Utilizzo di un simulatore di camminata in realtà virtuale per indagare sul comportamento dei pedoni

Riepilogo

Questo protocollo descrive l'uso di un simulatore di camminata che funge da metodo sicuro ed ecologicamente valido per studiare il comportamento dei pedoni in presenza di traffico in movimento.

Abstract

Per attraversare una strada con successo, gli individui devono coordinare i loro movimenti con i veicoli in movimento. Questo documento descrive l'uso di un simulatore di camminata in cui le persone camminano su un tapis roulant per intercettare gli spazi tra due veicoli in movimento in un ambiente virtuale immersivo. La realtà virtuale consente un'indagine sicura ed ecologicamente varia sul comportamento di gap crossing. Manipolare la distanza iniziale di partenza può promuovere la comprensione della regolazione della velocità di un partecipante mentre si avvicina a un divario. Il profilo di velocità può essere valutato per varie variabili di gap crossing, come la distanza iniziale, le dimensioni del veicolo e la dimensione dello spazio. Ogni simulazione di camminata si traduce in una serie posizione/tempo in grado di informare il modo in cui la velocità viene regolata in modo diverso a seconda delle caratteristiche dello spazio. Questa metodologia può essere utilizzata dai ricercatori che studiano il comportamento pedonale e le dinamiche comportamentali impiegando partecipanti umani in un ambiente sicuro e realistico.

Introduzione

Il passaggio a distanza, un comportamento intercettivo, richiede lo spostamento in relazione a uno spazio tra due veicoli in^{movimento 1,2,3,4}. Il passaggio a distanza comporta la percepimento dei veicoli in arrivo e il controllo del movimento in relazione allo spostamento del traffico. Ciò richiede che le azioni siano accoppiate con precisione con le informazioni percepite. Molti studi precedenti hanno esaminato il giudizio percettivo e il comportamento di gap-crossing utilizzando strade artificiali, simulatori stradali e ambienti virtuali di proiezione dello^{schermo 5,6}. Tuttavia, la precedente letteratura sull'attraversamento della strada ha una comprensione incompleta di questo comportamento e la validità ecologica di questi studi è stata^{messa in discussione 7,8,9}.

Questo protocollo presenta un paradigma di ricerca per studiare il comportamento di gap crossing nella realtà virtuale, massimizzando così la validità ecologica. Un simulatore di camminata viene utilizzato per esaminare la percezione e le azioni del comportamento di gap crossing. Il simulatore fornisce un ambiente di camminata sicuro per i partecipanti e la camminata effettiva nell'ambiente simulato consente ai ricercatori di catturare completamente la relazione reciproca tra percezione e azione. Gli individui che effettivamente attraversano una strada sono noti per giudicare il divario di tempo in modo più accurato rispetto a coloro che decidono solo verbalmente di^{attraversare 10}. L'ambiente virtuale è ecologicamente valido e consente ai ricercatori di cambiare facilmente le variabili relative alle attività alterando i parametri del programma.

In questo studio, la posizione iniziale iniziale di partenza di un partecipante viene manipolata per valutare il controllo della velocità mentre si avvicina allo spazio. Questo protocollo consente l'indagine sul controllo della locomozione pedonale intercettando un varco. L'analisi della velocità di un partecipante che cambia nel tempo consente un'interpretazione funzionale delle regolazioni della velocità mentre si avvicina a uno spazio.

Inoltre, le caratteristiche spaziali e temporali degli oggetti intercettati specificano come una persona può muoversi. In un ambiente di passaggio a distanza, il cambiamento delle dimensioni dello spazio (distanze tra veicoli) e delle dimensioni del veicolo dovrebbe influire sul modo in cui cambia anche la locomozione di un pedone. Di conseguenza, la manipolazione delle caratteristiche dello spazio causerà probabilmente regolazioni della velocità nel comportamento di avvicinamento del partecipante. Pertanto, la manipolazione delle caratteristiche dello spazio (ad esempio, le dimensioni dello spazio e le dimensioni del veicolo) fornisce informazioni preziose per comprendere i cambiamenti del comportamento di attraversamento in base alle varie caratteristiche di gap. Questo studio esamina come i bambini e i giovani adulti regolano la loro velocità quando attraversano le lacune in vari ambienti di attraversamento. Il profilo di regolazione della velocità può essere valutato per vari ambienti di gap crossing con diverse posizioni di partenza, distanze tra veicoli e dimensioni del veicolo.

Protocollo

Questo protocollo sperimentale coinvolge soggetti umani. La procedura è stata approvata dal Kunsan National University Research Board.

1. Preparazione delle attrezzature

NOTA: L'apparecchiatura include quanto segue: un personal computer (PC, 3,3 GHz con 8 GM) con mouse, tastiera e monitor; Software Walking Simulator installato sul PC desktop; un tapis roulant personalizzato (larghezza: 0,67 m, lunghezza: 1,26 m, altezza: 1,10 m) dotato di corrimano, cintura e codificatore magnetico con cavo USB; e un dispositivo di realtà virtuale Oculus Rift (DK1, Stati Uniti, 1280 x 800 pixel). L'attrezzatura include anche un tapis roulant manuale personalizzato. Il tapis roulant gira attraverso i movimenti a piedi dei partecipanti e non utilizza un motore interno.

1. Preparare spazio sufficiente per il tapis roulant e una scrivania vicina per il PC. Una fotografia della configurazione sperimentale è mostrata nella figura 1A.
2. Collegare l'apparecchiatura come illustrato nella figura 2.
   1. Collega l'encoder magnetico del tapis roulant al PC tramite una porta USB.
   2. Collegare il tapis roulant a una fonte di alimentazione.
   3. Collegare le cuffie al PC tramite porte DVI/HDMI e USB.

2. Preparazione di configurazioni di simulatori di camminata

1. Accedere alla directory del simulatore di camminata sul PC e aprire la directory "Config".
   NOTA: ogni configurazione viene salvata come file di testo nella directory "Config" con nomi di file "config001", "config002", ecc. Ecco, 001.002, ecc. ci sono i numeri di configurazione. I passaggi da 2.2 a 2.8 descrivono come creare i file di configurazione in modo che siano leggibili dal software del simulatore. Nella figura 3 è riportato uno schema di una situazione di attraversamento a due veicoli che mostra distanze iniziali personalizzabili. Un file di configurazione di esempio con formattazione corretta è illustrato nella figura 4. Le intestazioni di sezione del file di configurazione utilizzano parentesi quadre (ad esempio, "[WALKER]").
2. Completate la sezione [WALKER] contenente il parametro relativo al punto di partenza dei partecipanti.
   1. Impostare il parametro "Distanza", che indica la distanza iniziale del partecipante dal punto iniziale in metri (m).
3. Completare la sezione [CAR] contenente i parametri relativi al primo veicolo.
   1. Impostare il parametro "Type" (che indica il tipo di veicolo) su "1" per la berlina, "2" per bus o "0" per rimuovere il veicolo.
   2. Impostare il parametro "Speed" (che indica la velocità del veicolo) sul valore desiderato in km/h.
   3. Impostare il parametro "Distanza" (che indica la distanza iniziale del veicolo dal punto di attraversamento) sul valore desiderato in metri.
4. Completare la sezione [SECONDCAR] contenente i parametri relativi al secondo veicolo. I parametri sono identici a quelli di [CAR].
   NOTA: Negli studi a due veicoli, lo spazio è definito come lo spazio vuoto tra i due veicoli. La dimensione dello spazio, definita come il periodo di tempo durante il quale lo spazio si trova lungo il percorso a piedi del partecipante, è una funzione dei parametri "Distanza", "Velocità" e "Tipo" di [CAR] e [SECONDCAR].
5. Completare la sezione [NEXTCAR] contenente i parametri relativi ai veicoli aggiuntivi. I parametri sono identici a quelli di [CAR].
   NOTA: questa opzione può essere utilizzata per indagare il comportamento dei pedoni all'interno del flusso di traffico continuo. Questa opzione non viene discussa nella sezione dei risultati rappresentativi.
6. Completate la sezione [ROAD], contenente il parametro per la selezione della corsia. Impostare il parametro "corsia" su "1" per utilizzare la corsia più vicina alla posizione di partenza del pedone o "2" per la corsia più lontana. [OBSTACLE] indica i parametri che configurano un veicolo che viaggia nella seconda corsia alla stessa velocità del primo veicolo.
   NOTA: Quando si utilizza la corsia più vicina come corsia principale, questa opzione può essere utilizzata per posizionare veicoli aggiuntivi sulla corsia più lontana andando nella stessa direzione. Pertanto, può essere utilizzato per studiare l'impedenza della vista di un veicolo da parte di un veicolo parallelo. Questa sezione contiene i parametri "Tipo" e "Distanza" con le stesse definizioni sopra descritte. Questa opzione non viene discussa nella sezione dei risultati rappresentativi. Tutti i risultati mostrati coinvolgono due veicoli che guidano nella corsia più vicina al pedone.
7. Completare la sezione [SAVE], che contiene il parametro relativo alla frequenza di campionamento. Impostare il parametro "numberpersecond" sul valore desiderato in Hz.
8. Salvare il file di configurazione e uscire.
9. Ripetere le sezioni 2.2-2.8 per tutte le configurazioni desiderate e preparare schede tecniche con l'elenco delle configurazioni (in ordine casuale) da utilizzare nell'esperimento.
10. Preparare tre file di configurazione da utilizzare nelle prove di esercitazione.
    NOTA: la prima configurazione di pratica non dovrebbe avere veicoli (ad esempio, tutti i parametri "Type" impostati su "0"). Il secondo e il terzo file di configurazione della pratica dovrebbero avere veicoli. La terza configurazione dovrebbe avere condizioni di attraversamento indulgenti. La stessa configurazione può essere utilizzata per la seconda e la terza prova pratica, a seconda della progettazione sperimentale.

3. Screening e preparazione della partecipazione

1. Recluta i partecipanti con una visione normale o corretta alla normalità.
   NOTA: Tutti i partecipanti devono essere liberi da qualsiasi condizione che impedisca la normale camminata. Dovrebbero essere liberi da vertigini mentre camminano e non dovrebbero avere alcuna storia di gravi incidenti stradali.
2. Chiedi al partecipante di firmare un modulo di consenso scritto e informato prima di ogni esperimento.
3. Preparare una registrazione audio con le istruzioni verbali dell'attività e riprodurre la registrazione al partecipante.
   NOTA: Le istruzioni verbali devono narrare la procedura di base descritta di seguito e fornire eventuali richieste specifiche richieste dal progetto sperimentale.
4. Incoraggia il partecipante a porre domande sull'esperimento.
5. Portare il partecipante a stare sul tapis roulant quando è pronto.
6. Sfrutta la cintura stabilizzante fino alla vita del partecipante. Istruisci il partecipante a tenere sempre i corrimano durante l'esperimento.

4. Esecuzione delle prove di esercitazione

1. Istruisci il partecipante a esercitarsi a camminare sul tapis roulant, con la cintura ad acqua, tenendo premuti i corrimano.
2. Inizia il programma del simulatore di camminata facendo doppio clic sul programma del simulatore eseguibile una volta che il partecipante è in grado di camminare comodamente sul tapis roulant.
   NOTA: il passaggio pedonale dei cartoni animati in bianco e nero mostrato nella figura 1B viene visualizzato tra una prova e l'altro. A questo punto, dovrebbe essere visualizzato sullo schermo del PC.
3. Istruisi il partecipante a indossare le cuffie. Fornire assistenza in base alle esigenze. Verificare sia il comfort che la stabilità rispetto ai giri della testa.
4. Calibrare le cuffie in modo che il marciapiede dei cartoni animati in bianco e nero sia allineato correttamente alla vista del partecipante.
   NOTA: Le sezioni 4.5-4.7 descrivono tre prove di pratica, progettate per consentire gradualmente al partecipante di abituarsi all'ambiente del simulatore. Se il partecipante non supera qualsiasi prova a causa di un malinteso delle istruzioni, devono essere eseguite fino a altre due prove extra fino a quando il partecipante non comprende le istruzioni. Le prove extra non vengono eseguite in caso di mancata incrocio per motivi diversi da fraintendimento delle regole (ad esempio, in caso di collisione).
5. Inizia la prima prova di pratica.
   NOTA: La prima prova di pratica dovrebbe essere senza veicoli per il partecipante per abituarsi a camminare nell'ambiente della realtà virtuale.
   1. Informa il partecipante che la prima prova di pratica si verificherà senza veicoli.
   2. Istruisi il partecipante a guardare dritto avanti.
   3. Immettere il numero di configurazione della prima prova pratica nella casella di testo nella parte inferiore dello schermo.
   4. Fare clic sul pulsante "Start" nella parte inferiore dello schermo.
      NOTA: il programma dovrebbe visualizzare l'impostazione realistica illustrata nella figura 1C sullo schermo.
   5. Informare il partecipante di prepararsi quando si sente "Pronto" e di iniziare a camminare quando si sente "Vai". Dai gli spunti verbali "Ready" e "Go".
6. Prova di seconda pratica
   NOTA: La seconda prova di pratica dovrebbe introdurre i veicoli senza camminare. La direzione della vista della realtà virtuale cambia man mano che la testa del partecipante viene capovolta.
   1. Istruisi il partecipante a questa prova, allo spunto verbale "Vai", a guardare a sinistra e contemporaneamente a fare un piccolo passo avanti, ma a non andare oltre. Il partecipante dovrebbe invece guardare i veicoli passare.
   2. Digitare il numero di configurazione della seconda versione di valutazione nella casella di testo e fare clic su "Start" fornendo i segnali verbali.
      NOTA: I veicoli iniziano a muoversi quando il partecipante inizia a muoversi.
7. Terza prova pratica
   NOTA: La terza prova di pratica dovrebbe essere simile alle configurazioni sperimentali, ma con condizioni di attraversamento indulgenti.
   1. Informare il partecipante che 1) la terza prova di pratica coinvolgerà due veicoli provenienti dal lato sinistro e 2) dovrebbe tentare di attraversare la strada tra i due veicoli.
   2. Immettere il numero di prova della terza esercitazione nella casella di testo fornendo il segnale verbale.
   3. Fare clic sul pulsante "Start" e iniziare la prova fornendo i segnali verbali.

5. Esperimento di camminata virtuale

1. Verificare che il partecipante comprenda l'attività sperimentale ed è in grado di eseguirla.
2. Quando il partecipante è pronto, digitare il primo numero di configurazione dalla scheda tecnica nella casella di testo e fare clic su "Avvia".
3. Eseguire la simulazione come fatto nella prova di esercitazione finale.
   NOTA: Al termine di ogni prova di attraversamento, il programma visualizza "S", "F" o "C", a seconda che il risultato sia un attraversamento riuscito (cioè, il partecipante attraversa l'altro lato della strada senza collisioni), nessun incrocio (il partecipante non attraversa l'altro lato) o una collisione (il partecipante ha contatti con un veicolo), rispettivamente.
4. Registrare il risultato accanto al numero di configurazione nella scheda tecnica.
5. Ripetere per tutte le configurazioni nella scheda tecnica e completare l'esperimento.

6. Esportazione e analisi dei dati

1. Recuperare i file di dati per l'analisi. Il software del simulatore di camminata salva ogni esecuzione come file di foglio di calcolo nella cartella "Dati".
2. Analizzare i dati con gli strumenti preferiti. I dati di output registrano le posizioni e le velocità del deambulatore e dei veicoli come serie temporali. Utilizzare questi dati per analizzare i movimenti dei partecipanti e la dipendenza dalle condizioni del traffico.

Risultati

Il simulatore di camminata può essere utilizzato per esaminare il comportamento di attraversamento di un pedone manipolando la distanza iniziale dal marciapiede al punto di intercettazione e le caratteristiche dello spazio (ad esempio, gap e dimensioni del veicolo). Il metodo dell'ambiente virtuale consente la manipolazione delle caratteristiche del gap per comprendere in che modo il cambiamento dinamico degli ambienti di attraversamento influisce sui comportamenti di attraversamento stradale di bambini e giovani adulti...

Discussione

Studi precedenti hanno utilizzato simulatori con schermi^{proiettati 16,17}, ma questo protocollo migliora la validità ecologica attraverso una vista virtuale completamente immersiva (cioè 360 gradi). Inoltre, richiedere ai partecipanti di camminare su un tapis roulant consente l'esame di come bambini e giovani adulti calibrano le loro azioni in un ambiente che cambia. La scena virtuale di questo progetto sperimentale cambia contemporaneamente ai movimenti dei par...

Materiali

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