Vi beskriver en roman metodikk for å skape naturalistiske 3D-objekter og objekt kategorier med presist definerte funksjonen variasjoner. Vi bruker simuleringer av de biologiske prosessene i morphogenesis og Phylogenesis å skape nye, naturalistiske virtuelle 3D-objekter og objekt kategorier som deretter kan ytes som visuelle bilder eller haptisk objekter.
For å kvantitativt studere objektet persepsjon, det være seg oppfatning av biologiske systemer eller maskiner, må man lage objekter og objekt kategorier med nettopp definerbare, fortrinnsvis naturalistisk, egenskaper en. Videre, for studier av perseptuell læring, er det nyttig å lage nye objekter og objekt kategorier (eller objektklasser) med slike egenskaper 2.
Mange innovative og nyttige metoder for tiden eksisterer for å skape nye objekter og objekt kategorier 3-6 (se også refs. 7,8). Men generelt sett, de eksisterende metodene har tre store typer mangler.
Først er formvariasjoner generelt pålagt av eksperimentator 5,9,10, og kan derfor være forskjellig fra variasjonen i naturlige kategorier, og er optimalisert for en bestemt anerkjennelse algoritme. Det ville være ønskelig å ha variasjoner oppstår uavhengig av externally pålagt begrensninger.
Sekund, eksisterende metoder har problemer fange formen kompleksiteten av naturlige objekter 11-13. Hvis målet er å studere naturlig objekt oppfatning er det ønskelig for objekter og objekt kategorier som skal naturalistiske, for å unngå mulige forundrer og spesielle saker.
For det tredje er det generelt vanskelig å kvantitativt måle tilgjengelig informasjon i de stimuli som er opprettet av konvensjonelle metoder. Det ville være ønskelig å opprette objekter og objekt kategorier hvor den tilgjengelige informasjonen kan måles nøyaktig, og om nødvendig, systematisk manipulert (eller tonet). Dette gjør det mulig å formulere de underliggende objekt anerkjennelse oppgaver i kvantitative termer.
Her beskriver vi et sett av algoritmer, eller metoder, som oppfyller alle de tre kriteriene ovenfor. Virtual morphogenesis (VM) skaper nye, naturalistiske virtuelle 3D-objekter som kalles "digitale embryoer" vedsimulere den biologiske prosessen embryogenese 14. Virtual Phylogenesis (VP) skaper nye, naturalistiske objekt kategorier ved å simulere den evolusjonære prosessen med naturlig utvalg 9,12,13. Objekter og objekt kategorier skapt av disse simuleringene kan bli ytterligere manipulert av ulike morphing metoder for å generere systematiske variasjoner av form egenskaper 15,16. VP og morphing metoder kan også brukes i prinsippet til nye virtuelle objekter enn digitale embryo, eller til virtuelle versjoner av virkelige objekter 9,13. Virtuelle objekter som er opprettet på denne måten kan bli gjengitt som visuelle bilder ved hjelp av en konvensjonell grafisk verktøykasse, med ønskede manipulasjoner av overflatestruktur, belysning, størrelse, utsiktspunkt og bakgrunn. De virtuelle objekter kan også være "trykket" som haptisk objekter ved hjelp av en konvensjonell 3-D prototyper.
Vi beskriver også noen implementeringer av disse beregningsorientert algoritmer for å hjelpe illustrerertrere den potensielle nytten av algoritmer. Det er viktig å skille algoritmene fra sine implementeringer. Implementeringer er demonstrasjoner tilbys utelukkende som en 'bevis på prinsippet "av de underliggende algoritmene. Det er viktig å merke seg at, generelt, en implementering av en beregningsmessig algoritme ofte har begrensninger at algoritmen i seg selv ikke har.
Sammen disse metodene representerer et sett med kraftige og fleksible verktøy for å studere objektet anerkjennelse og perseptuelle læring ved biologiske og beregningsorientert systemer likt. Med passende utvidelser, kan disse metodene også være nyttig i studiet av morphogenesis og Phylogenesis.
Nytten av VM og VP i kognitiv Science Research
Vi har tidligere beskrevet nytten av VM og VP i detalj L9 ,10,12-14. Kort fortalt er VM, spesielt digital embryo metodikk, nyttig fordi det gir en prinsipiell og fleksibel metode for å lage roman, men naturalistiske 3D-objekter 14. Tilsvarende gir VP en prinsipiell metode for å lage naturalistiske kategorier 9,10,12,13. Det er verdt å merke seg at objektet kategorier generert av VP deler mange egenskaper med objekt kategorier i naturen, inkludert det faktum at kategoriene tendens til å være hierarkisk i naturen, og de har variasjonene innenfor og på tvers av kategorier oppstår uavhengig av eksperimentator og algoritmer for klassifisering dem 39.
Gjeldende Begrensninger og fremtidige retninger
Tre dagens begrensninger av vår protokollen og retninger for fremtidig arbeid de foreslårkan spesielt nevne: Først, både VM og VP simulere biologiske prosesser. Vi viser at ikke-biologiske virtuelle objektene kan brukes som substrater for disse prosesser, de underliggende prosessene er fortsatt biologisk motivert. Imidlertid naturlige objekter – biologiske og ikke-biologiske likt – gjennomgå form endringer på grunn av ikke-biologiske styrker. For eksempel, kan bergarter endrer fasong grunnet geologiske prosesser som erosjon eller sedimentering. Nye kategorier av stein kan oppstå fra andre slike geologiske prosesser. Det bør være relativt enkelt å innlemme disse prosessene inn i repertoaret av tilgjengelige form for bevegelse algoritmer.
Den andre store begrensning av protokoll vår er at dagens repertoar av dynamiske formen endringer er ganske begrenset. Det er ønskelig å innlemme et større utvalg av form endringer, slik som biologisk bevegelse, eller bevegelse på grunn av ytre krefter som vind, vann eller gravitasjon. Vi forventer at det will være relativt enkelt å få til å bære de kjente dataanimasjon algoritmer for å gjennomføre slike dynamiske formen endringer.
Den tredje store begrensning av protokoll vår er at VM i dag ikke inkluderer mange andre kjente morfogenetisk prosesser, inkludert, spesielt, gastrulation 36. Det svikter også å innlemme noen kjente begrensninger, for eksempel det faktum at morphogenesis i planter er mediert helt etter vekst, med liten eller ingen celle bevegelse mulig, på grunn av celleveggene 36. Tilsvarende tar VP ikke inkludere andre kjente fylogenetiske prosesser som genetisk drift 40. Ta opp disse begrensningene ville bidra sterkt til rette for bruk av protokollen vår utviklingsmessige, økologiske og evolusjonære simuleringer.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet i en del av US Army Research Laboratory og US Army Research Office stipend W911NF1110105 og NSF stipend IOS-1147097to Jay Hegdé. Støtte ble også gitt av en pilot tilskudd til Jay Hegdé fra Vision Discovery Institute of Georgia Health Sciences University. Daniel Kersten ble støttet med tilskudd ONR N00014-05-1-0124 og NIH R01 EY015261 og delvis av WCU (World Class University) finansiert av departementet for utdanning, vitenskap og teknologi gjennom National Research Foundation of Korea (R31-10008 ). Karin Hauffen ble støttet av Undergraduate Forskning Lærling Program (URAP) av den amerikanske hæren.
Name of toolkit/equipment | Company / Author | Catalogue # | Comments |
Digital Embryo Workshop (DEW) | Mark Brady and Dan Gu | This user-friendly, menu-driven tool can be downloaded free of charge as Download 1 from http://www.hegde.us/DigitalEmbryos. Currently available only for Windows. | |
Digital embryo tools for Cygwin | Jay Hegdé and Karin Hauffen | This is a loose collection of not-so-user-friendly programs. They are designed to be run from the command-line interface of the Cygwin Linux emulator for Windows. These programs can be downloaded as Download 2 from http://www.hegde.us/DigitalEmbryos. The Cygwin interface itself can be downloaded free of charge from www.cygwin.com. | |
Autodesk 3ds Max, Montreal, Quebec, Canada | Autodesk Media and Entertainment | 3DS Max | This is a 3-D modeling, animation and rendering toolkit with a flexible plugin architecture and a built-in scripting language. Available for most of the current operating systems. |
MATLAB | Mathworks Inc., Natick, MA, USA | MATLAB | This is a numerical computing environment and programming language with many useful add-on features. Available for most of the current operating systems. |
R statistical toolkit | R Project for Statistical Computing | R | Can be downloaded free of charge from http://www.r-project.org/. Available for most of the current operating systems. |
OpenGL | Khronos Group | OpenGL | This cross-language, cross-platform graphical toolkit can be downloaded free of charge from www.opengl.org. |
V-Flash Personal Printer | 3D Systems Inc., Rock Hill, SC, USA | V-Flash | This is a good value for all 3-D printing applications described in this report. The print materials are also vended by 3D Systems, Inc. Less expensive models are available in open source form from RepRap (rapmanusa.com) and MakerGear. More expensive models (> $30 K) are available from Objet Geometries, 3DS Systems, Z-Corp, Dimension Printing etc. |
TurboSquid.com | TurboSquid Inc., New York, LA | (various objects) | Various virtual 3-D objects can be downloaded from this site free of charge or for a fee. |
Table 1. Table Of Specific Toolkits And Equipment. |