שימוש בסימולטור הליכה של מציאות מדומה כדי לחקור התנהגות הולכי רגל

Summary

פרוטוקול זה מתאר שימוש בסימולטור הליכה המשמש כשיטה בטוחה ותקפה מבחינה אקולוגית לחקר התנהגות הולכי רגל בנוכחות תנועה נעה.

Abstract

כדי לחצות כביש בהצלחה, אנשים חייבים לתאם את תנועותיהם עם כלי רכב נעים. מאמר זה מתאר שימוש בסימולטור הליכה שבו אנשים הולכים על הליכון כדי ליירט פערים בין שני כלי רכב נעים בסביבה וירטואלית סוחפת. מציאות מדומה מאפשרת חקירה בטוחה ומגוונת מבחינה אקולוגית של התנהגות מעבר פערים. מניפולציה של מרחק ההתחלה הראשוני יכול לקדם את ההבנה של ויסות המהירות של המשתתף תוך התקרבות לפער. ניתן להעריך את פרופיל המהירות עבור משתני מעבר פער שונים, כגון מרחק ראשוני, גודל הרכב וגודל הפער. כל הדמיית הליכה גורמת לסדרת מיקום/זמן שיכולה ליידע כיצד מהירות מותאמת באופן שונה בהתאם למאפייני הפער. מתודולוגיה זו יכולה לשמש חוקרים החוקרים התנהגות הולכי רגל ודינמיקה התנהגותית תוך העסקת משתתפים אנושיים בסביבה בטוחה ומציאותית.

Introduction

מעבר גאפ, התנהגות מיירטת, דורש תנועה עצמית ביחס לפער בין שני כלי^{רכב נעים 1,2,3,4}. מעבר גאפ כרוך בתפיסת כלי רכב מתקרבים ושליטה בתנועה ביחס לתנועה הנעה. זה דורש פעולות להיות בדיוק בשילוב עם מידע נתפס. מחקרים קודמים רבים בחנו שיקול דעת תפיסתי והתנהגות חוצת פערים באמצעות כבישים מלאכותיים, סימולטורים בצד הדרך וסביבות וירטואליות הקרנת^{מסך 5,6}. עם זאת, לספרות הקודמת של מעברי הכבישים יש הבנה לא מלאה של התנהגות זו, והתקפותם האקולוגית של מחקרים^{אלה נחקרה 7,8,9}.

פרוטוקול זה מציג פרדיגמת מחקר לחקר התנהגות מעבר פערים במציאות מדומה, ובכך למקסם את התוקף האקולוגי. סימולטור הליכה משמש כדי לבחון את התפיסה והפעולות של התנהגות מעבר פער. הסימולטור מספק סביבת הליכה בטוחה למשתתפים, וההליכה בפועל בסביבה המדומה מאפשרת לחוקרים ללכוד באופן מלא את הקשר ההדדי בין תפיסה לפעולה. ידוע שאנשים שלמעשה חוצים כביש שופטים את פער הזמן בצורה מדויקת יותר מאלה שמחליטים בעל פה לחצות^{רק 10}. הסביבה הווירטואלית תקפה מבחינה אקולוגית ומאפשרת לחוקרים לשנות בקלות משתנים הקשורים למשימה על-ידי שינוי הפרמטרים של התוכנית.

במחקר זה, מיקום ההתחלה הראשוני של המשתתף הוא מניפולציה כדי להעריך את בקרת המהירות תוך התקרבות הפער. פרוטוקול זה מאפשר חקירה של בקרת תנועה להולכי רגל תוך יירוט פער. ניתוח המהירות של המשתתף משתנה לאורך זמן מאפשר פרשנות פונקציונלית של התאמות מהירות בזמן שהוא או היא מתקרבים לפער.

בנוסף, המאפיינים המרחביים והזמניים של עצמים שיורטו מציינים כיצד אדם יכול לנוע. בסביבת מעבר פער, שינוי גודל הפער (מרחקים בין כלי רכב) וגודל הרכב אמורים להשפיע על האופן שבו הקטר של הולך הרגל משתנה גם כן. בהתאם לכך, מניפולציה במאפייני הפער תגרום ככל הנראה להתאמות מהירות בהתנהגות המתקרבת של המשתתף. לפיכך, מניפולציה במאפייני הפער (כלומר, גודל הפער וגודל הרכב) מספקת מידע רב ערך להבנת שינויי התנהגות המעבר בהתאם למאפייני פער שונים. מחקר זה בוחן כיצד ילדים וצעירים מווסתים את מהירותם בעת חציית פערים בסביבות מעבר שונות. ניתן להעריך את פרופיל ויסות המהירות עבור סביבות שונות של מעבר פערים עם מיקומי התחלה שונים, מרחקים בין כלי רכב וגדלים של כלי רכב.

Protocol

הפרוטוקול הניסיוני הזה כולל נושאים אנושיים. ההליך אושר על ידי מועצת המחקר הלאומית של אוניברסיטת קונסאן.

1. הכנת ציוד

הערה: הציוד כולל את האפשרויות הבאות: מחשב אישי (מחשב, 3.3 GHz עם 8 GM) עם עכבר, לוח מקשים וצג; תוכנת סימולטור הליכה מותקנת במחשב השולחני; הליכון מותאם אישית (רוחב: 0.67 מ', אורך: 1.26 מ', גובה: 1.10 מ') המצויד במעקות, חגורה ומקודד מגנטי עם כבל USB; והתקן מציאות מדומה של Oculus Rift (DK1, ארה"ב, 1280 x 800 פיקסלים). הציוד כולל גם הליכון ידני מותאם אישית. ההליכון פונה דרך תנועות ההליכה של המשתתפים ואינו משתמש במנוע פנימי.

1. הכן מספיק מקום להליכון ולשולחן עבודה סמוך למחשב. תמונה של ההתקנה הניסיונית מוצגת באות 1A.
2. חבר את הציוד כפי ש המוצג באות 2.
   1. חבר את המקודד המגנטי של ההליכון למחשב באמצעות יציאת USB.
   2. חבר את ההליכון למקור כוח.
   3. חבר את האוזנייה למחשב באמצעות יציאות DVI/HDMI ו-USB.

2. הכנת תצורות סימולטור הליכה

1. גש למדריך סימולטור ההליכה במחשב ופתח את הספריה "Config".
   הערה: כל תצורה נשמרת כקובץ טקסט במדריך "Config" עם שמות קבצים של "config001", "config002" וכו '. כאן, 001, 002 וכו' הם מספרי התצורה. שלבים 2.2-2.8 מתארים כיצד ליצור את קבצי התצורה כך שהם קריאים על-ידי תוכנת סימולטור. תרשים של מצב חצייה של שני כלי רכב המציג מרחקים ראשוניים הניתנים להתאמה אישית מוצג באות 3. קובץ תצורה לדוגמה עם עיצוב מתאים מוצג באיון 4. כותרות מקטעים של קובץ התצורה משתמשות בסוגריים מרובעים (לדוגמה, "[WALKER]").
2. השלם את המקטע [WALKER] המכיל את הפרמטר לגבי נקודת ההתחלה של המשתתפים.
   1. הגדר את הפרמטר "מרחק", המציין את מרחק ההתחלה של המשתתף מנקודת ההתחלה במטרים (m).
3. השלם את המקטע [CAR] המכיל פרמטרים לגבי הרכב הראשון.
   1. הגדר את הפרמטר "Type" (המציין את סוג הרכב) כ- "1" עבור סדאן, "2" לאוטובוס או "0" כדי להסיר את הרכב.
   2. הגדר את הפרמטר "Speed" (המציין את מהירות הרכב) לערך הרצוי ב-km/h.
   3. הגדר את הפרמטר "מרחק" (המציין את המרחק הראשוני של הרכב מנקודת המעבר) לערך הרצוי במטרים.
4. השלם את המקטע [SECONDCAR] המכיל את הפרמטרים הקשורים לרכב השני. הפרמטרים זהים לאלה של [CAR].
   הערה: במחקרים של שני כלי רכב, הפער מוגדר כמרחב הריק בין שני כלי הרכב. גודל הפער, המוגדר כמשך הזמן שבמהלכו הפער הוא לאורך שביל ההליכה של המשתתף, הוא פונקציה של הפרמטרים "מרחק", "מהירות" ו-"Type" של [CAR] ו- [SECONDCAR].
5. השלם את המקטע [NEXTCAR] המכיל פרמטרים הקשורים לכלי רכב נוספים. הפרמטרים זהים לאלה של [CAR].
   הערה: ניתן להשתמש באפשרות זו כדי לחקור התנהגות הולכי רגל בתוך זרימת תנועה רציפה. אפשרות זו אינה נידונה במקטע התוצאות המייצגות.
6. השלם את המקטע [ROAD], המכיל את הפרמטר עבור בחירת נתיב. הגדר את הפרמטר "נתיב" ל- "1" כדי להשתמש בנתיב קרוב יותר למיקום ההתחלה של הולכי הרגל, או "2" עבור הנתיב רחוק יותר. [מכשול] מציין את הפרמטרים המגדירים רכב הנוסע בנתיב השני באותה מהירות כמו הרכב הראשון.
   הערה: בעת שימוש בנתיב הקרוב יותר כנתיב הראשי, ניתן להשתמש באפשרות זו כדי למקם כלי רכב נוספים בנתיב הרחוק יותר הולכים באותו כיוון. לפיכך, ניתן להשתמש בו כדי ללמוד את המכשול של התצוגה של רכב על ידי רכב מקביל. סעיף זה כולל פרמטרים "סוג" ו-"מרחק" עם אותן הגדרות המתוארות לעיל. אפשרות זו אינה נידונה במקטע התוצאות המייצגות. כל התוצאות המוצגות כוללות שני כלי רכב שנסעו בנתיב קרוב יותר להולכי הרגל.
7. השלם את המקטע [SAVE], המכיל את הפרמטר הקשור לתדירות הדגימה. הגדר את הפרמטר "numberpersecond" לערך הרצוי ב- Hz.
8. שמור את קובץ התצורה וצא.
9. חזור על סעיפים 2.2-2.8 עבור כל התצורות הרצויות והכן גליונות נתונים עם רשימת התצורות (בסדר אקראי) לשימוש בניסוי.
10. הכן שלושה קבצי תצורה לשימוש בניסויים בפועל.
    הערה: תצורת התרגול הראשונה לא צריכה להיות כלי רכב (כלומר, כל הפרמטרים "סוג" מוגדרים כ- "0"). קבצי התצורה של התרגול השני והשלישי צריכים להיות כלי רכב. לתצורה השלישית צריכים להיות תנאי מעבר מקלים. ניתן להשתמש באותה תצורה עבור ניסויי התרגול השני והשלישי, בהתאם לעיצוב הניסיוני.

3. הקרנת השתתפות והכנה

1. לגייס משתתפים עם ראייה רגילה או מתוקנת לנורמלי.
   הערה: כל המשתתפים צריכים להיות חופשיים מכל תנאי המונע הליכה רגילה. הם צריכים להיות חופשיים מכל סחרחורת בזמן הליכה, ולא צריך להיות להם כל היסטוריה של תאונות דרכים חמורות.
2. בקשו מהמשתתפים לחתום על טופס הסכמה כתוב ומעודכן לפני כל ניסוי.
3. הכן הקלטת שמע עם הוראות מילוליות של המשימה והשמע את ההקלטה למשתתף.
   הערה: ההוראות המילוליות אמורות לתאר את ההליך הבסיסי המתואר להלן ולתת את כל ההנחיות הספציפיות הנדרשות על-ידי העיצוב הניסיוני.
4. עודד את המשתתף לשאול שאלות על הניסוי.
5. הובל את המשתתף לעמוד על ההליכון כאשר יהיה מוכן.
6. רתמו את חגורת הייצוב למותניים של המשתתף. הנחה את המשתתף להחזיק את המעקות בכל עת במהלך הניסוי.

4. הפעלת מנהגי התרגול

1. הנחה את המשתתף להתאמן בהליכה על ההליכון, עם החגורה תוך כדי החזקת המעקות.
2. התחל את תוכנית סימולטור הליכה על ידי לחיצה כפולה על תוכנית סימולטור ההפעלה ברגע המשתתף הוא מסוגל ללכת על ההליכון בנוחות.
   הערה: מעבר החצייה המצויר בשחור-לבן המוצג באות 1B מוצג בין ניסויים חוצי גבולות. בשלב זה, יש להציג אותו במסך המחשב.
3. הנחה את המשתתף לענוד את האוזנייה האלחוטית. תן סיוע כצריך. בדוק גם נוחות וגם יציבות ביחס לפניות ראש.
4. כיול האוזנייה האלחוטית כך שמעבר החצייה המצויר בשחור-לבן יהיה מיושר כראוי עם תצוגת המשתתף.
   הערה: סעיפים 4.5-4.7 מתארים שלושה ניסויי תרגול, שנועדו לאפשר בהדרגה למשתתף להתרגל לסביבת הסימולטור. אם המשתתף נכשל בכל ניסוי עקב אי הבנה של ההוראות, עד שני ניסויים נוספים יש לבצע עד המשתתף מבין את ההוראות. ניסויים נוספים אינם מבוצעים במקרים של אי-הצלבה מסיבות שאינן אי הבנה של הכללים (לדוגמה, אם מתרחשת התנגשות).
5. התחל את משפט האימון הראשון.
   הערה: ניסוי התרגול הראשון צריך להיות ללא כלי רכב עבור המשתתף להתרגל ללכת בהגדרת מציאות מדומה.
   1. הודע למשתתף כי ניסוי האימון הראשון יתרחש ללא כלי רכב.
   2. הנחה את המשתתף להסתכל ישר קדימה.
   3. הזן את מספר התצורה של ניסיון התרגול הראשון בתיבת הטקסט בתחתית המסך.
   4. לחץ על לחצן "התחל" בתחתית המסך.
      הערה: התוכנית צריכה להציג את ההגדרה הריאלית המתוארת באות 1C על המסך.
   5. הודע למשתתף להתכונן בעת שמיעת "מוכן" ולהתחיל ללכת בעת שמיעת "קדימה". תן את הרמזים המילוליים "מוכן" ו"קדימה".
6. ניסוי אימון שני
   הערה: משפט התרגול השני אמור להציג את כלי הרכב ללא הליכה. כיוון תצוגת המציאות המדומה משתנה ככל שראש המשתתף מתהפך.
   1. הנחה את המשתתף במשפט זה, בסימן המילולי "Go", להסתכל שמאלה ובמקביל לקחת צעד קטן קדימה, אך לא ללכת קדימה. המשתתף צריך במקום לצפות בכלי הרכב חולפים על ידי.
   2. הקלד את מספר התצורה של הניסיון השני בתיבת הטקסט ולחץ על "התחל" על-ידי מתן הרמזים המילוליים.
      הערה: כלי הרכב מתחילים לנוע כאשר המשתתף מתחיל לנוע.
7. ניסוי אימון שלישי
   הערה: ניסוי התרגול השלישי צריך להיות דומה לתצורות הניסוייות, אך בתנאי מעבר מקלים.
   1. הודע למשתתף כי 1) ניסוי האימון השלישי יכלול שני כלי רכב המגיעים מצד שמאל, ו-2) עליהם לנסות לחצות את הכביש בין שני כלי הרכב.
   2. הזן את מספר הניסיון השלישי של התרגול בתיבת הטקסט על-ידי מתן הסימן המילולי.
   3. לחץ על לחצן "התחל" והתחל את הניסיון על-ידי מתן הרמזים המילוליים.

5. ניסוי הליכה וירטואלית

1. ודא שהמשתתף מבין את המשימה הניסיונית ומצליח לבצע אותה.
2. כאשר המשתתף מוכן, הקלד את מספר התצורה הראשון מגליון הנתונים בתיבת הטקסט ולחץ על "התחל".
3. בצע את הסימולציה כפי שנעשה בניסוי האימון הסופי.
   הערה: בסוף כל ניסוי מעבר, התוכנית מציגה "S", "F" או "C", תלוי אם התוצאה היא מעבר מוצלח (כלומר, המשתתף חוצה לצד השני של הרחוב ללא התנגשויות), ללא מעבר (המשתתף אינו חוצה לצד השני), או התנגשות (למשתתף יש קשר עם רכב), בהתאמה.
4. רטוט את התוצאה לצד מספר התצורה בליון הנתונים.
5. חזור על הפעולה עבור כל התצורות בגיליון הנתונים והשלם את הניסוי.

6. ייצוא וניתוח נתונים

1. אחזר את קבצי הנתונים לצורך ניתוח. תוכנת סימולטור הליכה שומרת כל הפעלה כקובץ גיליון אלקטרוני בתיקיה "נתונים".
2. נתח נתונים באמצעות הכלים המועדפים. נתוני התפוקה מתעדים את העמדות והמהירות של ההליכון וכלי הרכב כסדרת זמן. השתמש בנתונים אלה כדי לנתח תנועות משתתפים ואת התלות בתנאי התנועה.

תוצאות

סימולטור ההליכה יכול לשמש כדי לבחון את התנהגות המעבר של הולך רגל תוך מניפולציה על המרחק הראשוני מהמדרכה לנקודת יירוט ואת מאפייני הפער (כלומר, פער וגדלים של כלי רכב). שיטת הסביבה הווירטואלית מאפשרת מניפולציה של מאפייני הפער כדי להבין כיצד סביבות מעבר משתנות באופן דינמי משפיעות על התנהגויו?...

Discussion

מחקרים קודמים השתמשו בסימולטורים^{עם מסכים מוקרנים 16,17}, אבל פרוטוקול זה משפר את התוקף האקולוגי באמצעות תצוגה וירטואלית סוחפת לחלוטין (כלומר, 360 מעלות). בנוסף, דרישת המשתתפים ללכת על הליכון מאפשרת בחינה של האופן שבו ילדים וצעירים מכוילים את מעשיהם לסביבה משתנה...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Customized treadmill	Kunsan National University		Treadmill built for this study
Desktop PC	Multiple companies		Standard Desktop PC
Oculus Rift Development Kit	Oculus VR, LLC	DK1	Virtual reality headset
Walking Simulator Software	Kunsan National University		Software deloped for this experiment