November 2nd, 2012
Nós descrevemos uma nova metodologia para a criação de naturalistas objetos 3-D e categorias de objetos com variações característica precisamente definidos. Nós usamos simulações dos processos biológicos de morfogênese e filogênese para criar novos, naturalistas virtuais objetos 3-D e categorias de objetos que podem ser processados como imagens visuais ou objetos táteis.
Este procedimento visa criar objetos e categorias de objetos para estudar como percebemos e aprendemos a perceber objetos pela visão e/ou tato. Primeiro, a morfogênese virtual ou VM é usada para simular os processos de desenvolvimento embrionário inicial e criar novos objetos 3D virtuais naturalistas chamados embriões digitais. Em seguida, usando agenesia virtual ou VP, categorias de objetos são criadas com propriedades estatísticas definidas com precisão com base no embrião digital de entrada.
Se desejado, a análise de componentes principais pode ser usada para criar variações de forma adicionais entre os objetos virtuais criados pela morfogênese virtual e pela fiagenesia virtual. A probabilidade de um determinado objeto pertencer a uma determinada categoria pode ser calculada com precisão usando inferência bayesiana baseada em recursos. Se necessário, impressões hápticas dos objetos virtuais resultantes podem ser geradas usando uma impressora 3D.
Cada um desses métodos será ilustrado com mais detalhes posteriormente em comparação com os métodos existentes. Essas novas abordagens criam variações de forma naturalistas, mas precisamente mensuráveis, que surgem sem a necessidade de restrições impostas pelo investigador. Eles oferecem novas ferramentas nas áreas de percepção visual e háptica, aprendizado perceptivo e visão de máquina, e têm aplicações potenciais na reabilitação de muitos tipos de deficiências visuais por meio do treinamento visual háptico cross metal.
Curiosamente, este método também pode ser aplicado para estudar os próprios processos de morfogênese e evolução, E tivemos a ideia desse método pela primeira vez quando estávamos procurando maneiras de gerar estímulos visuais naturalistas, mas precisamente definíveis para estudos e visão computacional. Inicialmente, as pessoas sabiam que esse método poderia ter dificuldades com seus aspectos intensivos de matemática e programação, portanto, esta demonstração visual ilustrará como implementar e usar esse método corretamente. No workshop de embriões digitais, especifique um conjunto de configurações ou genótipo para gerar um único embrião para gerar vários embriões.
Repita esse processo várias vezes para gerar formas mais complexas por morfogênese virtual. Aumente o número de ciclos de crescimento para especificar o número de vezes que as células do embrião se dividirão. A oficina de embriões digitais salva automaticamente cada embrião como um arquivo OBJ para que você possa usar o embrião posteriormente com kits de ferramentas comerciais de modelagem 3D.
Gere os estímulos visuais definindo os vários parâmetros gráficos padrão, como orientação, tamanho, iluminação, textura da superfície e plano de fundo para gerar categorias de objetos. Crie descendentes de um objeto ancestral de maneira hierárquica. Você também pode variar suavemente a forma usando a transformação, preservando a correspondência um-para-um dos vértices entre os objetos.
Curiosamente, objetos virtuais que não sejam embriões digitais também podem ser usados como entradas para a agenesia virtual. Selecione objetos dentro de uma determinada categoria para obter uma determinada distribuição de recursos. Por exemplo, se você quiser criar duas categorias que diferem em tamanho, elimine seletivamente objetos de tamanho médio para gerar uma distribuição bimodal de tamanhos de objetos.
Agora, meça objetivamente a semelhança entre um determinado par de categorias usando métodos filogenéticos disponíveis, como correlação cofonética. Esses cálculos podem ser realizados usando kits de ferramentas analíticas comumente disponíveis, como MATLAB ou R, para qualquer par de objetos em que cada vértice de um objeto corresponde a exatamente um vértice do outro objeto, a transformação é direta. Selecione os pontos de interpolação e use a transformação linear entre os dois objetos para interpolar suavemente entre os vértices correspondentes.
Primeiro, determine os componentes principais como descritores específicos de um determinado conjunto de objetos. Os componentes principais podem ser calculados usando MATLAB ou média R, as coordenadas de cada vértice em todos os N objetos de entrada para gerar um objeto médio, multiplicar qualquer componente P pelo valor egen correspondente lambda e um peso desejado wj e adicionar ao objeto médio para gerar um novo objeto. Aj continua a variar suavemente WJ para criar variações de forma suave ao longo de um determinado componente principal.
Para criar uma grade multidimensional de formas, use um conjunto de pesos para cada um dos vários componentes principais. Imprima objetos 3D usando um protótipo 3D. Se necessário, ajuste o tamanho do objeto e alise a superfície do objeto para otimizar a impressão.
Uma tarefa importante no processamento visual é inferir a categoria à qual um determinado objeto observado pertence. Em parte, usando as informações sobre as características conhecidas do objeto, os embriões digitais são úteis. Ao estudar esse processo inferencial, vamos supor que a tarefa de categorização seja binária.
Ou seja, existem apenas duas categorias possíveis e que nossa tarefa envolve distinguir a categoria K da categoria L, seja C a variável de categoria, C é igual a K ou C é igual a L de acordo com se a imagem observada I pertence à categoria K ou L, respectivamente. Supondo que haja exatamente um recurso binário F, calcule a probabilidade de que a categoria seja K, dadas as informações na imagem. Da mesma forma, para a probabilidade de que a categoria seja L, escolha a categoria com a maior probabilidade.
Por exemplo, comece com esse recurso de fragmento informativo e um valor limite de 0,69. A tarefa é determinar se esse recurso está presente em uma determinada imagem, como a imagem mais à direita na estrada G três. Primeiro, deslize o modelo sobre todos os locais possíveis na computação da imagem em cada local, o valor absoluto da correlação cruzada normalizada entre o modelo e a subimagem subjacente.
Em seguida, selecione o local da imagem com o valor mais alto. Se esse valor estiver acima do limite, conclua que o recurso está presente, caso contrário, conclua que ele está ausente. Dentro da estrutura da inferência baseada em recursos, assumimos que todas as informações que o observador extrai da imagem estão contidas no valor desse recurso.
Portanto, a tarefa passa a ser a de determinar o valor de F na imagem dada calculando probabilidades para esse valor F e selecionando a categoria com a maior probabilidade. Esta é a estrutura bayesiana para reunir todas as probabilidades relevantes. Observe que o denominador nas duas equações é o mesmo, portanto, restrinja a atenção ao numerador.
Suponha um prior plano que é ambas as categorias são apriori. Igualmente provável, a tarefa agora é calcular a probabilidade de um determinado valor de recurso em uma imagem de uma determinada categoria C.Por exemplo, use as seis imagens da categoria L como exemplos para calcular a probabilidade de que o recurso esteja presente em uma imagem da categoria L.Primeiro, pegue todas as imagens de treinamento que pertencem a L para cada imagem, Determine se o valor do recurso é aquele em que o recurso está presente na imagem ou zero em que o recurso está ausente. Em seguida, calcule a fração de imagens em que o valor do recurso é um.
Portanto, a probabilidade de que a feição esteja presente em uma imagem da categoria L é de 0,33 para estimativas precisas, use pelo menos 30 imagens por categoria. Em um experimento típico, precisaríamos saber a estimativa interna do sujeito dessa probabilidade. Observe como o uso de embriões digitais torna isso especialmente fácil.
Como temos controle total sobre a exposição do sujeito a embriões digitais, podemos ter certeza de que o valor calculado internamente é consistente com nossa estimativa e não é influenciado por nenhuma experiência anterior descontrolada e desconhecida. De maneira semelhante, calcule as probabilidades de ausência e presença da imagem nas categorias K e L. Dados esses valores, a inferência pode ser realizada para identificar o rótulo da categoria dessa nova imagem. Primeiro, determine se a característica F está presente na imagem usando as fórmulas anteriores determinadas para probabilidades não normais e os valores recém-calculados, calcule as probabilidades da presença na imagem das categorias, K e L.Esses dados indicam que a imagem é da categoria K.Embora com confiança relativamente baixa, a morfogênese virtual oferece um suprimento ilimitado de novas formas 3D.
Aqui, os embriões digitais são gerados simulando processos-chave da embriogênese biológica. Cada corrida começa com um icosaedro e gera um embrião único. Com base nas configurações do morfogênio, os embriões digitais podem ser manipulados graficamente para criar cenas visuais de complexidade arbitrária usando qualquer kit de ferramentas gráficas padrão.
Por exemplo, o mesmo embrião digital pode ser texturizado de forma diferente e iluminado conforme desejado. Além disso, cenas visuais de complexidade arbitrária, como esta cena com um embrião digital camuflado contra um fundo de textura semelhante, podem ser criadas usando um ambiente de modelagem e renderização 3D disponível comercialmente. O algoritmo de fiagenesia virtual emula a evolução biológica.
O algoritmo de fiagenesia virtual emula a evolução biológica. Novos objetos e categorias de objetos surgem como variações hereditárias que se acumulam seletivamente, mas acumulam variações de forma próprias à medida que se desenvolvem. Neste exemplo em particular, um único ancestral comum, o icosaedro, produz três gerações de descendentes.
A complexidade da forma aumenta do icosaedro para a geração G porque permitimos que o número de células aumente, mas a complexidade geral da forma permanece a mesma da geração G em diante. Esta árvore genealógica é comparável em outros aspectos, mas usa objetos não embrionários que foram baixados de fornecedores de objetos virtuais. Observe que os objetos que compartilham um ancestral comum constituem diretamente uma categoria.
Como nenhuma divisão celular foi permitida em qualquer geração, todas as variações de forma resultam apenas do movimento e/ou crescimento das células individuais do objeto dado. Nesse cenário, a transformação cria variações suaves na forma interpolando entre os vértices correspondentes dos dois objetos designados. A extrema esquerda e a extrema direita.
Os componentes principais do embrião também criam variações suaves na forma. Este embrião representa a média aritmética de 400 embriões. Neste caso particular, os dois primeiros componentes principais representaram 73% e 19% das informações de forma, respectivamente.
Os embriões foram obtidos variando os valores de auto ponderados. Esses embriões digitais podem ser renderizados como objetos 3D virtuais e, em seguida, impressos como objetos hápticos usando uma impressora 3D padrão disponível comercialmente ou protótipo para estudar a percepção visual como inferência, em particular como inferência bayesiana. Os embriões digitais são uma ferramenta inestimável para criar novas categorias com parâmetros controlados, como anteriores e probabilidades.
Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como criar um conjunto de embriões digitais adequados para seu experimento específico. Objetos individuais ou categorias inteiras com diferentes graus de variabilidade e complexidade podem ser criados facilmente. As imagens resultantes podem ser usadas para experimentos de reconhecimento de objetos, categorização, aprendizado de categorias e muitos outros.
Este estudo apresenta uma nova metodologia para criar objetos 3-D naturalistas e categorias através de simulações de processos biológicos. A abordagem utiliza morfogênese virtual e filogênese para gerar objetos virtuais que podem ser renderizados visualmente ou como impressões hápticas.
Creating naturalistic, quantifiable 3D object stimuli enables rigorous study of perception and perceptual learning in biological and machine systems. This approach supports target validation by providing controlled, measurable inputs for hypothesis testing in sensory neuroscience and computational vision. The methodology enhances predictive confidence in preclinical models by reducing stimulus confounds and enabling systematic manipulation of shape complexity.
The method integrates into the discovery continuum from hypothesis testing through lead identification by providing naturalistic, measurable stimuli for perception-based assays.