In this study, internal model that estimates visually induced roll-tilt perception was pro-posed. In the model, we used Kalman filter to reproduce the role of the cerebellum which is known to integrate multiple sensory information, such as vision, vestibular and somatosensory inputs, and estimate the current human body motion. To verify the model, we conducted experiments to measure the motion perception induced by trapezoidal (Amy. 2012) and sinusoidal visual stimuli. The result showed that subjects perceived environment tilt in the opposite direction and roll-tilt perception in the same direction. The model showed the consistent estimation to the experiment for both of visual stimuli. Additionally, this result was consistent under visual stimuli with various frequency and constraints. This study has meaning that we applied the sensory integration internal model which has been applied to step or ramp stimulus to the sinusoidal visual stimulus. Also, it can be used as a theoretical framework for estimating human motion perception in 3D animation.
본 연구는 시각으로 유도되는 기울어짐 지각에 대한 내부 모델이 제안되었다. 감각의 기여도를 관찰하는 연구나 다른 감각 조건에서의 사람의 행동 변화를 관찰하는 연구에서 거의 대부분 사람의 압력 중심 변화나 관절각 변화등 모션이 중심이 되어왔다. 하지만 사람 운동의 경우 감각 정보를 통합하여 자신의 운동을 예측하고, 제어를 한 결과이기 때문에 감각의 영향을 직접적으로 알기 위하여 사람의 운동이 아닌, 운동 지각을 측정하고자 하였다. 특히, 시각, 전정감각, 체성감각의 다중감각정보로부터 소뇌에서 인체의 운동에 대한 추정이 이루어지는 것을 칼만 필터를 사용하여 모사하고자 하였다.
모델의 검증을 위해 사다리꼴 형태 (Amy. 2012) 및 정상파 형태의 시각 신호에 대한 인체의 운동 지각을 측정하는 실험을 수행하였다. 정상파 실험에서 사용된 주파수는 0.02, 0.05, 0.08, 0.1, 0.2, 0.5 Hz였으며 진폭은 15도로 하였다. 실험결과, 피험자는 시각자극과 반대되는 환경(방)의 회전을 느꼈으며 이에 대해 균형을 유지하기 위해 유도되는 기울어짐 지각은 시각과 동일한 방향으로 측정되었다. 모델을 통한 결과 또한 기존에 보고된 사다리꼴 형태의 자극에 대한 운동 지각과 본 연구에서 수행된 실험의 운동 지각과 일치하는 방향성을 보였다. 주파수 별 자극에 대한 출력의 크기를 관찰하였을 때 주파수가 증가함에 따라 피험자의 운동 지각 크기는 줄어드는 경향을 보였다. 이는 피험자가 규칙적으로 움직이는 방에서 균형을 잡을 때 높은 주파수일수록 빨리 제자리로 돌아오는 것을 알기에 몸을 방의 기울임만큼 기울이지 않아 발생되는 현상으로 보인다. 칼만 필터를 이용하여 이 실험 결과를 모사하고자 하였을 때, 방향성은 일치하게 관찰이 되지만 주파수 별로 게인이 줄어드는 현상은 관찰되지 않았다. 실험 결과를 재연하는 칼만 게인을 찾을 경우 주파수 별로 칼만 게인이 변하게 되는데, 이는 비선형 시스템이라서 칼만 필터와는 맞지 않는 것이다. 따라서 인체의 시스템을 칼만 필터로 완전히 구현하기에는 어려움이 보인다. 다양한 자극 조건에서의 모델의 효용성을 검토하기 위하여 인체의 제한조건을 달리하여 실험 및 모델 시뮬레이션을 수행하였다. 기존 실험에서는 피험자가 균형을 잡을 수 있게 피험자의 몸에 다른 제한을 가하지 않았지만 이번 실험에서는 피험자가 몸을 움직이지 못하도록 피험자의 몸을 실험 장비에 고정을 시킴으로써 인체의 운동에 제한을 가하였다. 이 실험의 모델은 인체와 추정자에 아무런 제어 입력이 가해지지 않는 것으로 하였다. 실험과 시뮬레이션을 수행한 결과, 두 결과 모두 같은 방향성을 가졌다. 또한 인체에 제한조건이 가해진 경우, 주파수 별로 게인이 거의 일정한 결과를 보였다. 이는 인체에 아무런 구속조건이 없을 때와는 상이한 결과이다. 이렇게 운동 지각이 거의 일정한 이유는 피험자가 몸을 움직일 필요가 없으므로 오로지 감각에만 의존하여 실험을 수행하였기 때문으로 보인다. 따라서 주파수 별로 일정한 결과는 칼만 필터로 잘 설명될 것이다.
본 연구는 기존의 다중감각 통합의 내부 모델이 단순한 스텝 혹은 램프 가진에 국한되어 사용되어 왔던 내부 모델을 정상파 형태의 시각 가진에 대하여 적용하였다는 점에서 그 의미가 있으며, 최근 널리 적용되고 있는 3D 영화 등을 통한 인체의 운동지각 예측을 위한 이론적인 틀을 구축하는 것으로 활용 할 수 있다.
