Methodenartikel

Gevoeligheid meten voor verandering in gezichtspunt met en zonder stereoscopische aanwijzingen

DOI:

10.3791/50877

⸱

4 december 2013

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

In dit artikel

Samenvatting

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

We bespreken een nieuwe methode voor viewpoint-rotatie van visuele stimuli, en demonstreren met behulp van een spiegelstereoscoop de driedimensionale waarneming van rotatie-in-diepte. De techniek kan worden gebruikt om de rol van stereoscopische aanwijzingen bij het coderen van viewpoint-gedraaide figuren te onderzoeken.

Samenvatting

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

De snelheid en nauwkeurigheid van objectherkenning wordt aangetast door een verandering in gezichtspunt; dit toont aan dat menselijke waarnemers gevoelig zijn voor deze transformatie. Hier bespreken we een nieuwe methode om het uiterlijk van een object te simuleren dat een rotatie in de diepte heeft ondergaan, en we geven een uiteenzetting over de verschillen tussen perspectief- en orthografische projecties. Vervolgens beschrijven we een methode waarmee de gevoeligheid van de mens voor rotatie in de diepte kan worden gemeten. Ten slotte bespreken we een apparaat voor het creëren van een levendige waarneming van een 3-dimensionale rotatie in de diepte; de Wheatstone Acht Spiegel Stereoscoop. Hierdoor onthullen we een manier om de rol van stereoscopische aanwijzingen in de discriminatie van gezienspunt gedraaide vormen en objecten te evalueren.

Inleiding

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

Veel onderzoeken hebben aangetoond dat de snelheid en nauwkeurigheid van objectherkenning wordt aangetast door een verandering in gezichtspunt1-7. Bijvoorbeeld, gezichtsherkenning is het beste wanneer het gezicht in de fronto-parallelle vlak wordt bekeken, dwz. "van vooren", en neemt systematisch af naarmate het gezicht in diepte wordt geroteerd weg van het fronto-parallelle vlak. Veranderingen in gezichtspunt kunnen optreden wanneer de waarnemer of het waargenomen object beweegt. Belangrijk is dat de gezichtspuntskosten vaak worden verminderd door de introductie van stereoscopische aanwijzingen voor de waarnemer1-4,6,8. Het is echter belangrijk om onderscheid te maken tussen de rotatie van 3D en vlakke objecten. De eerste kan nieuwe texturen of structurele informatie onthullen onder rotatie, terwijl dit niet gebeurt met vlakke objecten. In deze communicatie bespreken we een methode voor het simuleren van het uiterlijk van vlakke vormen en objecten die onderhevig zijn geweest aan rotatie-in-diepte, of RID. We beschrijven een apparaat om de tweedimensionale projectie van een RID-beeld om te zetten in een levendige 3D (driedimensionale) waarneming van RID die is gebaseerd op de Wheatstone spiegel stereoscoop9. Ten slotte rapporteren we een psychofysische methode om te bepalen of stereoscopische (3D) aanwijzingen onze gevoeligheid voor gezichtspuntsverandering beïnvloeden. Film 1 toont hoe het uiterlijk van een vorm wordt veranderd door een gezichtspuntsverandering/RID.

Een gezichtspuntsverandering simuleren

Wanneer een object onderhevig is aan RID, verandert het natuurlijk niet fysiek van identiteit of vorm. Vanuit het gezichtspunt van de waarnemer verandert de vorm echter. Bijvoorbeeld, als u een vel papier direct voor u houdt in landschapsweergave, is het beeld van het papier in uw oog, het retinale beeld genoemd, een horizontale rechthoek. Als u het papier vervolgens rond zijn centrale verticale as roteert, wordt het retinale beeld verkort langs de horizontale (zie Figuur 1 voor een demonstratie). Uiteindelijk, als u het papier 90° roteert, is het retinale beeld een dunne strook met de dikte van het papier. Dus de grootste verandering in het beeld van het vel papier dat onderhevig is geweest aan RID is een horizontale compressie van zijn vorm. Een kleinere veranderingsgraad van verandering treedt op in de verticale omvang, waarbij het beeld hoger is voor de dichtstbijzijnde onveranderde rand bij de rotatieas en korter voor de verder weg liggende rand.

Een RID kan worden gesimuleerd door geschikte transformatie van afbeeldingen met behulp van softwarepakketten of door het schrijven van eigen code8,10. Lezers die meer willen weten over RID kunnen relevante teksten en websites raadplegen die gaan over gezichtspunttransformaties, of leren over ingebouwde functies in de beeldverwerkingssoftware van pakketten zoals die opgenomen in onze Materialen. Wanneer een afbeelding van een stimulus op een scherm wordt getransformeerd om een bepaalde hoek van RID weer te geven, is er echter een extra overweging: welk type projectie te gebruiken, orthografische of perspectief? Wanneer we een scène bekijken, produceren nabije objecten grotere retinale beelden dan objecten die verder weg zijn. Voor een 2D (tweedimensionaal) object dat onderhevig is aan RID betekent dit dat de verre zijde meer wordt gecomprimeerd dan de nabije zijde, zoals Figuur 1 illustreert (zie met name de onderste rechter figuur die een RID van 60° heeft). De grootte van de compressie-asymmetrie is afhankelijk van de grootte van het object dat onderhevig is aan RID, en van onze afstand ervan. Perspectiefprojectie neemt deze compressie-asymmetrie op, terwijl orthografische projectie deze gewoon negeert door dezelfde afmetingen toe te wijzen aan de nabije en verre zijden van het RID-object. Aangezien een waarnemer die een vlak object draait zal worden gepresenteerd met deze asymmetrie, zullen we perspectiefprojectie hier gebruiken. Een ander voordeel van onze methode is dat de projectie rekening houdt met de kijkafstand van waarnemer tot scherm. We hebben eerder onze RID-methode gebruikt om gezichtspuntrotatievormen te simuleren in zowel 2D-perspectiefprojectie als in 3D8,10.

Een 3D-gezichtspuntsverandering simuleren

Om stereoscopische RID te simuleren, moeten iets verschillende beelden aan het linker- en rechteroog worden gepresenteerd. Dit verschil tussen de twee beelden staat bekend als binoculair verschil11, en is een functie van zowel kijkafstand als de afstand tussen de ogen, specifiek de interpupillaire afstand. Terugkerend naar het voorbeeld van ons vel papier in landschapsweergave, als we het stuk papier rond het verticale middelpunt met de klok mee met 45° roteren (zodat de linkerrand terugtrekt), is het zicht van elk oog op het papier iets anders. Het beeld dat op het linkeroog wordt geprojecteerd, is iets minder dan 45° rotatie, terwijl het beeld dat op het rechteroog wordt geprojecteerd, iets meer dan 45° rotatie is (zie Figuur 2 voor een illustratie - waarnemers die de bovenste twee afbeeldingen vrij kunnen fuseren, zullen een RID in 3D waarnemen). Als de juiste RID-hoeken afzonderlijk aan het linker- en rechteroog worden gepresenteerd (de stereoconditie), zullen ze een verschilgradiënt produceren en is de waarnemer waarschijnlijk geneigd om een levendig beeld van een 3D-RID te rapporteren. Als identieke beelden, die een rotatie van 45° vanaf het centrale kijkpunt vertegenwoordigen, aan beide ogen worden gepresenteerd (de non-stereoconditie), zal de waarnemer een 2D-weergave van de RID-stimuli zien. Een gevestigde methode voor het presenteren van aparte beelden aan het linker- en rechteroog

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Prescreening

  1. Verkrijg voorafgaand aan de test schriftelijke en geïnformeerde toestemming van elke deelnemer.
  2. Vraag de proefpersoon of ze normale of gecorrigeerde naar normaal acuïteit hebben (d.w.z. een bril).
  3. Verifieer de stereoacuïteit van de deelnemer met behulp van een eenvoudige handbediende stereotest.

2. Binoculair Fusie bereiken in de Stereoscoop

  1. Laat de deelnemer aan de bureau gaan zitten voor de spiegelstereoscoop en pas de hoogte van hun stoel aan voor comfort.
  2. Doe de lichten uit zodat ze zich gedurende minimaal 3 min. kunnen aanpassen aan het donker. Het visuele systeem presteert het beste wanneer het is aangepast aan de heersende lichtomstandigheden.
  3. Laat de deelnemer door de stereoscoop kijken. Ze zullen een kruis zien dat op het scherm wordt weergegeven voor elk oog. Ze moeten de horizontale positie van de fixatie-kruisen aanpassen totdat ze slechts één kruis zien, in het midden van hun gezichtsveld. Als ze twee kruisen zien, dan is deze scheiding onjuist en is horizontale aanpassing nodig. De doelen worden gecentreerd op de kruisen wanneer ze worden weergegeven en deze procedure zorgt voor fusie op de juiste afstand.
  4. De deelnemer is nu klaar om met het experiment te beginnen.

3. Taakinstructies voor de Waarnemer

  1. "Bij elke proef zul je twee lijnen zien die rotatie-in-diepte (RID) hebben. Je moet beslissen welke van de twee lijnen een grotere RID heeft, met andere woorden welke verder van jouw zicht is gedraaid. Druk op de linker muisknop als de eerste stimulus een grotere RID heeft. Druk op de rechter muisknop als de tweede lijn meer RID heeft."
  2. "Dit is een taken waarbij je gedwongen wordt om een keuze te maken en de volgende proef begint niet voordat er een reactie is gegeven op een eerdere proef."
  3. "Als je niet zeker weet welke stimulus meer RID heeft, neem dan je beste gok."

4. Meet de Gevoeligheid voor Verandering in Gezichtspunt/RID in Contouren

  1. Om de rol van stereoscopische signalen in beoordelingen van RID te evalueren, wordt de prestatie van de deelnemer afzonderlijk gemeten in omstandigheden waar stereoscopische signalen voor RID worden gepresenteerd (stereocondities) en waar ze niet worden gepresenteerd (nonstereocondities). Om stereoscopische signalen te presenteren, toont de computer een andere RID-hoek van de lijn aan elk oog van de waarnemer, door de stereoscoop. Om de lijnen te presenteren zonder stereosignalen, toont de computer dezelfde RID-curve aan beide ogen (zie Figuur 2 voor een voorbeeld hiervan). De methodologische stappen hieronder worden vervolgens herhaald voor beide condities.
  2. Start de procedure, bestaande uit 140 proeven, voor de deelnemer. Opmerking: De Methode van Constante Stimuli (MOCS13) wordt gebruikt om gelijke aantallen proeven te garanderen voor elke waarde van RID van de geteste lijn die wordt gebruikt. De RID's kunnen groter dan, kleiner dan of gelijk zijn aan 45°, waarbij de specifieke waarde willekeurig wordt gekozen uit de set voor elke proef. De RID van de referentielijn wordt constant gehouden op 45° RID. De presentatievolgorde van referentie- en test-stimuli wordt willekeurig gekozen bij elke proef.
  3. Laat het programma registreren hoe vaak de deelnemer de test kiest als de hoek met de grootste RID.
  4. Geef de deelnemers een pauze na elke blok proeven. In dit voorbeeld bestaan de 140 proeven uit 20 herhalingen bij elke van de 7 verschillende RID-hoeken voor de testlijn: 3 hoeken minder dan 45°, 3 hoeken groter dan 45° en 1 RID precies op 45° -  het zelfde als de referentielijn.
  5. Aan het einde van elke run plot de computer gegevens die de verhouding weergeven van de keren dat de deelnemer de teststimulus koos als de hoek met de grootste RID, als functie van de gepresenteerde RID-hoek (zie voorbeeldgegevenspunten in Figuur 4).
  6. Laat de software de gegevens passen met een Cumulatieve Gaussische functie om de nauwkeurigheid te bepalen waarmee ze de RID-discriminatie kunnen maken. Deze nauwkeurigheid wordt gegeven door de parameter van de aangepaste functie die de helling bepaalt (zie voorbeeld vaste lijnen in Figuur 4).
  7. Verkrijg de helling van elke plot. De schattingen van de helling voor de stereo- en nonstereo-condities kunnen vervolgens statistisch worden vergeleken om te bepalen of stereoscopische signalen hebben bijgedragen aan de mogelijkheid van een waarnemer om een verandering in RID te detecteren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Figuur 4 toont voorbeeldresultaten die zijn verkregen uit een dergelijk experiment. De y-as in elke afbeelding beschrijft het aandeel keer dat het testpatroon werd gekozen om een hogere RID te hebben. In plaats van het absolute aantal keer dat dit voorkwam, wordt dit gegeven als een verhouding. De x-as beschrijft de fysieke RID van het testpatroon; onthoud dat hier het referentiepatroon op een constante 45° RID werd gehouden. De datapunten vertegenwoordigen het aandeel keer dat de waarnemer het testpatro...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

De methoden die in deze communicatie worden besproken, kunnen worden gebruikt door elke onderzoeker die vragen wil beantwoorden met betrekking tot discriminatie en/of herkenning van bekeken gedraaide objecten. Belangrijk is dat de methode van perspectiefprojectie niet beperkt is tot de stimuli die hier worden gedemonstreerd; in plaats daarvan kan het worden toegepast op een breed scala aan experimentele stimuli, van lijnen tot afbeeldingen van complexe objecten. Onze introductie beschrijft manieren om deze transformatie ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen hebben. De eerste auteur Jason Bell is een fulltime medewerker van de Australian National University; David Badcock en J Edwin Dickinson zijn fulltime medewerkers van de University of Western Australia; Fred Kingdom is een fulltime medewerker van McGill University.

Dankbetuigingen

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

Dit onderzoek werd ondersteund door de Australian Research Council. ARC-subsidie # DP110101511 toegekend aan JB; National Sciences and Engineering Research Council, NSERC of Canada-subsidie # RGPIN121713-11 toegekend aan FK; ARC-subsidie # DP130102580 en DP110104553 aan DRB.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Stereo testinghttp://www.stereooptical.com/products/stereotestsTitmus stereofly testHandheld testing devices
Prebuilt stereo deviceshttp://www.stereoaids.com.auprebuilt stereoscopesGeschikt voor desktop- en laptopcomputers
Mirror stereoscopeOp maat gemaakt; of, Edmundoptics8 spiegel stereoscopewww.edmundoptics.com
Grafische kaartNVidiaNVidia of ATI aanbevolen
Experimentele besturingssoftwareMATLABMATLAB, Python, C++, Visual Basic aanbevolen
Experimentele besturingssoftwarePsychtoolbox.orgPsychtoolboxGratis te downloaden maar vereist MATLAB
Statistische softwareGraphpadPrism V5http://www.graphpad.com/
Statistische softwarePalamedesPsychophysics guidehttp://www.palamedestoolbox.org
3D projectie documentatieWikipediahttp://en.wikipedia.org/wiki/3D_projection

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Gevoeligheid voor verandering van standpuntrotatie in dieptespiegelstereoscoopmethode van constante stimulicumulatieve SIAN functiegedragsdata analysescreening van visuele acuitystereoakumiteitstestaanpassing van binoculaire fusie

Gerelateerde artikelen