Niemowlęta i małe dzieci postrzegają świat w zupełnie inny sposób niż ich rodzice. Kamery montowane na głowie zapewniają elastyczny mechanizm do zrozumienia środowiska wzrokowego niemowlęcia. Protokół ten zawiera zasady przewodnie dla eksperymentów w domu lub laboratorium, aby uchwycić egocentryczny pogląd na małe dzieci i niemowlęta.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Własny widok: uchwycenie egocentrycznego spojrzenia na niemowlęta i małe dzieci za pomocą kamer montowanych na głowie
* These authors contributed equally
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Niemowlęta i małe dzieci postrzegają świat, na podstawowym poziomie sensorycznym, w zasadniczo inny sposób niż ich rodzice. Wynika to w dużej mierze z ograniczeń biologicznych: niemowlęta mają inne proporcje ciała niż ich rodzice, a zdolność do kontrolowania własnych ruchów głowy jest mniej rozwinięta. Takie ograniczenia ograniczają dostępne dane wizualne. Protokół ten ma na celu dostarczenie zasad przewodnich dla badaczy korzystających z kamer montowanych na głowie, aby zrozumieć zmieniające się bodźce wzrokowe doświadczane przez rozwijające się niemowlę. Skuteczne wykorzystanie tego protokołu pozwoli naukowcom zaprojektować i przeprowadzić badania środowiska wzrokowego rozwijającego się dziecka w domu lub laboratorium. Na podstawie tej metody naukowcy mogą skompilować zagregowany widok wszystkich możliwych elementów w polu widzenia dziecka. Ta metoda nie mierzy bezpośrednio tego, na co patrzy dziecko. Łącząc to podejście z uczeniem maszynowym, algorytmami widzenia komputerowego i kodowaniem ręcznym, naukowcy mogą stworzyć zestaw danych o dużej gęstości, aby zilustrować zmieniającą się ekologię wizualną rozwijającego się niemowlęcia.
Wprowadzenie
Przez dziesięciolecia psychologowie starali się zrozumieć środowisko rozwijającego się niemowlęcia, które William James opisał jako "kwitnące, brzęczące zamieszanie1." Codzienne doświadczenia niemowlęcia są zazwyczaj badane poprzez filmowanie naturalistycznej zabawy z partnerami społecznymi z perspektywy trzeciej osoby. Te widoki z boku lub powyżej zazwyczaj pokazują zagracone otoczenie i zniechęcającą liczbę potencjalnych referentów dla każdego nowego słowa, które słyszy niemowlę2. Dla postronnego obserwatora opis Jamesa jest trafny, ale ta stacjonarna, trzecioosobowa perspektywa nie jest sposobem, w jaki niemowlę widzi świat. Niemowlę znajduje się bliżej ziemi i może poruszać się po swoim świecie, zbliżając obiekty do eksploracji wizualnej. Trzecioosobowy widok interakcji rodzic-niemowlę jest zilustrowany na Rysunek 1. Uwypuklone są zasadnicze różnice między ich perspektywami. Być może dane wejściowe, które otrzymują niemowlęta, nie są tak chaotyczne, jak przewidują rodzice i naukowcy. Celem metod z kamerami montowanymi na głowie jest uchwycenie doświadczeń niemowlęcia z perspektywy pierwszej osoby, aby zrozumieć środowisko wizualne dostępne dla niego przez cały okres rozwoju.
Kamery montowane na głowie, noszone na czapce lub opasce, dają wgląd w doświadczenia wizualne rozwijającego się niemowlęcia z chwili na chwilę. Z tej perspektywy uwidacznia się badanie budowy i prawidłowości w otoczeniu niemowlęcia. Kamery montowane na głowie ujawniły, że doświadczenia wzrokowe niemowląt są w dużej mierze zdominowane przez dłonie, zarówno własne, jak i ich partnerów społecznych, a wygląd twarzy, kiedyś uważany za niezbędny do nawiązania wspólnej uwagi, jest znacznie rzadszy niż przewidywano3. Kamery montowane na głowie wykazały również, że niemowlęta i ich opiekunowie tworzą momenty, w których obiekty są wizualnie dominujące i wyśrodkowane w polu widzenia niemowlęcia (FOV), zmniejszając niepewność związaną z mapowaniem etykiet obiektów4.
Kamery zamontowane na głowie rejestrują widok pierwszoosobowy niemowląt na podstawie ruchów głowy. Widok ten nie jest idealnie zsynchronizowany ani reprezentatywny dla ruchów gałek ocznych niemowlęcia, które można uchwycić tylko w połączeniu z eye-trackerem. Na przykład przesunięcie tylko oczu przy nieruchomym trzymaniu głowy lub przesunięcie głowy przy utrzymywaniu oczu utkwionych w obiekcie spowoduje niewspółosiowość między rzeczywistym polem widzenia niemowlęcia a polem widzenia uchwyconym przez kamerę na głowę. Niemniej jednak podczas zabawy z zabawkami niemowlęta zazwyczaj centrują przedmioty, którymi się zajmują, dopasowując głowę, oczy i położenie zabawki do linii środkowej ciała5. Niewspółosiowość jest rzadka i zazwyczaj powstaje w wyniku chwilowych opóźnień między przesunięciem wzroku a towarzyszącym mu skrętem głowy3. Dlatego kamery nagłowne nie nadają się dobrze do uchwycenia szybkiej dynamiki zmian uwagi. Siła kamer montowanych na głowie polega na uchwyceniu codziennego środowiska wizualnego, ujawniając treści wizualne dostępne dla niemowląt.
Poniższy protokół i reprezentatywne wyniki pokażą, jak można wykorzystać kamery montowane na głowie do badania środowiska wizualnego niemowląt i małych dzieci.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
Poniższa procedura zbierania danych o doświadczeniach wzrokowych niemowląt i małych dzieci w laboratorium i w domu została zatwierdzona przez Indiana University Institutional Review Board. Uzyskano świadomą zgodę od opiekuna niemowlęcia.
1. Wybierz kamerę na głowę
UWAGA: Istnieje wiele małych, lekkich i przenośnych kamer dostępnych do zakupu (Rysunek 2).
- Wybierz kamerę czołową, która nie rzuca się w oczy i nie wpływa na nagrywane sceny.
- Zamontuj kamerę na przytulnym kapeluszu lub opasce na głowę za pomocą tymczasowego kleju lub bezpiecznie zamontuj kamerę na małej plastikowej płytce przymocowanej do pałąka. Ustaw kamerę na czole dziecka (Rysunek 2B, po lewej).
- W zależności od kształtu kamery, zamontuj kamerę, wszywając małe pętle z tkaniny w opaskę na głowę lub czapkę (Rysunek 2B, w środku i po prawej).
- Upewnij się, że czapka lub opaska na głowę są regulowane, aby uzyskać dokładne i wygodne dopasowanie do głowy dziecka (Rysunek 2A).
nuta: Kamera umieszczona bezpośrednio między oczami niemowlęcia jest teoretycznie idealna, jednak przy obecnej technologii nie jest to do końca możliwe. Coraz częściej dostępne są małe kamery, które można umieścić nisko na czole.
- Zamontuj kamerę na przytulnym kapeluszu lub opasce na głowę za pomocą tymczasowego kleju lub bezpiecznie zamontuj kamerę na małej plastikowej płytce przymocowanej do pałąka. Ustaw kamerę na czole dziecka (Rysunek 2B, po lewej).
- Jeśli kamery są wysyłane do domu z rodzicami, upewnij się, że rodzice mogą z nich korzystać bez żadnej pomocy technicznej.
- Zanim rodzice opuszczą laboratorium, przeszkol ich w zakresie obsługi kamery na głowę.
- Wyślij rodziców do domu z aparatem fotograficznym do użycia, opaską na głowę lub czapką oraz ulotką opisującą procedurę włączania kamery i rejestrowania danych.
- Upewnij się, że kamery są wystarczająco lekkie, aby niemowlęta mogły je nosić i zapomnieć o.
nuta: Zalecana waga to mniej niż 30 g3. Każdy wybrany aparat nie powinien nagrzewać się podczas użytkowania i musi być wytrzymały przy intensywnym użytkowaniu. - Jeśli konfiguracja eksperymentalna wymaga, aby dzieci mogły się swobodnie poruszać, zapisz nagrane wideo na wewnętrznej karcie pamięci. W przeciwnym razie należy używać kamer podłączonych do komputera zbierającego dane.
- Użyj kamery z wysokiej jakości obiektywem, aby lepiej wykorzystać najnowsze osiągnięcia w algorytmach uczenia maszynowego, które segmentują sceny wizualne na obszary zainteresowania.
- Jeśli sceny wizualne będą ręcznie kodowane przez badaczy, użyj kamery, która może rejestrować obrazy w jakości wystarczającej do ręcznej kontroli.
- Upewnij się, że każda kamera zasilana bateryjnie jest w stanie nagrywać przez żądany czas.
- Na krótko przed rozpoczęciem eksperymentu lub wysłaniem kamery do domu z rodzicami, przetestuj kamerę główną, aby upewnić się, że działa prawidłowo.
2. Zbieranie danych w laboratorium
UWAGA: Kamery montowane na głowie można łatwo dodać do większości eksperymentów.
- Niech 2-3 eksperymentatorów umieści kamerę na głowie dziecka: jeden eksperymentator umieści kamerę na głowie, drugi monitoruje widok z kamery na głowie i, jeśli to konieczne, jeden odwraca uwagę dziecka.
- Poproś rodzica, aby upewnił się, że dziecko pozostaje spokojne i odwrócił jego uwagę podczas procesu umieszczania dziecka.
- Ustaw kamerę w trzech krokach w następujący sposób.
- Znieczul niemowlę na ruchy rąk w pobliżu głowy.
- Poproś rodzica, aby kilkakrotnie delikatnie dotknął lub pogłaskał główkę i włosy niemowlęcia.
- Poproś eksperymentatora, który zakłada czapkę na głowę niemowlęcia, aby zrobił to samo, co w ppkt 2.2.1.1.
- Poproś eksperymentatora, aby umieścił kamerę zamontowaną na głowie, gdy dziecko jest rozproszone.
- Używaj zabawek z przyciskami, aby ręce dziecka były zajęte.
- Poproś rozpraszającego eksperymentatora lub rodzica o pomoc na tym etapie, delikatnie popychając ręce dziecka w kierunku angażującej zabawki, tak aby ręce dziecka nie dotykały głowy.
- Zaciśnij czapkę na głowie dziecka i wyreguluj kamerę na głowę, gdy dziecko jest zaangażowane w zabawkę.
- Dostosuj kamerę tak, aby gdy niemowlę trzyma przedmiot przed swoją twarzą, obiekt był wyśrodkowany w polu widzenia kamery na głowę.
- Jeśli dziecko siedzi, ustaw aparat tak, aby rejestrował większość kolan dziecka, gdy dziecko patrzy w dół.
- Znieczul niemowlę na ruchy rąk w pobliżu głowy.
- Po umieszczeniu kamery na głowie dziecka poproś eksperymentatora o opuszczenie pokoju i rozpoczęcie nagrywania.
- W przypadku, gdy kamera zostanie przesunięta z miejsca lub usunięta, wejdź ponownie do pomieszczenia, aby skorygować kamerę.
- Przerwij eksperyment, jeśli dziecko nie toleruje ponownego włączania kamery.
nuta: Aby nagrywać naturalne środowisko w domu, najpierw dopasuj czapkę i kamerę do danego niemowlęcia i pokaż rodzicom, jak ustawić kamerę. Konstrukcja i dopasowanie kamery muszą gwarantować, że rodzice będą w stanie założyć czapkę swojemu dziecku bez pomocy technicznej.
- Przerwij eksperyment, jeśli dziecko nie toleruje ponownego włączania kamery.
3. Zbieranie danych do badania rodzic-niemowlę
UWAGA: Poniższa reprezentatywna metoda dla kamer na głowę wykorzystuje naturalistyczną zabawkę zabawkami w laboratorium, aby zademonstrować rodzaj analiz, które można przeprowadzić na egocentrycznych poglądach niemowląt i ich rodziców (Rysunek 3A).
- Wyposażyć rodzica i dziecko w kamery montowane na głowie, zgodnie z opisem w ppkt 2.1 i 2.2.
- Użyj kamer nagłownych, aby nagrywać filmy w rozdzielczości 720 x 1280 pikseli przy 30 klatkach na sekundę. Postępuj zgodnie z opisem w krokach 2.3 i 2.4.
- Podpróbkowanie strumienia wideo odbywa się w jednej klatce co 5 s.
- Ręcznie narysuj obwiednię wokół każdej zabawki (Rysunek 3B) w polu widzenia, korzystając z komercyjnego oprogramowania lub programu opracowanego przez nas (zobacz Rysunek 3C dla przykładowej ramki).
- Jeśli tylko część zabawki jest widoczna z powodu przesłonięcia przez inne zabawki lub obcięcia na krawędzi ramki, rysuj obwiednię tylko wtedy, gdy zabawka jest łatwa do zidentyfikowania i obejmuje wszystkie widoczne części zabawki.
- Na przykład, jeśli widoczna jest tylko noga lalki, narysuj obwiednię wokół jej nogi. Jeśli przedmiot zasłania połowę lalki, pozostawiając widoczne włosy i nogi, narysuj pudełko zawierające zarówno włosy, jak i nogi.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Jedną z prostych, a jednocześnie informatywnych analiz jest zliczanie liczby obiektów w polu widzenia w każdym punkcie czasowym. Ponieważ kamera zamontowana na głowie generuje dane z częstotliwością około 30 Hz (30 obrazów/s), zastosowanie down-samplingu danych do 1 obrazu co 5 s pomaga uzyskać bardziej przystępny zbiór danych, przy jednoczesnym zachowaniu rozdzielczości odpowiedniej do zrozumienia rodzajów scen widzianych przez dzieci. Wcześniejsze badania wykazały, że sceny wizualne u n...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
W tym artykule przedstawiono podstawy stosowania kamer montowanych na głowie u niemowląt w celu uchwycenia ich egocentrycznej sceny wizualnej. Dostępne na rynku kamery nagłowne są wystarczające dla zdecydowanej większości badań. Małe, lekkie i przenośne aparaty fotograficzne należy wkomponować w czapkę lub opaskę z miękkiej tkaniny i przyłożyć do głowy dziecka. Po pomyślnym zaprojektowaniu i wdrożeniu można przeprowadzać różnorodne eksperymenty, zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i w środowisku domowym. Na podstawi...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
Podziękowania
Autorzy dziękują Dr. Chen Yu za wskazówki w tworzeniu tego manuskryptu oraz za dane użyte w sekcji Reprezentatywne wyniki. Dziękujemy rodzinom biorącym udział w projekcie, które zgodziły się na wykorzystanie ich w rysunkach i filmowaniu protokołu, a także Lydii Hoffstaetter za uważne przeczytanie tego manuskryptu. Badania te były wspierane przez granty National Institutes of Health T32HD007475-22 (J.I.B., D.H.A.), R01 HD074601 (S.B.), R01 HD028675 (S.B., L.B.S.) i F32HD093280 (L.K.S.). National Science Foundation przyznaje BCS-1523982 (S.B., L.B.S) i CAREER IIS-1253549 (S.B., D.J.C.), National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program #1342962 (SES) oraz Indiana University w ramach Emerging Area of Research Initiative - Learning: Brains, Machines, and Children (J.I.B., S.B., L.B.S.).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Kamera czołowa | Looxcie | Looxcie 3 | |
| Kamera czołowa | Watec | WAT-230A Kamera | |
| czołowa | Supercircuits | PC207XP | |
| Kamera czołowa | KT& C | VSN500N | |
| Kamera czołowa | SereneLife | HD Clip-On | |
| Kamera czołowa | Conbrov | Pen TD88 | |
| Kamera czołowa | Mvowizon | Smiley Face Spy Button Kamera | |
| czołowa | Narracja | Clip 2 | |
| Kamera czołowa | MeCam | DM06 |
Bibliografia
- James, W. The Principles of Psychology. , Henry Holt and Co. New York. (1890).
- Quine, W., Van, O. Word and object: An inquiry into the linguistic mechanisms of objective reference. , The MIT Press. Cambridge, MA. (1960).
- Yoshida, H., Smith, L. B. What's in view for toddlers? Using a head camera to study visual experience. Infancy. 13 (3), 229-248 (2008).
- Yu, C., Smith, L. B. Embodied attention and word learning by toddlers. Cognition. 125 (2), 244-262 (2012).
- Bambach, S., Smith, L. B., Crandall, D. J., Yu, C. Objects in the center: How the infant's body constrains infant scenes. Joint IEEE International Conference on Development and Learning and Epigenetic Robotics 2016. , 132-137 (2016).
- Adolph, K. E., Gilmore, R. O., Freeman, C., Sanderson, P., Millman, D. Toward open behavioral science. Psychological Inquiry. 23 (3), 244-247 (2012).
- Sanderson, P. M., Scott, J. J. P., Johnston, T., Mainzer, J., Wantanbe, L. M., James, J. M. MacSHAPA and the enterprise of exploratory sequential data analysis (ESDA). International Journal of Human-Computer Studies. 41 (5), 633-681 (1994).
- Pereira, A. F., Smith, L. B., Yu, C. A bottom-up view of toddler word learning. Psychonomic Bulletin & Review. 21 (1), 178-185 (2014).
- Yu, C., Smith, L. B. Joint Attention without Gaze Following: Human Infants and Their Parents Coordinate Visual Attention to Objects through Eye-Hand Coordination. PLOS ONE. 8 (11), e79659(2013).
- Jayaraman, S., Fausey, C. M., Smith, L. B. The faces in infant-perspective scenes change over the first year of life. PlOS ONE. 10 (5), e0123780(2015).
- Fausey, C. M., Jayaraman, S., Smith, L. B. From faces to hands: Changing visual input in the first two years. Cognition. 152, 101-107 (2016).
- Jayaraman, S., Fausey, C. M., Smith, L. B. Why are faces denser in the visual experiences of younger than older infants? Developmental Psychology. 53 (1), 38(2017).
- Clerkin, E. M., Hart, E., Rehg, J. M., Yu, C., Smith, L. B. Real-world visual statistics and infants' first-learned object names. Philosophical Transactions of the Royal Society B, Biological Sciences. 372, 20160055(2017).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
