Misurazione Sensibilità alla Viewpoint Cambia con e senza stereoscopico Cues

Sommario

Discutiamo un nuovo metodo per la rotazione del punto di vista degli stimoli visivi e dimostriamo utilizzando uno stereoscopio a specchio la percezione tridimensionale della rotazione in profondità. La tecnica può essere utilizzata per studiare il ruolo dei segnali stereoscopici nella codifica di figure ruotate dal punto di vista.

Abstract

La velocità e l'accuratezza del riconoscimento degli oggetti sono compromesse da un cambiamento di punto di vista, dimostrando che gli osservatori umani sono sensibili a questa trasformazione. Qui discutiamo un nuovo metodo per simulare l'aspetto di un oggetto che ha subito una rotazione in profondità e includiamo un'esposizione delle differenze tra proiezioni prospettiche e ortografiche. Successivamente descriviamo un metodo con cui è possibile misurare la sensibilità umana alla rotazione in profondità. Infine discutiamo di un apparato per creare una vivida percezione di una rotazione tridimensionale in profondità; lo stereoscopio a otto specchi di Wheatstone. In questo modo, riveliamo un mezzo con cui valutare il ruolo dei segnali stereoscopici nella discriminazione di forme e oggetti ruotati dal punto di vista.

Introduzione

Molti studi hanno dimostrato che la velocità e l'accuratezza del riconoscimento degli oggetti sono compromesse da un cambiamento nel punto di vista^1-7. Ad esempio, il riconoscimento facciale è migliore quando il volto viene visualizzato sul piano fronto-parallelo, cioè "frontalmente", e diminuisce sistematicamente man mano che il volto viene ruotato in profondità lontano dal piano fronto-parallelo. I cambiamenti nel punto di vista possono verificarsi quando l'osservatore o l'oggetto visualizzato si muove. È importante sottolineare che il costo del punto di vista è spesso ridotto dall'introduzione di segnali stereoscopici all'osservatore^1-4,6,8. Tuttavia, è importante distinguere tra la rotazione di oggetti 3D e planari. Il primo può rivelare nuove texture o informazioni strutturali durante la rotazione, mentre ciò non avviene con gli oggetti planari. In questa comunicazione discutiamo un metodo per simulare l'aspetto di forme planari e oggetti che sono stati soggetti a rotazione in profondità, o RID. Descriviamo un apparato per trasformare la proiezione bidimensionale di un'immagine RID in una vivida percezione 3D (tridimensionale) di RID basata sullo stereoscopio a specchio di Wheatstone⁹. Infine, riportiamo un metodo psicofisico per determinare se i segnali stereoscopici (3D) influenzano la nostra sensibilità al cambiamento di punto di vista. Il filmato 1 mostra come l'aspetto di una forma venga alterato da un cambio di punto di vista/RID.

Simulare un Cambio di Punto di Vista

Quando un oggetto è soggetto a RID, ovviamente non cambia fisicamente identità o forma. Tuttavia, dal punto di vista dell'osservatore, la forma cambia. Ad esempio, se tieni un foglio di carta direttamente di fronte a te in vista orizzontale, l'immagine della carta nel tuo occhio, chiamata immagine retinica, è un rettangolo orizzontale. Se poi si ruota la carta attorno al suo asse verticale centrale, l'immagine retinica diventa scorciata lungo l'orizzontale (vedere la Figura 1 per una dimostrazione). In definitiva, se si ruota la carta di 90°, l'immagine retinica è una striscia sottile dello spessore della carta. Pertanto, la più grande modifica all'immagine del foglio di carta che è stato soggetto a RID è una compressione orizzontale della sua forma. Un gradiente di variazione più piccolo si verifica nell'estensione verticale, con l'immagine più alta per il bordo più vicino, invariata sull'asse di rotazione e più corta per il bordo più lontano.

Un RID può essere simulato mediante un'appropriata trasformazione delle immagini utilizzando pacchetti software o scrivendo il proprio codice^8,10. I lettori che desiderano saperne di più su RID possono consultare testi e siti web pertinenti relativi alle trasformazioni dei punti di vista, o conoscere le funzioni integrate nel software di elaborazione delle immagini di pacchetti come quelli elencati nei nostri Materiali. Tuttavia, quando si trasforma l'immagine di uno stimolo su uno schermo per rappresentare un particolare angolo di RID c'è un'ulteriore considerazione: quale tipo di proiezione utilizzare, ortografica o prospettica? Quando osserviamo una scena, gli oggetti vicini producono immagini retiniche più grandi rispetto agli oggetti più lontani. Per un oggetto 2D (bidimensionale) soggetto a RID ciò significa che il lato nascosto è compresso più del lato vicino, come illustrato nella Figura 1 (si veda in particolare la figura in basso a destra che ha un RID di 60°). L'entità dell'asimmetria di compressione dipende dalle dimensioni dell'oggetto soggetto a RID e dalla nostra distanza da esso. La proiezione prospettica incorpora questa asimmetria di compressione, mentre la proiezione ortogonale la ignora semplicemente assegnando le stesse dimensioni ai lati vicini e lontani dell'oggetto RID. Poiché un osservatore che osserva la rotazione di un oggetto planare si troverà di fronte a questa asimmetria, qui utilizzeremo la proiezione prospettica. Un altro vantaggio del nostro metodo è che la proiezione tiene conto della distanza di visione dall'osservatore allo schermo. In precedenza abbiamo utilizzato il nostro metodo RID per simulare forme ruotate di punti di vista sia in proiezione prospettica 2D che in 3D^8,10.

Simulare un Cambiamento di Punto di Vista 3D

Per simulare il RID stereoscopico è necessario presentare immagini leggermente diverse agli occhi sinistro e destro. Questa differenza tra le due immagini è nota come disparità binoculare¹¹ ed è una funzione sia della distanza di visione che della separazione tra gli occhi, in particolare della distanza interpupillare. Tornando all'esempio del nostro foglio di carta in visualizzazione orizzontale, se ruotiamo il pezzo di carta attorno al centro verticale, in senso orario di 45° (quindi il bordo sinistro si sta allontanando), la vista di ciascun occhio del foglio è leggermente diversa. L'immagine proiettata sull'occhio sinistro è leggermente inferiore a una rotazione di 45°, mentre l'immagine proiettata sull'occhio destro è leggermente superiore a una rotazione di 45° (vedi Figura 2 per un'illustrazione: gli osservatori che possono fondere liberamente le due immagini superiori percepiranno un RID in 3D). Se gli angoli di RID appropriati sono presentati separatamente all'occhio sinistro e destro (la condizione stereo), produrranno un gradiente di disparità ed è probabile che l'osservatore riporti un'impressione vivida di un RID 3D. Tuttavia, se immagini identiche, che rappresentano una rotazione di 45° dal punto di osservazione centrale, vengono presentate a entrambi gli occhi (la condizione non stereo), l'osservatore vedrà una rappresentazione 2D degli stimoli RID. Un metodo consolidato per presentare immagini separate all'occhio sinistro e destro utilizzando un singolo monitor consiste nell'utilizzare una modifica dello stereoscopio a specchio originariamente sviluppato da Sir Charles Wheatstone a metà del^{XIX secolo 12} - vedi Figura 3. Quando le due stereo-semi-immagini sono posizionate in posizioni corrispondenti nella vista di ciascun occhio, possono essere fuse binocularemente per produrre una percezione 3D (vedi Howard e Rogers¹² per un'ampia rassegna dei metodi e delle limitazioni stereo).

Combinando un cambiamento di punto di vista simulato con una presentazione stereoscopica possiamo determinare, ad esempio, il ruolo che i segnali stereoscopici svolgono nella nostra capacità di rilevare i cambiamenti di punto di vista. I risultati dimostrativi riportati di seguito rivelano che quando la dimensione di un oggetto planare, in questo caso un contorno curvo, è nota o familiare all'osservatore, il cambiamento nella larghezza 2D della curva (a volte chiamato il suo abbassamento) viene utilizzato per rilevare il cambiamento nel RID, cioè nel punto di vista (vedi Bell et al.¹⁰ per il manoscritto completo su questo effetto). Di seguito descriviamo in dettaglio un metodo psicofisico per misurare la sensibilità al cambiamento di RID per forme planari definite in 2D e 3D.

Protocollo

1. Preselezione

1. Prima del test, ottenere il consenso scritto e informato da ciascun partecipante.
2. Chiedi al soggetto se ha un'acutezza normale o corretta alla norma (ad es. occhiali).
3. Verificare l'acutezza stereo del partecipante utilizzando un semplice test stereo portatile.

2. Ottenere la Fusione Binoculare nello Stereoscopio

1. Fai sedere il partecipante alla scrivania di fronte allo stereoscopio dello specchio e regola l'altezza della sedia per il massimo comfort.
2. Spegnere le luci in modo che si adattino al buio per un minimo di 3 minuti. Il sistema visivo funziona al meglio quando è adattato alle condizioni di illuminazione prevalenti.
3. Chiedi al partecipante di guardare attraverso lo stereoscopio. Vedranno una croce visualizzata sul monitor per ogni occhio. Devono regolare la posizione orizzontale delle croci di fissazione fino a quando non vedono una sola croce, al centro del loro campo visivo. Se vedono due croci, questa separazione non è corretta ed è necessaria una regolazione orizzontale. I bersagli sono centrati sulle croci quando vengono visualizzati e questa procedura garantisce la fusione alla distanza corretta.
4. Il partecipante è ora pronto per iniziare l'esperimento.

3. Istruzioni per l'Osservatore

1. "In ogni prova vedrai due curve che hanno una profondità di rotazione (RID). Ti viene richiesto di decidere quale delle due curve ha un RID maggiore, in altre parole quale è più ruotata lontano dalla tua vista. Premere il pulsante sinistro del mouse se il primo stimolo ha un RID maggiore. Premere il tasto destro del mouse se la seconda curva ha più RID.
2. "Si tratta di un compito a scelta forzata in cui il processo successivo non inizia fino a quando non è stata data una risposta a un processo precedente".
3. "Se non siete sicuri di quale stimolo abbia più RID, per favore fate la vostra migliore ipotesi".

4. Misurazione della sensibilità al cambiamento del punto di vista/RID nelle curve di livello

1. Per valutare il ruolo dei segnali stereoscopici nei giudizi di RID, le prestazioni del partecipante vengono misurate separatamente in condizioni in cui sono presentati segnali stereoscopici per RID (condizioni stereo) e dove non sono presentati (condizioni non stereo). Per presentare segnali stereoscopici, il computer visualizza un diverso angolo di curva RID per ciascun occhio dell'osservatore, attraverso lo stereoscopio. Per presentare le curve senza segnali stereoscopici, il computer presenta la stessa curva RID a entrambi gli occhi (vedere la Figura 2 per un esempio). I passaggi metodologici seguenti vengono quindi ripetuti per entrambe le condizioni.
2. Avviare la procedura, composta da 140 prove, per il partecipante. Nota: Il metodo degli stimoli costanti (MOCS¹³) viene utilizzato per garantire un numero uguale di prove per ciascun valore di RID della curva di prova impiegata. I RID possono essere maggiori, minori o uguali a 45°, con il valore particolare scelto casualmente dal set per ogni prova. Il RID della curva di riferimento viene mantenuto costante a 45° RID. L'ordine di presentazione degli stimoli di riferimento e di test è randomizzato in ogni studio.
3. Consentire al programma di registrare la frequenza con cui il partecipante sceglie il test come se si trovasse all'angolo di RID maggiore.
4. Concedi ai partecipanti una pausa dopo ogni blocco di prove. In questo esempio le 140 prove sono costituite da 20 ripetizioni a ciascuno dei 7 diversi angoli di RID per la curva di test: 3 angoli inferiori a 45°, 3 angoli maggiori di 45° e 1 RID a 45° precisi - lo stesso della curva di riferimento.
5. Alla fine di ogni corsa, il computer traccia i dati che descrivono la percentuale di volte in cui il partecipante ha scelto lo stimolo del test con un angolo di RID maggiore di 45°, in funzione dell'angolo di RID presentato (vedere i punti dati di esempio nella Figura 4).
6. Lascia che il software adatti i dati con una funzione gaussiana cumulativa per determinare la precisione con cui sono in grado di effettuare la discriminazione RID. Questa precisione è data dal parametro della funzione adattata che determina la pendenza (vedi esempio di linee continue in Figura 4).
7. Ottenere la pendenza da ogni appezzamento. Le stime della pendenza per le condizioni stereo e non stereo possono quindi essere confrontate statisticamente al fine di determinare se i segnali stereoscopici hanno contribuito alla capacità di un osservatore di rilevare un cambiamento nel RID.

Risultati

Figura 4 illustra esempi di risultati ottenuti da un esperimento di questo tipo. L'asse y in ogni figura descrive la proporzione di volte in cui il modello di test è stato scelto come avente un RID maggiore. Piuttosto che tracciare il numero assoluto di volte in cui ciò si è verificato, questo è dato come proporzione. L'asse x descrive il RID fisico del modello di test; ricordando che qui, il modello di riferimento è stato mantenuto a un RID costante di 45°. I punti dati rappresentano la percentuale di v...

Discussione

I metodi discussi in questa comunicazione possono essere utilizzati da qualsiasi ricercatore che cerchi di affrontare questioni relative alla discriminazione e/o al riconoscimento di oggetti ruotati dal punto di vista. È importante sottolineare che il metodo della proiezione prospettica non si limita agli stimoli qui dimostrati; può invece essere applicato a una vasta gamma di stimoli sperimentali, dalle linee alle immagini di oggetti complessi. La nostra introduzione descrive i modi per applicare questa trasformazione u...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Test stereo	http://www.stereooptical.com/products/stereotests	Titmus stereofly test	Dispositivi di test portatili
Dispositivi stereo precostruiti	http://www.stereoaids.com.au	stereoscopi precostruiti	Adatto per computer desktop e portatili
Stereoscopio a specchio	su misura; oppure,	stereoscopio a specchio	www.edmundoptics.com
Scheda grafica	NVidia NVidia		o ATI consigliati
Software di controllo sperimentale	MATLAB		MATLAB, Python, C++, Visual Basic consigliato
Software di controllo sperimentale	Psychtoolbox.org	Psychtoolbox	Scaricabile gratuitamente ma richiede MATLAB
Software statistico	Graphpad	Prism V5	http://www.graphpad.com/
Statistical software	Palamedes	Guida alla psicofisica	http://www.palamedestoolbox.org
Documentazione sulla proiezione 3D	Wikipedia		http://en.wikipedia.org/wiki/3D_projection