Artykuł metodologiczny

Pomiar czułości na zmianę punktu widzenia z sygnałami stereoskopowymi i bez nich

DOI:

10.3791/50877

⸱

4 grudnia 2013

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Omawiamy nową metodę rotacji bodźców wzrokowych i demonstrujemy za pomocą lustrzanego stereoskopu trójwymiarowe postrzeganie rotacji w głąb. Technika ta może być wykorzystana do zbadania roli wskazówek stereoskopowych w kodowaniu figur obróconych w punkcie widzenia.

Streszczenie

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

Szybkość i dokładność rozpoznawania obiektów jest zagrożona przez zmianę punktu widzenia; co pokazuje, że ludzcy obserwatorzy są wrażliwi na tę transformację. W tym miejscu omawiamy nowatorską metodę symulacji wyglądu obiektu, który został poddany głębokiemu obrotowi, a także przedstawiamy różnice między rzutami perspektywicznymi i prostopadłymi. Następnie opisujemy metodę, za pomocą której można zmierzyć ludzką wrażliwość na rotację w głąb. Na koniec omawiamy aparat do tworzenia żywej percepcji trójwymiarowego obrotu w głąb; Stereoskop Ośmiu Zwierciadeł Wheatstone'a. W ten sposób odkrywamy sposób, za pomocą którego możemy ocenić rolę wskazówek stereoskopowych w rozróżnianiu obróconych kształtów i obiektów z punktu widzenia.

Wprowadzenie

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

Wiele badań wykazało, że szybkość i dokładność rozpoznawania obiektów jest zagrożona przez zmianę punktu widzenia1-7. Na przykład rozpoznawanie twarzy jest najlepsze, gdy twarz jest oglądana w płaszczyźnie czołowo-równoległej, tj. "przodem na", i systematycznie maleje, gdy twarz jest obracana w głąb od płaszczyzny czołowo-równoległej. Zmiany punktu obserwacji mogą nastąpić, gdy obserwator lub oglądany obiekt się porusza. Co ważne, koszt punktu obserwacyjnego jest często obniżany poprzez wprowadzenie stereoskopowych wskazówek do obserwatora1-4,6,8. Ważne jest jednak, aby rozróżnić obrót obiektów 3D i płaskich. Te pierwsze mogą ujawniać nowe tekstury lub informacje strukturalne podczas obracania, podczas gdy nie ma to miejsca w przypadku obiektów płaskich. W niniejszym komunikacie omówiono metodę symulacji wyglądu płaskich kształtów i obiektów, które zostały poddane rotacji w głąb lub RID. Opisujemy aparat do przekształcania dwuwymiarowej projekcji obrazu RID w żywą trójwymiarową (trójwymiarową) percepcję RID, która jest oparta na stereoskopie9 zwierciadła Wheatstone'a. Na koniec przedstawiamy psychofizyczną metodę określania, czy sygnały stereoskopowe (3D) wpływają na naszą wrażliwość na zmianę punktu widzenia. Film 1 pokazuje, w jaki sposób wygląd kształtu jest zmieniany przez zmianę punktu widzenia/RID.

Symulowanie zmiany punktu widzenia

Gdy obiekt podlega RID, oczywiście nie zmienia fizycznie swojej tożsamości ani kształtu. Jednak z punktu widzenia obserwatora kształt się zmienia. Na przykład, jeśli trzymasz kartkę papieru bezpośrednio przed sobą w widoku poziomym, obraz papieru w twoim oku, zwany obrazem siatkówki, jest poziomym prostokątem. Jeśli następnie obrócisz papier wokół jego środkowej osi pionowej, obraz siatkówki zostanie skrócony wzdłuż poziomu (patrz rysunek 1 dla demonstracji). Ostatecznie, jeśli obrócisz papier o 90°, obraz siatkówki będzie cienkim paskiem o grubości papieru. Tak więc największą zmianą obrazu kartki papieru, która została poddana RID, jest pozioma kompresja jej kształtu. Mniejszy gradient zmiany występuje w zakresie pionowym, przy czym obraz jest wyższy dla najbliższej krawędzi niezmieniony na osi obrotu i krótszy dla dalszej krawędzi.

A RID może być symulowany przez odpowiednie przekształcanie obrazów za pomocą pakietów oprogramowania lub przez napisanie własnego kodu8,10. Czytelnicy, którzy chcą dowiedzieć się więcej o RID, mogą zapoznać się z odpowiednimi tekstami i stronami internetowymi poświęconymi transformacjom punktów widzenia lub dowiedzieć się o wbudowanych funkcjach w oprogramowaniu do przetwarzania obrazów w pakietach, takich jak te wymienione w naszych Materiałach. Jednak podczas przekształcania obrazu bodźca na ekranie w celu przedstawienia określonego kąta RID należy wziąć pod uwagę dodatkową kwestię: jakiego rodzaju projekcji użyć, ortograficzną czy perspektywiczną? Kiedy oglądamy scenę, pobliskie obiekty wytwarzają większe obrazy siatkówki niż obiekty znajdujące się dalej. W przypadku obiektu 2D (dwuwymiarowego), który podlega RID, oznacza to, że dalsza strona jest ściśnięta bardziej niż bliższa, jak pokazano na rysunku 1 (patrz w szczególności prawy dolny rysunek, na którym RID wynosi 60°). Wielkość asymetrii kompresji zależy od wielkości obiektu podlegającego RID oraz od naszej odległości od niego. Rzutowanie perspektywiczne uwzględnia tę asymetrię kompresji, podczas gdy rzutowanie prostokątne po prostu ją ignoruje, przypisując te same wymiary do bliższej i dalszej strony obiektu RID. Ponieważ obserwator obserwujący obracający się obiekt płaski będzie miał do czynienia z tą asymetrią, użyjemy tutaj rzutu perspektywicznego. Kolejną zaletą naszej metody jest to, że projekcja uwzględnia odległość oglądania od obserwatora do ekranu. Wcześniej używaliśmy naszej metody RID do symulowania obróconych kształtów punktu obserwacji zarówno w rzutowaniu perspektywicznym 2D, jak i w 3D8,10.

Symulacja zmiany punktu widzenia 3D

Aby symulować stereoskopowy RID, należy przedstawić nieco inne obrazy dla lewego i prawego oka. Ta różnica między tymi dwoma obrazami jest znana jako rozbieżność obuoczna11 i jest funkcją zarówno odległości oglądania, jak i separacji między oczami, a konkretnie odległości między źrenicami. Wracając do przykładu naszej kartki papieru w widoku poziomym, jeśli obrócimy kartkę papieru wokół środka w pionie, zgodnie z ruchem wskazówek zegara o 45° (więc lewa krawędź się cofa), widok każdego oka na papier jest nieco inny. Obraz rzutowany na lewe oko jest obracany nieco pod kątem 45°, podczas gdy obraz rzutowany na prawe oko jest obracany o nieco ponad 45° (patrz Rysunek 2 dla ilustracji - obserwatorzy, którzy mogą swobodnie połączyć dwa górne obrazy, dostrzegą RID w 3D). Jeśli odpowiednie kąty RID są prezentowane oddzielnie dla lewego i prawego oka (warunek stereo), stworzą gradient rozbieżności, a obserwator prawdopodobnie zgłosi żywe wrażenie 3D RID. Jeśli jednak identyczne obrazy, reprezentujące obrót o 45° od centralnego punktu widzenia, zostaną przedstawione obu oczom (stan niestereo), obserwator zobaczy reprezentację 2D bodźców RID. Uznaną metodą prezentowania oddzielnych obrazów dla lewego i prawego oka za pomocą jednego monitora jest użycie modyfikacji stereoskopu zwierciadlanego pierwotnie opracowanego przez Sir Charlesa Wheatstone'a w połowie XIXwieku 12 – patrz Ryc. 3. Gdy dwa stereo-połówki obrazów są umieszczone w odpowiednich miejscach w polu widzenia każdego oka, można je połączyć obuocznie, aby uzyskać percepcję 3D (zobacz Howard i Rogers12 dla obszernego przeglądu metod i ograniczeń stereoskopowych).

Łącząc symulowaną zmianę punktu widzenia z prezentacją stereoskopową, możemy określić, na przykład, rolę, jaką odgrywają wskazówki stereoskopowe w naszej zdolności do wykrywania zmian w punkcie widzenia. Poniższe wyniki demonstracji pokazują, że gdy rozmiar płaskiego obiektu, w tym przypadku zakrzywionego konturu, jest znany lub znany obserwatorowi, zmiana szerokości 2D krzywej (czasami nazywana jej ugięciem) jest wykorzystywana do wykrycia zmiany RID, tj. punktu widzenia (patrz Bell i wsp.10 dla pełnego manuskryptu na ten temat). Poniżej szczegółowo opisano psychofizyczną metodę pomiaru wrażliwości na zmianę RID dla kształtów płaskich zdefiniowanych w 2D i 3D.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Wstępna selekcja

  1. Przed badaniem należy uzyskać pisemną i świadomą zgodę od każdego uczestnika.
  2. Zapytaj badanego, czy ma normalną lub skorygowaną do normalnej ostrość ostrości (np. okulary).
  3. Sprawdź ostrość stereo uczestnika za pomocą prostego ręcznego testu stereo
    4. .

2. Osiąganie fuzji obuocznej w stereoskopie

  1. Posadź uczestnika przy biurku przed lustrem stereoskopowym i dostosuj wysokość krzesła dla wygody.
  2. Wyłącz światła, aby mogły przyciemnić się na co najmniej 3 minuty. System wizyjny sprawdza się najlepiej, gdy jest dostosowany do panujących warunków oświetleniowych.
  3. Poproś uczestnika, aby spojrzał przez stereoskop. Zobaczą krzyżyk wyświetlany na monitorze dla każdego oka. Muszą dostosować poziome położenie krzyżyków mocujących do momentu, gdy zobaczą tylko jeden krzyż w środku swojego pola widzenia. Jeśli widzą dwa krzyże, oznacza to, że ta separacja jest nieprawidłowa i konieczna jest regulacja pozioma. Cele są wyśrodkowane na krzyżach, gdy są wyświetlane, a ta procedura zapewnia fuzję w odpowiedniej odległości.
  4. Uczestnik jest teraz gotowy do rozpoczęcia eksperymentu.

3. Instrukcje dla obserwatora

  1. "W każdej próbie zobaczysz dwie krzywe, które mają rotację w głąb (RID). Musisz zdecydować, która z dwóch krzywych ma większy RID, innymi słowy, która jest bardziej obrócona od Twojego widoku. Naciśnij lewy przycisk myszy, jeśli pierwszy bodziec ma większy RID. Naciśnij prawy przycisk myszy, jeśli druga krzywa ma więcej RID."
  2. "Jest to zadanie wymuszonego wyboru, w którym następne badanie nie rozpoczyna się, dopóki nie zostanie udzielona odpowiedź na poprzednie badanie".
  3. "Jeśli nie masz pewności, który bodziec ma więcej RID, zgadnij".

4. Pomiar wrażliwości na zmianę punktu widzenia/RID w konturach

  1. Aby ocenić rolę wskazówek stereoskopowych w ocenach RID, wydajność uczestnika jest mierzona oddzielnie w warunkach, w których prezentowane są stereoskopowe wskazówki do RID (warunki stereoskopowe) i tam, gdzie nie są one prezentowane (warunki niestereoskopowe). Aby przedstawić wskazówki stereoskopowe, komputer wyświetla inny kąt krzywej RID dla każdego oka obserwatora, poprzez stereoskop. Aby przedstawić krzywe bez wskazówek stereo, komputer przedstawia tę samą krzywą RID dla obu oczu (patrz rysunek 2 dla przykładu). Poniższe kroki metodologiczne są następnie powtarzane dla obu warunków.
  2. Rozpocznij procedurę składającą się ze 140 prób dla uczestnika. Uwaga: Metoda stałych bodźców (MOCS13) służy do zapewnienia równej liczby prób dla każdej wartości RID zastosowanej krzywej testowej. Identyfikatory RID mogą być większe niż, mniejsze lub równe 45°, przy czym konkretna wartość jest losowo wybierana z zestawu dla każdej próby. RID krzywej odniesienia jest utrzymywany na stałym poziomie 45° RID. Kolejność prezentacji bodźców referencyjnych i testowych jest losowo dobierana w każdym badaniu.
  3. Zezwól programowi na rejestrowanie, jak często uczestnik wybiera test jako znajdujący się pod większym kątem RID.
  4. Daj uczestnikom przerwę po każdym bloku prób. W tym przykładzie 140 prób składa się z 20 powtórzeń dla każdego z 7 różnych kątów RID dla krzywej testowej: 3 kąty mniejsze niż 45°, 3 kąty większe niż 45° i 1 RID dokładnie pod kątem 45° - tak samo jak krzywa odniesienia.
  5. Na koniec każdego przebiegu komputer wykreśla dane opisujące proporcję przypadków, w których uczestnik wybrał bodziec testowy jako znajdujący się pod kątem RID większym niż 45°, w funkcji przedstawionego kąta RID (patrz przykładowe punkty danych na rysunku 4).
  6. Pozwól oprogramowaniu dopasować dane do skumulowanej funkcji Gaussa, aby określić precyzję, z jaką jest w stanie dokonać dyskryminacji RID. Precyzja ta jest określona przez parametr dopasowanej funkcji, który określa nachylenie (patrz przykładowe linie ciągłe na rysunku 4).
  7. Uzyskaj nachylenie z każdej działki. Oszacowania nachylenia dla warunków stereo i niestereo mogą być następnie porównane statystycznie w celu określenia, czy sygnały stereoskopowe przyczyniły się do zdolności obserwatora do wykrycia zmiany RID.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Rysunek 4 przedstawia przykładowe wyniki uzyskane z takiego eksperymentu. Oś y na każdym rysunku opisuje proporcję przypadków, w których wzorzec testowy został wybrany jako mający większy RID. Zamiast wykreślać bezwzględną liczbę przypadków, w których to się zdarzyło, podaje się to jako proporcję. Oś x opisuje fizyczny identyfikator RID wzorca testowego; pamiętając, że w tym przypadku wzorzec odniesienia był utrzymywany na stałym poziomie 45° RID. Punkty danych reprezentują proporcję przypadków, w któryc...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Metody omówione w niniejszym komunikacie mogą być wykorzystane przez każdego badacza poszukującego odpowiedzi na pytania związane z dyskryminacją i/lub rozpoznawaniem obiektów obróconych pod kątem punktu widzenia. Co ważne, metoda projekcji perspektywicznej nie ogranicza się do demonstrowanych tu bodźców; Zamiast tego można go zastosować do szerokiej gamy bodźców eksperymentalnych, od linii po obrazy złożonych obiektów. W naszym wprowadzeniu opisano sposoby zastosowania tej transformacji przy użyciu niestandardowego opro...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych. Pierwszy autor, Jason Bell, jest pełnoetatowym pracownikiem Australijskiego Uniwersytetu Narodowego; David Badcock i J. Edwin Dickinson są pełnoetatowymi pracownikami Uniwersytetu Australii Zachodniej; Fred Kingdom jest pełnoetatowym pracownikiem Uniwersytetu McGill.

Podziękowania

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

To badanie było wspierane przez Australijską Radę ds. Badań. Grant ARC # DP110101511 przyznany JB; National Sciences and Engineering Research Council, NSERC of Canada Grant # RGPIN121713-11 przyznany FK ; Grant ARC # DP130102580 i DP110104553 dla DRB.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Testowanie stereoskopowehttp://www.stereooptical.com/products/stereotestsTest stereofly TitmusRęczne urządzenia testujące
Gotowe urządzenia stereohttp://www.stereoaids.com.augotowe stereoskopyNadaje się do komputerów stacjonarnych i laptopów
Lustrzany stereoskopWykonane na zamówienie; lub Edmundoptics8 lustrzany stereoskopwww.edmundoptics.com
Karta graficznaNVidiaNVidia lub zalecana ATI
Eksperymentalne oprogramowanie kontrolneMATLABMATLAB, Python, C++, zalecany Visual Basic
Eksperymentalne oprogramowanie kontrolnePsychtoolbox.orgPsychtoolboxdo pobrania za darmo, ale wymaga
MATLAB Oprogramowanie statystyczneGraphpadPrism V5http://www.graphpad.com/
Statystyczne oprogramowaniePalamedesPsychofizyka przewodnikhttp://www.palamedestoolbox.org
Dokumentacja projekcji 3DWikipediahttp://en.wikipedia.org/wiki/3D_projection
: ,

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

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

Powiązane artykuły