Article de méthode

Mesure de la sensibilité au changement de point de vue avec et sans repères stéréoscopiques

DOI :

10.3791/50877

⸱

4 décembre 2013

 ,  ,  , 
1Research School of Psychology, Australian National University, 2School of Psychology, University of Western Australia, 3McGill Vision Research, Department of Ophthalmology, McGill University

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nous discutons d’une nouvelle méthode de rotation de point de vue des stimuli visuels et démontrons à l’aide d’un stéréoscope miroir la perception tridimensionnelle de la rotation en profondeur. La technique peut être utilisée pour étudier le rôle des indices stéréoscopiques dans l’encodage des figures tournées en point de vue.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La vitesse et la précision de la reconnaissance des objets sont compromises par un changement de point de vue, ce qui démontre que les observateurs humains sont sensibles à cette transformation. Nous discutons ici d’une nouvelle méthode pour simuler l’apparence d’un objet qui a subi une rotation en profondeur, et incluons une exposition des différences entre la perspective et les projections orthographiques. Ensuite, nous décrivons une méthode par laquelle la sensibilité humaine à la rotation en profondeur peut être mesurée. Enfin, nous discutons d’un appareil permettant de créer une perception vive d’une rotation en profondeur en 3 dimensions ; le stéréoscope à huit miroirs de Wheatstone. Ce faisant, nous révélons un moyen d’évaluer le rôle des indices stéréoscopiques dans la discrimination des formes et des objets tournés du point de vue.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De nombreuses études ont montré que la vitesse et la précision de la reconnaissance d’objets sont compromises par un changement de point de vue1-7. Par exemple, la reconnaissance faciale est meilleure lorsque le visage est vu dans le plan fronto-parallèle, c’est-à-dire « de face », et diminue systématiquement lorsque le visage est tourné en profondeur pour s’éloigner du plan fronto-parallèle. Les changements de point de vue peuvent se produire lorsque l’observateur ou l’objet vu se déplace. Il est important de noter que le coût du point de vue est souvent réduit par l’introduction de repères stéréoscopiques pour l’observateur1-4,6,8. Il est toutefois important de faire la distinction entre la rotation des objets 3D et celle des objets planaires. Les premières peuvent révéler de nouvelles textures ou des informations structurelles lors de la rotation, ce qui n’est pas le cas avec des objets planaires. Dans cette communication, nous discutons d’une méthode permettant de simuler l’apparence de formes planes et d’objets qui ont été soumis à une rotation en profondeur, ou RID. Nous décrivons un appareil permettant de transformer la projection bidimensionnelle d’une image RID en une perception 3D (tridimensionnelle) vive du RID basée sur le stéréoscope du miroir de Wheatstone9. Enfin, nous rapportons une méthode psychophysique pour déterminer si les indices stéréoscopiques (3D) influencent notre sensibilité au changement de point de vue. La vidéo 1 montre comment l’apparence d’une forme est modifiée par un changement de point de vue/RID.

Simulation d’un changement de point de vue

Lorsqu’un objet est soumis au RID, il ne change bien sûr pas physiquement d’identité ou de forme. Cependant, du point de vue de l’observateur, la forme change. Par exemple, si vous tenez une feuille de papier directement devant vous en mode paysage, l’image du papier dans votre œil, appelée image rétinienne, est un rectangle horizontal. Si vous faites ensuite pivoter le papier autour de son axe vertical central, l’image rétinienne est raccourcie le long de l’horizontale (voir la figure 1 pour une démonstration). En fin de compte, si vous faites pivoter le papier de 90°, l’image rétinienne est une fine bande de l’épaisseur du papier. Ainsi, le plus grand changement apporté à l’image de la feuille de papier qui a fait l’objet du RID est une compression horizontale de sa forme. Un gradient de changement plus faible se produit dans l’étendue verticale, l’image étant plus haute pour le bord le plus proche, inchangée sur l’axe de rotation et plus courte pour le bord le plus éloigné.

Un RID peut être simulé par une transformation appropriée des images à l’aide de progiciels ou en écrivant son propre code8,10. Les lecteurs qui souhaitent en savoir plus sur RID peuvent consulter des textes pertinents et des sites Web concernant les transformations de point de vue, ou en savoir plus sur les fonctions intégrées dans le logiciel de traitement d’images de progiciels tels que ceux énumérés dans nos matériaux. Cependant, lors de la transformation d’une image d’un stimulus sur un écran pour représenter un angle particulier du RID, il y a une considération supplémentaire : quel type de projection utiliser, orthographique ou perspective ? Lorsque nous observons une scène, les objets proches produisent des images rétiniennes plus grandes que les objets plus éloignés. Pour un objet 2D (bidimensionnel) soumis au RID, cela signifie que la face cachée est plus compressée que la face proche, comme l’illustre la figure 1 (voir en particulier la figure en bas à droite qui a un RID de 60°). L’amplitude de l’asymétrie de compression dépend de la taille de l’objet soumis au RID et de la distance qui nous sépare de celui-ci. La projection en perspective intègre cette asymétrie de compression alors que la projection orthographique l’ignore tout simplement en attribuant les mêmes dimensions aux côtés proche et éloigné de l’objet RID. Étant donné qu’un observateur qui voit un objet planaire pivoter se verra présenter avec cette asymétrie, nous utiliserons ici la projection en perspective. Un autre avantage de notre méthode est que la projection prend en compte la distance de visualisation entre l’observateur et l’écran. Nous avons déjà utilisé notre méthode RID pour simuler des formes pivotées en point de vue à la fois dans la projection en perspective 2D et en 3D8,10.

Simulation d’un changement de point de vue 3D

Pour simuler le RID stéréoscopique, il faut présenter des images légèrement différentes à l’œil gauche et à l’œil droit. Cette différence entre les deux images est connue sous le nom de disparité binoculaire11, et est fonction à la fois de la distance de visualisation et de la séparation entre les yeux, en particulier la distance interpupillaire. Pour revenir à l’exemple de notre feuille de papier en mode paysage, si nous faisons pivoter la feuille de papier autour du centre vertical, dans le sens des aiguilles d’une montre de 45° (de sorte que le bord gauche s’éloigne), la vue de chaque œil du papier est légèrement différente. L’image projetée sur l’œil gauche a une rotation légèrement inférieure à 45° tandis que l’image projetée sur l’œil droit a une rotation légèrement supérieure à 45° (voir la figure 2 pour une illustration - les observateurs qui peuvent fusionner librement les deux images du haut percevront un RID en 3D). Si les angles RID appropriés sont présentés séparément à l’œil gauche et à l’œil droit (la condition stéréo), ils produiront un gradient de disparité et l’observateur est susceptible de rapporter une impression vive d’un RID 3D. Cependant, si des images identiques, représentant une rotation de 45° à partir du point de vue central, sont présentées aux deux yeux (la condition non stéréo), l’observateur verra une représentation 2D des stimuli RID. Une méthode établie pour présenter des images séparées à l’œil gauche et à l’œil droit à l’aide d’un seul moniteur consiste à utiliser une modification du stéréoscope à miroir développé à l’origine par Sir Charles Wheatstone au milieudu 19e siècle12 – voir Figure 3. Lorsque les deux demi-images stéréo sont positionnées à des endroits correspondants dans la vue de chaque œil, elles peuvent être fusionnées binoculairement pour produire une perception 3D (voir Howard et Rogers12 pour un examen approfondi des méthodes stéréo et des limites).

En combinant un changement de point de vue simulé avec une présentation stéréoscopique, nous pouvons déterminer, par exemple, le rôle que jouent les indices stéréoscopiques dans notre capacité à détecter les changements de point de vue. Les résultats de la démonstration ci-dessous révèlent que lorsque la taille d’un objet planaire, dans ce cas un contour courbe, est connue ou familière à l’observateur, la variation de la largeur 2D de la courbe (parfois appelée son affaissement) est utilisée pour détecter le changement de RID, c’est-à-dire de point de vue (voir Bell et al.10 pour le manuscrit complet à cet effet). Nous décrivons ci-dessous en détail une méthode psychophysique permettant de mesurer la sensibilité au changement de RID pour des formes planes définies en 2D et en 3D.

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Protocole

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1. Présélection

  1. Avant le test, obtenez le consentement écrit et éclairé de chaque participant.
  2. Demandez au sujet s’il a une acuité normale ou corrigée à normale (c’est-à-dire des lunettes).
  3. Vérifiez l’acuité stéréo du participant à l’aide d’un simple test stéréo portatif.

2. Réaliser la fusion binoculaire dans le stéréoscope

  1. Asseyez le participant au bureau devant le stéréoscope du miroir et ajustez la hauteur de sa chaise pour plus de confort.
  2. Éteignez les lumières afin qu’elles puissent s’adapter à l’obscurité pendant au moins 3 minutes. Le système visuel est plus performant lorsqu’il est adapté aux conditions d’éclairage actuelles.
  3. Demandez au participant de regarder à travers le stéréoscope. Ils verront une croix affichée sur le moniteur pour chaque œil. Ils doivent ajuster la position horizontale des croix de fixation jusqu’à ce qu’ils ne voient qu’une seule croix, au centre de leur champ de vision. S’ils voient deux croix, alors cette séparation est incorrecte et un ajustement horizontal est nécessaire. Les cibles sont centrées sur les croix lorsqu’elles sont affichées et cette procédure assure la fusion à la bonne distance.
  4. Le participant est maintenant prêt à commencer l’expérience.

3. Instructions de tâche pour l’observateur

  1. « Sur chaque essai, vous verrez deux courbes avec une rotation en profondeur (RID). Vous devez décider laquelle des deux courbes a un RID le plus grand, en d’autres termes laquelle est le plus tournée à l’opposé de votre vue. Appuyez sur le bouton gauche de la souris si le premier stimulus a un RID plus élevé. Appuyez sur le bouton droit de la souris si la deuxième courbe a plus de RID.
  2. « Il s’agit d’une tâche à choix forcé dans laquelle le prochain procès ne commence pas tant qu’une réponse n’a pas été apportée à un essai précédent. »
  3. « Si vous n’êtes pas sûr de quel stimulus a le plus de RID, veuillez faire de votre mieux. »

4. Mesure de la sensibilité au changement de point de vue/RID dans les contours

  1. Pour évaluer le rôle des indices stéréoscopiques dans les jugements de RID, la performance du participant est mesurée séparément dans des conditions où des indices stéréoscopiques de RID sont présentés (conditions stéréoscopiques) et où ils ne sont pas présentés (conditions non stéréoscopiques). Pour présenter des repères stéréoscopiques, l’ordinateur affiche un angle de courbe RID différent à chaque œil de l’observateur, à travers le stéréoscope. Pour présenter les courbes sans repères stéréo, l’ordinateur présente la même courbe RID aux deux yeux (voir la figure 2 pour un exemple). Les étapes méthodologiques ci-dessous sont ensuite répétées pour les deux conditions.
  2. Initier la procédure, composée de 140 essais, pour le participant. Remarque : La méthode des stimuli constants (MOCS13) est utilisée pour garantir un nombre égal d’essais pour chaque valeur de RID de la courbe d’essai utilisée. Les RID peuvent être supérieurs, inférieurs ou égaux à 45°, la valeur particulière étant choisie au hasard dans l’ensemble pour chaque essai. Le RID de la courbe de référence est maintenu constant à 45° RID. L’ordre de présentation des références et des stimuli du test est randomisé pour chaque essai.
  3. Permettez au programme d’enregistrer la fréquence à laquelle le participant choisit le test comme étant à l’angle RID le plus grand.
  4. Donnez aux participants une pause après chaque bloc d’essais. Dans cet exemple, les 140 essais sont constitués de 20 répétitions à chacun des 7 angles RID différents pour la courbe d’essai : 3 angles inférieurs à 45°, 3 angles supérieurs à 45° et 1 RID à 45° précis - identique à la courbe de référence.
  5. À la fin de chaque exécution, l’ordinateur trace des données décrivant la proportion de fois où le participant a choisi le stimulus de test comme étant à un angle RID supérieur à 45°, en fonction de l’angle RID présenté (voir les points de données de la figure 4).
  6. Laissez le logiciel ajuster les données avec une fonction gaussienne cumulative afin de déterminer la précision avec laquelle ils sont capables d’effectuer la discrimination RID. Cette précision est donnée par le paramètre de la fonction ajustée qui détermine la pente (voir exemple de lignes continues sur la figure 4).
  7. Obtenez la pente de chaque parcelle. Les estimations de la pente pour les conditions stéréo et non stéréoscopiques peuvent ensuite être comparées statistiquement afin de déterminer si les repères stéréoscopiques ont contribué à la capacité d’un observateur à détecter un changement de RID.

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Résultats

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Figure 4 présente des exemples de résultats obtenus à partir d’une telle expérience. L’axe des y de chaque figure décrit la proportion de fois où la mire d’essai a été choisie comme ayant un RID plus élevé. Plutôt que de tracer le nombre absolu de fois que cela s’est produit, cela est donné en proportion. L’axe des x décrit le RID physique de la mire d’essai ; se rappelant qu’ici, le motif de référence était maintenu à un RID constant de 45°. Les points de données représentent la proportion de fois où l’...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les méthodes abordées dans cette communication peuvent être utilisées par tout chercheur cherchant à aborder des questions liées à la discrimination et/ou à la reconnaissance d’objets tournés de point de vue. Il est important de noter que la méthode de projection en perspective ne se limite pas aux stimuli démontrés ici ; Au lieu de cela, il peut être appliqué à un large éventail de stimuli expérimentaux, des lignes aux images d’objets complexes. Notre introduction décrit les façons d’appliquer cette transformation à l’a...

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Déclarations de divulgation

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents. Le premier auteur, Jason Bell, est un employé à temps plein de l’Université nationale australienne ; David Badcock et J Edwin Dickinson sont des employés à temps plein de l’Université d’Australie-Occidentale ; Fred Kingdom est un employé à temps plein de l’Université McGill.

Remerciements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Cette recherche a été soutenue par le conseil australien de la recherche. Subvention ARC # DP110101511 accordée à JB ; Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie, CRSNG du Canada Subvention # RGPIN121713-11 accordée à FK ; Subvention ARC # DP130102580 et DP110104553 à DRB.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Test stéréohttp://www.stereooptical.com/products/stereoteststest stéréofly TitmusAppareils de test portables
Appareils stéréo prédéfinishttp://www.stereoaids.com.austéréoscopes prédéfinisConvient pour les ordinateurs de bureau et portables
Stéréoscope miroirFabriqué sur mesure ; ou, Edmundoptics8 stéréoscope miroirwww.edmundoptics.com
Carte graphiqueNVidiaNVidia ou ATI recommandée
Logiciel de contrôle expérimentalMATLABMATLAB, Python, C++, Visual Basic recommandé
Logiciel de contrôle expérimentalPsychtoolbox.orgPsychtoolboxTéléchargement gratuit mais nécessite MATLAB
Logiciel statistiqueGraphpadPrism V5http://www.graphpad.com/
Statistical logicielPalamèdeGuide de psychophysiquehttp://www.palamedestoolbox.org
Documentation sur la projection 3DWikipédiahttp://en.wikipedia.org/wiki/3D_projection

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bennett, D. J., Vuong, Q. C. A stereo advantage in generalizing over changes in viewpoint on object recognition tasks. Percep. Psychophys. 68, 1082-1093 (2006).
  2. Bulthoff, H. H., Edelman, S. Y., Tarr, M. J. How are three-dimensional objects represented in the brain? Cereb. Cortex. 5, 247-260 (1995).
  3. Burke, D. Combining disparate views of objects: Viewpoint costs are reduced by stereopsis. Vis. Cogn. 12, 705-719 (2005).
  4. Burke, D., Taubert, J., Higman, T. Are face representations viewpoint dependent? A stereo advantage for generalising across different views of faces. Vis. Res. 47, 2164-2169 (2007).
  5. Edelman, S., Bulthoff, H. H. Orientation dependence in the recognition of familiar and novel views of three-dimensional objects. Vis. Res. 32, 2385-2400 (1992).
  6. Lim Lee, Y., Saunders, J. A. Stereo improves 3D shape discrimination even when rich monocular shape cues are available. J. Vis. 11, (2011).
  7. Parr, L. A., Siebert, E., Taubert, J. Effect of familiarity and viewpoint on face recognition in chimpanzees. Perception. 40, 863-872 (2011).
  8. Bell, J., Dickinson, J. E., Badcock, D. R. Radial frequency adaptation suggests polar-based coding of local shape cues. Vis. Res. 48, 2293-2301 (2008).
  9. Wade, N. J. On the late invention of the stereoscope. Perception. 16, 785-818 (1987).
  10. Bell, J., Kanji, J., Kingdom, F. A. A. Discrimination of rotated-in-depth curves is facilitated by stereoscopic cues, but curvature is not tuned for stereoscopic rotation-in-depth. Vis. Res. 77, 14-20 (2013).
  11. Regan, D. Human Perception of Objects. , Sinauer Associates, Inc. (2000).
  12. Howard, I. P., Rogers, B. J. Binocular Vision and Stereopsis. , Oxford University Press. (1995).
  13. Kingdom, F. A. A., Prins, N. Psychophysics: A Practical Introduction. , Academic Press: an imprint of Elsevier. (2010).
  14. Kingdom, F. A. Color brings relief to human vision. Nat. Neurosci. 6, 641-644 (2003).
  15. Ustinova, K. I., Perkins, J. Gaze and viewing angle influence visual stabilization of upright posture. Brain Behav. 1, 19-25 (1002).
  16. Shieh, K. -K., Lee, D. -S. Preferred viewing distance and screen angle of electronic paper displays. Appl. Ergon. 38, 601-608 (2007).

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Mots-clés

Sensibilit au changement de point de vueRotation en profondeurSt r oscope miroirsM thode des stimuli constantsFonction SIAN cumulativeAnalyse des donn es comportementalesD pistage de l acuit visuelleTest d acuit st r oscopiqueAjustement de la fusion binoculaire

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