Optic flow is used to control human walking

Posted 2021-01-28 ariel-dreamland

摘要：

人类运动如何在视觉上受到控制？ 五十年前，有人建议我们使用光流来控制目标，眼睛的运动模式指定了运动的方向。但是，我们也可以简单地沿着感知的目标方向行走。这两个假设通常预测相同的行为，但我们在沉浸式虚拟环境中通过从行走方向移动光流来测试它们，违反了光学定律。我们发现人们沿着单个目标的视觉方向行走，但是随着它被添加到显示器中，人们越来越依赖于光流。用于转向目标的视觉控制法则是由光流量大小加权的两个变量的线性组合组成的，从而允许人类在变化的环境条件下具有稳健的运动控制。

introduction：

运动的视觉控制是一个研究了五十年的推测问题。为了实现目的，一个明显的解决方案就是沿着目标的感知方向前进。然而，James Gibson提出转向是基于光学流动，即动态眼睛的视觉运动模式。

当观察者在直线路径上行进时，在当前运动方向或航向（heading）上产生具有扩展焦点（FOE）的光流的径向模式。 吉布森提出，人们可以通过“保持扩展的重点朝着必须走的方向”来实现目标。事实上，人类通过精确度优于1°和3°-5°的视角来判断他们的光学前进方向，即使在追求过程中也是如此 可以通过灵长类动物皮层MSTd，7a和STPa中的细胞来提供对heading感知的神经支持，这些细胞对于大视野流动模式和人类皮层中的同源区域具有选择性。总之，这些发现表明光学流动可以 用来控制运动。 然而，研究人员主要依靠心理物理学观察，并未确定光流是否实际用于运动任务。 一些人认为光流在人类运动中没有重要作用。

在这里，我们测试了人们是否实际上使用光流来走向目标。
具体地，光流假设指出观察者移动以便消除从光流和目标感知的heading之间的误差，有效地将FOE放置在目标上。
随后的流程在感知 - 行动循环中提供关于转向调整的充分性的信息（‘reafference‘）。这类似于车辆导航中的“跟踪”策略。
相反，自我中心方向假设指出观察者相对于身体感知目标的视觉方向，并沿该方向行走。
这可以通过将目标集中在中线并在hoverfly中观察到的向前移动来实现，类似于导航中的“归航”策略。

这两个假设通常是多余的，它们预测相同的行为。为了分离它们，我们使用了一个沉浸式虚拟环境，允许我们模拟违反光学定律的行为。受试者在12米×12米的房间内自由行走，同时佩戴具有60°H×40°V视野的立体头戴式显示器（HMD）。头部位置用跟踪系统测量，用于实时更新显示，以及记录主体在虚拟世界中的路径。在critical操作中（图1），光学流动指定的前进方向与实际行走方向的角度为δ= 10°，在每次试验时随机向右或向左移动。因此，如果受试者走路在目标的自我中心方向上，FOE将出现在目标的右侧（或左侧），产生α= 10°的虚拟航向误差。如果受试者沿着放置在目标上的FOE（扩展焦点）来行走，则虚拟航向误差将是α= 0°，但是受试者实际上会略微向目标的左侧（或右侧）行走。随着时间的推移，自我中心方向假设预测物理和虚拟世界中的弯曲路径和10°的虚拟航向误差（图2a），而光流假设预测直线路径和航向误差变为零。两者的组合将产生中间轨迹。

图1 Manipulating optic flow in a virtual environment. Locomotion normally produces optic flow with a focus of expansion (FOE) in the direction of walking (T). We displaced the FOE by δ =10° from the walking direction, and measured the virtual heading error α between the FOE and the goal. β represents the egocentric direction of the goal with respect to the axis of thrust.

图2 （a）略；（b）光流假设：受试者在a（从A点到B点）向目标左侧走10°，将扩展焦点FOE放在目标上。因此虚拟航向朝向目标（从A到B‘）。目标和观察者向左漂移，使得FOE和目标之间的相对位置是恒定的。迭代地，这预测了物理和虚拟世界中的直线路径，以及α= 0的虚拟航向误差。（为了可视化虚拟世界中的路径，可以重绘图表，将虚线箭头从头到尾重叠，并且在每个时间步骤叠加目标。）

两个问题：

1、本文对于Optic flow的准确定义？

2、光流信息是如何控制human walking的？

其他扩展：

光流的概念最初是由 Gibson 于 1950 年首先提出来的。当人的眼睛观察运动物体时，物体的景象在人眼的视网膜上形成一系列连续变化的图像，这一系列连续变化的信息不断“流过”视网膜(即图像平面)，好像是一种光的“流”，故称之为光流。光流表达图像的变化，包含目标运动的信息，可用来确定目标的运动。光流三个要素：一是运动速度场,这是形成光流的必要条件；二是带光学特征的部分例如有灰度的象素点，它可以携带运动信息；三是成像投影从场景到图像平面，因而能被观察到。