecontrolled lap-top. Press release, March 1, 2011.http://www.tobii.com/en/group/news-and-events/press-releases/

40. Tuisku, O., Majaranta, P., Isokoski, P., &Räihä, K.-J. (2008). Now Dasher! Dashaway! Longitudinal study of fast text ent-ry by eye gaze. Proceedings of the 2008Symposium on Eye Tracking Research &Applications (ETRA ’08), 19-26. NewYork: ACM.

41. Wade, N. J., & Tatler, B. W. (2005). Themoving tablet of the eye: The origins ofmodern eye movement research. Oxford:Oxford University Press.

42. Ward, D. J., & MacKay, D. J. C. (2002).Fast hands-free writing by gaze direction.Nature 418(6900), 838.

43. Wobbrock, J. O., Rubinstein, J., Sawyer,M. W., & Duchowski, A. T. (2008). Longi-tudinal evaluation of discrete consecutivegaze gestures for text entry. Proceedingsof the 2008 Symposium on Eye TrackingResearch & Applications (ETRA ’08), 11-18. New York: ACM.

44. Yarbus, A. L. (1967). Eye movements andvision. New York: Plenum Press. (Trans-lated from Russian by Basil Haigh. Origi-nal Russian edition published in Moscowin 1965.)

45. Zhai, S., Morimoto, C., & Ihde, S. (1999).Manual and gaze input cascaded (MA-GIC) pointing. Proceedings of the SIGC-HI Conference on Human Factors in Com-puting Systems (CHI ’99), 246-253. NewYork: ACM.