Wyświetlanie wyświetlaczy o wysokiej rozdzielczości w skali szarości i dokładne pomiary czasu reakcji na konwencjonalnych komputerach

Podsumowanie

Konwencjonalny sprzęt komputerowy nie jest w stanie generować bodźców wizualnych o wystarczająco wysokiej rozdzielczości w skali szarości i mierzyć czasów reakcji z wystarczającą dokładnością. Opisujemy, jak używać VideoSwitcher do produkcji monochromatycznych wyświetlaczy o wysokiej rozdzielczości oraz RTbox do pomiaru czasu odpowiedzi z dużą dokładnością na konwencjonalnym sprzęcie komputerowym.

Streszczenie

Systemy wyświetlania oparte na konwencjonalnych komputerowych kartach graficznych są w stanie generować obrazy o 8-bitowej rozdzielczości poziomu szarości. Jednak większość eksperymentów w badaniach nad wzrokiem wymaga wyświetlaczy o rozdzielczości większej niż 12 bitów luminancji. Dostępnych jest kilka rozwiązań. Bit++ ¹ i DataPixx ² wykorzystują wyjście DVI (Digital Visual Interface) z kart graficznych i przetworników cyfrowo-analogowych o wysokiej rozdzielczości (14 lub 16 bitów) do sterowania analogowymi urządzeniami wyświetlającymi. Opisany tutaj VideoSwitcher ³ łączy analogowe sygnały wideo z kanałów czerwonego i niebieskiego kart graficznych o różnej wadze za pomocą pasywnej sieci rezystora ⁴ i obwodu aktywnego, aby dostarczyć identyczne sygnały wideo do trzech kanałów kolorowych monitorów. Metoda ta zapewnia niedrogi sposób na umożliwienie monochromatycznych wyświetlaczy o wysokiej rozdzielczości przy użyciu konwencjonalnych kart graficznych i monitorów analogowych. Może również dostarczać sygnały wyzwalające, które można wykorzystać do oznaczania nadejścia bodźców, ułatwiając synchronizację wyświetlaczy wizualnych z nagraniami fizjologicznymi lub pomiarami czasu reakcji.

Chociaż klawiatury komputerowe i myszy są często używane do pomiaru czasów odpowiedzi (RT), dokładność tych pomiarów jest dość niska. RTbox to specjalistyczne rozwiązanie sprzętowe i programowe do dokładnych pomiarów RT. Sterownik RTbox, podłączony do komputera hosta za pomocą połączenia USB, jest kompatybilny ze wszystkimi konwencjonalnymi systemami operacyjnymi. Wykorzystuje mikroprocesor i zegar o wysokiej rozdzielczości do rejestrowania tożsamości i czasu zdarzeń przycisków, które są buforowane do momentu ich pobrania przez komputer hosta. Na zarejestrowane zdarzenia przycisku nie mają wpływu potencjalne niepewności czasowe ani odchylenia związane z transmisją i przetwarzaniem danych na komputerze hosta. Asynchroniczna pamięć masowa znacznie upraszcza projektowanie programów użytkownika. Dostępnych jest kilka metod synchronizacji zegarów RTbox i komputera hosta. RTbox może również odbierać zewnętrzne wyzwalacze i być używany do pomiaru RT w odniesieniu do zdarzeń zewnętrznych.

Zarówno VideoSwitcher, jak i RTbox są dostępne do zakupu dla użytkowników. Odpowiednie informacje i wiele programów demonstracyjnych można znaleźć pod adresem http://lobes.usc.edu/.

Protokół

1. VideoSwitcher

1.1. Podłącz VideoSwitcher do komputera

VideoSwitcher (Rysunek 1) odbiera analogowe wejścia wideo (VGA) i jest używany do sterowania kolorowymi monitorami kineskopowymi (CRT). Przed użyciem przełącznika wideo upewnij się, że karta graficzna komputera jest wyposażona w port VGA (Rysunek 2A) lub port DVI-I (Digital Visual Interface) (Rysunek 2B), które przesyłają zarówno cyfrowe, jak i analogowe sygnały wideo. Do podłączenia portu DVI-I do przełącznika VideoSwitcher niezbędna jest przejściówka DVI-VGA (Rysunek 2C).

Wyłącz komputer i monitor oraz odłącz monitor od karty graficznej komputera.

Podłącz port VGA lub DVI-I karty graficznej komputera do portu wejściowego VideoSwitchera za pomocą dostarczonego VGA. Użyj małego śrubokręta, aby zabezpieczyć połączenia.

Podłącz VGA monitora do portu wyjściowego VideoSwitchera i zabezpiecz połączenia.

Podłącz VideoSwitcher do źródła zasilania za pomocą dostarczonego zasilacza.

Włącz komputer i monitor.

1.2. Dwa tryby wyświetlania przełącznika wideo

Przycisk przełącznika na VideoSwitcher pozwala użytkownikowi przełączać się tam i z powrotem w dwóch trybach wyświetlania. W trybie kolorowym VideoSwitcher nie zmienia sygnału wideo z karty graficznej komputera. W trybie skali szarości wyświetlacz staje się monochromatyczny, a jego luminancja zależy głównie od sygnału wideo z kanału niebieskiego karty graficznej, nieznacznie wpływa sygnał z kanału czerwonego i nie ma udziału kanału zielonego. Dzieje się tak, ponieważ sieć rezystancyjna wewnątrz VideoSwitchera tłumi sygnał z kanału czerwonego około 128-krotnie, a sygnał z kanału zielonego w ogóle nie ma swojego wkładu. Stosunek wkładu kanałów niebieskiego i czerwonego do wyjścia VideoSwitcher nazywa się stosunkiem niebieskiego do czerwonego (BRratio). Współczynnik BRratio jest właściwością przełącznika wideo, niezależną od konfiguracji wyświetlania. Można go określić eksperymentalnie dla każdego VideoSwitchera (patrz 1.3).

Tryb wyświetlania można również przełączyć, wysyłając specjalny sygnał przez zielony kanał karty graficznej za pomocą wywołania funkcji w Matlabie:

PsychVideoSwitcher('SwitchMode', whichScreen, ToGrayMode);

gdzie ToGrayMode 1 lub 0 oznacza przejście na tryb skali szarości lub koloru.

Rysunek 3 pokazuje schemat VideoSwitchera.

1.3. Zmierz współczynnik BRratio

Współczynnik BRratio może być mierzony dla każdego VideoSwitchera za pomocą zadania wykrywania siatki prostokątnej. Dwóm poziomom fali prostokątnej przypisane są wartości RGB, takie jak (0, 0, 40) i (x, 0, 39). Można regulować wartość x, aż siatka fali prostokątnej zniknie, w którym to momencie wartość x jest współczynnikiem BRratio --- wielkości sygnału w kanale R, która prowadzi do natężenia wytwarzanego przez jedną jednostkę sygnału w kanale B. Chociaż można zmierzyć współczynnik BR elektronicznie, na przykład w celu zmierzenia stosunku wyjść napięciowych VideoSwitchera przy wartościach RGB (0, 0, 255) i (255, 0, 0), opisana tutaj metoda psychofizyczna jest bardzo prosta i dokładna.

1.4. Kalibracja wyświetlacza

Dla większości monitorów, luminancja wyświetlacza nie wzrasta liniowo wraz z poziomem szarości pikseli określonym przez komputerową kartę graficzną. Zależność tę można opisać jako:

gdzie L_{, max}, L_min i γ są wyznaczane za pomocą procedury korekcji gamma, albo przy użyciu fotometrów, albo przez połączenie procedur psychofizycznych i pomiarów fotometrycznych ^7,8. Kalibracja gamma jest ważna dla uzyskania dokładnych kontrastów na wyświetlaczu; Należy to wykonać dla każdego urządzenia wyświetlającego.

Za pomocą fotometru można po prostu wyświetlić duży jednolity kwadrat na różnych poziomach szarości pikseli (np. od 0 do 255), zmierzyć luminancję środka kwadratu i dopasować wyniki do równania 1, aby uzyskać γ.

Procedura psychofizyczna polega na stworzeniu, w jednym obszarze powierzchni widzenia, jak to tylko możliwe, mieszaniny (w przestrzeni i czasie) równych ilości pikseli o zerowej i pełnej intensywności oraz określeniu wartości poziomu szarości pikseli w sąsiednim jednorodnym obszarze (w którym wszystkie piksele mają taką samą intensywność), który wytwarza psychofizyczne dopasowanie do luminancji obszaru o mieszanych pikselach. Pierwsze dopasowanie określa wartość poziomu szarości dla 1/2 maksymalnej luminancji. Do wyznaczenia wartości 3⁄4 używa się mieszaniny pikseli o intensywności luminancji 1/2 i 1, a procedurę tę powtarza się do momentu wyznaczenia siedmiu wartości od 1⁄8 do 7⁄8. Te dopasowania są powtarzane i wykonywane są różne kontrole spójności, takie jak sprawdzenie, czy mieszanina 3⁄4 i 1⁄4 pasuje do 1/2. W tej procedurze dostosowywane są zarówno poziomy B, jak i R jednorodnego obszaru oraz stosunek U=B+R/BR. Wyniki można dopasować do równania 1, aby uzyskać γ.

Po uzyskaniu wartości L_min, L_max i γ, możemy ustawić luminancję tła L₀ = (L_max +L_min)/2, Zależność między kontrastem pikseli c(U) a poziomem szarości piksela U wynosi:

Możemy przepisać równanie, aby rozwiązać wymagany poziom szarości dla danego kontrastu:

gdzie U jest zwykle liczbą niecałkowitą. Wartość RGB odpowiedniego piksela wynosi: R=BRratio*[U-int(U)], G=0, B=int(U), gdzie int() przyjmuje wartość całkowitą swojego wejścia.

1.5. Demonstracja siatki sinusoidalnej

Efekt zwiększonej rozdzielczości skali szarości można pokazać porównując dwie siatki sinusoidalne. Siatka po lewej stronie wykorzystuje pełną pojemność VideoSwitchera przy każdej intensywności piksela określonej przez odpowiednie wartości R i B. Siatka po prawej stronie jest taka sama jak po lewej, z wyjątkiem tego, że tylko zaokrąglone U jest używane jako wartość B każdego piksela, naśladując wyjście 8-bitowego urządzenia wyświetlającego.

2. RTbox

2.1. Podłącz RTbox do komputera

Podłącz RTbox (Rysunek 4) do portu USB komputera za pomocą dostarczonego. W razie potrzeby pobierz sterownik urządzenia ze strony http://www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htm. Zainstaluj sterownik, postępując zgodnie z instrukcjami na stronie internetowej.

2.2. Użyj RTbox, aby zmierzyć czas odpowiedzi

RTbox może być używany na dwa różne sposoby.

Jeśli program użytkownika może zwracać niezawodne czasy rozpoczęcia bodźców, takie jak czas zwrócony przez Screen('Flip') i PsychPortAudio w Psychtoolbox [8], RTbox może być używany tak samo jak klawiatura. Ponieważ czasy rozpoczęcia bodźca i czasy przycisków RTbox są oparte odpowiednio na zegarach komputera hosta i RTbox, musimy zsynchronizować te dwa zegary. Odbywa się to za pomocą funkcji wywołującej RTBox('clear') przed każdym nadejściem bodźca, aby usunąć niepożądane zdarzenia w buforze. Czas odpowiedzi można po prostu zmierzyć jako t_resp= t -_{t początek}, gdzie tonset jest bodźcem zwróconym przez program użytkownika, a t jest czasem przycisku zwróconym przez wywołanie funkcji [t, przycisk]=RTBox(timeout). Dzieje się tak, ponieważ sterownik RTBox automatycznie konwertuje czas przycisku z czasu RTbox na czas komputera hosta.

Jeśli program użytkownika nie może zwrócić wiarygodnych czasów rozpoczęcia bodźca, sygnały wyzwalające wskazujące na początek bodźca muszą być dostarczone do RTbox. Jednym z rozwiązań jest użycie czujnika światła do wykrycia początku bodźca lub plamy świetlnej, która jest zsynchronizowana z bodźcem. Wyjście czujnika światła jest podłączone do portu światła RTbox. Drugim rozwiązaniem jest użycie wyjścia wyzwalającego VideoSwitchera. Wyzwalacz można podłączyć bezpośrednio do portu impulsowego RTbox. Trzecim rozwiązaniem jest podłączenie sygnału audio komputera hosta do portu dźwiękowego RTbox.

Aby wygenerować wyzwalacz początku bodźca z VideoSwitchera, "włączamy" zielony kanał pikseli w centralnej części pierwszej klatki bodźca wizualnego. Ponieważ nie przyczynia się do sieci rezystorów, sygnał w kanale zielonym jest niewidoczny dla obiektu. Wywołanie funkcji [t, button]=RTBox('pulse', timeout) zwraca czas odpowiedzi, gdzie 'pulse' instruuje RTbox, aby obliczył czas odpowiedzi względem wyzwalacza. To samo wywołanie funkcji jest używane do wyzwalania dźwięku. W przypadku wyzwalaczy czujnika światła wywołanie funkcji to [t, przycisk]=RTBox('światło', limit czasu).

3. Zintegruj VideoSwitcher i RTbox

Zaprogramowaliśmy program demonstracyjny, który wykorzystuje VideoSwitcher do sterowania wyświetlaczem, RTbox do zbierania dokładnego czasu odpowiedzi, oraz RTbox do wysyłania kodu zdarzenia i odpowiedzi do systemu ERP. Program można pobrać ze strony http://lobes.usc.edu/videoswitcher/VideoSwitcherRTBoxERP_demo.m.

4. Reprezentatywne wyniki

Rysunek 1. Zdjęcie przełącznika wideo. Posiada porty wejściowe i wyjściowe VGA (oba żeńskie), przycisk do przełączania między dwoma trybami wyświetlania oraz port wyjściowy wyzwalacza.

Rysunek 2. Zdjęcia portów VGA (A) i DVI-I (B) oraz przejściówki z DVI-I na VGA (C).

Rysunek 3. Schemat przełącznika wideo. Multiplekser posiada dwa tryby wejściowe, kontrolowane przez poziom napięcia. Gdy jest w trybie pokazanym na schemacie, kanały RGB monitora odbierają ten sam sygnał, więc wyświetlacz jest w trybie skali szarości. Napięcie przełączania jest generowane przez układ CPLD, sterowany przez sygnały w kanale G i przycisku przełącznika. Spust jest również sterowany przez wejście w kanale G.

Rysunek 4. Zdjęcie RTboxa. Posiada port USB-B, port wejściowy światła, port wejściowy impulsu/dźwięku, port wejściowy zewnętrznego przycisku i port wyjściowy TTL.

Dyskusja

Przełącznik wideo zapewnia kompaktową, niedrogą i łatwą w użyciu metodę generowania wyświetlaczy o wysokiej rozdzielczości luminancji przy użyciu konwencjonalnych komputerowych kart graficznych i analogowych kolorowych monitorów. Jest podłączony między wyjściami analogowymi karty graficznej a monitorem. Może również przełączać się między monochromatycznymi i chromatycznymi trybami wyświetlania, zapewniając dodatkową wygodę. Jego kanał wyzwalający pozwala naukowcom na synchronizację innych urządzeń z wyświetlaczami wizual...