Medición de la sensibilidad al cambio de punto de vista con y sin señales estereoscópicas

Resumen

Discutimos un método novedoso para la rotación de estímulos visuales y demostramos utilizando un estereoscopio de espejo la percepción tridimensional de la rotación en profundidad. La técnica se puede utilizar para investigar el papel de las señales estereoscópicas en la codificación de figuras giradas desde el punto de vista.

Resumen

La velocidad y precisión del reconocimiento de objetos se ve comprometida por un cambio de punto de vista; lo que demuestra que los observadores humanos son sensibles a esta transformación. Aquí discutimos un método novedoso para simular la apariencia de un objeto que ha sufrido una rotación en profundidad, e incluimos una exposición de las diferencias entre la perspectiva y las proyecciones ortográficas. A continuación, describimos un método mediante el cual se puede medir la sensibilidad humana a la rotación en profundidad. Finalmente, discutimos un aparato para crear una percepción vívida de una rotación tridimensional en profundidad; el estereoscopio de ocho espejos de Wheatstone. Al hacerlo, revelamos un medio para evaluar el papel de las señales estereoscópicas en la discriminación de formas y objetos rotados desde el punto de vista.

Introducción

Muchos estudios han demostrado que la velocidad y precisión del reconocimiento de objetos se ve comprometida por un cambio en el punto de vista^1-7. Por ejemplo, el reconocimiento facial es mejor cuando la cara se ve en el plano fronto-paralelo, es decir, "de frente", y disminuye sistemáticamente a medida que la cara se gira en profundidad lejos del plano fronto-paralelo. Los cambios en el punto de vista pueden ocurrir cuando el observador o el objeto visto se mueve. Es importante destacar que el costo del punto de vista a menudo se reduce mediante la introducción de señales estereoscópicas para el observador^1-4,6,8. Sin embargo, es importante distinguir entre la rotación de objetos 3D y planos. El primero puede revelar nuevas texturas o información estructural bajo rotación, mientras que esto no ocurre con los objetos planos. En esta comunicación discutimos un método para simular la apariencia de formas planas y objetos que han sido sujetos a rotación en profundidad, o RID. Describimos un aparato para convertir la proyección bidimensional de una imagen RID en una vívida percepción 3D (tridimensional) de RID que se basa en el estereoscopio de espejo de Wheatstone⁹. Finalmente, presentamos un método psicofísico para determinar si las señales estereoscópicas (3D) influyen en nuestra sensibilidad al cambio de punto de vista. En la película 1 se muestra cómo la apariencia de una forma se ve alterada por un cambio de punto de vista/RID.

Simulando un cambio de punto de vista

Cuando un objeto está sujeto a RID, por supuesto, no cambia físicamente de identidad o forma. Sin embargo, desde el punto de vista del observador, la forma cambia. Por ejemplo, si sostienes una hoja de papel directamente frente a ti en vista horizontal, la imagen del papel en tu ojo, denominada imagen de la retina, es un rectángulo horizontal. Si luego gira el papel alrededor de su eje vertical central, la imagen de la retina se escorza a lo largo de la horizontal (consulte la Figura 1 para una demostración). En última instancia, si gira el papel 90°, la imagen de la retina es una tira delgada del grosor del papel. Por lo tanto, el mayor cambio en la imagen de la hoja de papel que ha sido objeto de RID es una compresión horizontal de su forma. Se produce un gradiente de cambio más pequeño en la extensión vertical, siendo la imagen más alta para el borde más cercano sin cambios en el eje de rotación y más corta para el borde más lejano.

Un RID se puede simular mediante la transformación adecuada de imágenes utilizando paquetes de software o escribiendo el propio código^8,10. Los lectores que deseen saber más sobre RID pueden consultar textos relevantes y sitios web relacionados con las transformaciones de puntos de vista, o aprender sobre las funciones integradas en el software de procesamiento de imágenes de paquetes como los enumerados en nuestros Materiales. Sin embargo, a la hora de transformar una imagen de un estímulo en una pantalla para representar un ángulo particular de RID hay una consideración adicional: ¿qué tipo de proyección usar, ortográfica o de perspectiva? Cuando vemos una escena, los objetos cercanos producen imágenes retinianas más grandes que los objetos más lejanos. Para un objeto 2D (bidimensional) que está sujeto a RID, esto significa que el lado lejano se comprime más que el lado cercano, como se muestra en la Figura 1 (consulte en particular la figura inferior derecha, que tiene un RID de 60°). La magnitud de la asimetría de compresión depende del tamaño del objeto que está sujeto a RID y de nuestra distancia a él. La proyección en perspectiva incorpora esta asimetría de compresión, mientras que la proyección ortográfica simplemente la ignora asignando las mismas dimensiones a los lados cercano y lejano del objeto RID. Dado que un observador que ve rotar un objeto plano se presentará con esta asimetría, aquí usaremos la proyección en perspectiva. Otra ventaja de nuestro método es que la proyección tiene en cuenta la distancia de visualización entre el observador y la pantalla. Anteriormente hemos utilizado nuestro método RID para simular formas rotadas desde el punto de vista tanto en proyección en perspectiva 2D como en 3D^8,10.

Simulando un cambio de punto de vista 3D

Para simular un RID estereoscópico es necesario presentar imágenes ligeramente diferentes a los ojos izquierdo y derecho. Esta diferencia entre las dos imágenes se conoce como disparidad binocular¹¹, y es una función tanto de la distancia de visión como de la separación entre los ojos, específicamente la distancia interpupilar. Volviendo al ejemplo de nuestra hoja de papel en vista horizontal, si giramos la hoja de papel alrededor del centro vertical, en el sentido de las agujas del reloj 45° (por lo que el borde izquierdo se aleja), la vista de cada ojo del papel es ligeramente diferente. La imagen proyectada en el ojo izquierdo tiene una rotación ligeramente inferior a 45°, mientras que la imagen proyectada en el ojo derecho tiene una rotación ligeramente superior a 45° (consulte la Figura 2 para obtener una ilustración: los observadores que pueden fusionar libremente las dos imágenes superiores percibirán un RID en 3D). Si los ángulos RID apropiados se presentan por separado para los ojos izquierdo y derecho (la condición estéreo), producirán un gradiente de disparidad y es probable que el observador informe de una impresión vívida de un RID 3D. Sin embargo, si se presentan imágenes idénticas, que representan una rotación de 45° desde el punto de vista central, a ambos ojos (la condición no estereoscópica), el observador verá una representación en 2D de los estímulos RID. Un método establecido para presentar imágenes separadas a los ojos izquierdo y derecho usando un solo monitor es usar una modificación del estereoscopio de espejo desarrollado originalmente por Sir Charles Wheatstone a mediados del siglo^{XIX 12} (ver Figura 3). Cuando las dos medias imágenes estéreo se colocan en las ubicaciones correspondientes en la vista de cada ojo, se pueden fusionar binocularmente para producir una percepción 3D (ver Howard y Rogers¹² para una revisión extensa de los métodos y limitaciones estéreo).

Al combinar un cambio de punto de vista simulado con una presentación estereoscópica podemos determinar, por ejemplo, el papel que juegan las señales estereoscópicas en nuestra capacidad para detectar cambios en el punto de vista. Los resultados de la demostración a continuación revelan que cuando el tamaño de un objeto plano, en este caso un contorno curvo, es conocido o familiar para el observador, el cambio en el ancho 2D de la curva (a veces denominado hundimiento) se utiliza para detectar el cambio en RID, es decir, el punto de vista (ver Bell et al.¹⁰ para el manuscrito completo a este efecto). A continuación, describimos en detalle un método psicofísico para medir la sensibilidad al cambio de RID para formas planas definidas en 2D y 3D.

Protocolo

1. Preselección

1. Antes de la prueba, obtenga el consentimiento escrito e informado de cada participante.
2. Pregúntele al sujeto si tiene una agudeza normal o corregida a normal (es decir, anteojos).
3. Verifique la agudeza estéreo del participante utilizando una simple prueba estéreo de mano.

2. Lograr la fusión binocular en el estereoscopio

1. Siente al participante en el escritorio frente al espejo estereoscópico y ajusta la altura de su silla para mayor comodidad.
2. Apague las luces para que se oscurezcan durante un mínimo de 3 minutos. El sistema visual funciona mejor cuando se adapta a las condiciones de iluminación predominantes.
3. Pida al participante que mire a través del estereoscopio. Verán una cruz en el monitor para cada ojo. Deben ajustar la posición horizontal de las cruces de fijación hasta que vean una sola cruz, en el centro de su campo de visión. Si ven dos cruces, entonces esta separación es incorrecta y es necesario un ajuste horizontal. Los objetivos se centran en las cruces cuando se muestran y este procedimiento garantiza la fusión a la distancia correcta.
4. El participante ya está listo para comenzar el experimento.

3. Instrucciones de la tarea para el observador

1. "En cada prueba verás dos curvas que tienen rotación en profundidad (RID). Debe decidir cuál de las dos curvas tiene un RID mayor, en otras palabras, cuál está más rotada lejos de su vista. Pulse el botón izquierdo del ratón si el primer estímulo tiene un RID mayor. Pulse el botón derecho del ratón si la segunda curva tiene más RID".
2. "Esta es una tarea de elección forzada en la que el próximo juicio no comienza hasta que se ha dado una respuesta a un juicio anterior".
3. "Si no está seguro de qué estímulo tiene más RID, por favor haga su mejor suposición".

4. Medición de la sensibilidad al cambio de punto de vista/RID en contornos

1. Para evaluar el papel de las señales estereoscópicas en los juicios de RID, el rendimiento del participante se mide por separado en condiciones en las que se presentan señales estereoscópicas para RID (condiciones estéreo) y en las que no se presentan (condiciones no estereoscópicas). Para presentar señales estereoscópicas, la computadora muestra un ángulo de curva RID diferente a cada ojo del observador, a través del estereoscopio. Para presentar las curvas sin señales estéreo, el ordenador presenta la misma curva RID a ambos ojos (consulte la Figura 2 para ver un ejemplo de esto). A continuación, se repiten los pasos metodológicos que se indican a continuación para ambas afecciones.
2. Iniciar el procedimiento, compuesto por 140 ensayos, para el participante. Nota: El Método de Estímulos Constantes (MOCS¹³) se utiliza para asegurar el mismo número de ensayos para cada valor de RID de la curva de prueba empleada. Los RID pueden ser mayores, menores o iguales a 45°, y el valor particular se elige aleatoriamente del conjunto para cada prueba. El RID de la curva de referencia se mantiene constante a 45° RID. El orden de presentación de los estímulos de referencia y prueba es aleatorio en cada ensayo.
3. Permita que el programa registre la frecuencia con la que el participante elige la prueba como si estuviera en el ángulo RID mayor.
4. Dé a los participantes un descanso después de cada bloque de pruebas. En este ejemplo, los 140 ensayos se componen de 20 repeticiones en cada uno de los 7 ángulos RID diferentes para la curva de prueba: 3 ángulos menores de 45°, 3 ángulos mayores que 45° y 1 RID exactamente 45°, lo mismo que la curva de referencia.
5. Al final de cada ejecución, la computadora traza datos que describen la proporción de veces que el participante eligió el estímulo de prueba como si estuviera en un ángulo RID mayor de 45°, en función del ángulo RID presentado (ver puntos de datos de ejemplo en la Figura 4).
6. Deje que el software ajuste los datos con una función gaussiana acumulativa para determinar la precisión con la que pueden hacer la discriminación RID. Esta precisión viene dada por el parámetro de la función ajustada que determina la pendiente (véase el ejemplo de líneas continuas en la Figura 4).
7. Obtener la pendiente de cada parcela. Las estimaciones de pendiente para las condiciones estereoscópicas y no estereoscópicas se pueden comparar estadísticamente para determinar si las señales estereoscópicas han contribuido a la capacidad de un observador para detectar un cambio en el RID.

Resultados

La figura 4 muestra ejemplos de resultados obtenidos de dicho experimento. El eje Y de cada figura describe la proporción de veces que se eligió el patrón de prueba como con un RID mayor. En lugar de trazar el número absoluto de veces que esto ocurrió, esto se da como una proporción. El eje x describe el RID físico del patrón de prueba; recordando que aquí, el patrón de referencia se mantuvo en un RID constante de 45°. Los puntos de datos representan la proporción de veces que el observador eligió la cur...

Discusión

Los métodos discutidos en esta comunicación pueden ser utilizados por cualquier investigador que busque abordar cuestiones relacionadas con la discriminación y / o el reconocimiento de objetos girados desde el punto de vista. Es importante destacar que el método de proyección en perspectiva no se limita a los estímulos que se muestran aquí; en cambio, se puede aplicar a una amplia gama de estímulos experimentales, desde líneas hasta imágenes de objetos complejos. Nuestra introducción describe formas de aplicar esta trans...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Pruebas estéreo	http://www.stereooptical.com/products/stereotests	Prueba de mosca estéreo	Titmus Dispositivos de prueba portátiles
Dispositivos estéreo preconstruidos	http://www.stereoaids.com.au	estereoscopios preconstruidos	Adecuado para computadoras de escritorio y portátiles
Estereoscopio de espejo Hecho	a medida; o, Edmundoptics	8 estereoscopio de espejo	www.edmundoptics.com
Tarjeta gráfica	NVidia		Recomendado NVidia o ATI
Software de control experimental	MATLAB		Se recomienda MATLAB, Python, C++, Visual Basic
Software de control experimental	Psychtoolbox.org	Psychtoolbox	Se puede descargar gratis pero requiere el software estadístico MATLAB
	Graphpad	Prism V5	http://www.graphpad.com/
Statistical software	Palamedes	Psicofísica guía	http://www.palamedestoolbox.org
Proyección 3D documentación	Wikipedia		http://en.wikipedia.org/wiki/3D_projection