Messung der Empfindlichkeit gegenüber Blickwinkeländerungen mit und ohne stereoskopische Hinweise

Zusammenfassung

Wir diskutieren eine neuartige Methode zur Viewpoint-Rotation von visuellen Reizen und demonstrieren mit einem Spiegelstereoskop die dreidimensionale Wahrnehmung der Tiefenrotation. Die Technik kann verwendet werden, um die Rolle stereoskopischer Hinweise bei der Kodierung von viewpoint-gedrehten Figuren zu untersuchen.

Zusammenfassung

Die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Objekterkennung wird durch eine Änderung des Blickwinkels beeinträchtigt; was zeigt, dass menschliche Beobachter empfindlich auf diese Transformation reagieren. Hier diskutieren wir eine neuartige Methode zur Simulation des Aussehens eines Objekts, das einer Tiefendrehung unterzogen wurde, und erläutern die Unterschiede zwischen perspektivischen und orthographischen Projektionen. Als nächstes beschreiben wir eine Methode, mit der die menschliche Empfindlichkeit gegenüber Tiefendrehung gemessen werden kann. Schließlich diskutieren wir eine Vorrichtung zur Erzeugung einer lebendigen Wahrnehmung einer 3-dimensionalen Tiefendrehung; das Wheatstone Eight Mirror Stereoscope. Auf diese Weise zeigen wir ein Mittel auf, mit dem die Rolle stereoskopischer Hinweise bei der Unterscheidung von punktgedrehten Formen und Objekten bewertet werden kann.

Einleitung

Viele Studien haben gezeigt, dass die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Objekterkennung durch eine Änderung des Blickwinkels^1-7 beeinträchtigt wird. Die Gesichtserkennung ist z. B. am besten, wenn das Gesicht in der frontoparallelen Ebene betrachtet wird, d. h. "vorne auf", und systematisch abnimmt, wenn das Gesicht in der Tiefe von der frontoparallelen Ebene weg gedreht wird. Änderungen des Blickwinkels können entweder auftreten, wenn sich der Beobachter oder das betrachtete Objekt bewegt. Wichtig ist, dass die Kosten für den Blickwinkel oft durch die Einführung stereoskopischer Hinweise auf den Beobachter reduziert werden^1-4,6,8. Es ist jedoch wichtig, zwischen der Drehung von 3D- und planaren Objekten zu unterscheiden. Ersteres kann beim Drehen neue Texturen oder strukturelle Informationen anzeigen, während dies bei planaren Objekten nicht der Fall ist. In dieser Mitteilung diskutieren wir eine Methode zur Simulation des Aussehens von planaren Formen und Objekten, die einer Tiefenrotation (RID) unterzogen wurden. Wir beschreiben eine Vorrichtung zur Umwandlung der zweidimensionalen Projektion eines RID-Bildes in eine lebendige 3D-(dreidimensionale) Wahrnehmung von RID, die auf dem Wheatstone-Spiegelstereoskop⁹ basiert. Schließlich berichten wir über eine psychophysische Methode, um zu bestimmen, ob stereoskopische (3D) Signale unsere Empfindlichkeit gegenüber Blickwinkeländerungen beeinflussen. In Film 1 wird gezeigt, wie das Erscheinungsbild einer Form durch eine Ansichtsänderung/RID verändert wird.

Simulieren einer Blickwinkeländerung

Wenn ein Objekt der RID unterliegt, ändert es sich natürlich nicht physisch in seiner Identität oder Form. Aus der Sicht des Betrachters ändert sich die Form jedoch. Wenn Sie beispielsweise im Querformat ein Blatt Papier direkt vor sich halten, ist das Bild des Papiers in Ihrem Auge, das als Netzhautbild bezeichnet wird, ein horizontales Rechteck. Wenn Sie das Papier dann um die zentrale vertikale Achse drehen, wird das Netzhautbild entlang der Horizontalen verkürzt (siehe Abbildung 1 für eine Demonstration). Wenn Sie das Papier um 90° drehen, ist das Netzhautbild ein dünner Streifen von der Dicke des Papiers. Die größte Veränderung am Bild des Blattes Papier, das der RID unterzogen wurde, ist also eine horizontale Kompression seiner Form. Ein kleinerer Änderungsgradient tritt in der vertikalen Ausdehnung auf, wobei das Bild für die nächstgelegene Kante höher, unverändert an der Rotationsachse und kürzer für die weiter entfernte Kante ist.

Eine RID kann durch geeignete Transformation von Bildern mit Hilfe von Softwarepaketen oder durch das Schreiben von eigenem Code^8,10 simuliert werden. Leser, die mehr über RID erfahren möchten, können relevante Texte und Websites konsultieren, die sich mit der Umwandlung von Standpunkten befassen, oder sich über die integrierten Funktionen in der Bildverarbeitungssoftware von Paketen informieren, wie sie in unseren Materialien aufgeführt sind. Wenn jedoch ein Bild eines Stimulus auf einer Leinwand transformiert wird, um einen bestimmten Winkel der RID darzustellen, gibt es eine zusätzliche Überlegung: Welche Art von Projektion soll verwendet werden, orthographisch oder perspektivisch? Wenn wir eine Szene betrachten, erzeugen Objekte in der Nähe größere Netzhautbilder als weiter entfernte Objekte. Für ein (zweidimensionales) 2D-Objekt, das der RID unterliegt, bedeutet dies, dass die abgewandte Seite stärker gestaucht wird als die nahe Seite, wie Abbildung 1 veranschaulicht (siehe insbesondere die Abbildung unten rechts, die eine RID von 60° aufweist). Die Größe der Kompressionasymmetrie hängt von der Größe des Objekts ab, das der RID unterliegt, und von unserer Entfernung davon. Bei der perspektivischen Projektion wird diese Kompressionsasymmetrie berücksichtigt, während bei der orthogonalen Projektion diese Asymmetrie einfach ignoriert wird, indem der nahen und der fernen Seite des RID-Objekts dieselben Abmessungen zugewiesen werden. Da ein Beobachter, der die Drehung eines planaren Objekts beobachtet, mit dieser Asymmetrie konfrontiert wird, verwenden wir hier die perspektivische Projektion. Ein weiterer Vorteil unserer Methode ist, dass die Projektion den Betrachtungsabstand vom Betrachter zur Leinwand berücksichtigt. Wir haben zuvor unsere RID-Methode verwendet, um gedrehte Formen von Standpunkten sowohl in der perspektivischen 2D-Projektion als auch in 3D^8,10 zu simulieren.

Simulieren einer Änderung des 3D-Blickwinkels

Um stereoskopisches RID zu simulieren, muss man dem linken und rechten Auge leicht unterschiedliche Bilder präsentieren. Diese Differenz zwischen den beiden Bildern wird als binokulare Disparität¹¹ bezeichnet und ist eine Funktion sowohl des Betrachtungsabstands als auch des Augenabstands, insbesondere des pupillenübergreifenden Abstands. Um auf das Beispiel unseres Blattes Papier im Querformat zurückzukommen: Wenn wir das Blatt Papier um die vertikale Mitte um 45° im Uhrzeigersinn drehen (so dass die linke Kante zurückweicht), ist die Sicht jedes Auges auf das Papier etwas anders. Das Bild, das auf das linke Auge projiziert wird, hat eine Drehung von etwas weniger als 45°, während das Bild, das auf das rechte Auge projiziert wird, eine Drehung von etwas mehr als 45° aufweist (siehe Abbildung 2 für eine Illustration - Beobachter, die die beiden oberen Bilder frei verschmelzen können, werden eine RID in 3D wahrnehmen). Wenn die entsprechenden RID-Winkel getrennt für das linke und das rechte Auge dargestellt werden (die Stereobedingung), erzeugen sie einen Disparitätsgradienten und der Betrachter wird wahrscheinlich einen lebhaften Eindruck einer 3D-RID vermitteln. Wenn jedoch identische Bilder, die eine 45°-Drehung vom zentralen Betrachtungspunkt darstellen, beiden Augen präsentiert werden (die nicht-stereoe Bedingung), sieht der Betrachter eine 2D-Darstellung der RID-Stimuli. Eine etablierte Methode, um getrennte Bilder für das linke und rechte Auge mit einem einzigen Monitor darzustellen, ist die Verwendung einer Modifikation des Spiegelstereoskops, die ursprünglich von Sir Charles Wheatstone in der Mitte des 19^. Jahrhunderts entwickelt wurde¹² – siehe Abbildung 3. Wenn die beiden Stereo-Halbbilder an entsprechenden Positionen im Sichtfeld jedes Auges positioniert sind, können sie binokular verschmolzen werden, um eine 3D-Wahrnehmung zu erzeugen (siehe Howard und Rogers¹² für einen ausführlichen Überblick über Stereomethoden und -grenzen).

Durch die Kombination einer simulierten Blickwinkeländerung mit einer stereoskopischen Darstellung können wir zum Beispiel die Rolle bestimmen, die stereoskopische Hinweise bei unserer Fähigkeit spielen, Änderungen des Blickwinkels zu erkennen. Die folgenden Demonstrationsergebnisse zeigen, dass, wenn die Größe eines planaren Objekts, in diesem Fall einer gekrümmten Kontur, dem Beobachter bekannt oder vertraut ist, die Änderung der 2D-Breite der Kurve (manchmal auch als Durchhang bezeichnet) verwendet wird, um die Änderung der RID, d.h. des Blickwinkels, zu erkennen (siehe Bell et al.¹⁰ für das vollständige Manuskript zu diesem Effekt). Im Folgenden wird eine psychophysische Methode zur Messung der Sensitivität gegenüber RID-Änderungen für 2D- und 3D-definierte planare Formen ausführlich beschrieben.

Protokoll

1. Vorauswahl

1. Holen Sie vor dem Test die schriftliche und informierte Zustimmung jedes Teilnehmers ein.
2. Fragen Sie den Probanden, ob er eine normale oder eine korrigierte Sehschärfe hat (z. B. eine Brille).
3. Überprüfen Sie die Stereoschärfe des Teilnehmers mit einem einfachen Stereo-Handheld-Test.

2. Binokularfusion im Stereoskop erreichen

1. Setzen Sie den Teilnehmer an den Schreibtisch vor dem Spiegelstereoskop und stellen Sie die Höhe seines Stuhls für mehr Komfort ein.
2. Schalten Sie das Licht aus, damit es sich für mindestens 3 Minuten an die Dunkelheit anpassen kann. Das visuelle System funktioniert am besten, wenn es an die vorherrschenden Lichtverhältnisse angepasst ist.
3. Lassen Sie den Teilnehmer durch das Stereoskop schauen. Für jedes Auge wird auf dem Monitor ein Kreuz angezeigt. Sie müssen die horizontale Position der Befestigungskreuze so einstellen, dass sie nur noch ein Kreuz in der Mitte ihres Sichtfeldes sehen. Wenn sie zwei Kreuze sehen, dann ist diese Trennung falsch und eine horizontale Anpassung erforderlich. Die Ziele werden bei der Anzeige auf den Kreuzen zentriert und dieses Verfahren gewährleistet die Fusion in der richtigen Entfernung.
4. Der Teilnehmer ist nun bereit, mit dem Experiment zu beginnen.

3. Aufgabenanweisungen für den Beobachter

1. "Bei jedem Versuch sehen Sie zwei Kurven mit Rotation-in-Depth (RID). Sie müssen entscheiden, welche der beiden Kurven eine größere RID hat, d. h. welche stärker von Ihrer Ansicht weg gedreht wird. Drücken Sie die linke Maustaste, wenn der erste Stimulus eine größere RID hat. Drücken Sie die rechte Maustaste, wenn die zweite Kurve mehr RID hat."
2. "Dies ist eine Forced-Choice-Aufgabe, bei der der nächste Prozess erst beginnt, wenn eine Antwort auf einen früheren Prozess erfolgt ist."
3. "Wenn Sie sich nicht sicher sind, welcher Stimulus mehr RID hat, nehmen Sie bitte Ihre beste Vermutung."

4. Messung der Empfindlichkeit gegenüber Blickwinkeländerungen/RID in Konturen

1. Um die Rolle stereoskopischer Hinweise bei der Beurteilung von RID zu bewerten, wird die Leistung des Teilnehmers separat unter Bedingungen gemessen, unter denen stereoskopische Hinweise auf RID präsentiert werden (Stereobedingungen) und unter Bedingungen, unter denen sie nicht präsentiert werden (nicht-stereoe Bedingungen). Um stereoskopische Hinweise darzustellen, zeigt der Computer jedem Auge des Beobachters durch das Stereoskop einen anderen RID-Kurvenwinkel an. Um die Kurven ohne Stereo-Cues darzustellen, präsentiert der Computer beiden Augen die gleiche RID-Kurve (siehe Abbildung 2 für ein Beispiel hierfür). Die folgenden methodischen Schritte werden dann für beide Bedingungen wiederholt.
2. Initiieren Sie das Verfahren, das aus 140 Versuchen für den Teilnehmer besteht. Anmerkung: Die Methode der konstanten Stimuli (MOCS¹³) wird verwendet, um sicherzustellen, dass für jeden RID-Wert der verwendeten Testkurve die gleiche Anzahl von Versuchen durchgeführt wird. Die RIDs können entweder größer, kleiner oder gleich 45° sein, wobei der jeweilige Wert nach dem Zufallsprinzip aus dem Set für jeden Versuch ausgewählt wird. Die RID der Referenzkurve wird konstant bei 45° RID gehalten. Die Präsentationsreihenfolge der Referenz- und Teststimuli wird bei jedem Versuch randomisiert.
3. Lassen Sie das Programm aufzeichnen, wie oft der Teilnehmer den Test mit dem größeren RID-Winkel auswählt.
4. Gönnen Sie den Teilnehmern nach jedem Versuchsblock eine Pause. In diesem Beispiel setzen sich die 140 Versuche aus 20 Wiederholungen zu je 7 verschiedenen RID-Winkeln für die Testkurve zusammen: 3 Winkel kleiner 45°, 3 Winkel größer als 45° und 1 RID bei genau 45° - genau wie die Referenzkurve.
5. Am Ende jedes Durchlaufs stellt der Computer Daten grafisch dar, die beschreiben, wie oft der Teilnehmer den Teststimulus in einem RID-Winkel von mehr als 45° gewählt hat, als Funktion des präsentierten RID-Winkels (siehe Beispieldatenpunkte in Abbildung 4).
6. Lassen Sie die Software die Daten mit einer kumulativen Gaußschen Funktion anpassen, um die Genauigkeit zu bestimmen, mit der sie in der Lage ist, die RID-Unterscheidung vorzunehmen. Diese Genauigkeit wird durch den Parameter der angepassten Funktion angegeben, der die Steigung bestimmt (siehe Beispiel für durchgezogene Linien in Abbildung 4).
7. Ermitteln Sie die Neigung aus jedem Diagramm. Die Steigungsschätzungen für die Stereo- und Nicht-Stereobedingungen können dann statistisch verglichen werden, um zu bestimmen, ob stereoskopische Hinweise dazu beigetragen haben, dass ein Beobachter eine Änderung der RID erkennen kann.

Ergebnisse

Abbildung 4 zeigt Beispielergebnisse aus einem solchen Experiment. Die y-Achse in jeder Abbildung beschreibt den Anteil, in dem das Testmuster mit einer größeren RID ausgewählt wurde. Anstatt die absolute Anzahl der Male darzustellen, die dies geschah, wird dies als Verhältnis angegeben. Die x-Achse beschreibt die physikalische RID des Testmusters; Zur Erinnerung, dass hier die Referenzcharakteristik bei konstanten 45° RID gehalten wurde. Die Datenpunkte stellen den Anteil der Male dar, in denen der Beob...

Diskussion

Die in dieser Mitteilung diskutierten Methoden können von jedem Forscher verwendet werden, der Fragen im Zusammenhang mit der Unterscheidung und/oder dem Erkennen von aus dem Blickwinkel gedrehten Objekten beantworten möchte. Wichtig ist, dass die Methode der perspektivischen Projektion nicht auf die hier demonstrierten Reize beschränkt ist; Stattdessen kann es auf eine Vielzahl von experimentellen Stimuli angewendet werden, von Linien bis hin zu Bildern komplexer Objekte. In unserer Einführung werden Möglichkeiten besch...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Stereo-Test	http://www.stereooptical.com/products/stereotests	Titmus Stereofly-Test	Handheld-Testgeräte
Vorgefertigte Stereogeräte	http://www.stereoaids.com.au	vorgefertigte Stereoskope	Geeignet für Desktop- und Laptop-Computer
Spiegel-Stereoskop	Sonderanfertigung; oder Edmundoptics	8 Spiegel-Stereoskop	www.edmundoptics.com
Grafikkarte	NVidia NVidia		oder ATI empfohlen
Experimentelle Steuerungssoftware	MATLAB MATLAB		, Python, C++, Visual Basic empfohlen
Experimentelle Steuerungssoftware	Psychtoolbox.org	Psychtoolbox	Kostenloser Download, erfordert aber MATLAB
Statistical Software	Graphpad	Prism V5	http://www.graphpad.com/
Statistical Software	Palamedes	Psychophysik Leitfaden	http://www.palamedestoolbox.org
3D Projektion Dokumentation	Wikipedia		http://en.wikipedia.org/wiki/3D_projection