Name: 计算机生成的动物模型的刺激 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2007-07-29T00:00:00.000+00:00
Duration: 26 min 43 s
Description: 学习计算机生成刺激在动物行为研究中的应用，以Jacky dragon为模型展示动画制作技术。该方法通过三维扫描、纹理映射和骨骼绑定实现逼真运动，为科学实验提供创新可视化工具。

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我要感谢来自动物行为综合研究中⼼（CISAB）的 Daniel Van Dyk 在模型设计和获取存档视频⽅⾯提供的⼤⼒帮助。Christopher Evans（CISAB）提供了技术⽀持，Daniel Warner（悉尼⼤学）提供了动物标本模型，Richard Peters（澳大利亚国⽴⼤学）提供了早期的设计要素。

动画设计
物体扫描
获取蜥蜴标本。使用柯尼卡美能达VI-9i扫描模型。生成一个包含50,000个多边形的单一多边形网格的三维物体（*.lwo和*.obj文件）。Lightwave® v8.3包含两个用于三维动画的程序：Modeler和Layout。Lightwave® Modeler用于设计和操作物体。Lightwave® Layout程序用于创建动画场景。Lightwave® Modeler和Layout均具有三个方向的位置、朝向和旋转维度：偏航（Y）、俯仰（X）和滚转（Z）。
纹理获取
使用1280万像素的佳能EOS 5D数码相机，在白纸背景下从两个角度（正面和正交）、三个位置（正面、正交、腹面和背面）以及三个身体区域部分（头部、躯干、尾部和四肢）拍摄活体蜥蜴照片，以便进行白平衡处理以实现标准化色彩。在Adobe® Photoshop® Elements 3.0中将照片拼接融合。
在 Lightwave® Modeller 中创建 Atlas UV 贴图。UV 贴图将对象分解为相互连接的多边形串。使用 Grab V1.2 捕获 Atlas UV 贴图的 JPEG 图像，生成独立的 JPEG 图片。将其嵌入 Adobe® Photoshop® Elements 3.0 中作为背景图层。
在 Lightwave® Modeller 中，通过突出显示 Atlas UV 贴图上的多边形来识别蜥蜴身上的特定区域。裁剪相应区域并叠加到背景 Atlas UV 贴图的 JPEG 图像上。当所有照片片段均被叠加至 Atlas UV 贴图的 JPEG 图像后，去除背景并生成单个 TIFF 文件。将该 TIFF 文件导入 Lightwave® Modeller，并分配 UV 坐标。
植入骨骼和骨骼系统
在 Lightwave® Modeller 中设计并嵌入了骨骼占位结构（skelegons），这些结构用于充当骨骼的占位符。创建 61 根骨骼。创建骨骼占位结构以模拟杰克伊龙（Jacky dragon）脊椎的数量，其中使用一个较大的骨骼占位结构来模拟头部。从颈部开始，沿尾部末端构建一条虚拟的脊柱。将前肢（每侧由四个骨骼占位结构组成）融合至脊柱上。当所有骨骼占位结构创建完成后，将整个对象发送至 Lightwave® Layout，在其中将骨骼占位结构转换为骨骼。
添加权重着色
独立的权重图取值范围为 –100% 到 +100%，用于均匀分配运动。将四肢、尾巴和头部指定为正值（+）权重图，身体则赋予负值（-）权重图。
从存档视频中提取刺激材料
使用索尼MiniDV数字录像机PAL播放器在索尼特丽珑显示器上播放存档的蜥蜴视频，向饲养在围栏中的活体蜥蜴展示（初始视频采集方法见Ord和Evans，2002年；Ord，Peters，Evans和Taylor，2002年；Van Dyk和Evans，2007年）。使用佳能（MV650i）数码摄像机记录蜥蜴的反应，摄像机放置在距离围栏约一米的位置。蜥蜴的大小根据显示器上栖木的代表性尺寸进行比例缩放。在Apple Quicktime™ v7.0中导出为单独的连续JPEG图像。
用于刺激复现的逐帧描摹技术
“动态遮罩”是一种将对象动画逐帧叠加到背景序列前景中的技术（Gatsey, Middleton, Jenkins, &amp; Shubin, 1999）。将动画发送至 Lightwave® Layout，在其中可控制场景的灯光、摄像机、对象和背景特性。从存档的数字视频中选取运动模式，并使用 Apple QuickTime™ Player 7.0 导出为图像序列（JPEG 格式）。对象必须处于摄像机视野内。将图像序列中的第一张 JPEG 图像导入为背景。利用骨骼系统操控对象，并将其叠加至与背景图像对应的位置。每一帧都需进行“关键帧”设定，以保存对象的位置。将背景图像替换为下一张连续图像，并将对象调整至新的位置。重复此过程，直至完成整个序列。
完成序列的呈现
使用 Render Farm Commander v2.9 渲染大型序列片段或进行批量处理。Render Farm Commander (RFC) 通过连接多台计算机，形成一组处理器，以加快渲染速度。本项目采用四台 Apple Mac G5 双处理器计算机（共八个线程）分担渲染任务，将总耗时缩短至四小时。所有序列均保持 PAL-DV 标准（720 ¥ 576 像素分辨率；5:1 压缩比；水平分辨率 575 线；25 帧每秒）。

<ol><li>Gatesy, S. M., Middleton, K. M., Jenkins, F. A., Shubin, N. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+preservation+of+foot+movements+in+Triassic+theropod+dinosaurs%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional preservation of foot movements in Triassic theropod dinosaurs.</a> Nature. 399, 141-144 (1999).</li>
<li>Newtek, Inc, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lightwave+%5B8%5D+Reference+Manual%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Lightwave [8] Reference Manual.</a> , Newtek, Inc. San Antonio, Texas. (2004).</li>
<li>Ord, T. J., Evans, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interactive+video+playback+and+opponent+assessment+in+lizards%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Process%22%5BJournal%5D)">Interactive video playback and opponent assessment in lizards.</a> Behav. Process. 59, 55-65 (2002).</li>
<li>Ord, T. J., Peters, R. A., Evans, C. S., Taylor, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+video+playback+and+visual+communication+in+lizards%5BTitle%5D)+AND+%22Anim.+Behav%22%5BJournal%5D)">Digital video playback and visual communication in lizards.</a> Anim. Behav. 63, 879-890 (2002).</li>
<li>Rosenthal, G. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+considerations+and+techniques+for+constructing+video+stimuli%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Ethol%22%5BJournal%5D)">Design considerations and techniques for constructing video stimuli.</a> Acta Ethol. 3, 49-54 (2000).</li>
<li>Van Dyk, D. A., Evans, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Familiar-unfamiliar+discrimination+based+on+visual+cues+in+the+Jacky+dragon%2C+Amphibolurus+muricatus%5BTitle%5D)+AND+%22Anim.+Behav%22%5BJournal%5D)">Familiar-unfamiliar discrimination based on visual cues in the Jacky dragon, Amphibolurus muricatus.</a> Anim. Behav. 74, 33-44 (2007).</li>
</ol>

研究经费由麦考瑞大学CISAB和心理学系研究生奖学金以及澳大利亚研究理事会提供支持。研究根据麦考瑞大学动物伦理委员会（2003/014）和新南威尔士州国家公园与野生动物服务局（S11024）的伦理准则进行。

计算机生成的动画正日益成为研究动物行为中交流问题的流行工具。通过使用动画技术，研究人员可以专注于信号设计的特定方面，并操控以往因技术限制而无法研究的特征。尽管传统的模拟动物相遇实验仍能展示理论原理，但动画技术如今为更详细地分析互动过程提供了先进的工具。

<table><tbody><tr><td>新项目</td><td>数码相机</td><td>Konica Minolta Holdings, Inc.</td><td>VI-9i</td><td>用于获取三维网格（由 New Dawn&amp;#174; - Bexley North, NSW 澳大利亚完成）</td></tr><tr><td>Lightwave&amp;#174; 3D</td><td>软件程序</td><td>NewTek Inc.</td><td>v8.3</td><td>用于创建动画</td></tr><tr><td>Canon</td><td>数码相机</td><td>Canon, inc.</td><td>EOS 5D</td><td>1280万像素</td></tr><tr><td>Grab</td><td>软件程序</td><td>Apple</td><td>v1.2</td><td>从照片和UV贴图中提取纹理</td></tr><tr><td>Adobe&amp;#174; Photoshop&amp;#174; Elements</td><td>软件程序</td><td>Adobe</td><td>v3.0</td><td>从照片中提取纹理</td></tr><tr><td>Render Farm Commander</td><td>软件程序</td><td>Bruce Rayne&amp;#169;</td><td>v2.9</td><td>在局域网中进行批量渲染</td></tr><tr><td>Mac Pro</td><td>计算机</td><td>Apple</td><td></td><td>四颗双核处理器（八线程）；用于创建和渲染动画</td></tr><tr><td>Sony MiniDV</td><td>数字录像机</td><td>Sony Corporation</td><td>GV-D300E</td><td>在刺激采集过程中播放刺激材料</td></tr><tr><td>Sony Trintron</td><td>彩色监视器</td><td>Sony Corporation</td><td>PVM-14M2A</td><td>用于刺激采集的单个显示器</td></tr><tr><td>Canon</td><td>数码摄像机</td><td>Canon, inc.</td><td>MV650i</td><td>在刺激采集过程中记录行为</td></tr></tbody></table>

计算机生成的动物模型刺激材料

Computer-Generated Animal Model Stimuli

动物之间的交流方式多样且复杂，可能通过听觉、震动、化学感应、电或视觉信号进行。尤其值得关注的是视觉信号在交流中所受的限制。传统研究动物互动的方法包括基本的观察技术、人为设置的相遇实验或对形态的物理操控。一些侵入性较小的方法则尝试使用粗糙的回放工具（如镜子、静态图像或模型）来模拟同种个体。随着技术的进步，视频回放已成为研究视觉交流的另一种工具（Rosenthal，2000）。然而，进一步的发展是计算机动画的应用，使研究者能够精确分离出引发同种个体社会反应所必需的关键成分，并操控这些特征以控制互动过程。本文将详细说明如何以杰克龙（Jacky dragon）为模型创建动画，但该方法亦可适用于其他物种。在构建动画过程中，我选择使用Lightwave 3D软件来调整对象形态、添加纹理、安装骨骼结构，并提供合理的权重着色，以避免动作过度夸张。随后将动画与选定的运动模式相匹配，以复制关键的运动特征。最后，需将序列渲染为单个视频片段用于呈现。尽管存在其他可调整的技术，但该特定方法已在模拟互动中被证明能有效引发明显的和社交性的反应。

关键词：动物交流，视觉信号，计算机动画，视频回放，杰克龙，社会行为，运动模式，Lightwave 3D

使用杰基龙作为模型生成的计算机模拟刺激。

动物之间的交流形式多样且复杂。动物可能通过听觉、地震波、化学感受、电或视觉信号进行交流。在……

您好，我叫Kevin w，来自澳大利亚悉尼麦考瑞大学动物行为综合研究中⼼。在本视频文章中，我将介绍计算机动画在动物行为实验中的应用。具体而言，我将讲解我们如何实际制作其中一种模型。如今，动画在当代文化中正变得越来越流行，但在科学领域或与科学研究相关的应用中，我们却很少见到其身影。然而，早期为科学目的制作动画的尝试确实始于一些非常基础的流程，这些流程通常涉及对某个物体或特定标本的特定部分进行切片和扫描；此外，研究人员也曾采用类似于生物运动的技术，例如使用点光源装置来标记身体上的特定部位，并将其与动画进行匹配。进一步而言，如果我们想要制作一段动画，过去必须完全从零开始由人工完成。如今，利用动画技术使我们能够研究动物行为中的许多方面，例如交配、求偶，而我在此特别关注的是交流或视觉交流。相较于传统的研究手段，如活体互动或手术等侵入性方法，动画技术的应用要复杂和先进得多。因此，在这篇特定的方法学文章中，我将详细介绍我们如何构建这一特定模型，并探讨该模型的扫描过程。我们将探讨如何添加纹理、UV映射骨骼、权重着色，如何实际捕获用于动态遮罩的刺激图像，最后，整个渲染过程如何进行，直至获得完整的动画序列。创建完整动画共有八个主要步骤。第一步是获取整个物体的三维扫描数据。这确定了物体的基本形状。接下来需要添加纹理，这显然会使物体看起来更加真实。随后，该纹理会被分解为一张UV贴图，从而能够将纹理的特定位置精确地映射到物体表面。然后我们需要对物体进行操控，并添加骨骼结构（skegan），这些骨骼结构将被转化为骨骼。随后加入重量阴影，以在运动中体现物体的整体平衡感。接下来，我们需要捕捉特定的刺激画面，以便据此模拟出物体的运动过程。然后，我们在已拍摄图像的基础上进行逐帧描摹（rotoscope）这些运动，最后将序列渲染为可用于视频播放的可读格式。我们获取了一件动物标本作为模型使用。在此，我们使用柯尼卡美能达vi dash nine I来复制一个3D物体。柯尼卡美能达采用数字摄影技术，通过使用3D算法将摄影片段连接在一起，实现高精度测量。该设备可获取模型的形状和尺寸，并将图像转换为3D数字数据。3D 扫描技术将真实物体的特定部分提取出来，并将其导入计算机动画模拟的物体中。随后，通过将这些部分放置在正确的位置来构建该物体，从而生成一个我们可以在动画软件中进行操作的模型。在此，我们提供了一个模拟设置，展示如何对物体进行拍摄，然后将其转换为三维动画模型。首先从多个角度拍摄该物体，随后将这些照片图像进行正确排列，以实现连接轮廓的平滑过渡。该技术采用摄影测量系统，可实现对物体的高细节还原和高精度重建。该系统利用涂覆标记物和尺寸受控的标尺条来映射参考标记点的坐标。这些坐标构成一个三维星座图，用于精确测量每张照片切片之间的轮廓和距离。数据通过Raindrop Geomagic采集，并用于获取该数据形态

Research

科研

JoVE Journal

Biology

生物学

计算机生成的动物模型的刺激

本报告中，我们介绍一种完全自动化且高度多功能的系统，该系统能够同时检测啮齿类动物的多种认知行为并记录其神经元活动。...

一种用于检测啮齿类动物多认知功能及记录神经元活动的全自动化且高度多功能的系统

本文描述了一种在监测脑电图、肌电图和脑乳酸浓度的同时，利用光遗传学方法调控大脑皮层锥体神经元活性的实验方案。实验记录在带有电缆束缚的小鼠上进行，小鼠处于自然的睡眠/觉醒周期过程中。光遗传学设备由本实验室自行组装，记录设备为 commercially...

同步进行啮齿类动物大脑皮层的脑电图记录、乳酸浓度实时测量与光遗传学神经元活动操控

来源：Zhao, Z. 等．通过高频刺激激活小鼠齿状回的侵入性方法．J. Vis.

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开发用于评估精神疾病动物模型中脉冲前抑制及神经活动的行为箱

学习计算机生成刺激在动物行为研究中的应用，以Jacky dragon为模型展示动画制作技术。该方法通过三维扫描、纹理映射和骨骼绑定实现逼真运动，为科学实验提供创新可视化工具。

计算机生成的动物模型刺激材料

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