Reaktionszeittests

Für verschiedene Forschungsfragestellungen ist es notwendig Reaktionszeiten sehr genau zu erfassen. Aber wie lassen sich diese mit Hilfe von Computern oder Smartphones präzise messen? Besitzt ein System eine konstante Verzögerung in der Messdatenverarbeitung oder variiert sie stark? Seriöse Produkte auf dem freien Markt sind exakt vermessen und müssen als kombiniertes System aus Computer-Hardware und speziell auf diese Hardware optimierte Software zum Einsatz kommen. Ist dieser Aufwand reduzierbar, wenn bestimmte Rahmenbedingungen gelten? Die Vermessung von Komponenten, die in anderen wissenschaftlichen Projekten wie beispielsweise Flux oder NEPS eingesetzt werden, soll die Qualität der durchgeführten Erhebungen steigern und das Softwaredesign von Reaktionszeittests verbessern.

Überprüfung der Reaktionszeitmessung am PC

Die Überprüfung der Genauigkeit von Reaktionszeitmessungen basiert auf einem Vergleich zweier unabhängiger Messungen der Reaktionszeit. Jeweils ein Messwert stammt von einer externen Hardware, die auch den Test anstößt. Den entsprechenden Vergleichswert liefert das Testobjekt selbst. Durch ein automatisches Verfahren können in kurzer Zeit viele tausend Messungen ausgeführt werden.

Basis für die externe Hardware ist die Reaktionszeittastatur, die von TBA in Zusammenarbeit mit externen Partnern entwickelt wurde, die zwei große und sieben kleine Tasten besitzt sowie einen Impulseingang. Sie wird wie eine normale PC-Tastatur über USB an einen PC angeschlossen. Ihre Tasten sind frei definierbar und über einen zweiten USB-Stack  (über die gleiche USB-Verbindung) werden Zeit-Telegramme übertragen. Mit Hilfe einer Prüfschaltung, die hochgenaue Rechteckimpulse am Impulseingang der Tastatur bereit stellte, wurde die Genauigkeit der Zeit-Telegramme nachgewiesen.

Die Zeit-Telegramme werden für die Überprüfung der Reaktionszeitmessung von einem kleinen C-Programm erfasst und weiter an einen TCP/UDP Port übertragen. Dieses Programm ist unter Windows (Visual C++) und Linux (GCC) kompilierbar. Von diesem Punkt an ist die Implementierung der Messdaten-Erfassungs-Software unabhängig von der Plattform, der Sprache und dem Ort des Rechners auf dem sie läuft. In den bisher durchgeführten Messungen kam Java unter Linux zum Einsatz.

Der Impulseingang wird im Prüfungsfall von einem optischen Sensor angesteuert, der vom Testobjekt angepasste Visualisierungen erfordert. Bilder, die in den Reaktionszeittests verwendet werden, müssen in einem weniger relevanten Bildbereich eine schwarz/weiße Fläche bereitstellen. Die Bilder sind so anzupassen, dass der normale Testablauf ("reale Bedingungen") nicht modifiziert, aber der Sensor entsprechend aktiviert wird. Der Start eines Stimulus erzeugt damit ein genaues Zeit-Telegramm über den Impulseingang der Reaktionszeittastatur. Das Drücken einer Taste erzeugt ein zweites Telegramm. Da die Telegramme auf der externen Tastatur generiert werden, hängt die Genauigkeit nicht von Übertragungszeiten von oder zum PC ab. Für automatische Tests wird der Impulseingang der Tastatur ebenfalls als "Taste" (Antwort auf Stimulus) über die Steuersoftware (und den optischen Sensor) genutzt.

Überprüfung der Reaktionszeitmessung an Tablet-PCs und Smartphones

Um auch Messungen an Tablets und Smartphones durchführen zu können, ist das System durch eine aktive Komponente, einen "elektronischen Finger", erweitert worden. Kernproblem bei berührungsempfindlichen Oberflächen (Touchpads) ist die zuverlässige Auslösung von sogenannten Softkeys. Da das Funktionsprinzip von Touchpads auf eng begrenzter kapazitiver Veränderung beruht, muss die Auslösung mit Hilfe eines Objekts geeigneter Permittivität stattfinden. Je nach Testobjekt gibt es unterschiedliche Empfindlichkeiten.

In einem ersten Prototyp besteht der Finger aus einem Stempel mit zwei Kontakten, der auf eine aufgeklebte leitende Oberfläche fällt. Die Größe der leitenden Oberfläche muss auf die Empfindlichkeit des Touchpads abgestimmt sein. Die Kontakte des Stempels sind elektrisch mit einer Taste der Reaktionszeit-Tastatur verbunden, so dass sie einen Zeitstempel auslösen. Die Bewegung des Fingers wird mit Hilfe eines Hubmagnets umgesetzt. Zur Ansteuerung des Hubmagnets wird eine steuerbare LED der Reaktionszeittastatur genutzt, deren Signal über eine Treiberstufe geführt wird.

Auch in diesem Aufbau ist der optische Sensor angebracht und löst den primären Zeitstempel aus. Nach einer definierten Zeit wird von der Steuersoftware der elektronische Finger fallen gelassen. Das Auftreffen auf der Oberfläche löst den sekundären Zeitstempel aus. Damit sind die Reaktionszeiten außerhalb des Testobjekts genau ermittelt und können mit den Messwerten, die das Testobjekt selber erfasst hat, verglichen werden.

Um die Zuordnung der richtigen Wertepaare zu gewährleisten, wird zum einen die Uhrzeit zwischen Testobjekt und äußerem Messaufbau bei Beginn der Messungen synchronisiert und zum anderen jede Messung einem Block zugeordnet, der eindeutig durch Pausen von anderen Blöcken getrennt ist. Gültige Werte sind nur vollständige Blöcke, die zeitlich dicht genug zugeordnet werden können. Durch Verschleiß der leitenden Oberfläche nimmt die Anzahl der gültigen Messblöcke mit der Zeit immer mehr ab.

Bisheriger Einsatz

Unter Verwendung unserer Reaktionszeittastatur liefert TBA einen Hardwareaufbau mit selbstentwickeltem optischen Sensor und elektronischen Finger, inklusive aller Hard- und Softwaretreiber, sowie Mess- und Steuersoftware. Bisher wurde der Aufbau im Projekt Flux zur Validierung von Messungen eingesetzt und zur Vorbereitung der Testung von Softwareprototypen, die im Rahmen von computerbasierten Datenerhebungen für das Nationale Bildungspanel eingesetzt werden.

Weiterentwicklungen

In einer Weiterentwicklung der Testapparatur werden andere Funktionsprinzipien genutzt. Der Finger wird mit einem Servo aus dem Modellbau bewegt und die Detektion des Aufsetzens auf der Glasoberfläche übernimmt eine Laserlichtschranke. Es treten keine impulsartigen Kräfte mehr auf. Das zu testende Gerät wird mechanisch kaum belastet und benötigt keine Applikation mehr in Form einer leitenden Kontaktfläche. Der Aufbau ist robust, verschleißarm und kann von eingewiesenem Personal genutzt werden.

Die Integrität der Datagramme der Zeiterfassung bleibt durch die Integration der TBA Reaktionszeittastatur weiter gewahrt. Die Steuerung des Fingers und die Messdatenverarbeitung übernimmt ein Einplatinencomputer (Cubieboard). HDMI-Interface und USB-Ports ermöglichen den Anschluss von Tastatur, Maus und Monitor. Via Ethernet-Netzwerk ist eine Fernsteuerung möglich. Die Mess- und Steuersoftware läuft auf dem eingebetteten System unter einem Debian-Derivat (Cubian). Ein zusätzlicher Mess-PC ist nicht mehr notwendig. Die Testapparatur kann autonom Messungen durchführen. Die Tasten der Reaktionszeittastatur sind mit einfachen Funktionen belegt. Es können Geräte mit einer Bildschirmgröße von 600mm x 400mm (28 Zoll) getestet werden.

Hier eine Gesamtansicht der Testapparatur:

Weitere Infos

Finanzierung: DIPF

Laufzeit: Seit 2012

Status: laufend

Kontakt: Roland Johannes