방법 논문

Measuring Sensitivity to Viewpoint Change with and Without Stereoscopic Cues(입체 신호의 유무에 따른 뷰포인트 변화에 대한 민감도 측정)

DOI:

10.3791/50877

⸱

2013년 12월 4일

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

이 논문에서

요약

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

우리는 시각적 자극의 시점 회전에 대한 새로운 방법에 대해 논의하고 거울 입체경을 사용하여 깊이 있는 회전의 3차원 지각을 시연합니다. 이 기술은 시점 회전 그림을 인코딩하는 데 입체 신호의 역할을 조사하는 데 사용할 수 있습니다.

초록

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관점의 변화로 인해 객체 인식의 속도와 정확도가 저하되며, 이는 인간 관찰자가 이러한 변화에 민감하다는 것을 보여줍니다. 여기에서는 심층적 인 회전을 거친 물체의 모양을 시뮬레이션하는 새로운 방법에 대해 논의하고 원근법과 직교 투영의 차이점에 대한 설명을 포함합니다. 다음으로 심층 회전에 대한 인간의 민감도를 측정할 수 있는 방법을 설명합니다. 마지막으로, 우리는 3차원 회전에 대한 생생한 지각을 심층적으로 생성하는 장치에 대해 논의합니다. 휘트스톤 에이트 미러 스테레오스코프. 이를 통해 우리는 시점, 회전된 형상 및 물체의 구별에서 입체 신호의 역할을 평가할 수 있는 방법을 밝힙니다.

서론

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

많은 연구에서 관점1-7의 변화에 의해 물체 인식의 속도와 정확도가 저하된다는 것을 보여주었습니다. 예를 들어, 얼굴 인식은 얼굴이 정면-평행 평면, 즉 "정면 켜짐"에서 볼 때 가장 좋으며, 얼굴이 정면-평행 평면에서 멀어지도록 깊이 회전할 때 체계적으로 감소합니다. 시점의 변화는 관찰자 또는 관찰된 개체가 이동할 때 발생할 수 있습니다. 중요한 것은 관찰자1-4,6,8에 입체 신호를 도입함으로써 시점 비용이 종종 감소한다는 것입니다. 그러나 3D 객체와 평면 객체의 회전을 구별하는 것이 중요합니다. 전자는 회전 시 새로운 텍스처 또는 구조 정보를 나타낼 수 있지만 평면 객체에서는 발생하지 않습니다. 이 커뮤니케이션에서는 RID(Rotation-in-Depth)의 대상이 된 평면 모양 및 개체의 모양을 시뮬레이션하는 방법에 대해 설명합니다. 우리는 RID 이미지의 2차원 투영을 휘트스톤 미러 스테레오스코프9를 기반으로 하는 RID의 생생한 3D(3차원) 인식으로 변환하는 장치에 대해 설명합니다. 마지막으로, 우리는 입체(3D) 단서가 관점 변화에 대한 민감도에 영향을 미치는지 여부를 결정하기 위한 정신물리학적 방법을 보고합니다. 동영상 1은 뷰포인트 변경/RID에 의해 모양의 모양이 어떻게 변경되는지 보여줍니다.

시점 변경 시뮬레이션

객체가 RID의 대상이 될 때 당연히 물리적으로 정체성이나 모양이 변경되지 않습니다. 그러나 관찰자의 관점에서는 모양이 바뀝니다. 예를 들어, 가로 보기에서 종이 한 장을 바로 앞에 들고 있는 경우 망막 이미지라고 하는 눈 속의 종이 이미지는 수평 직사각형입니다. 그런 다음 종이를 중앙 수직 축을 중심으로 회전하면 망막 이미지가 수평을 따라 축소됩니다(데모는 그림 1 참조). 궁극적으로 종이를 90° 회전하면 망막 이미지는 종이 두께의 얇은 스트립이 됩니다. 따라서 RID의 대상이 된 종이 시트의 이미지에 대한 가장 큰 변화는 모양의 수평 압축입니다. 더 작은 변화 그라데이션은 수직 범위에서 발생하며, 가장 가까운 가장자리의 경우 이미지가 더 높고, 회전 축에서 변경되지 않으며, 더 먼 가장자리의 경우 더 짧습니다.

RID는 소프트웨어 패키지를 사용하여 이미지를 적절하게 변환하거나 자신의 코드8,10을 작성하여 시뮬레이션 할 수 있습니다. RID에 대해 더 자세히 알고 싶은 독자는 관점 변환과 관련된 관련 텍스트 및 웹 사이트를 참조하거나 자료에 나열된 것과 같은 패키지의 이미지 처리 소프트웨어에 내장된 기능에 대해 알아볼 수 있습니다. 그러나 RID의 특정 각도를 나타내기 위해 화면의 자극 이미지를 변환할 때 추가 고려 사항이 있습니다: 직교 프로젝션 또는 투시 중 어떤 유형의 프로젝션을 사용할 것인가? 장면을 볼 때 가까운 물체는 멀리 있는 물체보다 더 큰 망막 이미지를 생성합니다. RID가 적용되는 2D(2차원) 개체의 경우 그림 1에서 볼 수 있듯이 먼 쪽이 가까운 쪽보다 더 압축됨을 의미합니다(특히 RID가 60°인 오른쪽 아래 그림 참조). 압축 비대칭의 크기는 RID의 대상이 되는 물체의 크기와 물체로부터의 거리에 따라 달라집니다. 원근 투영은 이러한 압축 비대칭을 통합하는 반면 직교 투영은 RID 개체의 가까운 쪽과 먼 쪽에 동일한 치수를 할당하여 이를 무시합니다. 평면 물체 회전을 보는 관찰자에게는 이 비대칭이 표시되므로 여기서는 투시 투영을 사용할 것입니다. 우리 방법의 또 다른 장점은 프로젝션이 관찰자에서 스크린까지의 시야 거리를 고려한다는 것입니다. 이전에는 RID 방법을 사용하여 2D 투시 투영과 3D8,10 모두에서 뷰포인트 회전 모양을 시뮬레이션했습니다.

3D 뷰포인트 변경 시뮬레이션

입체 RID를 시뮬레이션하려면 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 약간 다른 이미지를 제공해야 합니다. 두 이미지 간의 이러한 차이를 양안 차이(binocular disparity11)라고 하며, 이는 가시 거리와 눈 사이의 간격, 특히 동공 간 거리의 함수입니다. 가로 보기의 종이 한 장의 예로 돌아가서, 종이 조각을 수직 중심을 중심으로 시계 방향으로 45° 회전하면(따라서 왼쪽 가장자리가 물러남) 종이를 보는 각 눈의 시야가 약간 다릅니다. 왼쪽 눈에 투사된 이미지는 45° 회전보다 약간 작지만 오른쪽 눈에 투사된 이미지는 45° 회전보다 약간 높습니다(그림은 그림 2 참조. 상단 두 이미지를 자유롭게 융합할 수 있는 관찰자는 3D에서 RID를 인식합니다). 적절한 RID 각도가 왼쪽 눈과 오른쪽 눈(스테레오 조건)에 별도로 제시되면 차이 그라데이션이 생성되고 관찰자는 3D RID의 생생한 인상을 보고할 수 있습니다. 그러나 중앙 관측 지점에서 45° 회전을 나타내는 동일한 이미지가 양쪽 눈에 표시되면(비스테레오 조건) 관찰자는 RID 자극의 2D 표현을 볼 수 있습니다. 단일 모니터를 사용하여 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 별도의 이미지를 표시하는 확립된 방법은 19세기 중반에 Charles Wheatstone 경이 처음 개발한 미러 입체경의 변형을 사용하는것입니다(그림 3 참조). 두 개의 입체 절반 이미지가 각 눈의 시야에서 해당 위치에 배치되면 양안 융합을 통해 3D 지각을 생성할 수 있습니다(스테레오 방법 및 제한 사항에 대한 광범위한 검토는 Howard and Rogers12 참조).

예를 들어, 시뮬레이션된 시점 변화를 입체 표현과 결합함으로써 우리는 관점의 변화를 감지하는 능력에서 입체 신호가 수행하는 역할을 결정할 수 있습니다. 아래의 시연 결과는 평면 물체(이 경우 곡선 윤곽)의 크기가 관찰자에게 알려지거나 친숙할 때 곡선의 2D 너비의 변화(때로는 처짐이라고도 함)가 RID의 변화, 즉 관점을 감지하는 데 사용된다는 것을 보여줍니다(Bell et al.이 효과에 대한 전체 원고는 10). 아래에서는 2D 및 3D 정의 평면 모양에 대한 RID 변화에 대한 민감도를 측정하는 정신물리학적 방법에 대해 자세히 설명합니다.

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프로토콜

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1. 사전 심사

  1. 검사하기 전에 각 참가자로부터 서면 및 정보에 입각한 동의를 받으십시오.
  2. 피험자에게 시력이 정상인지 또는 정상으로 교정되었는지(예: 안경)인지 물어보십시오.
  3. 간단한 휴대용 스테레오 테스트를 사용하여 참가자의 스테레오 시력을 확인합니다.

2. 스테레오스코프에서 양안 융합 달성

  1. 참가자를 거울 스테레오스코프 앞 책상에 앉히고 편안함을 위해 의자 높이를 조정합니다.
  2. 조명이 어두워질 수 있도록 조명을 끄고 최소 3분 동안 적응합니다. 시각 시스템은 일반적인 조명 조건에 적응할 때 가장 잘 수행됩니다.
  3. 참가자가 스테레오스코프를 통해 보도록 합니다. 그들은 각 눈의 모니터에 십자가가 표시되는 것을 볼 수 있습니다. 그들은 시야의 중심에서 하나의 십자가 만 볼 때까지 고정 십자가의 수평 위치를 조정해야합니다. 두 개의 십자가가 보이면 이 분리는 잘못된 것이며 수평 조정이 필요합니다. 표적은 표시될 때 십자가의 중앙에 위치하며 이 절차는 올바른 거리에서 융합을 보장합니다.
  4. 참가자는 이제 실험을 시작할 준비가 되었습니다.

3. 관찰자를 위한 작업 지침

  1. "각 시도에서 RID(Rotation-In-Depth)가 있는 두 개의 곡선을 볼 수 있습니다. 두 곡선 중 어느 것이 더 큰 RID를 갖는지, 즉 보기에서 더 많이 회전하는지 결정해야 합니다. 첫 번째 자극의 RID가 더 큰 경우 마우스 왼쪽 버튼을 누릅니다. 두 번째 곡선에 RID가 더 많으면 마우스 오른쪽 버튼을 누릅니다."
  2. "이것은 이전 재판에 대한 답변이 있을 때까지 다음 재판이 시작되지 않는 강제적 선택 작업입니다."
  3. "어떤 경기 부양책이 RID가 더 많은지 확신할 수 없다면, 최선의 추측을 해보라."

4. 윤곽선에서 시점 변경/RID에 대한 민감도 측정

  1. RID 판단에서 입체 신호의 역할을 평가하기 위해 참가자의 성능은 RID에 대한 입체 신호가 제공되는 조건(스테레오 조건)과 제공되지 않는 조건(비스테레오 조건)에서 별도로 측정됩니다. 입체 신호를 제공하기 위해 컴퓨터는 입체경을 통해 관찰자의 각 눈에 다른 RID 곡선 각도를 표시합니다. 스테레오 큐 없이 곡선을 표시하기 위해 컴퓨터는 양쪽 눈에 동일한 RID 곡선을 표시합니다(이에 대한 예는 그림 2 참조). 그런 다음 두 조건 모두에 대해 아래의 방법론적 단계를 반복합니다.
  2. 참가자에 대해 140건의 시행으로 구성된 절차를 시작합니다. 참고: 상수 자극 방법(MOCS13)은 사용된 테스트 곡선의 각 RID 값에 대해 동일한 수의 시행을 보장하는 데 사용됩니다. RID는 45°보다 크거나 작거나 같을 수 있으며, 특정 값은 각 시도에 대한 세트에서 무작위로 선택됩니다. 참조 곡선의 RID는 45° RID에서 일정하게 유지됩니다. 참조 및 테스트 자극의 제시 순서는 각 시험에서 무작위 배정됩니다.
  3. 참가자가 더 큰 RID 각도에서 테스트를 선택하는 빈도를 프로그램이 기록할 수 있도록 합니다.
  4. 각 시도 블록이 끝난 후 참가자들에게 휴식을 제공합니다. 이 예에서 140번의 시도는 테스트 곡선에 대한 7가지 RID 각도 각각에서 각각 20번의 반복으로 구성됩니다: 45°보다 작은 각도 3개, 45°보다 큰 각도 3개, 정확히 45°에서 RID 1개(기준 곡선과 동일).
  5. 각 실행이 끝날 때마다 컴퓨터는 참가자가 45°보다 큰 RID 각도에서 테스트 자극을 선택한 횟수의 비율을 표시된 RID 각도의 함수로 설명하는 데이터를 표시합니다(그림 4의 예제 데이터 포인트 참조).
  6. 소프트웨어가 RID 판별을 수행할 수 있는 정밀도를 결정하기 위해 누적 가우스 함수로 데이터를 맞추도록 합니다. 이 정밀도는 기울기를 결정하는 fitd 함수의 매개변수에 의해 제공됩니다(그림 4의 실선 예시 참조).
  7. 각 플롯에서 기울기를 구합니다. 그런 다음 스테레오 및 비스테레오 조건에 대한 기울기 추정치를 통계적으로 비교하여 입체 신호가 RID의 변화를 감지하는 관찰자의 능력에 기여했는지 여부를 결정할 수 있습니다.

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결과

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그림 4는 이러한 실험에서 얻은 예제 결과를 보여줍니다. 각 그림의 y축은 테스트 패턴이 더 큰 RID를 갖는 것으로 선택된 횟수의 비율을 나타냅니다. 이것이 발생한 절대 횟수를 그래프로 표시하는 대신 백분율로 제공됩니다. x축은 테스트 패턴의 물리적 RID를 나타냅니다. 여기서 참조 패턴은 일정한 45° RID로 유지되었음을 기억하십시오. 데이터 포인트는 관찰자가 물리적 RID 범위에 대해 더 큰 RID를 갖는 것으로 테스트 곡선을 선택한 횟수의 비율을 나타냅니다. 컴퓨터는 테스트 패턴이 더 큰 RID를 갖는 것으로 선택된 횟수만 점수를 매깁니다. 이것은 "이상적인" 관찰자에 대한 데이터의 범위가 0 사이여야 함을 의미합니다: 참조보다 작은 RID를 가질 때 RID에서 테스트를 더 큰 것으로 선택하지 마십시오; 그리고 하나 : 참조보다 큰 RID가있을 때 항상 RID에서 더 큰 테스트를 선택했습니다.

이 플롯된 데이터에서 RID의 변화에 대한 관찰...

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토론

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이 커뮤니케이션에서 논의된 방법은 관점 회전 대상의 차별 및/또는 인식과 관련된 질문을 해결하려는 모든 연구자가 사용할 수 있습니다. 중요한 것은 원근법 투영 방법이 여기에 표시된 자극에만 국한되지 않는다는 것입니다. 대신 선에서 복잡한 물체의 그림에 이르기까지 광범위한 실험 자극에 적용할 수 있습니다. 소개에서는 맞춤형 소프트웨어 또는 MATLAB과 같은 라이브러리 소프트웨어를 사용하여 이 변환을 적용하는 방법을 설명합니다.

다양한 관점에서 물체를 인식하는 방법을 이해하는 데 상당한 관심이 있습니다. 음영 또는 밝기 변화6,14 및 폐색11을 사용하는 것을 포함하여 표면과 물체의 3D 구조 및 방향의 변화를 시뮬레이션하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 사실, 관점의 변화는 종종 이러한 속성의 변화와 상관관계가 있으므로 향후 연구에서는 다양한 유형의 단서가 단독으로 또는 조합된 역할을 조사해야 합니다. 우리의 방법은 그 목표에 기여할 수 ...

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공개 사항

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

저자는 경쟁하는 금전적 이해관계가 없음을 선언합니다. 제1저자 제이슨 벨(Jason Bell)은 호주 국립 대학교의 정규직 직원입니다. David Badcock과 J Edwin Dickinson은 University of Western Australia의 정규직 직원입니다. Fred Kingdom은 McGill University의 정규직 직원입니다.

감사의 글

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

이 연구는 호주 연구 위원회의 지원을 받았습니다. ARC Grant # JB에게 주어질 DP110101511 있습니다. National Sciences and Engineering Research Council, NSERC of Canada Grant # RGPIN121713-11 FK에 수여 ; ARC는 DRB에 # DP130102580 및 DP110104553 부여합니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
스테레오 테스트http://www.stereooptical.com/products/stereotests Titmus 스테레오 플라이 테스트핸드 헬드 테스트 장치
사전 구축 스테레오 장치http://www.stereoaids.com.au사전 구축 입체 스코프데스크톱 및 노트북 컴퓨터에 적합
미러 입체 경맞춤 제작; 또는, Edmundoptics8 미러 입체www.edmundoptics.com
그래픽 카드NVidia NVidia또는 ATI 권장
실험 제어 소프트웨어MATLABMATLAB, Python, C++, Visual Basic 권장
실험 제어 소프트웨어Psychtoolbox.orgPsychtoolbox무료 다운로드 가능하지만 MATLAB
통계 소프트웨어GraphpadPrism V5http://www.graphpad.com/
Statistical 소프트웨어Palamedes정신 물리학 가이드http://www.palamedestoolbox.org
3D 프로젝션 문서Wikipediahttp://en.wikipedia.org/wiki/3D_projection

참고문헌

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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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재인쇄 및 허가

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태그

Viewpoint Change SensitivityRotation In DepthMirror StereoscopeMethod Of Constant StimuliCumulative SIAN FunctionBehavioral Data AnalysisVisual Acuity ScreeningStereo Acuity TestBinocular Fusion Adjustment

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