Why you should look where you are going

Posted 2021-01-30 ariel-dreamland

是否需要头部和眼睛运动信息来辨别从视觉运动信息出发的运动方向是有争议的。 我们提出了一种基于主动凝视和视网膜流动的新的转向理论，它表明未来的路径可以使用视觉皮层神经元的已知特性进行判断，而无需恢复当前的航向或整合视网膜外信号。 该理论与先进驾驶教学中提出的凝视采样行为一致。

在具有稳定凝视的地平面上的运动产生可以指示航向的径向流动模式（图1a，黑色矢量）。 如果观察者在地平面上扫过凝视，那么眼睛相对于身体的旋转会产生与整个身体围绕弯曲路径旋转所产生的相同的视网膜流动（图1a，蓝色）。 有强有力的证据表明视网膜外信息对于在这样的凝视扫描期间辨别航向是必要的。然而，持续的凝视扫描并不常见，并且在运动期间更一般的凝视行为是固定前方道路上的点。 高级驾驶手册推荐将弯道周围的注视引导到预定路径上的点的策略，并建议转向然后自然地朝着注视点前进。

如果观察者固定基准特征，则该对象保持在中央凹上，并且流动以该特征为中心（图1c）。在固定被控制的实验室任务中，观察者可能会将这种模式误认为弯曲的轨迹，但是固定的定心效果使其与图1a（蓝色）不同，并且在自然环境中不应出现混淆。任何运动常规地固定其环境特征的动物应该认识到，只有当动物不在朝向标志的路径上时才会出现这种弯曲的流场（图1c），并且流动曲率的程度表示路径偏心。如果观察者将转向调整到将通过门的弯曲路径，但固定两极之间的地面，则流线是直的，并且从观察者的未来路径不对称地向外移动（图1b）。如果观察者过度转向使得所产生的路径将通过门前，那么这反映在流动曲率的变化中（图1d）。因此，有一种简单的启发式方法可以避免先前争论的问题，并允许动物与移动凝视仅使用视网膜血流引导至目标。 （i）在预期路径附近的环境中修复特征。 （ii）如果偏心到固定点，则地面元素的视觉轨迹将是弯曲的，并且曲率方向与转向误差的方向相反。 （iii）如果可以将轨迹直接重新定向到目标，则具有直线流动线的径向模式（图1a，黑色）将指示当前路径何时通向固定特征。 （iv）在更一般的情况下，如果对转弯有限制，那么将截取固定特征的恒定曲率路径将导致具有直线流动线的不对称图案（图1band2）。 （v）一旦满足（iii）或（iv），未来路径由在视网膜图像内以零梯度（纯垂直）流动移动的点指示。

使用凝视引导转向并不排除瞥到其他路边特征，但建议驾驶员应该反复凝视回到预定路径以检查转向线，而不是试图在凝视偏离路径时判断航向。在具有变化曲率的道路上，可以通过在道路曲率改变时向前移动凝视来实现有效转向，从而划分不同的路径段。监测（ii）检测转向不足和过度转向不需要精确估计流场的加速度分量。视觉系统仅需要检测靠近路径的显着元件和该变化的标称方向的运动方向是否有任何变化。外部区域MT中的细胞对视觉方向10敏感，并且可以在区域MST中组合以对不同的流动模式11具有选择性。可以通过定向调谐的MT神经元的相对激发速率的变化，或通过MT输出的汇集来检测流动方向的变化，以评估从路径突出的深度有序点是否表现出共线运动。无论检测手段如何，注意到运动方向的变化对于许多任务中的有效视觉控制至关重要。有补充的证据表明瞬时航向可以从一阶速度流场12判断，但精确的转向需要有关速度流向量的变化率。

在（iii）和（iv）中，流线是直的并且从垂直投影的未来路径向外移动。 点（v）意味着，当调整转向以匹配弯曲的曲率时，从驾驶员车辆下方到弯曲消失点的恒定曲率线将不会在视网膜图像上产生横向运动。 因此，“读取线”的感知可能等同于整个轨迹中由道路上的相同点刺激的垂直调谐的MT神经元，而对于转向误差，垂直流线在地面上断开，表明转向不足或转向过度。

J·J吉布森的开创性论文强调了诸如转向和瞄准等任务。最近，观察者需要通过限制固定来判断线性航向的任务占主导地位，这可能导致研究人员误入歧途，研究人类或动物如何判断运动方向。强调判断路径而不是判断航向简化了运动动物的问题，并返回到Gibson的原始主题，即光流提供足够的信息来指导运动。在自然环境中不应出现航向，凝视运动和弯曲轨迹9之间的混淆。针对转向目标的凝视可以产生足够的信息来判断当前路径，而不会分解视网膜流以恢复切向前导或整合视网膜外信息。视网膜外视线信息可以偏向运动方向（B.J.Rogers＆C.Dolton，Invest.Ophthal.Vis.Sci.40，S764,1999），并且高速有效转向可以使用两种类型的信息。然而，我们的模型表明，不需要有关凝视方向的信息来预测判断转向路径。这种方法与推荐和观察到的凝视模式一致，并且在某种程度上解释了为什么我们看起来在哪里转向以及为什么我们转向我们所看到的位置。