Artigo de método

Medição Sensibilidade à Mudança Viewpoint com e sem Stereoscopic Sugestões

DOI:

10.3791/50877

⸱

4 de dezembro de 2013

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

Neste artigo

Resumo

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

Discutimos um novo método paraponto de vista-rotação de estímulos visuais e demonstramos usando um estereoscópio de espelho a percepção tridimensional de rotação em profundidade. A técnica pode ser usada para investigar o papel das pistas estereoscópicas na codificação de figuras giradas do ponto de vista.

Resumo

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A velocidade ea precisão do reconhecimento de objetos é comprometida por uma mudança no ponto de vista; demonstrando que observadores humanos são sensíveis a esta transformação. Aqui nós discutimos um novo método para simular a aparência de um objeto que foi submetido a uma profundidade de rotação em-, e incluem uma exposição das diferenças entre a perspectiva e projeções ortográficas. Em seguida, descrevem um método pelo qual a sensibilidade humana para rotação em profundidade pode ser medido. Finalmente discutimos um aparelho para criar uma percepção vívida de um 3-dimensional rotação em profundidade, o Wheatstone Oito Espelho Stereoscope. Ao fazer isso, nós revelamos um meio pelo qual se avalia o papel de sugestões estereoscópicas na discriminação de ponto de vista girada formas e objetos.

Introdução

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Muitos estudos mostraram que a velocidade e a precisão do reconhecimento de objetos são comprometidas por uma mudança no pontode vista 1-7. Por exemplo, o reconhecimento facial é melhor quando o rosto é visto no plano fronto-paralelo, ou seja, "frontal", e diminui sistematicamente à medida que o rosto é girado em profundidade para longe do plano fronto-paralelo. Mudanças no ponto de vista podem ocorrer quando o observador ou o objeto visualizado se move. É importante ressaltar que o custo do ponto de vista é frequentemente reduzido pela introdução de pistas estereoscópicas para o observador1-4,6,8. É, no entanto, importante distinguir entre a rotação de objetos 3D e planares. O primeiro pode revelar novas texturas ou informações estruturais sob rotação, enquanto isso não ocorre com objetos planares. Nesta comunicação, discutimos um método para simular a aparência de formas e objetos planares que foram sujeitos à rotação em profundidade, ou RID. Descrevemos um aparelho para transformar a projeção bidimensional de uma imagem de RID em uma percepção 3D vívida (tridimensional) de RID que é baseada no estereoscópio espelho de Wheatstone9. Finalmente, relatamos um método psicofísico para determinar se as pistas estereoscópicas (3D) influenciam nossa sensibilidade à mudança de ponto de vista. O Filme 1 demonstra como a aparência de uma forma é alterada por uma mudança de ponto de vista/RID.

Simulando uma mudança de ponto de vista

Quando um objeto está sujeito a RID, é claro que ele não muda fisicamente de identidade ou forma. No entanto, do ponto de vista do observador, a forma muda. Por exemplo, se você segura uma folha de papel diretamente à sua frente na vista paisagem, a imagem do papel em seu olho, denominada imagem da retina, é um retângulo horizontal. Se você girar o papel em torno de seu eixo vertical central, a imagem da retina será encurtada ao longo da horizontal (consulte a Figura 1 para obter uma demonstração). Em última análise, se você girar o papel em 90°, a imagem da retina será uma tira fina da espessura do papel. Assim, a maior mudança na imagem da folha de papel que foi sujeita ao RID é uma compressão horizontal de sua forma. Um gradiente de mudança menor ocorre na extensão vertical, com a imagem sendo mais alta para a borda mais próxima, inalterada no eixo de rotação e mais curta para a borda mais distante.

Um RID pode ser simulado pela transformação apropriada de imagens usando pacotes de software ou escrevendo o próprio código8,10. Os leitores que desejam saber mais sobre o RID podem consultar textos e sites relevantes relacionados com transformações de pontos de vista ou aprender sobre as funções integradas no software de processamento de imagens de pacotes como os listados em nossos Materiais. No entanto, ao transformar uma imagem de um estímulo em uma tela para representar um ângulo específico de RID, há uma consideração adicional: que tipo de projeção usar, ortográfica ou perspectiva? Quando visualizamos uma cena, os objetos próximos produzem imagens retinianas maiores do que os objetos mais distantes. Para um objeto 2D (bidimensional) que está sujeito a RID, isso significa que o lado mais distante é mais comprimido do que o lado próximo, como ilustra a Figura 1 (veja em particular a figura inferior direita que tem um RID de 60°). A magnitude da assimetria de compressão depende do tamanho do objeto sujeito a RID e da nossa distância dele. A projeção em perspectiva incorpora essa assimetria de compressão, enquanto a projeção ortográfica simplesmente a ignora, atribuindo as mesmas dimensões aos lados próximo e distante do objeto RID. Como um observador que visualiza um objeto plano girando será apresentado a essa assimetria, usaremos a projeção em perspectiva aqui. Outra vantagem do nosso método é que a projeção leva em consideração a distância de visualização do observador à tela. Anteriormente, usamos nosso método RID para simular formas giradas do ponto de vista em projeção em perspectiva 2D e em 3D8,10.

Simulando uma mudança de ponto de vista 3D

Para simular a RID estereoscópica, é necessário apresentar imagens ligeiramente diferentes para os olhos esquerdo e direito. Essa diferença entre as duas imagens é conhecida como disparidade binocular11 e é uma função da distância de visualização e da separação entre os olhos, especificamente a distância interpupilar. Voltando ao exemplo de nossa folha de papel em paisagem, se girarmos o pedaço de papel em torno do centro vertical, no sentido horário em 45° (de modo que a borda esquerda esteja recuando), a visão de cada olho do papel é ligeiramente diferente. A imagem projetada no olho esquerdo tem uma rotação ligeiramente inferior a 45°, enquanto a imagem projetada no olho direito tem uma rotação ligeiramente superior a 45° (veja a Figura 2 para uma ilustração - os observadores que podem fundir livremente as duas imagens superiores perceberão um RID em 3D). Se os ângulos RID apropriados forem apresentados separadamente para os olhos esquerdo e direito (a condição estéreo), eles produzirão um gradiente de disparidade e o observador provavelmente relatará uma impressão vívida de um RID 3D. No entanto, se imagens idênticas, representando uma rotação de 45° do ponto de visualização central, forem apresentadas a ambos os olhos (a condição não estéreo), o observador verá uma representação 2D dos estímulos RID. Um método estabelecido para apresentar imagens separadas aos olhos esquerdo e direito usando um único monitor é usar uma modificação do estereoscópio espelhado originalmente desenvolvido por Sir Charles Wheatstone em meadosdo século 1912 - veja a Figura 3. Quando as duas meias-imagens estéreo são posicionadas em locais correspondentes na visão de cada olho, elas podem ser fundidas binocularmente para produzir uma percepção 3D (ver Howard e Rogers12 para uma extensa revisão dos métodos e limitações estéreo).

Ao combinar uma mudança de ponto de vista simulada com apresentação estereoscópica, podemos determinar, por exemplo, o papel que as pistas estereoscópicas desempenham em nossa capacidade de detectar mudanças no ponto de vista. Os resultados da demonstração abaixo revelam que quando o tamanho de um objeto plano, neste caso um contorno curvo, é conhecido ou familiar ao observador, a mudança na largura 2D da curva (às vezes chamada de curvatura) é usada para detectar a mudança no RID, ou seja, ponto de vista (ver Bell et al.10 para o manuscrito completo sobre este efeito). Abaixo, descrevemos em detalhes um método psicofísico para medir a sensibilidade à mudança de RID para formas planares definidas em 2D e 3D.

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Protocolo

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1. Pré-triagem

  1. Antes do teste, obtenha o consentimento por escrito e informado de cada participante.
  2. Pergunte ao sujeito se ele tem acuidade normal ou corrigida para normal (ou seja, óculos).
  3. Verifique a acuidade estéreo do participante usando um teste estéreo portátil simples.

2. Alcançando a fusão binocular no estereoscópio

  1. Sente o participante na mesa em frente ao estereoscópio espelhado e ajuste a altura de sua cadeira para maior conforto.
  2. Apague as luzes para que possam se adaptar ao escuro por no mínimo 3 min. O sistema visual tem melhor desempenho quando adaptado às condições de iluminação predominantes.
  3. Peça ao participante que olhe através do estereoscópio. Eles verão uma cruz exibida no monitor para cada olho. Eles devem ajustar a posição horizontal das cruzes de fixação até verem apenas uma cruz, no centro de seu campo de visão. Se eles virem duas cruzes, essa separação está incorreta e o ajuste horizontal é necessário. Os alvos são centralizados nas cruzes quando exibidos e este procedimento garante a fusão na distância correta.
  4. O participante agora está pronto para iniciar o experimento.

3. Instruções de tarefas para o observador

  1. "Em cada teste, você verá duas curvas que têm rotação em profundidade (RID). Você deve decidir qual das duas curvas tem um RID maior, em outras palavras, qual é mais girado para longe de sua visão. Pressione o botão esquerdo do mouse se o primeiro estímulo tiver um RID maior. Pressione o botão direito do mouse se a segunda curva tiver mais RID."
  2. "Esta é uma tarefa de escolha forçada na qual o próximo julgamento não começa até que uma resposta tenha sido feita a um julgamento anterior."
  3. "Se você não tem certeza de qual estímulo tem mais RID, por favor, dê o seu melhor palpite."

4. Medindo a sensibilidade à mudança de ponto de vista/RID em contornos

  1. Para avaliar o papel das pistas estereoscópicas nos julgamentos de RID, o desempenho do participante é medido separadamente em condições em que as pistas estereoscópicas para RID são apresentadas (condições estéreo) e onde não são apresentadas (condições não estéreo). Para apresentar pistas estereoscópicas, o computador exibe um ângulo de curva RID diferente para cada olho do observador, através do estereoscópio. Para apresentar as curvas sem pistas estéreo, o computador apresenta a mesma curva RID para ambos os olhos (veja a Figura 2 para um exemplo disso). As etapas metodológicas abaixo são repetidas para ambas as condições.
  2. Iniciar o procedimento, composto por 140 tentativas, para o participante. Nota: O Método de Estímulos Constantes (MOCS13) é usado para garantir um número igual de tentativas para cada valor de RID da curva de teste empregada. Os RIDs podem ser maiores, menores ou iguais a 45°, com o valor específico sendo escolhido aleatoriamente do conjunto para cada tentativa. O RID da curva de referência é mantido constante a 45° RID. A ordem de referência de apresentação e os estímulos do teste são randomizados em cada tentativa.
  3. Permita que o programa registre a frequência com que o participante escolhe o teste como estando no maior ângulo RID.
  4. Dê aos participantes uma pausa após cada bloco de tentativas. Neste exemplo, as 140 tentativas são compostas por 20 repetições em cada um dos 7 ângulos RID diferentes para a curva de teste: 3 ângulos menores que 45°, 3 ângulos maiores que 45° e 1 RID precisamente a 45° - o mesmo que a curva de referência.
  5. No final de cada execução, o computador plota dados que descrevem a proporção de vezes que o participante escolheu o estímulo de teste como estando em um ângulo RID maior que 45 °, em função do ângulo RID apresentado (veja exemplos de pontos de dados na Figura 4).
  6. Deixe o software ajustar os dados com uma função gaussiana cumulativa para determinar a precisão com que eles são capazes de fazer a discriminação RID. Essa precisão é dada pelo parâmetro da função ajustada que determina a inclinação (veja o exemplo de linhas sólidas na Figura 4).
  7. Obtenha a inclinação de cada parcela. As estimativas de inclinação para as condições estéreo e não estéreo podem então ser comparadas estatisticamente para determinar se as pistas estereoscópicas contribuíram para a capacidade de um observador de detectar uma mudança no RID.

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Resultados

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A Figura 4 mostra exemplos de resultados obtidos de tal experimento. O eixo y em cada figura descreve a proporção de vezes que o padrão de teste foi escolhido como tendo um RID maior. Em vez de traçar o número absoluto de vezes que isso ocorreu, isso é dado como uma proporção. O eixo x descreve o RID físico do padrão de teste; lembrando que aqui, o padrão de referência foi mantido em um RID constante de 45°. Os pontos de dados representam a proporção de vezes que o observador escolheu a curva de teste co...

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Discussão

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Os métodos discutidos nesta comunicação podem ser usados por qualquer pesquisador que busque abordar questões relacionadas à discriminação e / ou reconhecimento de objetos girados de ponto de vista. É importante ressaltar que o método de projeção em perspectiva não se limita aos estímulos demonstrados aqui; em vez disso, pode ser aplicado a uma ampla gama de estímulos experimentais, de linhas a imagens de objetos complexos. Nossa introdução descreve maneiras de aplicar essa transformação usando software personalizado ou ...

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Divulgações

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Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes. O primeiro autor, Jason Bell, é funcionário em tempo integral da Universidade Nacional Australiana; David Badcock e J Edwin Dickinson são funcionários em tempo integral da Universidade da Austrália Ocidental; Fred Kingdom é funcionário em tempo integral da McGill University.

Agradecimentos

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Esta pesquisa foi apoiada pelo Conselho Australiano de Pesquisa. ARC Grant # DP110101511 dado a JB; Conselho Nacional de Pesquisa em Ciências e Engenharia, NSERC do Canadá Concessão # RGPIN121713-11 concedida a FK; ARC conceder # DP130102580 e DP110104553 para DRB.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Teste estéreohttp://www.stereooptical.com/products/stereotestsTeste de estereofly TitmusDispositivos de teste portáteis
Dispositivos estéreo pré-construídoshttp://www.stereoaids.com.auestereoscópios pré-construídosAdequado para computadores desktop e laptop
Estereoscópioespelhado Feito sob medida; ou, Edmundoptics8 estereoscópio espelhadowww.edmundoptics.com
Placa gráficaNVidia NVidiaou ATI recomendado
Software de controle experimentalMATLABMATLAB, Python, C++, Visual Basic recomendado
Software de controle experimentalPsychtoolbox.orgPsychtoolboxGratuito para download, mas requer MATLAB
Software estatísticoGraphpadPrism V5http://www.graphpad.com/
Estatístico softwarePalamedesGuia de psicofísicahttp://www.palamedestoolbox.org
documentação de projeção 3DWikipediahttp://en.wikipedia.org/wiki/3D_projection

Referências

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  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).

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