[论文解读] Study of movement coordination in human ensembles via a novel computer-based set-up

Francesco Alderisio, Maria Lombardi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2016

Action Observation and Synchronization参考文献 44被引用 3

一句话总结

本研究提出了一款名为 'Chronos' 的新型基于计算机的平台，使人类群体能够远程协调动作，最大限度减少社会与感官干扰。通过允许自定义视觉交互拓扑结构并整合虚拟代理，该平台表明：即使在无直接视觉或听觉耦合的情况下，人类群体的协调水平仍关键取决于网络结构；同时，虚拟代理在双人及群体情境中均可成功模拟类人协调行为。

ABSTRACT

Movement coordination in human ensembles has been studied little in the current literature. In the existing experimental works, situations where all subjects are connected with each other through direct visual and auditory coupling, and social interaction affects their coordination, have been investigated. Here, we study coordination in human ensembles via a novel computer-based set-up that enables individuals to coordinate each other's motion from a distance so as to minimize the influence of social interaction. The proposed platform makes it possible to implement different visual interaction patterns among the players, so that participants take into consideration the motion of a designated subset of the others. This allows the evaluation of the exclusive effects on coordination of the structure of interconnections among the players and their own dynamics. Our set-up enables also the deployment of virtual players to investigate dyadic interaction between a human and a virtual agent, as well as group synchronization in mixed teams of human and virtual agents. We use this novel set-up to study coordination both in dyads and in groups over different structures of interconnections, with and without virtual agents. We find that, in dual interaction, virtual players manage to interact with participants in a human-like fashion, thus confirming findings in previous work. We also observe that, in group interaction, the level of coordination among humans in the absence of direct visual and auditory coupling depends on the structure of interconnections among participants. This confirms, as recently suggested in the literature, that different coordination levels are achieved over diverse visual pairings in the presence and in the absence of social interaction. We present preliminary experimental results on the effect on group coordination of deploying virtual computer agents in the human ensemble.

研究动机与目标

• 研究个体之间连接结构如何影响人类群体中的运动协调。
• 通过消除直接的视觉、听觉和社会互动，隔离网络拓扑对协调的影响。
• 评估使用虚拟代理作为合成伙伴在人类运动协调实验中的可行性。
• 将人类动态接线概念扩展至多人场景，以受控方式研究群体动力学。
• 确定虚拟代理是否能在双人及群体互动中复制类人协调模式。

提出的方法

• 开发了一款基于计算机的实验平台（'Chronos'），通过选定合作伙伴的动作轨迹视觉反馈，实现在远程环境下人类参与者的实时运动协调。
• 参与者通过屏障实现视觉隔离，并佩戴主动降噪耳机，以消除来自他人的听觉与视觉线索，确保仅感知指定的互动伙伴。
• 系统允许管理员定义自定义的视觉交互拓扑结构，从而在双人及群体情境中研究多种网络结构（如环形、星形、线性）的影响。
• 通过模拟人类运动动态的认知架构实现虚拟玩家（VPs），使其可在协调任务中充当跟随者或领导者。
• 计算同步度量指标（如双人同步指数与群体同步指数），以定量评估不同配置下的协调水平。
• 平台支持人类-人类与人类-虚拟代理之间的互动，实现不同条件下协调行为的受控比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 当直接社会与感官互动被最小化时，视觉交互拓扑结构的形态在多大程度上影响人类群体的运动协调水平？
• RQ2 在与人类参与者进行双人互动时，虚拟代理能否成功复制类人协调行为？
• RQ3 在人类群体中引入虚拟代理是否会影响整体协调水平？若影响，这种影响如何取决于代理的角色（领导者或跟随者）？
• RQ4 人类参与者是否会根据互动对象是人类还是虚拟代理而调整其协调策略？
• RQ5 该平台能否用于系统性研究结构化网络中协调的涌现，且独立于社会或感知线索？

主要发现

• 在双人互动中，人类参与者与虚拟代理协调时的行为无显著差异，证实虚拟玩家可成功模拟人类协调动力学。
• 即使在缺乏直接视觉、听觉或社会互动的情况下，人类群体的协调水平仍取决于底层网络拓扑结构，验证了结构连通性的重要性。
• 当虚拟代理在群体中充当领导者时，整体群体协调水平下降，表明人工领导可能破坏自然同步模式。
• 当虚拟代理仅作为跟随者存在，或未引入任何虚拟代理时，观察到更高的同步指数，表明跟随者角色对群体协调的干扰较小。
• 该平台成功部署了能复制人类运动关键运动学特征的虚拟代理，支持此类代理在未来集体行为研究中的应用。
• 结果证实，仅网络结构本身即可塑造协调结果，即使缺乏社会线索，进一步支持近期关于拓扑结构在人类群体动力学中作用的理论主张。