Reaktionszeit – Messungen mit PCs 27.01.2011Psycholinguistisches Labor Carsten Schliewe.

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1 Reaktionszeit – Messungen mit PCs 27.01.2011Psycholinguistisches Labor Carsten Schliewe

2 Typischer Fall: Gemessen wird die Zeit zwischen dem Bildschirm – Onset eines Stimulus und der Reaktion des Probanden. Aber: Ein PC ist kein Real –Time-System! Der Begriff „Real-Time-System“ legt fest, dass ein System auf ein Ereignis innerhalb eines vorgegebenen Zeitrahmens reagieren muss. Prinzipiell ist auch ein PC echtzeitfähig, allerdings nicht oder nur sehr bedingt, wenn er mit klassischen Multitasking-Betriebssystemen betrieben wird. (http://de.wikipedia.org)

3 Das bedeutet: Es ist mit Verzögerungen zwischen der eigentlichen Reaktion des Probanden (z.B. Tastendruck) und der Verarbeitung dieser Information im PC (z.B. stoppen der Zeitmessung) zu rechnen, abhängig z.B. ob Polling oder Interrupt, den Polling- und Interruptlatenz-Zeiten, anderen im Rechner laufenden Prozesse, u.s.w.

4 Hinzu kommt Verzögerung durch die Eingabegeräte b.z.w. Monitore selbst, z.B. durch die Organisation von PC Tastaturen in Reihen und Spalten. Exkurs: Wie funktioniert eine PC-Tastatur ?

5 Organisation in Reihen und Spalten 1000 uC ? ? ? ? +5V GND kb_clk Kb_data Zum PC uC legt nacheinander eine Spalte auf „1“, schaut dann nach welche Reihe „1“ ist und bekommt so raus welche Taste gedrückt wurde. In diesem Beispiel reichen so 8 Anschlüsse um 16 Tasten abzufragen !

6 Messung an einer „CHERRY- Tastatur“ Tastaturcontroller der Cherry-Tastatur:

7 Reales Oszillogramm zweier Spalten eines „cherry“-Tastaturcontrollers: In der Realität ist es andersrum, alle Spalten werden nacheinander auf „0“ gelegt… Taste jetzt erst gedrückt ? Pech gehabt… Erst ca. 12ms später kann die Taste erkannt werden ! Erkenntnis: Bei Verwendung einer PC- Tastatur als Eingabemedium ist schon systembedingt mit Verzögerungen zu rechnen, die zu allem Überfluß auch noch unterschiedlich sind !!

8 Messung an einer „Gamer“- Tastatur (Razer Arctosa)

9 Verbesserung: „Gamer“-Tastatur Wurde bei der „Cherry“-Standard- Tastatur jede Tastenspalte nur alle 13ms abgefragt, so geschieht dies bei der „Razer Arctosa“ Gaming-Tastatur wesentlich schneller, nämlich alle 2,12ms !

10 Daher verwenden wir neuerdings in unseren Laboren „Gamer“- Tastaturen (Razer Arctosa), die im Zeitverhalten besser sind, d.h. die Verzögerungen sind „gleichmäßiger“. Vergleich einer „Cherry“ PC-Tastatur mit einer Razer Arctosa PC-Tastatur : CherryRazer RTmax4037,13 RTmin27,3434,54 RTmax- RTmin12,662,59 RTmean32,5235,76 (Alle Werte in ms, gemessen an Ling23 über 20 Versuche) Man erkennt: Die durchschnittliche Verzögerung ist bei der Razer-Tastatur sogar geringfügig größer, aber die Extremwerte sind dichter zusammen. Man erhält mit der Razer- Tastatur über die VPs gleichmäßigere Bedingungen. Anhand der letzten Folien wird aber klar: Eine PC-Tastatur ist systembedingt kein gutes Eingabegerät für RT-Messungen.

11 Weitere Ursache für Verzögerungen bei Tastenbasierten Eingabegeräten: Technisch ungünstig realisierte Tastenentprellung (z.B. Cedrus-Box) Was ist Tastenentprellung ? „Accessory Connector“

12 Oszillogramm einer prellenden Taste und des aufbereiteten Signals am „Accessory Connector“ einer Cedrus-Box: Gelbes Signal: Der Kontakt der Taste braucht hier 3ms bis er endgültig geschlossen ist. Das ist technisch unabwendbar. Leider braucht die Entprellschaltung aber bis zu 2,6ms bis das Signal am Ausgang anliegt.

13 Wie es besser geht zeigt die Push-Button-Box: Vom Druck der Taste am Eingabegerät bis zur Reaktion am Ausgang des Eingabegerätes vergehen nur 216 ns ! Blaue Kurve: Signal am Ausgang der Push-Button-Box Gelbe Kurve: Signal an Taste

14 Weitere „Falle“ bei der Cedrus-Box Um bei der „Cedrus-Box“ zumindest akzeptable Reaktionszeiten mit geringen Latenzen zu erreichen, muss man die ziemlich im Treiber versteckte „Latency-Timer“- Einstellung auf 1ms setzen. Als Standard ist hier nach der Neuinstallation der Cedrus-Box ein höherer Wert eingetragen. An diese Einstellung kommt man nur als „Administrator“ ran.

15 Man kommt also nicht umhin die Verzögerungszeiten für ein Experimentalsystem nachzumessen. Zu diesem Zweck wurde eine Test-Schaltung aufgebaut, die einen Probanden simuliert: Funktionsweise: Die Zeitmessung im PC startet beim Bildschirm-Onset des Stimulus. Dies erkennt eine Fotodiode. Durch einen „elektronischen Schalter“ (hier mit Optokoppler realisiert) wird die Taste des Eingabegerätes betätigt oder mithilfe eines Schallwandlers ein Ton erzeugt, der die Zeitmessung im PC wieder stoppt. Test-Schaltung VGA

16 Die Test-Schaltung U Photodiode U Start Optokoppler ≥1 G (f=10kHz) Zum Test - PC Trigger‘d 10k Reset BPW34 1M 2k23k3 SFH618A-3 +12V Taste des Eingabegerätes 4001 Piezo - Pieper +12V

17 Einfluss des Monitors Hier sieht man als Beispiel die Messung an einem PC mit TFT- Monitor. Die gelbe Kurve gibt den Spannungsverlauf an der Photodiode wieder. Man sieht, dass die Helligkeit bei einem TFT-Monitor relativ langsam zunimmt. Der elektronische Schalter schließt zu dem Zeitpunkt, zu dem die blaue Kurve den Zustand „HIGH“ eingenommen hat. LOW HIGH

18 Gleiche Messung an Röhrenmonitor Bei einem Röhrenmonitor erreicht die Helligkeit nach wesentlich kürzerer Zeit ihren Maximalwert. Da uns aber i.A. bei Reaktionszeiten die Unterschiede bei verschiedenen Items und / oder VPs interessieren und nicht möglichst kurze absolute Werte ist die Verwendung von TFT-Monitoren dennoch möglich.

19 Wichtig ist aber… …dass die Varianz der Reaktionszeiten bei ansonsten gleichen Bedingungen möglichst gering ist. Mit der zuvor beschriebenen Test-Schaltung können wir das jetzt beurteilen. Wäre unser PC- Experimentalsystem ideal würden wir in der Log-Datei des Testprogramms stets RT=0 finden. Es gibt aber kein ideales Experimentalsystem !

20 Die Verzögerungszeit setzt sich zusammen aus: RT ges = RT Monitor + RT Eingabegerät + RT Computer Untersucht wurden die: Unterschiede zwischen unterschiedlicher Software (Presentation, DMDX, Linger, EB) Unterschiede zwischen verschiedenen Eingabegeräten (Tastatur, Maus, Auditiv, LPT-Statusport) Unterschiede zwischen unterschiedlicher Hardware (Rechner, TFT-Monitor, Röhren-Monitor)

21 Pro Konfiguration 20 Durchläufe Darstellung von (einem) Buchstaben oder Bitmap 20 Reaktionszeiten (RTges) RTmax (maximal gemessene Reaktionszeit) RTmin (minimal gemessene Reaktionszeit) RTmax - RTmin RTmean (arithmetischer Mittelwert der RTs) Standardabweichung Über die 20 Durchläufe wurde ermittelt:

22 Beispiel zweier Messreihen TrialRTges 127,41 231,44 336,6 423,84 528,82...… …… …… 1820,75 1926,43 2029,84 RT max36,76 RT min20,75 mean28,751 sd4,926 TrialRTges 114,1 214,05 314,14 414,6 514,24...… …… …… 1814,87 1915,36 2015,35 RT max15,36 RT min14,05 mean14,715 sd0,400 Test an Ling72 Programm: Experiment-Builder Darstellung von Bitmaps Response über LPT-Port Monitor: iiyama Monitor: acerAL1923 Bei dieser Messung brachte allein der Austausch des Monitors deutlich kleinere RTs mit geringerer Varianz ! Ein Testsystem ist immer nur so gut wie das schwächste Glied in der Kette.

23 Ergebnisse: Gute Konfigurationen RT max / RTmin (in ms) Rechner / Raum / MonitorProgramm / Response über / Item Presentation LPT-Port Bitmap Presentation Mikrofon Bitmap DMDX Mikrofon Bitmap Exp. Builder LPT-Port Bitmap Ling23 / 3.331 /LCD / ASUS 15 / 1418 / 1717 / 1617,41 / 15,28 Ling3 / RT-Labor / LCD Belinea ----------------- 26 / 25----------------- ALGE / Mediathek / Röhre ----------------- 5 / 4----------------- Ling77 / EEG-Lab / LCD / Acer 12 / 1114 / 13-------------------------------- RT max – RT min (in ms) Rechner / Raum / MonitorProgramm / Response über / Item Presentation LPT-Port Bitmap Presentation Mikrofon Bitmap DMDX Mikrofon Bitmap Exp. Builder LPT-Port Bitmap Ling23 / 3.331 /LCD / ASUS 1111,59 Ling3 / RT-Labor / LCD Belinea ----------------- 1 ALGE / Mediathek / Röhre ----------------- 1 Ling77 / EEG-Lab / LCD / Acer 11--------------------------------

24 Ergebnisse: Gute Konfigurationen (Fortsetzung) RT mean (arithmetischer Mittelwert in ms) Rechner / Raum / MonitorProgramm / Response über / Item Presentation LPT-Port Bitmap Presentation Mikrofon Bitmap DMDX Mikrofon Bitmap Exp. Builder LPT-Port Bitmap Ling23 / 3.331 /LCD / ASUS 14,917,616,8515,82 Ling3 / RT-Labor / LCD Belinea ----------------- 25,2----------------- ALGE / Mediathek / Röhre ----------------- 4,45----------------- Ling77 / EEG-Lab / LCD / Acer 11,0513,1-------------------------------- Standardabweichung s (in ms) Rechner / Raum / MonitorProgramm / Response über / Item Presentation LPT-Port Bitmap Presentation Mikrofon Bitmap DMDX Mikrofon Bitmap Exp. Builder LPT-Port Bitmap Ling23 / 3.331 /LCD / ASUS 0,3080,5030,3660,332 Ling3 / RT-Labor / LCD Belinea ----------------- 0,410----------------- ALGE / Mediathek / Röhre ----------------- 0,510----------------- Ling77 / EEG-Lab / LCD / Acer 0,2240,308--------------------------------

25 Ergebnisse: Akzeptable Konfigurationen RT max / RTmin (in ms) Rechner / Raum / MonitorProgramm / Response über / Item DMDX Tast. Razer Bitmaps DMDX Tast. Razer Text Exp. Builder Cedrus (USB) Bitmap Ling23 / 3.331 /LCD / ASUS 37,13 / 34,5433,03 / 30,114,51 / 10,7 Ling3 / RT-Labor / LCD Belinea 34,2 / 32,0330,27 / 27,75----------------- ALGE / Mediathek / Röhre 24,61 / 22,5220,67 / 18,55----------------- Ling72 / Mediathek / LCD / Acer ----------------- 12,46 / 9,04 RT max – RT min (in ms) Rechner / Raum / MonitorProgramm / Response über / Item DMDX Tast. Razer Bitmaps DMDX Tast. Razer Text Exp. Builder Cedrus (USB) Bitmap Ling23 / 3.331 /LCD / ASUS 2,592,933,81 Ling3 / RT-Labor / LCD Belinea 2,172,52----------------- ALGE / Mediathek / Röhre 2,092,12----------------- Ling72 / Mediathek / LCD / Acer ----------------- 3,42

26 Ergebnisse: Akzeptable Konfigurationen (Fortsetzung) RT mean (arithmetischer Mittelwert in ms) Rechner / Raum / MonitorProgramm / Response über / Item DMDX Tast. Razer Bitmaps DMDX Tast. Razer Text Exp. Builder Cedrus (USB) Bitmap Ling23 / 3.331 /LCD / ASUS 35,7631,5112,92 Ling3 / RT-Labor / LCD Belinea 32,9529,04----------------- ALGE / Mediathek / Röhre 23,4919,68----------------- Ling72 / Mediathek / LCD / Acer ----------------- 10,86 Standardabweichung s (in ms) Rechner / Raum / MonitorProgramm / Response über / Item DMDX Tast. Razer Bitmaps DMDX Tast. Razer Text Exp. Builder Cedrus (USB) Bitmap Ling23 / 3.331 /LCD / ASUS 0,7540,8001,12 Ling3 / RT-Labor / LCD Belinea 0,6840,791----------------- ALGE / Mediathek / Röhre 0,6040,662----------------- Ling72 / Mediathek / LCD / Acer ----------------- 0,820

27 Ergebnisse: Ungünstige Konfigurationen RT max / RTmin (in ms) Rechner / Raum / MonitorProgramm / Response über / Item Presentation Tast. Cherry Bitmap DMDX Tast. Cherry Bitmap DMDX PS2 Maus Bitmap Linger Tast. Razer Text Ling23 / 3.331 /LCD / ASUS 49 / 2740 / 27,3441,23 / 24,9345 / 32 Ling3 / RT-Labor / LCD Belinea -----------------36,64 / 25,62---------------- ALGE / Mediathek / Röhre -----------------27,83 / 14,78----------------26 / 17 RT max – RT min (in ms) Rechner / Raum / MonitorProgramm / Response über / Item Presentation Tast. Cherry Bitmap DMDX Tast. Cherry Bitmap DMDX PS2 Maus Bitmap Linger Tast. Razer Text Ling23 / 3.331 /LCD / ASUS 2212,6616,313 Ling3 / RT-Labor / LCD Belinea -----------------11,02------------------------------- ALGE / Mediathek / Röhre -----------------13,05---------------9

28 Ergebnisse: Ungünstige Konfigurationen (Fortsetzung) RT mean (arithmetischer Mittelwert in ms) Rechner / Raum / MonitorProgramm / Response über / Item Presentation Tast. Cherry Bitmap DMDX Tast. Cherry Bitmap DMDX PS2 Maus Bitmap Linger Tast. Razer Text Ling23 / 3.331 /LCD / ASUS 35,7032,5232,0039,60 Ling3 / RT-Labor / LCD Belinea ----------------31,10-------------- ALGE / Mediathek / Röhre ----------------21,84--------------22,15 Standardabweichung s (in ms) Rechner / Raum / MonitorProgramm / Response über / Item Presentation Tast. Cherry Bitmap DMDX Tast. Cherry Bitmap DMDX PS2 Maus Bitmap Linger Tast. Razer Text Ling23 / 3.331 /LCD / ASUS 5,5074,0684,9414,382 Ling3 / RT-Labor / LCD Belinea ----------------3,667-------------- ALGE / Mediathek / Röhre ----------------4,940--------------3,183

29 Fazit Bei RT-Messungen mit Presentation oder Experiment- Builder LPT-Port basierte Tasten benutzen. Auditive Responses (bei DMDX oder Presentation) liefern ähnlich gute Ergebnisse wie LPT-Port basierte Tasten. DMDX unterstützt den LPT-Port leider nicht. Möchte man hier Tasten als Eingabegeräte verwenden bleibt nur die Verwendung von „Ultrapolling“-Gamer-Tastaturen. Cedrus-Boards hinterlassen einen etwas zwiespältigen Eindruck. RT-Zeiten zwar sogar unter LPT-Port-Niveau aber höhere Varianz der Werte. Timer-Falle beachten !

30 Fazit (Fortsetzung) Linger weist (bei ansonsten gleichen Bedingungen) eine deutliche größere Varianz bei RT-Messungen auf als die übrige getestete Experimentalsoftware. Röhren-Monitore bringen gegenüber TFT-Monitoren Vorteile wenn es darum geht möglichst kurze System- Reaktionszeiten zu erreichen, da sie „deutlich schneller heller werden“ als TFT-Monitore; Vorteile bezüglich der Varianz bringen sie jedoch nicht. Schon der Austausch einzelner Komponenten eines Testsystems (z.B. Monitorwechsel) kann dessen Eigenschaften drastisch verändern. Nachmessen bringt Gewissheit über die Performance !

31 Fazit (Fortsetzung) Es ist ungünstig bei einem einmal begonnen Experiment von einem Testsystem auf ein anderes (z.B. vom RT- Labor in die Mediathek) zu wechseln, da sich dann die unterschiedlichen „statischen“ RT-Unterschiede (z.B. zwischen Röhren-Monitor und TFT-Monitor) auswirken und Unterschiede zwischen den Probanden suggerieren, die so tatsächlich aber nicht vorhanden sind. Zum Schluss (weil hier noch Platz ist) die alte Messtechniker - Weissheit: „Wer misst misst Mist !“ (wenn er nicht aufpasst….) In diesem Sinne….

32 Vielen Dank !