Как мы визуально оцениваем силу, приложенную другим человеком

Визуальная оценка силы, приложенной другим человеком

Когда мы наблюдаем за действиями другого человека, мы часто интуитивно полагаем, что можем визуально оценить силу, которую он прилагает к тому или иному материалу. Однако точные визуальные сигналы, используемые для этой цели, до сих пор оставались неясными. Данное исследование сосредоточилось на двух типах визуальных изменений, возникающих при взаимодействии пальцев человека с упругим материалом: визуальное дрожание (известное как «индуцированный тремор») и глубина визуальной индентации (деформация материала под действием силы).

Ключевые выводы исследования

Исследование выявило, что человеческие наблюдатели в первую очередь полагаются на визуальное дрожание для оценки силы, приложенной другим человеком, при просмотре видеозаписей. Чем сильнее было заметное дрожание, тем большей воспринималась приложенная сила.

Кроме того, выяснилось, что наблюдатели используют как глубину визуальной индентации, так и визуальное дрожание для оценки степени мягкости материалов. Чем больше была глубина вдавления и меньше уровень дрожания, тем мягче воспринимался материал. Это позволяет предположить, что визуальное дрожание используется для оценки силы, которая, в свою очередь, влияет на оценку мягкости.

Введение: Визуальное восприятие действий и свойств материалов

Наблюдение за моторными действиями других людей позволяет нам не только понимать их намерения и предвидеть последствия их действий, но и оценивать физические свойства манипулируемых ими материалов. Например, профессиональные баскетболисты способны предсказать исход броска, анализируя кинематику движений игрока. Исследования показывают, что зрительное восприятие и выполнение моторных действий тесно связаны в мозге, что подтверждается активацией моторных зон при наблюдении за движениями.

Способность наблюдателя визуально считывать кинематику движений другого человека также полезна для определения внутренних свойств материала. Кинематика движений руки может служить подсказкой для прогнозирования размера и веса объекта, который человек собирается взять.

Способность человека визуально определять силу, приложенную другим человеком к материалу, была предметом предыдущих исследований. Поведенческие эксперименты показали, что вес коробки, который напрямую связан с силой, необходимой для ее подъема, может быть достаточно точно оценен при наблюдении за другим человеком, поднимающим ее. Исследования с использованием транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) продемонстрировали, что наблюдение за действием вызывает динамическую симуляцию наблюдаемого движения в моторной системе наблюдателя.

Индуцированный тремор как визуальный индикатор силы

Предыдущие исследования, однако, не уделяли должного внимания феномену индуцированного тремора (также называемого физиологическим тремором), который является одним из телесных проявлений, возникающих при приложении силы к материалу. Индуцированный тремор представляет собой самоподдерживающиеся колебания силы, наблюдаемые при изометрическом сокращении мышц под соответствующей нагрузкой. Тремор был зафиксирован в различных частях тела, таких как пальцы, кисти или конечности. Минимальная сила нажатия между большим и указательным пальцами, вызывающая тремор, составляет 0.2 кг. Взаимодействие тела человека с объектами, такими как плоская поверхность или стержень, может вызывать тремор. В зависимости от величины нагрузки пик мощности индуцированного тремора наблюдается с временной частотой 4–8 Гц. Тремор возникает непроизвольно и не может быть сознательно подавлен как физиологическая реакция.

Таким образом, весьма вероятно, что человеческие наблюдатели естественным образом используют визуальные характеристики индуцированного тремора для оценки величины силы, которую другой человек прилагает к внешнему материалу. Более того, визуальные особенности индуцированного тремора могут быть имитированы даже при приложении небольшой силы. Исследователей заинтересовал вопрос, могут ли такие имитированные треморы приводить к усиленному восприятию силы.

Деформация материала как индикатор силы

В дополнение к изменениям в физическом поведении другого человека, степень изменения внешнего вида материала также может служить подсказкой для оценки прилагаемой силы. Например, чем больше сила, передаваемая игроком мячу при ударе клюшкой, тем дальше полетит мяч. Чем сильнее нажатие на подушку, тем больше ее деформация. Однако не было четко установлено, вносит ли различная степень визуального изменения внешнего вида материала вклад в определение прилагаемой силы.

Цели и гипотезы исследования

Основная цель настоящего исследования заключалась в том, чтобы выяснить, как наблюдатели оценивают силу, приложенную к целевому материалу актером, основываясь на визуальных признаках. Исследователи предположили, что оценка силы наблюдателями будет зависеть от двух визуальных признаков: визуального дрожания и глубины визуальной индентации.

• Визуальное дрожание соответствовало видимому индуцированному тремору пальца актера.
• Глубина визуальной индентации соответствовала видимому уровню деформации материала.

Для проверки этих гипотез был проведен психофизический эксперимент. Наблюдателям демонстрировали видеоклипы, в которых актер нажимал на упругий материал пальцем. Актер прилагал силу трех различных уровней, что должно было варьировать степень визуального дрожания, вызванного индуцированным тремором. Помимо естественного тремора, актера просили слегка вибрировать рукой и пальцами во время надавливания. Эта вибрация получила название «имитированное дрожание». Было высказано предположение, что наблюдатели будут оценивать приложенную силу как большую при большем визуальном дрожании руки и пальцев.

Кроме того, использовались упругие материалы с различными кривыми зависимости силы от деформации. Варьирование приложенной силы и характеристик материалов должно было приводить к изменению величины деформации (индентации) пропорционально кривым силы-деформации. Исследователи предполагали, что наблюдатели будут оценивать большую силу при большем визуальном дрожании и большей визуальной деформации (индентации) материала.

Оценка мягкости материала

Помимо оценки силы, исследователей интересовала оценка мягкости материала. Известно, что чем больше глубина индентации, тем мягче оценивается материал. Однако влияние визуального дрожания на оценку мягкости оставалось неясным. Более того, не было понятно, как оценка силы связана с оценкой мягкости. Для выяснения этих вопросов были изучены эффекты визуальных признаков на оценку мягкости и их связь с оценкой силы.

Результаты: Анализ стимулов и оценок

Анализ стимулов: Визуальное дрожание и индентация

Визуальное дрожание в эксперименте соответствовало видимому естественному и индуцированному тремору пальца и кисти актера. Предполагалось, что большая сила вызывает больший индуцированный тремор пальца, что, в свою очередь, приводит к большему уровню визуального дрожания. Для количественной оценки визуального дрожания анализировались векторы движения в четырех точках пальца: первая, вторая, третья суставы и кончик указательного пальца. С помощью быстрого преобразования Фурье (Fast Fourier Transform - FFT) анализировался временной паттерн векторов движения и рассчитывался логарифм спектра мощности. Было обнаружено, что различие между условиями с имитированным дрожанием и без него было более выражено в определенной полосе временных частот (4–7 Гц), которая совпадает с полосами частот, в которых наблюдается индуцированный тремор (18), по сравнению с другими полосами (2–3 Гц или 8–15 Гц). Таким образом, визуальное дрожание определялось как логарифм спектра мощности в диапазоне 4–7 Гц в четырех точках пальца.

Было проведено трехфакторный дисперсионный анализ (ANOVA) для изучения влияния уровня силы, податливости материала и имитированного дрожания на визуальное дрожание. Были выявлены значимые основные эффекты силы, податливости материала и имитированного дрожания. Визуальное дрожание увеличивалось с приложенной силой или податливостью. Кроме того, уровень визуального дрожания увеличивался при имитированном дрожании. Эффект имитированного дрожания оказался более значительным, чем эффекты других факторов.

Визуальная индентация соответствовала видимому углублению в материале на видеозаписях. Для контроля глубины индентации были установлены три уровня приложенной силы (1 кг, 2 кг и 3 кг) и три уровня податливости материала. Актеры в белых перчатках надавливали на верхнюю поверхность материала. Использовались три материала с различными кривыми зависимости силы от деформации. Было проведено трехфакторный ANOVA для изучения влияния уровня силы, податливости материала и имитированного дрожания на визуальную индентацию. Были выявлены значимые основные эффекты силы и податливости материала. Визуальная индентация увеличивалась с приложенной силой или податливостью материала. Эффект податливости материала был более выражен, чем эффект силы.

Процедура эксперимента и оценка силы

В эксперименте наблюдателям предлагалось просмотреть видеоклипы, в которых материал деформировался под действием пальца актера, и оценить прилагаемую силу по 100-балльной визуальной аналоговой шкале (VAS). Было проведено трехфакторное ANOVA для анализа влияния уровня силы, податливости материала и имитированного дрожания на оценку силы. Были выявлены значимые основные эффекты всех трех факторов.

Анализ с использованием обобщенной линейной модели (GLM) для оценки влияния визуальных признаков на оценку силы показал значимые основные эффекты визуального дрожания и визуальной индентации. Однако, сравнивая стандартизированные частичные коэффициенты регрессии, было установлено, что основной эффект визуального дрожания был более значительным, чем эффект визуальной индентации. Это означает, что человеческие наблюдатели в основном используют визуальное дрожание для оценки силы, прилагаемой актером к материалу.

Оценка мягкости материала

Оценка мягкости материала также анализировалась с использованием трехфакторного ANOVA и GLM. Были выявлены значимые основные эффекты уровня силы, податливости материала и имитированного дрожания на оценку мягкости.

Влияние визуальных признаков на оценку мягкости было проанализировано с помощью GLM. Результаты показали значимые основные эффекты как визуального дрожания, так и визуальной индентации. Однако, абсолютный эффект визуальной индентации был более значительным, чем эффект визуального дрожания. Это согласуется с предыдущими исследованиями, показывающими, что степень деформации материала сильно влияет на воспринимаемую мягкость.

Интересно, что между оценками силы и мягкости не было выявлено значимой корреляции ( ho =0.06, p=0.68).

Обсуждение: Механизмы визуальной оценки силы и мягкости

Основная цель исследования заключалась в изучении того, как человеческие наблюдатели оценивают силу, приложенную другим человеком, используя только визуальную информацию. Результаты подтвердили, что визуальное дрожание является эффективным сигналом для оценки прилагаемой силы. Наблюдаемая сила оценивалась как большая при большей величине дрожания в движении пальца и кисти актера.

Было отмечено, что визуальное дрожание варьировалось не только в зависимости от уровня приложенной силы, но и от наличия имитированного дрожания. Даже при постоянных параметрах силы и податливости материала, оценка силы изменялась в зависимости от присутствия имитированного дрожания. Это подтверждает, что визуальное дрожание, вызванное имитацией, может влиять на оценку силы. Полученные данные свидетельствуют о том, что человеческий мозг использует визуальное дрожание пальцев и кистей рук для оценки уровня прилагаемой силы. Это согласуется с предыдущими выводами о зеркальной системе, связанной с распознаванием действий другого человека, и предполагает, что эта система может работать и для оценки силы.

В отличие от этого, визуальная индентация оказала незначительное влияние на оценку силы. Это не соответствует первоначальной гипотезе. Возможно, наблюдатели интерпретировали изменение глубины индентации как свойство материала, а не как результат приложенной силы. Действительно, визуальная индентация существенно влияла на оценку мягкости, что согласуется с предыдущими исследованиями.

Роль податливости материала

Среди трех экспериментально манипулируемых факторов, уровень силы и имитированное дрожание сильно влияли на оценку силы, в то время как податливость материала оказывала лишь незначительное влияние. Это можно объяснить с точки зрения двух визуальных признаков:

• Визуальная индентация: Большая податливость материала приводила к большей визуальной индентации. Однако, поскольку визуальная индентация имела незначительное влияние на оценку силы, податливость материала также играла незначительную роль в определении оценки силы.
• Визуальное дрожание: Хотя визуальное дрожание сильно влияло на оценку силы, влияние податливости материала на визуальное дрожание было незначительным. Поскольку податливость материала не сильно модулировала визуальное дрожание, наблюдаемое человеческой зрительной системой, она в конечном итоге не влияла на оценки силы.

Взаимосвязь оценки силы и мягкости

Наблюдалось положительное влияние податливости материала на визуальное дрожание и отрицательное влияние визуального дрожания на оценку мягкости. Это может быть интерпретировано следующим образом: вместо прямой оценки мягкости по визуальному дрожанию, сила, прилагаемая актером, сначала оценивается на основе дрожания, а затем мягкость оценивается с учетом оцененной силы. То есть, наблюдатели могли бы сообщать о более жестком материале, когда он нажимался с «видимо» большей силой, по сравнению с нажатием «видимо» меньшей силой, поскольку глубина визуальной индентации оставалась практически постоянной независимо от видимой силы. Тем не менее, следует отметить, что эффект визуального дрожания на оценку мягкости был незначительным по сравнению с эффектом индентации.

Предлагаемая модель информационного потока

На основе полученных данных была предложена модель информационного потока от внешних стимулов к оценке силы и мягкости через визуальные признаки. Экспериментально манипулируемые факторы (сила, податливость, тремор) способствовали генерации визуальных признаков (визуальное дрожание, визуальная индентация).

• Внешняя информация включает: силу, деформацию (смещение) и тремор. Податливость материала может быть выражена как отношение деформации к силе.
• Визуальные признаки (визуальное дрожание и визуальная индентация) влияют на оценку силы и мягкости.
• Оценка силы может косвенно влиять на оценку мягкости.
• Оценка мягкости, похоже, не влияет на оценку силы.

Эта модель дает новое представление о механизмах оценки силы и свойств материалов.

Будущие направления исследований

В данном исследовании было показано, что визуальное дрожание является одним из эффективных сигналов для оценки прилагаемой силы. Однако существует множество сценариев в повседневной жизни, где люди прилагают силу к материалам.

• Оценка веса: Исследовать, влияет ли визуальное дрожание руки подъемщика на оценку веса поднимаемого объекта.
• Характеристики исполнителя: Изучить, как возраст и пол, определяемые по форме и размеру руки актера, влияют на визуальную оценку силы.
• Использование инструментов: Выяснить, служит ли визуальное дрожание инструментов (ножей, вилок, лопат и т. д.) критическим сигналом для оценки прилагаемой силы при манипулировании материалами.

Методы

Участники

В эксперименте приняли участие 600 человек со средним возрастом 35.35 лет. Участники были разделены на две группы: одна группа сначала оценивала мягкость, а затем силу; другая — наоборот. Участники были набраны через онлайн-платформу краудсорсинговых исследований и получили оплату за участие.

Стимулы

В качестве стимулов использовались видеоклипы, демонстрирующие, как указательный палец актера надавливает на верхнюю поверхность упругого кубического метаматериала, вызывая его деформацию. Видео имели разрешение 288 imes 512 пикселей при частоте 29.97 кадров в секунду.

3D-печатный материал

Были созданы три кубических метаматериала с использованием идентичных материалов и 3D-принтера. Кубы имели длину ребра 42 мм и содержали 169 цилиндрических отверстий. Для обеспечения плоских поверхностей отверстия были заполнены с помощью программного обеспечения для редактирования изображений.

Были проведены испытания на одноосное нагружение для определения кривых зависимости силы от деформации. Было отмечено отличие кривых от предыдущих исследований, что, вероятно, связано с отсутствием артефактов полосатого рисунка на поверхности.

Видеоклипы

Видео снимались с позиции, диагонально расположенной над кубом, чтобы четко видеть верхнюю поверхность, на которую надавливает палец. Для устранения влияния отверстий на восприятие мягкости, они были закрашены цветом окружающего материала. Камера располагалась на расстоянии 30 см перед материалом, 15 см сбоку и 20 см сверху.

Актеры надавливали на верхнюю поверхность материала с тремя различными уровнями силы: 1 кг (9.8 Н), 2 кг (19.6 Н) и 3 кг (29.4 Н). Для контроля прилагаемой силы актеры могли ориентироваться на показания цифровых весов. Видеоклипы были обрезаны до разрешения 288 imes 512 пикселей, чтобы скрыть дисплей весов.

Видео снимались в двух условиях имитированного дрожания: без имитированного дрожания (естественное надавливание) и с имитированным дрожанием (актер вибрировал пальцем и кистью во время надавливания). Было создано 54 уникальных видеоклипа (3 актера imes 3 уровня податливости материала imes 3 уровня силы imes 2 условия имитированного дрожания).

Количественная оценка визуальных признаков

Для количественной оценки глубины индентации и дрожания использовался алгоритм оптического потока Лукаса-Канаде. Визуальная индентация определялась как максимальное вертикальное смещение кончика пальца от исходного положения. Визуальное дрожание рассчитывалось на основе логарифма спектра амплитуды оптических потоков в диапазоне частот 4–7 Гц.

Процедура

Эксперимент проводился онлайн с использованием программного обеспечения jsPsych. Наблюдателям предлагалось оценить прилагаемую силу и мягкость материала по визуальной аналоговой шкале (VAS) от 0 до 100.

Каждый наблюдатель сначала просматривал 3 случайных видеоклипа для ознакомления, а затем оценивал все 54 видеоклипа. Порядок предъявления клипов был псевдослучайным.

Анализ данных

Для анализа данных использовались трехфакторный ANOVA и обобщенная линейная модель (GLM). При нарушении предположений ANOVA применялась процедура выровненного рангового преобразования (ART). Для определения значимости факторов и их вклада в оценку силы и мягкости сравнивались стандартизированные частичные коэффициенты регрессии.