Name: 启用高灰度分辨率的显示器和传统计算机准确的响应时间测量 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-02-29T12:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 50 s
Description: 了解如何使用视频切换器和RT盒子在传统计算机上实现高灰度分辨率显示并进行精确的反应时间测量。该方法为神经科学研究提供了经济实惠且易于集成的解决方案。

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本工作由NEI和NIMH资助。

1. 视频切换器
1.1. 将视频切换器连接到计算机
视频切换器（图1）接收模拟视频（VGA）输入信号，用于驱动阴极射线管（CRT）彩色显示器。在使用视频切换器之前，请确保计算机显卡具有VGA端口（图2A）或可同时传输数字和模拟视频信号的数字视频接口（DVI-I）端口（图2B）。需要使用DVI转VGA适配器（图2C）将DVI-I端口连接至视频切换器。
关闭计算机和显示器，并将显示器与计算机显卡断开连接。
使用提供的 VGA 线缆将计算机显卡的 VGA 或 DVI-I 端口连接到 VideoSwitcher 的输入端口。使用小螺丝刀固定连接处。
将显示器的 VGA 电缆连接到 VideoSwitcher 的输出端口，并固定连接。
使用提供的电源适配器将视频切换器连接到电源。
打开计算机和显示器。
1.2. 视频切换器的两种显示模式
VideoSwitcher 上的切换按钮允许用户在两种显示模式之间来回切换。在彩色模式下，VideoSwitcher 不会改变来自计算机显卡的视频信号。在灰度模式下，显示变为单色，其亮度主要由显卡蓝色通道的视频信号决定，红色通道的信号有轻微影响，绿色通道则无任何贡献。这是因为 VideoSwitcher 内部的电阻网络将红色通道的信号衰减约 128 倍，而绿色通道的信号完全不参与输出。蓝色和红色通道对 VideoSwitcher 输出的贡献比例称为蓝红比（BRratio）。BRratio 是 VideoSwitcher 本身的属性，与显示设置无关，可通过实验对每个 VideoSwitcher 单独测定（见 1.3 节）。
还可以通过 Matlab 中的函数调用，经由显卡的绿色通道发送特殊信号来切换显示模式：
PsychVideoSwitcher('切换模式', whichScreen, ToGrayMode);
其中 ToGrayMode 为 1 或 0 时表示切换至灰度模式或彩色模式。
图3展示了视频切换器的示意图。
1.3. 测量 BRratio
可以使用方波光栅检测任务对每个 VideoSwitcher 测量 BRratio。将方波的两个水平分别分配 RGB 值，例如 (0, 0, 40) 和 (x, 0, 39)。可以调节 x 的值，直到方波光栅消失，此时的 x 值即为 BRratio —— 即 R 通道中产生与 B 通道一个单位信号所产生亮度相等的信号强度。尽管可以通过电子方式测量 BRratio，例如测量 VideoSwitcher 在 RGB 值为 (0, 0, 255) 和 (255, 0, 0) 时的电压输出比值，但此处描述的心理物理学方法非常简单且准确。
1.4. 显示器校准
对于大多数显示器而言，显示亮度并不会随着计算机显卡指定的像素灰度级呈线性增加。该关系可表示为： 
<img src="/files/ftp_upload/3312/3312eq1.jpg" alt="伽马校正公式 L(U)=Lmin+(Lmax-Lmin)(U/255)^γ，数学公式。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 1"> 
其中 Lmax、Lmin 和 γ 通过伽马校正程序确定，该程序可使用光度计，或结合心理物理学方法与光度测量来完成7,8。伽马校准对于在显示器上生成准确的对比度至关重要；每台显示设备都必须进行此项校准。
使用光度计，只需显示不同像素灰度级（例如从0到255）的大面积均匀方块，测量方块中心的亮度，并将结果用公式1进行拟合，即可得到γ值。
心理物理学实验过程包括：在显示区域的某一区域内，尽可能均匀地在空间和时间上混合等量的零强度与全强度像素，并确定相邻均匀区域（该区域内所有像素具有相同强度）中像素的灰度值，使得该均匀区域在心理物理学上与混合像素区域的亮度相匹配。第一次匹配确定对应于最大亮度1/2的灰度值。随后使用亮度强度为1/2与1的像素混合，确定3/4的灰度值，重复此过程，直至确定从1/8到7/8的七个灰度值。重复进行这些匹配，并进行多种一致性检验，例如验证3/4与1/4混合后的亮度是否与1/2相匹配。在此过程中，同时调节均匀区域的B和R水平，且U = B + R / BRratio。实验结果可通过拟合公式1获得γ值。
在获得 Lmin、Lmax 和 γ 的值后，可设定背景亮度 L0 = (Lmax + Lmin)/2。像素对比度 c(U) 与像素灰度值 U 之间的关系为： 
<img src="/files/ftp_upload/3312/3312eq2.jpg" alt="静态平衡方程；公式 c(U)=(L(U)-L0)/L0；教育用数学概念。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 2">
我们可以重写方程，以求解给定对比度所需的灰度等级： 
<img src="/files/ftp_upload/3312/3312eq3.jpg" alt="计算视觉亮度的方程；U=255(Lmax+Lmin)/(Lmax-Lmin × c)^1/γ；公式。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程 3"> 
其中 U 通常是一个非整数。对应像素的 RGB 值为：R=BRratio*[U-int(U)]，G=0，B=int(U)，其中 int() 表示取输入值的整数部分。
1.5. 正弦波光栅演示
通过比较两个正弦波光栅，可以展示提高灰度分辨率的效果。左侧的光栅充分利用了VideoSwitcher的功能，每个像素的亮度由相应的R和B值指定；右侧的光栅与左侧相同，但每个像素的B值仅使用了经四舍五入后的U值，以此模拟8位显示设备的输出。
2. RTbox
2.1. 将RTbox连接到计算机
使用提供的线缆将 RTbox（图 4）连接至计算机的 USB 端口。如有需要，可从 <a href="http://www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htm">http://www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htm</a> 下载该设备的驱动程序，并根据网站上的说明完成驱动程序的安装。
2.2. 使用 RTbox 测量反应时间
RTbox 可以以两种不同的方式使用。
如果用户的程序能够返回可靠的刺激呈现起始时间，例如 Psychtoolbox [8] 中 Screen('Flip') 和 PsychPortAudio 返回的时间，则 RTbox 可以像键盘一样使用。由于刺激呈现起始时间基于主机计算机的时钟，而 RTbox 按钮时间基于 RTbox 自身的时钟，因此必须对这两个时钟进行同步。该同步通过在每次刺激呈现前调用函数 RTBox('clear') 来实现，以清除缓冲区中的无效事件。反应时间可简单地表示为 t呼吸= t - t起始，其中 tonset 是用户程序返回的刺激时间，t 是函数调用 [t, button]=RTBox(timeout) 返回的按钮时间。这是因为 RTBox 驱动程序会自动将按钮时间从 RTBox 时间转换为主机计算机时间。 
如果用户的程序无法返回可靠的刺激呈现时间，则必须向 RTbox 提供指示刺激开始的触发信号。一种解决方案是使用光传感器来检测刺激或与刺激同步的光斑的起始。光传感器的输出连接到 RTbox 的光端口。第二种解决方案是使用 VideoSwitcher 的触发输出。该触发信号可直接连接到 RTbox 的脉冲端口。第三种解决方案是将主机计算机的音频信号连接到 RTbox 的声音端口。
为了从视频切换器（VideoSwitcher）生成一个刺激开始触发信号，我们在视觉刺激第一帧的中央区域像素中“开启”绿色通道。由于绿色通道不参与电阻网络，因此该信号对受试者不可见。通过函数调用 [t, button]=RTBox('pulse', timeout) 可返回反应时间，其中 'pulse' 指示 RTBox 相对于触发信号计算反应时间。该函数调用同样适用于声音触发。对于光传感器触发，函数调用为 [t, button]=RTBox('light', timeout)。
3. 整合 VideoSwitcher 与 RTbox
我们编写了一个演示程序，该程序利用 VideoSwitcher 控制显示，使用 RTbox 精确采集反应时间，并通过 RTbox 向 ERP 系统发送事件代码和反应数据。该程序可从 <a href="http://lobes.usc.edu/videoswitcher/VideoSwitcherRTBoxERP_demo.m">http://lobes.usc.edu/videoswitcher/VideoSwitcherRTBoxERP_demo.m</a> 下载。
4. 典型结果
<img src="/files/ftp_upload/3312/3312fig1.jpg" alt="视频切换器设备，数据采集输出端口，输入-输出控制，电子设备。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图1"> 
图1. 视频切换器的图片。该设备具有VGA输入和输出端口（均为母口）、一个用于在两种显示模式之间切换的按钮，以及一个触发信号输出端口。
<img src="/files/ftp_upload/3312/3312fig2.jpg" alt="VGA、DVI 接口示意图；计算机接口对比；硬件连接研究。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图 2"> 
图 2. VGA (A) 和 DVI-I (B) 接口以及 DVI-I 转 VGA 转接头 (C) 的实物图。
<img src="/files/ftp_upload/3312/3312fig3.jpg" alt="带比较器和CPLD设置的RGB信号多路复用器示意图；电路分析方法。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图3"> 
图3. 视频切换器的原理图。多路复用器具有两种输入模式，由电压电平控制。当处于图中所示模式时，显示器的RGB通道接收到相同的信号，因此显示为灰度模式。切换电压由CPLD芯片生成，受G通道信号和切换按钮信号控制。触发信号同样由G通道的输入控制。
<img src="/files/ftp_upload/3312/3312fig4.jpg" alt="反应时间测量设备；认知实验；心理学研究；反应时间测试。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图4"> 
图4. RTbox 的图片。它具有一个 USB-B 端口、一个光信号输入端口、一个脉冲/声音输入端口、一个外部按钮输入端口以及一个 TTL 输出端口。

<ol><li>Bits# Stimulus Processor with integrated Data Acquisition. , Cambridge Research Systems Ltd. United Kingdom. Available from: 
 
 <a target="_blank" href="http://www.crsltd.com/tools-for-vision-science/visual-stimulation/bits-sharp/">http://www.crsltd.com/tools-for-vision-science/visual-stimulation/bits-sharp/</a> (2011).</li>
<li>Visual Stimulators. , VPixx Technologies Inc. Canada. Available from: 
 
 <a target="_blank" href="http://www.vpixx.com/products/visual-stimulators/datapixx.html">http://www.vpixx.com/products/visual-stimulators/datapixx.html</a> (2011).</li>
<li>Li, X., Lu, Z. -L., Xu, P., Jin, J., Zhou, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generating+high+gray-level+resolution+monochrome+displays+with+conventional+computer+graphics+cards+and+color+monitors%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Generating high gray-level resolution monochrome displays with conventional computer graphics cards and color monitors.</a> Journal of Neuroscience Methods. 130 (1), 9-18 (2003).</li>
<li>Pelli, D. G., Zhang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accurate+control+of+contrast+on+microcomputer+displays%5BTitle%5D)+AND+%22Vision+Research%22%5BJournal%5D)">Accurate control of contrast on microcomputer displays.</a> Vision Research. 31, 1337-1350 (1991).</li>
<li>Li, X., Liang, Z., Kleiner, M., Lu, Z. -L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((RTbox%3A+A+device+for+highly+accurate+response+time+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Behavior+Research+Methods%22%5BJournal%5D)">RTbox: A device for highly accurate response time measurements.</a> Behavior Research Methods. 42 (1), 212-225 (2010).</li>
<li>Psychtoolbox-3. , United States. Available from: 
 
 <a target="_blank" href="http://psychtoolbox.org/">http://psychtoolbox.org/</a> (2012).</li>
<li>Lu, Z. L., Sperling, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Second-order+reversed+phi%5BTitle%5D)+AND+%22Perception+Psychophysics%22%5BJournal%5D)">Second-order reversed phi.</a> Perception Psychophysics. 61, 1075-1088 (1999).</li>
<li>Colombo, E., Derrington, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visual+calibration+of+CRT+monitors%5BTitle%5D)+AND+%22Displays%22%5BJournal%5D)">Visual calibration of CRT monitors.</a> Displays. 22, 87-95 (2001).</li>
</ol>

无利益冲突声明。

视频切换器提供了一种紧凑、经济且易于使用的方法，可利用常规的计算机显卡和模拟彩色显示器生成高亮度分辨率的显示效果。它连接在显卡的模拟输出端口与显示器之间。该设备还可切换单色和彩色显示模式，提供额外的便利性。其触发通道允许研究人员将其他设备与视觉显示同步。
RTbox 是一种紧凑、经济且易于使用的软硬件解决方案，可用于精确测量反应时间。如果有与刺激 onset 同步的外部触发信号，反应时间（RT）的测量将完全独立于主机计算机。对于视觉刺激，我们设计了内置的光信号端口，用于接收由光电二极管产生的触发信号。外部触发信号也可用于校准用户程序返回的刺激 onset 时间。如果用户程序能够提供精确的刺激 onset 时间，RTbox 驱动程序即可实现主机计算机与 RTbox 之间的精确同步，从而无需任何外部触发即可使用 RTbox 获得准确的反应时间测量结果。RTbox 还可接收外部按钮信号，例如来自与 MRI 兼容的按钮盒的输出信号，并将所有输入信号和事件标记传输至其他设备，例如 EEG 系统。它可作为同步 EEG/MRI 记录系统的接口。

实现常规计算机上的高灰度分辨率显示与精确响应时间测量

Enabling High Grayscale Resolution Displays and Accurate Response Time Measurements on Conventional Computers

基于传统显卡的显示系统能够生成具有8位灰度分辨率的图像。然而，大多数视觉科学研究实验需要亮度分辨率超过12位的显示器。目前已有多种解决方案。Bit++1和DataPixx2利用显卡的数字视频接口（DVI）输出，结合高分辨率（14或16位）数模转换器，驱动模拟显示设备。本文所述的VideoSwitcher3则通过无源电阻网络4和有源电路，以不同权重混合显卡红蓝通道输出的模拟视频信号，将完全相同的视频信号传送至彩色显示器的三个通道。该方法可低成本地利用传统显卡和模拟显示器实现高分辨率的单色显示。此外，该系统还能提供触发信号，用于标记刺激起始时间，便于视觉显示与生理记录或反应时间测量之间的同步。
尽管计算机键盘和鼠标常用于测量反应时间（RT），但这些设备的测量精度相当低。RTbox 是一种用于精确测量反应时间的专用硬件和软件解决方案。RTbox 通过 USB 连接与主机计算机相连，其驱动程序兼容所有常规操作系统。它采用微处理器和高分辨率时钟来记录按键事件的身份和时间，这些事件被缓存，直到主机计算机将其读取。所记录的按键事件不受主机计算机中数据传输和处理可能带来的时间不确定性或偏差的影响。异步存储机制极大地简化了用户程序的设计。有多种方法可用于同步 RTbox 与主机计算机的时钟。RTbox 还可接收外部触发信号，并可用于测量相对于外部事件的反应时间。
VideoSwitcher 和 RTbox 均可供用户购买。相关信息及大量演示程序可在 <a href="http://lobes.usc.edu/">http://lobes.usc.edu/</a> 查阅。

传统的计算机硬件无法生成具有足够高灰度分辨率的视觉刺激，也无法以足够的精度测量反应时间。我们介绍了如何使用 VideoSwitcher 产生高分辨率的单色显示，以及如何使用 RTbox 在传统计算机硬件上高精度地测量反应时间。

基于传统计算机图形卡的显示系统能够生成具有8位灰度分辨率的图像。然而，大多数实验……

本视频演示了如何在普通计算机上实现高分辨率灰度显示，并进行精确的响应时间测量。通过连接两台经济实惠的设备——视频切换器和RT Box——到计算机即可实现该功能。接下来，对显示器进行校准，以确保图像强度的准确性。使用具有和不具有增强灰度分辨率的正弦波渐变来展示改进后的灰度分辨率。利用光信号模拟的按钮响应来演示响应时间测量的准确性。与现有方法（如 B++ 和 DataPex）相比，视频切换器的主要优势在于，它使研究人员能够利用常规计算机硬件生成具有高灰度级分辨率的单色显示。它还可以提供触发信号，以同步视觉显示与生理记录或反应时间测量。RT 箱能够实现高精度的反应时间测量。与计算机键盘相比，RT 箱的优势在于其采用微处理器和高分辨率时钟来记录按键事件的身份和时间信息。因此，测得的响应时间不会受到主机计算机中数据传输和处理所带来的时间不确定性或偏差的影响。同时，这也极大地简化了用户程序的设计。在安装视频切换器之前，先关闭计算机和显示器，然后将显示器从计算机显卡上断开。使用提供的 VGA 线缆将视频切换器直接连接到计算机显卡。如果计算机显卡没有 VGA 接口，而是具有集成的数字视频接口（DVI-I 接口），则需要使用 DVI 转 VGA 适配器。使用连接器上的小螺丝固定连接。将显示器的 VGA 电缆连接到视频切换器的输出端口，并使用提供的电源适配器固定连接。将视频切换器连接到电源。现在打开计算机和显示器。视频切换器上的切换按钮允许用户在彩色模式下来回切换显示模式。视频切换器不会改变来自计算机显卡的视频信号。在灰度模式下，显示将变为单色。在此模式下，像素亮度主要由显卡蓝色通道的视频信号决定，红色通道仅有轻微影响，而绿色通道则完全无影响。蓝色通道和红色通道对视频切换器输出的贡献比例称为蓝红比（BR ratio），由制造商提供。对于大多数显示器而言，像素灰度级与像素亮度之间的关系为幂函数关系。幂函数的指数通常称为伽马（gamma）。要确定显示器的伽马值，可以使用光度计测量一个大面积均匀方块在不同像素灰度级别下的亮度，并对结果拟合一个幂函数。一种更灵敏的测定伽马值的方法是：在显示器的一个可视区域内，比较等量的零像素值与最大像素值在时空上的混合效果。然后将像素混合物的亮度与相邻的均匀灰度区域进行比较。首先，将灰度值调整为最大亮度的一半。接着，生成一种新的像素混合物，其像素亮度强度分别为刚刚确定的一半亮度和最大亮度。然后将其与对应于四分之三亮度的灰色相匹配。重复此步骤直至七分之一。已确定从八分之一到八分之七的数值。可通过将幂函数拟合到结果中来确定伽马值。现在使用伽马值以及相应的最小和最大亮度值来设置背景亮度和对比度。通过比较两个正弦波灰度分级，可以展示提高灰度分辨率的效果。左侧的分级使用了视频切换器的全部容量。右侧的分级则是未使用视频切换器时八位显示的结果。首先，使用提供的电缆将RT盒连接到计算机的USB端口，下载并安装驱动程序。因此，计算机系统可以通过能够记录准确刺激开始时间的刺激软件来识别反应时间盒（RT box）。反应时间盒将对时间戳进行转换，反应时间则通过按键时间与刺激开始时间之间的差值来测量。当无法获得可靠的刺激开始时间时。通过光传感器、音频响应或来自视频切换器或类似设备的TTL信号，提供与刺激 onset 同步的反应时（RT）盒触发信号，以验证 RT 盒的准确性。测量光电二极管对屏幕中心闪光的反应时间。刺激 onset 时间由 Psychtoolbox 的屏幕翻转函数返回。光信号与刺激起始之间的时间差应为视频刷新率的一半，对于85赫兹的CRT显示器，即为5.88毫秒。通过观测到的差异来校正刺激名义上的起始时间，测量值的变异性反映了反应时箱（RT box）的精确度。这些数据表明，反应时箱具有极高的工作精度。观看本视频后，您应能充分理解如何使用视频切换器实现高级别显示和非常规计算机硬件的连接，以及如何利用 RT box 简便而精确地测量反应时间。

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