Usando um simulador de caminhada de realidade virtual para investigar o comportamento de pedestres

Resumo

Este protocolo descreve o uso de um simulador de caminhada que serve como um método seguro e ecologicamente válido para estudar o comportamento dos pedestres na presença de tráfego em movimento.

Resumo

Para atravessar uma estrada com sucesso, os indivíduos devem coordenar seus movimentos com veículos em movimento. Este artigo descreve o uso de um simulador ambulante no qual as pessoas caminham em uma esteira para interceptar lacunas entre dois veículos em movimento em um ambiente virtual imersivo. A realidade virtual permite uma investigação segura e ecologicamente variada do comportamento de cruzamento de lacunas. Manipular a distância inicial de partida pode aumentar a compreensão do regulamento de velocidade de um participante ao mesmo tempo em que se aproxima de uma lacuna. O perfil de velocidade pode ser avaliado para várias variáveis de cruzamento de lacunas, como distância inicial, tamanho do veículo e tamanho de lacuna. Cada simulação de caminhada resulta em uma série de posição/tempo que pode informar como a velocidade é ajustada de forma diferente, dependendo das características de lacuna. Essa metodologia pode ser usada por pesquisadores que investigam o comportamento dos pedestres e a dinâmica comportamental ao empregar participantes humanos em um ambiente seguro e realista.

Introdução

A travessia de lacunas, um comportamento interceptador, requer mover-se em relação a uma lacuna entre dois veículos em movimento^1,2,3,4. A travessia de lacunas envolve a percepção de veículos que se aproximam e o controle da movimentação do tráfego. Isso requer que as ações sejam precisamente acopladas com informações percebidas. Muitos estudos anteriores examinaram o julgamento perceptivo e o comportamento de cruzamento de lacunas usando estradas artificiais, simuladores de estrada e ambientes virtuais de projeção de tela^5,6. No entanto, a literatura anterior de travessia de estradas tem uma compreensão incompleta desse comportamento, e a validade ecológica desses estudos tem sido questionada^7,8,9.

Este protocolo apresenta um paradigma de pesquisa para estudar o comportamento de cruzamento de lacunas em realidade virtual, maximizando assim a validade ecológica. Um simulador ambulante é usado para examinar a percepção e as ações do comportamento de cruzamento de lacunas. O simulador proporciona um ambiente de caminhada seguro para os participantes, e a caminhada real no ambiente simulado permite que os pesquisadores capturem totalmente a relação recíproca entre percepção e ação. Indivíduos que realmente atravessam uma estrada são conhecidos por julgar a diferença de tempo com mais precisão do que aqueles que apenas decidem verbalmente atravessar¹⁰. O ambiente virtual é ecologicamente válido e permite que os pesquisadores mudem facilmente variáveis relacionadas à tarefa alterando os parâmetros do programa.

Neste estudo, o local inicial de partida de um participante é manipulado para avaliar o controle de velocidade enquanto se aproxima da lacuna. Este protocolo permite a investigação do controle de locomoção de pedestres enquanto intercepta uma lacuna. Analisar a velocidade de um participante mudando ao longo do tempo permite uma interpretação funcional dos ajustes de velocidade enquanto ele ou ela se aproxima de uma lacuna.

Além disso, as características espaciais e temporais dos objetos interceptados especificam como uma pessoa pode se mover. Em um ambiente de cruzamento de lacunas, a mudança do tamanho da lacuna (distâncias entre veículos) e o tamanho do veículo deve afetar a forma como a locomoção de um pedestre também muda. Assim, a manipulação das características do gap provavelmente causará ajustes de velocidade no comportamento de aproximação do participante. Assim, a manipulação de características de lacuna (ou seja, tamanho da lacuna e tamanho do veículo) fornece informações valiosas para entender as mudanças de comportamento de cruzamento de acordo com várias características de lacuna. Este estudo examina como crianças e jovens adultos regulam sua velocidade ao cruzar lacunas em vários ambientes de travessia. O perfil de regulação de velocidade pode ser avaliado para vários ambientes de cruzamento de lacunas com diferentes locais de partida, distâncias entre veículos e tamanhos de veículos.

Protocolo

Este protocolo experimental envolve seres humanos. O procedimento foi aprovado pelo Conselho de Pesquisa da Universidade Nacional de Kunsan.

1. Preparação de equipamentos

NOTA: O equipamento inclui o seguinte: um computador pessoal (PC, 3,3 GHz com 8 GM) com mouse, teclado e monitor; Software Walking Simulator instalado no PC desktop; uma esteira personalizada (largura: 0,67 m, comprimento: 1,26 m, altura: 1,10 m) equipada com corrimão, cinto e codificador magnético com cabo USB; e um dispositivo de realidade virtual Oculus Rift (DK1, EUA, 1280 x 800 pixels). O equipamento também inclui uma esteira manual personalizada. A esteira gira através dos movimentos de caminhada dos participantes e não usa um motor interno.

1. Prepare espaço suficiente para a esteira e uma mesa próxima para o PC. Uma fotografia da configuração experimental é mostrada na Figura 1A.
2. Conecte o equipamento conforme mostrado na Figura 2.
   1. Conecte o codificador magnético da esteira ao PC através de uma porta USB.
   2. Conecte a esteira a uma fonte de energia.
   3. Conecte o fone de ouvido ao PC através de portas DVI/HDMI e USB.

2. Preparação de configurações de simulador ambulante

1. Acesse o diretório de simulador ambulante no PC e abra o diretório "Config".
   NOTA: Cada configuração é salva como um arquivo de texto no diretório "Config" com nomes de arquivos de "config001", "config002", etc. Aqui, 001, 002, etc. são os números de configuração. As etapas 2.2-2.8 descrevem como criar os arquivos de configuração para que sejam legíveis pelo software do simulador. Um esquema de uma situação de cruzamento de dois veículos mostrando distâncias iniciais personalizáveis é mostrado na Figura 3. Um arquivo de configuração de exemplo com formatação adequada é mostrado na Figura 4. Os títulos de seção do arquivo de configuração usam suportes quadrados (por exemplo, "[WALKER]").
2. Complete a seção [WALKER] contendo o parâmetro em relação ao ponto de partida dos participantes.
   1. Defina o parâmetro "Distância", que indica a distância inicial do participante a partir do ponto de partida em metros (m).
3. Complete a seção [CAR] contendo parâmetros relativos ao primeiro veículo.
   1. Defina o parâmetro "Tipo" (que indica o tipo de veículo) para "1" para sedan, "2" para ônibus ou "0" para remover o veículo.
   2. Defina o parâmetro "Velocidade" (que indica a velocidade do veículo) ao valor desejado em km/h.
   3. Defina o parâmetro "Distância" (que indica a distância inicial do veículo desde o ponto de travessia) até o valor desejado em metros.
4. Complete a seção [SECONDCAR] contendo os parâmetros relacionados ao segundo veículo. Os parâmetros são idênticos aos de [CAR].
   NOTA: Em estudos de dois veículos, a lacuna é definida como o espaço vazio entre os dois veículos. O tamanho da lacuna, definido como o tempo durante o qual a lacuna está ao longo da trilha de caminhada do participante, é uma função dos parâmetros "Distância", "Velocidade" e "Tipo" de [CAR] e [SECONDCAR].
5. Complete a seção [NEXTCAR] contendo parâmetros relacionados a veículos adicionais. Os parâmetros são idênticos aos de [CAR].
   NOTA: Esta opção pode ser usada para investigar o comportamento dos pedestres dentro do fluxo contínuo de tráfego. Esta opção não é discutida na seção de resultados representativos.
6. Complete o trecho [ROAD], contendo o parâmetro para seleção de faixa. Defina o parâmetro "pista" para "1" para usar a faixa mais próxima da posição de partida do pedestre, ou "2" para a pista mais distante. [OBSTÁCULO] indica os parâmetros que configuram um veículo viajando na segunda pista na mesma velocidade do primeiro veículo.
   NOTA: Ao utilizar a faixa mais próxima como a pista principal, esta opção pode ser usada para colocar veículos adicionais na pista mais distante indo na mesma direção. Assim, pode ser usado para estudar a impedância da visão de um veículo por um veículo paralelo. Esta seção tem parâmetros "Tipo" e "Distância" com as mesmas definições descritas acima. Esta opção não é discutida na seção de resultados representativos. Todos os resultados apresentados envolvem dois veículos dirigindo na pista mais próxima do pedestre.
7. Complete a seção [SAVE], que contém o parâmetro relacionado à frequência amostral. Defina o parâmetro "numberpersegud" ao valor desejado em Hz.
8. Salve o arquivo de configuração e a saída.
9. Repita as seções 2.2-2.8 para todas as configurações desejadas e prepare folhas de dados com a lista de configurações (em uma ordem aleatória) a ser usada no experimento.
10. Prepare três arquivos de configuração para serem usados nos testes práticos.
    NOTA: A configuração da primeira prática não deve ter veículos (ou seja, todos os parâmetros "Digitar" definidos como "0"). Os arquivos de configuração de segunda e terceira práticas devem ter veículos. A terceira configuração deve ter condições de travessia brandas. A mesma configuração pode ser usada para os ensaios de segunda e terceira prática, dependendo do design experimental.

3. Triagem e preparação de participação

1. Recrute participantes com visão normal ou corrigida ao normal.
   NOTA: Todos os participantes devem estar livres de quaisquer condições que impeçam a caminhada normal. Eles devem estar livres de qualquer tontura enquanto caminham, e eles não devem ter qualquer histórico de acidentes graves de trânsito.
2. Peça ao participante que assine um termo de consentimento por escrito e informado antes de cada experimento.
3. Prepare uma gravação de áudio com instruções verbais da tarefa e reprodução a gravação para o participante.
   NOTA: As instruções verbais devem narrar o procedimento básico descrito abaixo e dar quaisquer solicitações específicas exigidas pelo projeto experimental.
4. Incentive o participante a fazer qualquer pergunta sobre o experimento.
5. Leve o participante a ficar na esteira quando estiver pronto.
6. Aproveite o cinto estabilizador na cintura do participante. Instrua o participante a segurar os corrimãos o tempo todo durante o experimento.

4. Executando os ensaios práticos

1. Instrua o participante a praticar a caminhada na esteira, com o cinto ligado, enquanto segura os corrimãos.
2. Inicie o programa de simulador ambulante clicando duas vezes no programa de simulador executável assim que o participante puder andar na esteira confortavelmente.
   NOTA: A faixa de pedestres em preto e branco mostrada na Figura 1B é exibida entre os ensaios de cruzamento. Neste ponto, ele deve ser mostrado na tela do PC.
3. Instrua o participante a usar o fone de ouvido. Dê assistência conforme necessário. Verifique tanto o conforto quanto a estabilidade em relação às curvas da cabeça.
4. Calibrar o fone de ouvido para que a faixa de pedestres em preto e branco esteja adequadamente alinhada com a visão do participante.
   NOTA: As seções 4.5-4.7 descrevem três ensaios práticos, que são projetados para permitir gradualmente que o participante se acostume com o ambiente do simulador. Caso o participante não faça qualquer prova devido a um mal-entendido das instruções, até mais dois ensaios extras devem ser realizados até que o participante entenda as instruções. Ensaios extras não são realizados em casos de falha no cruzamento por razões que não sejam mal-entendidos as regras (por exemplo, se ocorrer uma colisão).
5. Comece o primeiro teste prático.
   NOTA: O primeiro teste prático deve ser sem veículos para que o participante se acostume a caminhar no cenário de realidade virtual.
   1. Informe o participante que o primeiro ensaio prático ocorrerá sem nenhum veículo.
   2. Instrua o participante a olhar para frente.
   3. Digite o número de configuração do primeiro ensaio de prática na caixa de texto na parte inferior da tela.
   4. Clique no botão "Iniciar" na parte inferior da tela.
      NOTA: O programa deve exibir a configuração realista retratada na Figura 1C na tela.
   5. Informe o participante para se preparar ao ouvir "Pronto" e começar a caminhar ao ouvir "Go". Dê as dicas verbais "Pronto" e "Vá".
6. Segundo teste prático
   NOTA: O segundo ensaio prático deve introduzir os veículos sem andar. A direção da visão de realidade virtual muda à medida que a cabeça do participante é virada.
   1. Instrua o participante neste ensaio, na deixa verbal "Go", a olhar para a esquerda e, simultaneamente, dar um pequeno passo em frente, mas não caminhar adiante. Em vez disso, o participante deve assistir os veículos passarem.
   2. Digite o número de configuração do segundo teste na caixa de texto e clique em "Iniciar" fornecendo as pistas verbais.
      NOTA: Os veículos começam a se mover à medida que o participante começa a se mover.
7. Terceiro teste prático
   NOTA: O terceiro ensaio prático deve ser semelhante às configurações experimentais, mas com condições de cruzamento brandas.
   1. Informe ao participante que 1) o terceiro ensaio prático envolverá dois veículos vindos do lado esquerdo, e 2) deve tentar atravessar a estrada entre os dois veículos.
   2. Digite o terceiro número de ensaio de prática na caixa de texto fornecendo a sugestão verbal.
   3. Clique no botão "Iniciar" e inicie o teste fornecendo as dicas verbais.

5. Experimento de caminhada virtual

1. Confirme que o participante entende a tarefa experimental e é capaz de realizá-la.
2. Quando o participante estiver pronto, digite o primeiro número de configuração da folha de dados na caixa de texto e clique em "Iniciar".
3. Realize a simulação como feito no teste de prática final.
   NOTA: Ao final de cada ensaio de travessia, o programa exibe "S", "F" ou "C", dependendo se o resultado for uma travessia bem sucedida (ou seja, o participante atravessa para o outro lado da rua sem colisões), sem cruzamento (o participante não cruza para o outro lado) ou uma colisão (o participante tem contato com um veículo), respectivamente.
4. Regisso o resultado ao lado do número de configuração na ficha técnica.
5. Repita todas as configurações na ficha técnica e complete o experimento.

6. Exportação e análise de dados

1. Recupere os arquivos de dados para análise. O software de simulador ambulante salva cada execução como um arquivo de planilha na pasta "Dados".
2. Analise dados com as ferramentas preferidas. Os dados de saída registram as posições e velocidades do andador e dos veículos como uma série temporal. Use esses dados para analisar os movimentos dos participantes e a dependência das condições de tráfego.

Resultados

O simulador de caminhada pode ser usado para examinar o comportamento de travessia de um pedestre enquanto manipula a distância inicial do meio-fio ao ponto de interceptação e as características de lacuna (ou seja, gap e tamanhos do veículo). O método de ambiente virtual permite a manipulação das características das lacunas para entender como a mudança dinâmica dos ambientes de travessia afeta os comportamentos de travessia de crianças e jovens.

Um perfil de velocidade quantificado...

Discussão

Estudos anteriores utilizaram simuladores com telas projetadas^16,17,mas este protocolo melhora a validade ecológica através de uma visão virtual totalmente imersiva (ou seja, 360 graus). Além disso, exigir que os participantes caminhem em uma esteira permite o exame de como crianças e jovens adultos calibram suas ações para um ambiente em mudança. A cena virtual deste projeto experimental muda simultaneamente com os movimentos dos participantes, e os veí...

Materiais

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