Tutkimusryhmäni laboratoriossa on viime aikoina tehty silmänliiketutkimusta ja aloin miettimään, kuinka silmänliikkeiden mittaaminen tarkasti kontrolloiduissa olosuhteissa eroaa silmänliikkeiden mittaamisesta arkisissa ympäristöissä, vaikkapa keittiössä puuhaillessa. Päätin vilkaista alan klassikkoartikkelia, Michael Landin juttua Perceptionissa vuonna 1999.

Ennen Landin juttuun menemistä kuitenkin pari sanaa silmänliikkeistä. Miksi ihmisen silmien pitää liikkua? Tämä johtuu siitä, että silmän tarkan näön alue, fovea, on kooltaan hyvin pieni ja näemme maailmasta vain pienen osan kerrallaan tarkasti. Tarkan näön alueen koko on noin yksi peukalonpää suoraksi eteen ojennetun käden etäisyydellä. Koska tarkan näön alue on näinkin pieni, meidän täytyy kohdistaa se ympäristössämme oleviin kiinnostaviin kohteisiin. Tämä tapahtuu silmänliikkeiden avulla, jotka 2-4 kertaa sekunnissa liikuttavat silmää kiinnostavaan paikkaan. Kun silmänliike, sakkadi, on liikauttanut silmän sopivaan paikkaan, silmä pysähtyy hetkeksi keräämään tietoa. Tätä pysähdystä kutsutaan fiksaatioksi. Päivän aikana ihminen tekee noin 172000 silmänliikettä.

Silmien on syytä kohdistua näkökentän olennaisiin paikkoihin, jotta selviäisimme maailmassa. Usein sanotaan, että silmät kohdistuvat näkökentän informatiivisiin kohtiin. Eri juttu sitten on, mitä informatiivinen tarkoittaa. Toisaalta se voi tarkoittaa kuvan alkeispiirrettä, esimerkiksi voimakasta rajaviivaa, hyvin kirkasta tai värikästä kohtaa. Toisaalta se voi tarkoittaa tehtävän kannalta olennaisia paikkoja tai esineitä näkökentässä. Tieteellisessä kirjallisuudessa onkin paljon keskusteltu, ohjautuvatko silmänliikkeet kuvan peruspiirteiden pohjalta, alhaalta ylöspäin ohjautuen (bottom-up) vai kuvan korkeamman tason piirteiden pohjalta, ylhäältä alaspäin ohjautuen (top-down).

Tämän alustuksen jälkeen päästään varsinaiseen aiheeseen, eli Landin tutkimukseen. Useimmat silmänliiketutkimukset on tehty siten, että koehenkilö suorittaa tehtävää näyttöruudun ääressä laboratoriotilassa. Tällä tavalla saadaan mielenkiintoisia ja tarkasti kontrolloituja tuloksia, mutta toisaalta arkipäivän maailman monimutkaiset ilmiöt jäävät vaille huomiota. Tältä pohjalta lähtivät englantilaistutkija Michael Land tutkimusryhmineen selvittämään silmänliikkeitä arkipäivän ympäristössä. Vuonna 1999 Perception-lehdessä julkaistussa artikkelissa he selvittivät, minkälaisia silmänliikkeitä ihmiset tekevät – kuinka ollakaan – keittäessään teetä.

Tutkimuksen lähtökohtana oli selvittää, millä tavalla silmänliikkeet poimivat tehtävän kannalta olennaista tietoa jos henkilö saa vapaasti liikkua ympäristössä. Lisäksi tutkijat halusivat selvittää, kuinka silmänliikkeet ja toiminta liittyvät toisiinsa, eli ennakoivatko silmänliikkeet toimintaa vai käynnistääkö toiminta silmänliikkeet vasta sitten kun tietoa tarvitaan. Esimerkiksi jos nostamme kädellä kahvikupin, kohdistuvatko silmät jo ennakolta kahvikuppiin, vai aktivoiko vasta käden liikkuminen silmien kohdistumisen kahvikupiin juuri sillä hetkellä kun tietoa tarvitaan.

Teen keittäminen on hyvä tehtävä, koska se koostuu monista peräkkäisistä osasista. Ensin  pitää löytää vedenkeitin, avata se, viedä keitin hanan alle, täytttää se, viedä keitin pöydälle ja käynnistää se. Sen jälkeen pitää etsiä kahvikupit, makeutusaine jne. Asetelmalla saadaan siis selville, kuinka ihminen siirtyy tehtäväsarjan osasta toiseen.

Kokeessa teetä keittävän koehenkilön päähän oli kiinnitetty silmänliikkeitä mittaavaa kamera ja eteenpäin kuvaava videokamera. Alla olevan kuvan vasemmalla puolella (a) videokamera näkyy valkoisella pannalla kiinnitettynä miehen päähän. Dataa keräävä tietokone on repussa. Kuvan on ottanut ulkoinen videokamera, jolla kerättiin tietoa henkilön liikkeistä. Kuvassa oikealla (b) näkyy päähän kiinnitetyn videokameran kuvaa, josta voi tarkkailla, mitä henkilön näkökentässä tapahtuu. Silmänliikekamera rekisteröi silmänliikkeet ja ne voidaan yhdistää videokuvaan, jolloin saadaan selville, kuinka silmien ja käsien liikkeet ovat yhteydessä. Kuvassa b valkoinen piste käden vieressä kuvaa silmien sijaintia, jonka tutkijat siis näkevät kun analysoivat tuloksia.

Landin (1999) koeasetelma. a) Ulkoisen videokameran näkymä, b) Koehenkilön päässä olevan videokameran näkymä.

Koetulosten analyysi on ollut aika työlästä, tutkijat ovat käyneet läpi ulkoisen videokameran ja päässä olevan kameran videot kuva kerrallaan. Lyhennetty esimerkki koevideosta löytyy YouTubesta. Tulokset osoittivat, että teen keittäminen voidaan jakaa eri toiminnan tasoihin. Korkein toiminnan taso on ”Keitä teetä”, ja se jakautuu kolmeen alitehtävään: ”Laita vedenkeitin päälle”, ”Valmistele tee” ja ”Valmistele teekupit”. Kukin näistä voidaan edelleen jakaa pienempiin tehtävin, esimerkiksi ”Laita vedenketin päälle” jakautuu alitehtäviin ”Täytä vedenkeitin vedellä”, ”Napsauta keitin päälle”. Edelleen voidaan mennä alemmalle tasolle, eli ”Täytä vedenkeitin vedellä”, joka jakautuu alitehtäviin ”Etsi vedenkeitin”, ”Ota vedenkeitin käteen”, ”Avaa kansi”, ”Vie vedenkeitin hanan alle”, ”Etsi hanan säädin”, ”Laske hanasta vettä”, ”Sulje hana kun keitin on täynnä”, ”Laita kansi kiinni” ja ”Laske vedenkeitin pöydälle”. Aika monta vaihetta noinkin yksinkertaiselta vaikuttavassa tehtävässä.

Silmänliikkeet liittyvät alimpaan toiminnan tasoon, jossa ne täyttivät kyseisen alitehtävän tiedontarpeita. Kuhunkin alitehtävään liittyy keskimäärin 5 katseen kohdistusta, jotka kohdistuvat tehtävän kannalta keskeiseen esineeseen. Alla on esimerkki silmien kohdistuksista. Henkilön katse kohdistuu 12 kertaa vedenkeittimeen, 3 kertaa lavuaarin alueeseen, jonne hän on vedenkeitintä kuljettamassa, 4 kertaa keittimeen ja sen kanteen kun hän on kantamassa sitä kohti lavuaaria, 3 kertaa hanaan ja 4 kertaa hanasta tulevaan veteen. Mielenkiintoista on se, kuinka tarkasti silmät kohdistuvat vain tehtävän kannalta olennaisiin objekteihin. Tehtäväsarjassa on vain yksi irrelevantti katseen kohdistus pöydällä olevaan objektiin (oikeanpuoleisin katseenkohdistus kuvassa). Silmänliikkeet olivat kaikilla kolmella koehenkilöllä huomattavan samanlaisia.

Esimerkki yhden henkilön katseen kohdistumisesta vedenkeittimen täyttämisen aikana Landin (1999) kokeesta. Pisteet kuvaavat kohtia, joihin silmä pysähtyy ja viivat kuvaavat silmän liikkeitä paikasta toiseen.

Land määrittelee toiminnan perusyksiköksi kokonaistehtävän sisällä olevan yhden alitehtävän, jota hän kutsuu objektiin liittyväksi toiminnaksi (object related action). Tähän yksikköön sisältyvät ne kehon, silmien ja käsien liikkeet, joita tarvitaan yhden alitehtävän suorittamiseksi, esimerkiksi vedenkeittimen ohjaamiseksi vesihanan alle.

Objektiin liittyvä toiminta alkaa yleensä kehon liikkeellä, siitä keskimäärin puolen sekunnin sisällä tulee ensimmäinen silmänliike kohteeseen ja tästä puolen sekunnin päästä objektin käsittely käsillä. Edellä mainitut ajat ovat keskiarvoja, pisimmillään viiveet vaiheiden välillä olivat noin sekunnin verran.

Kun objektiin liittyvä toiminta on lopussa, katse siirtyy seuraavaan kohteeseen keskimäärin puolen sekunnin kuluttua motorisen toiminnan lakkaamisesta. Silmät siis ennakoivat seuraavia toimintoja ja alkavat tallentamaan seuraavan toiminnan kannalta olennaista tietoa.

Land myös luokitteli silmänliikkeitä sen perusteella, mitä merkitystä niillä oli toiminnalle. Hän nimesi neljä silmänliiketyyppiä: paikallistava, suuntaava, ohjaava ja tarkistava. Paikallistava katseen kohdistuminen tarkoittaa sitä, että etsitään kohde, jota tarvitaan toimintasarjan myöhemmässä vaiheessa. Tässä vaiheessa rekisteröidään objektin sijainti ja ominaisuudet. Esimerkiksi teenkeittötehtävän alussa pitää ensin löytää vedenkeitin keittiöstä.

Suuntaava kohdistus tarkoittaa sitä, että katse kohdistuu paikkaan tai objektin osaan, johon käsi ottaa hetken kuluttua kontaktin, esimerkiksi siis tartttuu vedenkeittimeen nostaaksen sen. Tätä todennäköisesti hyödynnetään, kun lasketaan kohteen saavuttamiseen tarvittavia käden liikesarjoja.

Ohjaavat katseen kohdistukset liittyvät toisiaan lähestyviin objekteihin, esimerkiksi vedenkeittimeen ja sen kanteen, jotka lähestyvät toisiin kun kansi pitää laittaa kiinni.

Tarkistus-kohdistaminen tarkoittaa katseenkohdistusta, jossa selvitetään jonkin seurattavan asian tila, esimerkiksi onko keittimeen valuva vesi jo täyttänyt sen.

Land myös raportoi, mihin toiminnan yhteydessä ei katsota. Hiukan yllättävästi käsiin katsotaan vain harvoin. Vähemmän yllättävää on se, että erittäin tuttuihin kohteisiin katsotaan myös harvoin. Eli esimerkiksi jos vedenkeitin on todella tuttu, niin sen käyttäminen onnistuu lähes siihen katsomatta.

Mitä teen keittäminen kertoo silmänliikkeistä ja toiminnasta?

Tutkimuksen selkeä perustulos on se, että silmänliikkeet edeltävät motorisia toimintoja noin puolen sekunnin verran. Näköjärjestelmä siis kerää ennakolta tietoa hetken kuluttua suoritettavia toimintoja varten. Toisin sanoen, silmänliikkeitä tarkkailemalla voidaan myös päätellä, mitä henkilö aikoo seuraavaksi tehdä.

Toinen mielenkiintoinen tulos on se, kuinka suurin osa silmänliikkeistä tapahtuu tietoisuutemme ulkopuolella. Vaikka tekisimme hyvinkin tuttua tehtävää, jonka aikana voimme ajatella muita asioita, silmänliikkeet poimivat automaattisesti tehtävän kannalta olennaista tietoa. Subjektiivisesti emme huomaa, kuinka paljon silmänliikejärjestelmä tekee jatkuvasti töitä tietoa poimiakseen.

Landin tutkimuksen jälkeen monia silmänliikekokeita on tehty arkipäivän ympäristöissä. Seuraavaksi taidan perehtyä Mary Hayhoen artikkeliin, jossa koehenkilöiden silmänliikkeitä tarkkailtiin samalla kun he tekivät hillovoileipää.

Lähteet

Hayhoe, M. (2000). Vision Using Routines: A Functional Account of Vision. Visual Cognition, 7(1-3), 43–64.

Land, M., Mennie, N., & Rusted, J. (1999). The roles of vision and eye movements in the control of activities of daily living. Perception, 28(11), 1311–1328.