Ten artykuł opisuje nowatorską metodę symulacji i badania adaptacji w systemie wzrokowym.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Ten artykuł opisuje nowatorską metodę symulacji i badania adaptacji w systemie wzrokowym.
Wiele technik zostało opracowanych, aby zobrazować, jak obraz wyglądałby dla osoby o różnej wrażliwości wzrokowej: np. z powodu różnic optycznych lub wiekowych, lub niedoboru kolorów lub choroby. Protokół ten opisuje technikę włączania adaptacji sensorycznej do symulacji. Protokół jest zilustrowany przykładem widzenia kolorów, ale ogólnie ma zastosowanie do każdej formy adaptacji wzrokowej. Protokół wykorzystuje prosty model widzenia kolorów człowieka oparty na standardowych i prawdopodobnych założeniach dotyczących mechanizmów siatkówki i kory mózgowej kodujących kolor oraz tego, jak dostosowują one swoją czułość zarówno do przeciętnego koloru, jak i zakresu koloru w dominującym bodźcu. Korzyści płynące z mechanizmów są dostosowywane w taki sposób, że ich średnia reakcja w jednym kontekście jest zrównana z innym kontekstem. Symulacje pomagają ujawnić teoretyczne granice adaptacji i generować "dostosowane obrazy", które są optymalnie dopasowane do konkretnego środowiska lub obserwatora. Stanowią one również wspólną metrykę do badania skutków adaptacji u różnych obserwatorów lub w różnych środowiskach. Scharakteryzowanie percepcji wzrokowej i wydajności za pomocą tych obrazów stanowi nowatorskie narzędzie do badania funkcji i konsekwencji długotrwałej adaptacji w widzeniu lub innych systemach sensorycznych.
Jak świat może wyglądać dla innych lub dla nas samych, gdy się zmieniamy? Odpowiedzi na te pytania mają fundamentalne znaczenie dla zrozumienia natury i mechanizmów percepcji oraz konsekwencji zarówno normalnych, jak i klinicznych zmian w kodowaniu sensorycznym. Opracowano szeroką gamę technik i podejść do symulacji tego, jak obrazy mogą wyglądać dla osób o różnej wrażliwości wzrokowej. Na przykład są to symulacje kolorów, które mogą być rozróżniane przez różne rodzaje niedoborów kolorów1,2,3,4, różnice przestrzenne i chromatyczne, które mogą być rozwiązane przez niemowlęta lub starszych obserwatorów5,6,7,8,9, jak obrazy pojawiają się w widzeniu peryferyjnym10, oraz konsekwencje błędów optycznych lub choroby11,12,13,14. Zostały one również zastosowane do wizualizacji dyskryminacji, które są możliwe dla innych gatunków15,16,17. Zazwyczaj takie symulacje wykorzystują pomiary strat czułości w różnych populacjach do filtrowania obrazu, a tym samym zmniejszania lub usuwania struktury, którą mają trudności z zobaczeniem. Na przykład powszechne formy ślepoty barw odzwierciedlają utratę jednego z dwóch fotoreceptorów wrażliwych na średnie lub długie fale, a obrazy przefiltrowane w celu usunięcia ich sygnałów zazwyczaj wydają się pozbawione "czerwonawo-zielonkawych" odcieni1. Podobnie, niemowlęta mają gorszą ostrość widzenia, a zatem obrazy przetworzone pod kątem ich zmniejszonej wrażliwości przestrzennej wydają się rozmyte5. Techniki te dostarczają bezcennych ilustracji tego, co jedna osoba może zobaczyć, a inna może nie. Nie przedstawiają one jednak – i często nie mają na celu – rzeczywistego doświadczenia percepcyjnego obserwatora, a w niektórych przypadkach mogą fałszywie przedstawiać ilość i rodzaje informacji dostępnych dla obserwatora.
Ten artykuł opisuje nowatorską technikę opracowaną do symulacji różnic w doświadczeniu wizualnym, która zawiera podstawową cechę kodowania wizualnego — adaptacja18,19. Wszystkie systemy sensoryczne i motoryczne stale dostosowują się do kontekstu, na który są narażone. Ostry zapach w pomieszczeniu szybko zanika, a wzrok dostosowuje się do tego, jak jasne lub ciemne jest pomieszczenie. Co ważne, zmiany te zachodzą w przypadku prawie każdego atrybutu bodźca, w tym percepcji "wysokiego poziomu", takiej jak charakterystyka czyjejś twarzy20,21 lub jego voice22,23, a także kalibracja poleceń motorycznych wydawanych podczas poruszania oczami lub sięgania po obiekt24,25. W rzeczywistości adaptacja jest prawdopodobnie podstawową właściwością prawie wszystkich procesów neuronalnych. Ten artykuł ilustruje, jak włączyć te efekty adaptacji do symulacji wyglądu obrazów, zasadniczo "dostosowując obraz" do przewidywania, jak będzie wyglądał dla konkretnego obserwatora w określonym stanie adaptacji26,27,28,29. Wiele czynników może wpływać na czułość obserwatora, ale adaptacja może często zrekompensować ważne aspekty tych zmian, tak że straty czułości są mniej widoczne, niż można by przewidzieć bez założenia, że system się dostosowuje. I odwrotnie, ponieważ adaptacja dostosowuje czułość zgodnie z aktualnym kontekstem bodźca, te dostosowania są również ważne do uwzględnienia w przewidywaniu, jak bardzo percepcja może się różnić, gdy zmienia się środowisko.
Poniższy protokół ilustruje technikę, dostosowując zawartość kolorów obrazów. Widzenie kolorów ma tę zaletę, że początkowe etapy neuronalne kodowania kolorami są stosunkowo dobrze poznane, podobnie jak wzorce adaptacji30. Rzeczywiste mechanizmy i dostosowania są złożone i zróżnicowane, ale główne konsekwencje adaptacji można uchwycić za pomocą prostego i konwencjonalnego modelu dwuetapowego (rysunek 1a). W pierwszym etapie sygnały barwne są początkowo kodowane przez trzy typy fotoreceptorów czopków, które są maksymalnie czułe na krótkie, średnie lub długie fale (czopki S, M i L). W drugim etapie sygnały z różnych czopków są łączone w komórkach postreceptorowych, tworząc kanały "przeciwstawne kolorowi", które odbierają antagonistyczne sygnały wejściowe z różnych czopków (a tym samym przekazują informacje o "kolorze") oraz kanały "nie-przeciwstawne", które sumują wejścia stożków (kodując w ten sposób informacje o "jasności"). Adaptacja zachodzi na obu etapach i dostosowuje się do dwóch różnych aspektów koloru — średniej (w czopkach) i wariancji (w kanałach postreceptorowych)30,31. Celem symulacji jest zastosowanie tych korekt do mechanizmów modelu, a następnie renderowanie obrazu z ich dostosowanych danych wyjściowych.
Proces adaptacji obrazów składa się z sześciu podstawowych elementów. Są to: 1) wybór obrazów; 2) wybór formatu widm obrazu; 3) definiowanie zmiany koloru otoczenia; 4) określenie zmiany czułości obserwatora; 5) korzystanie z programu do tworzenia adaptowanych obrazów; oraz 6) wykorzystanie obrazów do oceny konsekwencji adaptacji. Poniżej szczegółowo omówiono każdy z tych kroków. Podstawowe reakcje modelu i mechanizmu przedstawiono na rysunku 1, natomiast na rysunkach 2–5 przedstawiono przykłady obrazów renderowanych za pomocą modelu.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
UWAGA: Przedstawiony protokół wykorzystuje program, który pozwala na wybór obrazów, a następnie ich dostosowanie za pomocą opcji wybranych przez różne rozwijane menu.
1. Wybierz obraz do dostosowania
2. Określ bodziec i obserwatora
3. Wybierz warunek adaptacji
4. Wybierz czułość spektralną obserwatora
UWAGA: Dla efektów adaptacyjnych różnych środowisk, obserwator zazwyczaj pozostaje niezmienny i jest ustawiony na domyślnego "standardowego obserwatora" o średniej czułości spektralnej. Dostępne są 3 menu do ustawiania indywidualnej czułości spektralnej, które kontrolują ilość pigmentu przesiewowego lub czułość spektralną obserwatora.
5. Dostosuj obraz
6. Oceń konsekwencje adaptacji
UWAGA: Oryginalne obrazy referencyjne i dostosowane symulują, jak ten sam obraz powinien wyglądać w dwóch stanach modelowanej adaptacji, i co ważne, różnią się tylko ze względu na stan adaptacji. Różnice w obrazach dają więc wgląd w konsekwencje adaptacji.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rysunki 2 - 4 przedstawiają symulacje adaptacji do zmian w obserwatorze lub środowisku. Rysunek 2 porównuje przewidywany wygląd obrazu Still Life with Apples Cezanne'a dla młodszego i starszego obserwatora, którzy różnią się jedynie gęstością pigmentu soczewki28. Oryginalny obraz widziany młodszym okiem (Rysunek 2a) wydaje się znacznie bardziej żółty i ciemniejszy przez soczewkę o większym stopniu pigmenta...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Ilustrowany protokół pokazuje, w jaki sposób można zobrazować na obrazach skutki adaptacji do zmiany zachodzącej w środowisku lub obserwatorze. Forma, jaką przyjmie ten obraz, będzie zależała od założeń przyjętych dla modelu – na przykład od tego, jak kolor jest kodowany oraz jak mechanizmy kodowania reagują i dostosowują się. Dlatego najważniejszym krokiem jest podjęcie decyzji o modelu widzenia kolorów – na przykład, jakie są właściwości hipotetycznych kanałów i jak zakłada się, że się adaptują. Innym ważnym krokiem je...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Wspierane przez National Institutes of Health (NIH) grant EY-10834.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Obrazy komputerowe | |||
| do adaptacji | |||
| Język programowania (np. Visual Basic lub Matlab) | |||
| Program do przetwarzania obrazów | |||
| Czułość spektralna obserwatora (do zastosowań wymagających adaptacji specyficznej dla obserwatora) | |||
| Widma emisji urządzenia (dla aplikacji zależnych od urządzenia) |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.