我们讨论一种用于视觉刺激视点旋转的新方法，并通过镜面立体镜演示深度旋转的三维感知。该技术可用于研究立体视觉线索在编码视点旋转图形中的作用。
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本文内容
摘要
摘要
视角的变化会损害物体识别的速度和准确性，表明人类观察者对该变换具有敏感性。本文讨论一种用于模拟物体在深度方向旋转后外观的新方法，并阐述透视投影与正交投影之间的差异。接下来，我们描述一种测量人类对深度方向旋转敏感性的方法。最后，我们介绍一种能够产生三维深度旋转 vivid 感知的装置——惠斯通八镜立体镜。通过这些内容，我们揭示了一种评估立体视觉线索在区分视角旋转的形状与物体中所起作用的方法。
引言
大量研究表明，视角的变化会降低物体识别的速度和准确性1-7例如，当面部处于正面对称平面时，人脸识别效果最佳， 即 "正面"，并且当面部从正对观察者的平行平面逐渐向深度方向旋转时，识别准确率会系统性下降。视角的变化可能源于观察者自身移动，或被观察物体的移动。重要的是，当向观察者提供立体视觉线索时，视角变化带来的识别代价通常会降低1-4,6,8然而，区分三维物体与平面物体的旋转至关重要。前者在旋转过程中可能展现出新的纹理或结构信息，而平面物体则不会出现这种情况。本文讨论了一种用于模拟平面形状和物体在深度方向旋转（rotation-in-depth, RID）后外观表现的方法。我们描述了一种装置，该装置基于惠斯通镜式立体镜（Wheatstone mirror stereoscope），可将RID图像的二维投影转化为生动的三维（three-dimensional）RID知觉。9最后，我们报告了一种心理物理学方法，用于确定立体视觉（3D）线索是否会影响我们对视点变化的敏感性。 视频 1 演示形状的外观如何因视点变化/RID 而发生改变。
模拟视点变化
当一个物体受到相对图像变形（RID）时，其本身的身份或形状当然不会发生物理变化。但从观察者的角度来看，其形状确实发生了改变。例如，当你将一张纸以横向模式直接置于眼前时，该纸张在你眼中的图像（称为视网膜图像）是一个水平矩形。如果你随后围绕其中心垂直轴旋转这张纸，视网膜图像在水平方向上就会发生缩短（参见图1的演示）。最终，如果你将纸张旋转90°，视网膜图像将变成一条细长的条带，其宽度等于纸张的厚度。因此，这张受到RID影响的纸张图像所发生的最大变化是其形状在水平方向上的压缩。在垂直方向上则发生较小程度的变化梯度：靠近观察者的一侧边缘（旋转轴处）高度保持不变，而远离观察者的一侧边缘则显得更短。
可通过使用软件包对图像进行适当变换，或编写自定义代码来模拟辐射损伤（RID）8,10希望进一步了解RID的读者可参阅有关视点变换的相关文献和网站，或了解我们所列软件包中图像处理软件内置的相关函数。 材料然而，在将屏幕上的刺激图像转换为特定角度的视网膜图像差（RID）时，还需考虑另一个因素：应采用何种投影方式，正交投影还是透视投影？当我们观察一个场景时，近处物体在视网膜上形成的图像比远处物体更大。对于一个受视网膜图像差影响的二维（two-dimensional）物体而言，这意味着远离观察者的一侧比靠近观察者的一侧受到更大的压缩， 图1 展示了这一点（尤其见右下图，其旋转内深度角为60°）。压缩不对称性的程度取决于受旋转内深度影响物体的大小以及我们与该物体的距离。透视投影包含了这种压缩不对称性，而正交投影则通过为旋转内深度物体的近端和远端赋予相同尺寸，忽略了这一效应。由于观察者在观看一个平面物体旋转时会感知到这种不对称性，因此本文采用透视投影。本方法的另一个优势在于，投影过程考虑了观察者到屏幕的观看距离。我们此前已使用该旋转内深度方法，在二维透视投影和三维环境中模拟视点旋转的形状。8,10.
模拟三维视角变化
为了模拟立体视觉中的相对运动不清晰（stereoscopic RID），需要向左眼和右眼呈现略有不同的图像。这两幅图像之间的差异称为双眼视差。11，其大小取决于观察距离和双眼间距，特别是瞳孔间距。回到之前横向放置的纸张示例，如果我们围绕垂直中心顺时针旋转纸张45°（使左侧边缘向后退），每只眼睛所看到的纸张图像会略有不同。投射到左眼的图像旋转角度略小于45°，而投射到右眼的图像旋转角度略大于45°（见 图2 为了说明这一点——能够自由融合上方两幅图像的观察者将感知到三维的RID。如果将适当角度的RID图像分别呈现给左眼和右眼（立体条件），就会产生视差梯度，观察者通常会报告清晰的三维RID感知。然而，如果将相同的图像（代表从中心视点旋转45°）同时呈现给双眼（非立体条件），观察者看到的则是RID刺激的二维表征。一种成熟的在单个显示器上向左右眼分别呈现不同图像的方法是使用改进的镜面立体镜，该装置最初由查尔斯·惠斯通爵士（Sir Charles Wheatstone）于19世纪中期开发。th 世纪12 – 参见 图 3. 当两个立体半像位于每只眼睛视野中的对应位置时，可经双眼融合产生三维感知（参见 Howard 和 Rogers）12 有关立体成像方法及其局限性的全面综述）。
通过结合模拟视点变化与立体呈现，我们可以确定立体线索在检测视点变化能力中所起的作用。以下演示结果表明，当平面物体（本例中为一条曲线轮廓）的尺寸为观察者所熟知或已知时，该曲线二维宽度的变化（有时称为矢高）可用于检测视点距离变化（RID）的变化。 即 视角（参见 Bell 等10 有关此效应的完整手稿）。下文我们将详细描述一种心理物理学方法，用于测量对由二维和三维定义的平面形状的RID变化敏感性。
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方案
1. 预筛选
- 测试前，须从每位参与者处获得书面知情同意。
- 询问受试者是否具有正常视力或矫正至正常的视力（即 眼镜）。
- 使用简易手持式立体视检测工具验证受试者的立体视锐度。
2. 在立体镜中实现双眼融合
- 让受试者坐在镜子立体镜前的桌旁，并调整椅子高度以确保舒适。
- 关闭灯光，使受试者暗适应至少 3 分钟。视觉系统在适应当前光照条件后表现最佳。
- 让受试者通过立体镜观察。他们将看到显示器上每只眼睛各有一个十字。受试者必须调整固视十字的水平位置，直到视野中央仅看到一个十字为止。如果看到两个 十字，则说明分离不正确，需要进行水平调节。目标刺激在显示时以十字为中心，此步骤可确保在正确距离上实现视觉融合。
- 受试者现在已准备好开始实验。
3. 观察者的任务说明
- "在每次试验中，您将看到两条具有深度旋转（RID）的曲线。您需要判断哪一条曲线的深度旋转程度更大，即哪一条曲线相对于您的视角旋转得更远。如果第一条刺激的深度旋转更大，请按鼠标左键；如果第二条曲线的深度旋转更大，请按鼠标右键。"
- "这是一个强制选择任务，必须对前一次试验作出反应后，才会开始下一次试验。"
- "如果您不确定哪条刺激具有更大的深度旋转，请尽可能做出最佳猜测。 "
4. 测量轮廓对视角变化/相对不透明度差异（RID）的敏感性
- 为了评估立体视觉线索在相对内倾角（RID）判断中的作用，需分别测量参与者在呈现立体视觉线索（立体条件）和不呈现立体视觉线索（非立体条件）时的表现。为了呈现立体视觉线索，计算机通过立体镜向观察者的每只眼睛显示不同的RID曲率角度。为了在无立体线索条件下呈现曲线，计算机向双眼显示相同的RID曲线（参见图2中的示例）。以下方法学步骤需在两种条件下重复进行。
- 启动包含140次试验的实验程序。注意：采用恒定刺激法（MOCS13），以确保每种测试曲线RID值的试验次数相等。测试曲线的RID值可大于、小于或等于45°，具体数值在每次试验中从预设集合中随机选取。参考曲线的RID值始终保持在45°。参考刺激与测试刺激的呈现顺序在每次试验中均随机化。
- 允许程序记录参与者选择测试刺激的RID角度大于参考刺激的频率。
- 在每组试验后为参与者提供休息时间。本示例中，140次试验由测试曲线在7个不同RID角度下各重复20次构成：其中3个角度小于45°，3个角度大于45°，另有1个RID角度恰好为45°，与参考曲线相同 。
- 每次运行结束后，计算机绘制出参与者选择测试刺激的RID角度大于45°的比例随所呈现RID角度变化的数据图（参见图4中的示例数据点）。
- 让软件使用累积高斯函数对数据进行拟合，以确定参与者进行RID判别时的精确度。该精确度由拟合函数中决定斜率的参数给出（参见图4中的示例实线）。
- 从每个图中获取斜率值。随后可对立体与非立体条件下的斜率估计值进行统计比较，以确定立体视觉线索是否对观察者检测RID变化的能力产生影响。
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结果
图4展示了此类实验获得的示例结果。每个图的y轴表示受试者选择测试图案具有更高相对倾斜度（RID）的比例。该数值以比例形式呈现，而非选择次数的绝对值。x轴表示测试图案的实际相对倾斜度（RID）；需注意，此处参考图案的RID保持恒定在45°。数据点代表在一系列不同实际RID条件下，受试者判断测试图案具有更高RID的选择比例。计算机仅记录测试图案被选为具有更高RID的次数；这意味着“理想”观察者的数据应在0到1之间：当测试图案的RID小于参考图案时，从不选择测试图案（值为0）；当测试图案的RID大于参考图案时，始终选择测试图案（值为1）。
根据绘制的这些数据，我们可以确定观察者对相对内倾角（RID）变化的敏感性。为此，我们使用统计软件包将数据拟合到累积高斯函数（见材料部分）。该拟合可用来估计观察者判断RID的精确度或敏感性。从图中每幅子图中实线的陡峭程度可以明显看出，观察者对RID角度的变化高度敏感。这表明观察者对平面物体（此处为一条弯曲轮廓）的RID操控极为敏感。然而，在我们的实验范式中，我们还选择比较两种条件下的表现...
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讨论
本文所讨论的方法可供任何希望研究与视角旋转物体的辨别和/或识别相关问题的研究人员使用。重要的是，透视投影方法不仅限于本文所展示的刺激材料，而是可广泛应用于从线条到复杂物体图片等多种实验刺激。我们的引言部分介绍了如何使用自定义软件或MATLAB等库函数软件来实现这种转换。
人们对于如何在不同视角下识别物体具有浓厚的兴趣。需要注意的是，有多种方法可以模拟表面和物体三维结构与方向的变化，包括利用明暗或亮度变化6,14以及遮挡11。事实上，视角的变化通常与这些属性的变化相关联，因此未来的研究必须分别以及联合考察不同类型线索所起的作用。我们的方法为实现这一目标提供了一种途径。
我们的方法对视觉感知和认知领域以外的研究人员也具有应用前景。例如，研究人员已开始探讨视点变化对多种不同行为维度的影响，包括对姿势摇摆15的影响，以及对计算机显示屏上呈现材料的阅读过程的影响16。本方法提供了一种在这些任务中控制呈现给观察者的二维和三维信息的手段，有助于更深入地理...
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披露
作者声明不存在任何竞争性财务利益。第一作者 Jason Bell 是澳大利亚国立大学的全职员工；David Badcock 和 J Edwin Dickinson 是西澳大利亚大学的全职员工；Fred Kingdom 是麦吉尔大学的全职员工。
致谢
本研究由澳大利亚研究理事会资助。授予JB的ARC基金编号DP110101511；授予FK的加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）基金编号RGPIN121713-11；授予DRB的ARC基金编号DP130102580和DP110104553。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 立体视觉测试 | http://www.stereooptical.com/products/stereotests | Titmus 立体蝇测试 | 手持式测试设备 |
| 预制立体设备 | http://www.stereoaids.com.au | 预制立体镜 | 适用于台式机和笔记本电脑 |
| 镜面立体镜 | 定制；或 Edmundoptics | 8 面镜立体镜 | www.edmundoptics.com |
| 显卡 | NVidia | 推荐使用 NVidia 或 ATI | |
| 实验控制软件 | MATLAB | 推荐使用 MATLAB、Python、C++、Visual Basic | |
| 实验控制软件 | Psychtoolbox.org | Psychtoolbox | 可免费下载，但需配合 MATLAB 使用 |
| 统计分析软件 | Graphpad | Prism V5 | http://www.graphpad.com/ |
| 统计分析软件 | Palamedes | 心理物理学指南 | http://www.palamedestoolbox.org |
| 3D 投影技术文档 | Wikipedia | http://zh.wikipedia.org/wiki/3D投影 |
参考文献
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重印与许可
