Введение в проблему обхода столкновений и взаимного предвосхищения
Перемещение в общественных местах и предотвращение столкновений с автомобилями, велосипедами и другими пешеходами являются фундаментальными аспектами нашей повседневной жизни. Интересно, что даже в чрезвычайно сложной среде, такой как знаменитый перекресток Сибуя в Токио, пешеходы плавно маневрируют в общем открытом пространстве, успешно избегая столкновений в большинстве случаев. Хотя реальные столкновения происходят редко, люди иногда сталкиваются с ситуациями околостолкновения (near-collisions), в которых взаимное предвосхищение (mutual anticipation) дает сбой. В таких случаях пешеходы неверно прогнозируют сторону обхода друг друга, что приводит к так называемым взаимным колебаниям (mutual hesitations). Подобные моменты отражают ситуации, когда риск столкновения значительно возрастает.
Понимание причин возникновения взаимных колебаний имеет практическое значение, поскольку они символизируют нарушение плавного взаимодействия при обходе столкновений. Это особенно актуально в условиях ограниченного пространства. Данные знания также приобретают все большую важность для современных технологий. Например, по мере того как роботы или аватары виртуальной реальности (VR) становятся частью нашей повседневной среды, возникает необходимость понять, какие поведенческие сигналы и правила принятия решений обеспечивают плавную, предсказуемую и совместимую с человеком навигацию. Следовательно, выявление механизмов, лежащих в основе взаимных колебаний, имеет критическое значение как с теоретической, так и с практической точек зрения.
Предыдущие исследования убедительно доказали, что взаимное предвосхищение является ключом к плавному предотвращению столкновений. Считается, что кинематика тела играет в этом процессе ключевую роль. В частности, в исследовании сценария лобового столкновения Мураками и др. (2022) нарушили либо взаимное предвосхищение (с помощью использования мобильного телефона), либо взаимный зрительный контакт (с помощью солнцезащитных очков). Авторы обнаружили, что координация ухудшалась только при нарушении первого условия, но не второго, что указывает на зависимость взаимного предвосхищения от телесных (кинематических) сигналов. Этот вывод согласуется с данными о том, что намерения к действию можно улавливать по движениям тела.
Кинематические сигналы и роль движений головы и тела
Исследования, изучающие кинематические сигналы, критически важные для взаимного предвосхищения, выделяют несколько потенциальных кандидатов. Прежде всего, в задачах на обход препятствий с виртуальным аватаром было показано, что ориентация головы агента сильно влияет на выбор стратегии обхода участниками. Направление взгляда аналогично смещает эту стратегию: наблюдатели склонны проходить со стороны, противоположной направлению взгляда другого человека. Это может быть логичной стратегией, учитывая тенденцию направлять взгляд и голову в первую очередь в предполагаемую сторону движения.
Другое исследование предположило, что вращение талии обеспечивает ранний сигнал о направлении обхода, поскольку оно предшествовало медиолатеральному (боковому) смещению во время маневра. Движения ног — в частности, время и направление шага — также рассматриваются как важные сигналы для вывода о направлении обхода. Учитывая, что изменения ориентации плеч предшествуют изменениям направления ходьбы (вектора скорости) примерно на 100 миллисекунд в ситуациях обхода столкновений, ориентация плеч также выглядит правдоподобным кандидатом на роль антиципационного сигнала.
Несмотря на то что вышеупомянутые работы значительно расширили наши знания о важности взаимного предвосхищения и роли кинематической информации, остаются важные пробелы. Во-первых, до сих пор, насколько нам известно, ни одно исследование не изучало, какие именно кинематические сигналы поддерживают взаимное предвосхищение с точки зрения измерения всего тела (full-body kinematics). Во-вторых, большинство предыдущих исследований не реализовывали по-настоящему интерактивные ситуации в динамике реального времени.
Методология исследования и перекрестно-рекуррентный количественный анализ
Для устранения пробелов в литературе мы предлагаем новый подход к количественной оценке взаимного колебания. Цели данного исследования заключались в следующем: (i) создать простой метод определения и количественной оценки взаимного колебания при лобовом обходе столкновений с помощью перекрестно-рекуррентного количественного анализа (cross-recurrence quantification analysis, CRQA), который все чаще используется в других областях анализа человеческого движения и поведения; (ii) исследовать механизмы, лежащие в основе взаимных колебаний с точки зрения кинематики всего тела в интерактивном сценарии обхода.
Перекрестно-рекуррентный количественный анализ (CRQA) представляет собой элегантный способ оценки временной и пространственной синхронизации между двумя временными рядами данных. После квантификации и классификации взаимных колебаний мы использовали статистическое параметрическое картирование (statistical parametric mapping, SPM), которое также активно применяется в исследованиях человеческих движений. Анализ SPM позволил нам выявить, какие кинематические особенности наиболее тесно связаны с самыми ранними стадиями взаимного колебания. Наконец, мы применили линейные смешанные модели (linear mixed-effects models, LMM) для проверки того, какие кинематические переменные предсказывают степень взаимного колебания.
Участники и экспериментальная установка
В исследовании приняли участие 45 пар (всего 90 человек; средний возраст составил 22,3 года). Мы сбалансировали гендерные комбинации для обеспечения общей применимости выводов: 15 пар состояли исключительно из женщин, 15 пар — исключительно из мужчин, и 15 пар были смешанными. Экспериментальная установка имитировала дизайн предыдущих работ. Фактически, для дополнительного манипулирования временным давлением мы реализовали две зоны обхода столкновений разного размера: 20 см и 80 см. Движения всего тела регистрировались с помощью системы захвата движения OptiTrack, состоящей из 16 камер, с частотой 120 Гц.
«Взаимные колебания отражают моменты, когда риск столкновения возрастает из-за сбоя плавного взаимного предвосхищения между участниками движения».
Результаты исследования кинематических предикторов
В ходе эксперимента было зафиксировано 78 событий взаимного колебания (9,2%) в условиях 20 см и 70 событий (8,3%) в условиях 80 см. Результаты дисперсионного анализа (ANOVA) показали наличие главного эффекта колебания для угловых различий головы, плеч и таза между участниками. В частности, меньшие различия в углах поворота головы были характерны для испытаний с взаимными колебаниями.
Применение метода статистического параметрического картирования (SPM) выявило значимые кластеры для различий углов головы в преддверии начала обхода. В условиях 20 см значимый интервал составлял от −0,43 до 0 секунд до начала маневра, а в условиях 80 см — от −0,31 до 0 секунд. Линейные смешенные модели (LMM) подтвердили, что разница в углах наклона головы за 0,3–0,2 секунды и 0,2–0,1 секунды до начала обхода надежно прогнозирует более высокую степень взаимного колебания.
Заключение и обсуждение
Подводя итог, в данном исследовании мы оценили взаимное предвосхищение и возникновение околостолкновений в реальных интерактивных сценариях. Внедрение перекрестно-рекуррентного количественного анализа (CRQA) позволило точно измерить пространственно-временное перекрытие между пешеходами. Полученные результаты доказывают, что ошибки при определении направления обхода на основе кинематики головы тесно связаны с дефицитом взаимного предвосхищения, что приводит к взаимным колебаниям и задержкам в принятии решений.
