使用虚拟现实步行模拟器研究行人行为

摘要

本方案描述了一种步行模拟器的使用方法，该模拟器可作为一种安全且生态效度高的方法，用于研究行人在移动交通环境中的行为。

摘要

为了成功穿越道路，个体必须将自己的移动与行驶中的车辆协调一致。本文描述了一种步行模拟器的使用方法，参与者在跑步机上行走，以穿越沉浸式虚拟环境中两辆移动车辆之间的间隙。虚拟现实技术使得对穿越间隙行为进行安全且生态多样性丰富的研究成为可能。通过操控初始起始距离，可进一步理解参与者在接近间隙时的速度调节机制。可针对不同的间隙穿越变量（如初始距离、车辆大小和间隙大小）评估其速度曲线。每次步行模拟都会生成一个位置/时间序列数据，用以分析速度如何根据间隙特征的不同而进行调整。该方法可用于研究行人在安全且逼真的环境中行走时的行为特征与行为动力学。

引言

跨越间隙是一种拦截行为，需要个体在两个移动车辆之间的间隙中进行移动^1,2,3,4。间隙跨越涉及对迎面而来的车辆的感知，并根据移动的交通状况控制自身运动。这要求动作与所感知的信息精确耦合。以往许多研究采用人工道路、路边模拟器和屏幕投影的虚拟环境来考察感知判断和间隙跨越行为^5,6。然而，现有过街行为文献对该行为的理解尚不完整，且这些研究的生态效度受到质疑^7,8,9。

本方案提出了一种在虚拟现实中研究跨越间隙行为的研究范式，从而最大限度地提高生态效度。通过使用步行模拟器来考察个体在跨越间隙行为中的感知与动作。该模拟器为参与者提供了安全的行走环境，而模拟环境中的实际行走使研究人员能够充分捕捉感知与动作之间的相互关系。已知实际过马路的个体对时间间隙的判断比仅通过口头决定是否过马路的个体更为准确¹⁰。该虚拟环境具有较高的生态效度，并允许研究人员通过调整程序参数轻松改变与任务相关的变量。

本研究通过操控参与者的初始起始位置，评估其在接近间隙时的速度控制能力。该方案可用于研究行人在截取间隙过程中的运动控制。通过分析参与者速度随时间的变化，可对个体在接近间隙时的速度调节进行功能性的解读。

此外，被拦截物体的空间和时间特征决定了个体可能的运动方式。在穿越间隙的环境中，间隙大小（车辆间距）和车辆尺寸的变化会影响行人的移动方式。因此，调整间隙特征可能会导致参与者在接近过程中的速度发生变化。通过操控间隙特征（即间隙大小和车辆尺寸），可以获取关于行人如何根据不同的间隙特征调整穿越行为的有价值信息。本研究考察儿童和年轻成人在不同穿越环境中穿越间隙时如何调节自身速度。可通过不同的起始位置、车辆间距和车辆尺寸，评估多种间隙穿越环境下的速度调节特征。

方案

本实验方案涉及人类受试者。该实验程序已获得群山国立大学研究委员会的批准。

1. 仪器设备的准备

注意：设备包括以下组件：一台个人计算机（PC，3.3 GHz，8 GB 内存），配有鼠标、键盘和显示器；安装在台式 PC 上的 Walking Simulator 软件；一台定制的跑步机（宽度：0.67 m，长度：1.26 m，高度：1.10 m），配备扶手、传送带和带 USB 电缆的磁性编码器；以及一台 Oculus Rift 虚拟现实设备（DK1，美国，1280 x 800 像素）。设备还包括一台定制的手动跑步机。该跑步机通过参与者的行走动作驱动，不使用内置电机。

1. 为跑步机和附近的PC准备足够的空间。实验装置的照片见图1A。
2. 按照图2所示连接设备。
   1. 通过USB端口将跑步机的磁性编码器连接到PC。
   2. 将跑步机连接至电源。
   3. 通过DVI/HDMI和USB端口将头戴式显示器连接到PC。

2. 行走模拟器配置的准备

1. 进入 PC 上的行走模拟器目录，打开“Config”文件夹。
   注意：每个配置均以文本文件形式保存在“Config”目录中，文件名为“config001”、“config002”等。其中，001、002等为配置编号。步骤 2.2–2.8 描述了如何创建配置文件，以便模拟器软件能够读取。图 3 展示了一个双车交叉情境的示意图，其中标出了可自定义的初始距离。图 4 展示了一个格式正确的配置文件示例。配置文件的各节标题使用方括号（例如，“[WALKER]”）。
2. 填写 [WALKER] 节，该节包含参与者的起始点参数。
   1. 设置参数“Distance”，表示参与者从起点出发的距离，单位为米（m）。
3. 填写 [CAR] 节，该节包含第一辆车的相关参数。
   1. 设置参数“Type”（表示车辆类型）：“1”代表轿车，“2”代表公交车，“0”表示移除该车辆。
   2. 设置参数“Speed”（表示车辆速度），单位为 km/h，设为所需数值。
   3. 设置参数“Distance”（表示车辆距交叉点的初始距离），单位为米，设为所需数值。
4. 填写 [SECONDCAR] 节，该节包含第二辆车的相关参数。参数与 [CAR] 节相同。
   注意：在双车研究中，车隙（gap）定义为两车之间的空隙。车隙大小定义为车隙沿参与者行走路径持续的时间长度，其值取决于 [CAR] 和 [SECONDCAR] 节中的“Distance”、“Speed”和“Type”参数。
5. 填写 [NEXTCAR] 节，该节包含额外车辆的相关参数。参数与 [CAR] 节相同。
   注意：此选项可用于研究行人在连续交通流中的行为。本方法的代表性结果部分未讨论此选项。
6. 填写 [ROAD] 节，该节包含车道选择参数。将参数“lane”设为“1”表示使用靠近行人起始位置的车道，设为“2”表示使用较远的车道。[OBSTACLE] 表示在第二条车道上以与第一辆车相同速度行驶的车辆的配置参数。
   注意：当使用较近车道作为主车道时，此选项可用于在较远车道上放置同向行驶的额外车辆，从而用于研究并行车辆对视线遮挡的影响。该节包含“Type”和“Distance”参数，其定义与上述相同。本方法的代表性结果部分未讨论此选项。所有展示的结果均涉及两辆车在靠近行人的车道上行驶的情况。
7. 填写 [SAVE] 节，该节包含与采样频率相关的参数。将参数“numberpersecond”设为所需的赫兹（Hz）值。
8. 保存配置文件并退出。
9. 对所有需要的配置重复步骤 2.2–2.8，并准备包含配置列表（按随机顺序排列）的数据 表，供实验使用。
10. 准备三个用于练习试验的配置文件。
    注意：第一个练习配置应无车辆（即所有“Type”参数设为“0”）。第二个和第三个练习配置文件应包含车辆。第三个配置应设置较宽松的过街条件。根据实验设计，第二个和第三个练习试验可使用相同的配置。

3. 参与者筛选与准备

1. 招募视力正常或矫正视力正常的参与者。
   注意：所有参与者均不应有任何影响正常行走的疾病。行走时不应出现头晕症状，且不应有严重交通事故史。
2. 每次实验前，要求参与者签署书面知情同意书。
3. 准备包含任务口头指导的音频录音，并播放给参与者。
   注意：口头指导应叙述下文所述的基本实验流程，并提供实验设计所需的任何具体提示。
4. 鼓励参与者就实验内容提出任何疑问。
5. 准备就绪后，引导参与者站上跑步机。
6. 将稳定腰带固定在参与者的腰部。指导参与者在实验过程中始终握住扶手。

4. 进行练习试验

1. 指导参与者在跑步机上练习行走，跑步机传送带开启时需扶住扶手。
2. 当参与者能够舒适地在跑步机上行走后，通过双击可执行的模拟器程序启动步行模拟程序。
   注意：如图1B所示的黑白卡通人行横道将在每次过街试验之间显示。此时，该图像应出现在PC屏幕上。
3. 指导参与者佩戴头戴式设备，并根据需要提供协助。检查设备佩戴的舒适性和稳定性，特别是在头部转动时。
4. 校准头戴式设备，使黑白卡通人行横道与参与者的视野正确对齐。
   注意：第4.5–4.7节描述了三次练习试验，旨在逐步帮助参与者适应模拟器环境。如果参与者因误解指令而导致任一试验失败，应额外进行最多两次补充试验，直至其理解指令为止。若失败原因并非误解规则（例如发生碰撞），则不进行额外试验。
5. 开始第一次练习试验。
   注意：第一次练习试验中不应有任何车辆，以便参与者适应虚拟现实环境。
   1. 告知参与者第一次练习试验中将不会出现任何车辆。
   2. 指导参与者目视正前方。
   3. 在屏幕底部的文本框中输入第一次练习试验的配置编号。
   4. 点击屏幕底部的“开始”按钮。
      注意：程序应在屏幕上显示如图1C所示的真实感场景。
   5. 告知参与者当听到“准备”时做好准备，听到“开始”时开始行走。同时提供“准备”和“开始”的口头提示。
6. 第二次练习试验
   注意：第二次练习试验应引入车辆，但不要求参与者行走。当参与者转动头部时，虚拟现实视角的方向会相应改变。
   1. 指导参与者在此试验中，当听到口头提示“开始”时，向左看并同时向前迈一小步，但不再继续向前行走，而是观察车辆从旁驶过。
   2. 在文本框中输入第二次试验的配置编号，并通过口头提示后点击“开始”按钮。
      注意：当参与者开始移动时，车辆也将开始移动。
7. 第三次练习试验
   注意：第三次练习试验应与正式实验配置相似，但设置更宽松的过街条件。
   1. 告知参与者：1）第三次练习试验将有两辆车从左侧驶来；2）其应尝试在两辆车之间穿过马路。
   2. 通过口头提示，在文本框中输入第三次练习试验的编号。
   3. 点击“开始”按钮，并通过口头提示启动试验。

5. 虚拟行走实验

1. 确认参与者理解实验任务并能够完成该任务。
2. 当参与者准备就绪后，在文本框中输入数据表中的第一个配置编号 ，然后点击“开始”。
3. 按照最终练习试验中的方式进行模拟。
   注意：每次过街试验结束后，程序会显示“S”、“F”或“C”，分别表示试验结果为成功过街（即参与者在无碰撞的情况下到达街道对面）、未过街（参与者未到达街道对面）或发生碰撞（参与者与车辆发生接触）。
4. 在数据表中对应配置编号旁记录试验结果。
5. 对数据表中的所有配置重复上述步骤，完成整个实验。

6. 数据导出与分析

1. 获取用于分析的数据文件。步行模拟器软件会将每次运行保存为“Data”文件夹中的电子表格文件。
2. 使用首选工具分析数据。输出数据以时间序列形式记录步行者和车辆的位置与速度。利用这些数据来分析参与者的运动行为及其对交通状况的依赖性。

结果

步行模拟器可用于在改变行人初始距路缘到拦截点的距离以及间隙特征（即间隙和车辆大小）的情况下，考察行人的过街行为。虚拟环境方法能够调节间隙特征，以了解动态变化的过街环境如何影响儿童和年轻成年人的过街行为。

通过量化行人在间隙中的速度分布和穿越位置，用于比较不同行人组别的穿越行为。我们评估了拦截时间（TOI），以反映速度调整对参与者在间隙中位置的瞬时影响。这些代表性结果来自16名年轻成年人（平均年龄 = 22.75岁，标准差 = 2.56）和16名儿童（平均年龄 = 12.18岁，标准差 = 0.83）的数据。通常，12岁儿童在协调自身运动与移动物体之间关系的能力方面正处于发育变化阶段^{3,4,11,12,13,}

讨论

以往的研究曾使用带有投影屏幕的模拟器^16,17，但本方案通过完全沉浸式的虚拟视野（即360度）提高了生态效度。此外，要求参与者在跑步机上行走，可用来考察儿童和年轻成年人如何根据变化的环境调整自身行为。该实验设计中，虚拟场景会随着参与者的动作同步变化，车辆会在特定时间点到达行人的过街线位置。这可防止参与者因决策或准备移动而延迟过街时间。在本研究中，参与者在尝试过街时已处于运动状态⁶，因此研究人员能够清晰地评估其过街过程中对运动控制的调节能力。

关键步骤包括正确设置参数以反映实验设计、在出现晕动症时及时停止实验，以及进行练习试验以使参与者适应跑步机环境。当前软件可配置的交通流量范围远超结果部分所讨论的范围。该软件还可轻松扩展，以纳入更广泛的过街情境（例如，通过增加更多车道或更多车辆类型）。

该方案可用于研究儿童和年轻成人在动态变化的环境中如何调节其运动行为。具体而言，...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
定制跑台	Kunsan National University		为本研究专门建造的跑台
台式计算机	多家公司		标准台式计算机
Oculus Rift 开发套件	Oculus VR, LLC	DK1	虚拟现实头戴显示器
步行模拟软件	Kunsan National University		为本实验开发的软件