Vi beskriver en ny metod för att skapa naturalistiska 3-D objekt och kategorier objekt med exakt definierade funktionen variationer. Vi använder simuleringar av biologiska processer morfogenes och fylogeni att skapa nya, naturalistiska virtuella 3-D objekt och kategorier objekt som sedan kan göras som visuella bilder eller objekt haptiska.
För kvantitativt studera objekt uppfattning, oavsett om det uppfattning biologiska system eller maskiner, måste man skapa objekt och kategorier objekt med exakt definierbara, helst naturalistisk, fastigheter 1. Dessutom, för studier av perceptuella lärande, är det lämpligt att skapa nya objekt och kategorier objekt (eller objektklasser) med sådana egenskaper 2.
Många innovativa och användbara metoder finns för närvarande för att skapa nya objekt och kategorier objekt 3-6 (se även ref. 7,8). Men generellt sett, de befintliga metoderna har tre huvudtyper av brister.
Först är form variationer införs i allmänhet av försöksledaren 5,9,10, och kan därför skilja sig från variationen i naturliga kategorier, och optimerad för en viss erkännande algoritm. Det skulle vara önskvärt att ha variationer uppstår oberoende av externally införs begränsningar.
Andra de befintliga metoderna har svårt att fånga formen komplexitet naturföremål 11-13. Om målet är att studera naturliga objekt uppfattning är det önskvärt för objekt och kategorier objekt som skall naturalistisk, för att undvika eventuella förvirrar och speciella fall.
För det tredje är det i allmänhet svårt att kvantitativt mäta den tillgängliga informationen i de stimuli som skapas genom konventionella metoder. Det skulle vara önskvärt att skapa objekt och kategorier objekt där den tillgängliga informationen kan exakt mätas och vid behov systematiskt manipulerade (eller "trimmad"). Detta gör att man kan formulera de underliggande uppgifterna objektdetektering i kvantitativa termer.
Här beskriver vi en uppsättning algoritmer, eller metoder, som uppfyller alla tre av ovanstående kriterier. Virtual morfogenes (VM) skapar nya, naturalistiska virtuella 3-D objekt kallade digitala embryon avsimulera biologiska processen embryogenes 14. Virtuell fylogeni (VP) skapar nya, naturalistiska objekt kategorier genom att simulera evolutionära process av naturligt urval 9,12,13. Objekt och kategorier objekt som skapas av dessa simuleringar kan ytterligare manipuleras av olika morphing metoder att generera systematiska variationer i form egenskaper 15,16. VP och morphing metoder kan också tillämpas i princip till nya virtuella föremål än digitala embryon eller virtuella versioner av verkliga objekt 9,13. Virtuella objekt som skapats på detta sätt kan återges som visuella bilder med hjälp av en konventionell grafisk verktygslåda, med önskade manipulationer av ytstruktur, belysning, storlek, perspektiv och bakgrund. De virtuella föremålen kan också "skrivas" som haptiska objekt med en konventionell 3-D Prototyper.
Vi beskriver också några implementeringar av dessa beräkningsalgoritmer för att hjälpa illustrecentrat den potentiella användbarheten av algoritmerna. Det är viktigt att skilja de algoritmer från deras implementeringar. De implementationer är demonstrationer som erbjuds endast som en "proof of principle" de underliggande algoritmerna. Det är viktigt att notera att i allmänhet en implementering av en computational algoritm ofta har begränsningar som algoritmen själv inte har.
Tillsammans dessa metoder representerar en uppsättning kraftfulla och flexibla verktyg för att studera objekt erkännande och perceptuella lärande genom biologiska och beräkningsmässiga system lika. Med lämpliga förlängningar, kan dessa metoder visa sig också användbara vid studium av morfogenes och fylogeni.
Nyttan av VM och VP i kognitionsvetenskap Research
Vi har tidigare beskrivit nyttan av VM och VP i detalj L9 ,10,12-14. Kortfattat är VM, speciellt den digitala embryot metoden användbar eftersom den ger en principfast och flexibel metod för att skapa nya, men naturalistiska 3-D objekt 14. Likaså ger VP en principiell metod för att skapa naturalistiska kategorierna 9,10,12,13. Det är värt att notera att objekt kategorier som genereras av VP delar många egenskaper med objekt kategorier i naturen, bland annat det faktum att kategorierna tenderar att vara hierarkisk i naturen, och har variationer inom och mellan kategorierna uppstår oberoende av försöksledaren och algoritmer för klassificering dem 39.
Nuvarande begränsningar och framtida inriktningar
Tre nuvarande begränsningar i vår protokoll och riktlinjer för framtida arbete de föreslårär särskilt anmärkningsvärt: För det första både VM och VP simulera biologiska processer. Även om vi visar att icke-biologiska virtuella objekt kan användas som substrat för dessa processer, de underliggande processerna är fortfarande biologiskt motiverat. Men naturföremål – biologiska och icke-biologiska både – genomgår formförändringar på grund av icke-biologiska krafter. Till exempel, kan stenar ändrar form till följd av geologiska processer såsom erosion eller sedimentering. Nya kategorier av sten kan uppstå från andra sådana geologiska processer. Det bör vara relativt enkelt att införliva dessa processer i repertoaren av tillgängliga algoritmer formförändring.
Den andra stor begränsning av vår protokoll är att dess nuvarande repertoar av dynamiska formförändringar är ganska begränsat. Det är önskvärt att en större mängd formförändringar såsom biologisk rörelse eller rörelse på grund av yttre krafter såsom vind, vatten eller gravitation. Vi förväntar oss att det will vara relativt enkelt att få bära de kända algoritmer datoranimationer att genomföra sådana dynamiska formförändringar.
Den tredje största begränsningen av vår protokollet är att VM för närvarande inte innehåller många andra kända morfogenetiska processer inklusive, framför allt, gastrulation 36. Det misslyckas också att införliva vissa kända begränsningar, såsom det faktum att morfogenes i växter medieras helt av tillväxt, med liten eller ingen cellförflyttning möjlig, på grund av cellväggarna 36. Likaså innehåller VP inte andra kända fylogenetiska processer såsom genetisk drift 40. Itu med dessa begränsningar skulle hjälpa avsevärt underlätta användningen av vår protokollet i utvecklings, ekologiska och evolutionära simuleringar.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes delvis av US Army Research Laboratory och US Army Research Office bidrag W911NF1110105 och NSF bevilja IOS-1147097to Jay Hegde. Stöd gavs också av en pilot bidrag till Jay Hegde från Vision Discovery Institute of Georgia Health Sciences University. Daniel Kersten har finansierats med bidrag ONR N00014-05-1-0124 och NIH R01 EY015261 dels av WCU (World Class universitet) som finansieras av ministeriet för utbildning, vetenskap och teknik genom National Research Foundation of Korea (R31-10.008 ). Karin Hauffen stöddes av Grundutbildning Research lärlingsprogram (URAP) i den amerikanska armén.
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. |