Summary
Spädbarn och småbarn se världen på ett fundamentalt annorlunda sätt från sina föräldrar. Huvud-monterad kameror ger en lätthanterlig mekanism för att förstå den begynna visuella miljön. Detta protokoll ger vägledande principer för experiment hemma eller på laboratorium för att fånga den egocentriska vyn av småbarn och spädbarn.
Abstract
Spädbarn och småbarn Visa världen, på en grundläggande sensoriska nivå, på ett fundamentalt annorlunda sätt från sina föräldrar. Detta beror till stor del biologiska begränsningar: spädbarn besitter Kroppsproportionerna är annorlunda än sina föräldrar och förmågan att kontrollera sina egna huvudrörelser är mindre utvecklad. Sådana villkor begränsa den visuell ingången tillgänglig. Detta protokoll syftar till att ge vägledande principer för forskare med huvud-monterad kameror för att förstå föränderliga visuell input upplevs av det växande barnet. Framgångsrik användning av detta protokoll tillåter forskare att utforma och genomföra studier av utveckla barnets visuell miljö i hemmet eller laboratorium. Från denna metod, kan forskare sammanställa en aggregerad vy över alla möjliga objekt i barnets synfält. Denna metod mäter inte direkt exakt vad barnet tittar på. Genom att kombinera kan detta tillvägagångssätt med maskininlärning, dator vision algoritmer, och hand-kodning, forskare producera en hög densitet datamängd för att illustrera utveckla barnet föränderliga visuella ekologi.
Introduction
I decennier har har psykologer försökt att förstå miljön i utvecklingsländer spädbarnet, som William James bekant beskrev som en ”blommande, surrande förvirring1”. De vardagliga erfarenheterna av spädbarn studeras normalt genom att filma naturalistiska lek med arbetsmarknadens parter från ett tredjepersonsperspektiv. Dessa vyer från sida eller ovan visar vanligtvis belamrade miljöer och ett skrämmande antal möjliga referenter för alla nya ord på ett spädbarn hör2. För en utomstående betraktare, Jamess beskrivning är apt, men denna stationära, tredje person perspektiv är inte det sätt som ett spädbarn ser världen. Ett spädbarn är närmare marken och kan flytta genom deras värld, att föra objekt närmare för visuell utforskning. En tredje person vy av en förälder-barninteraktion illustreras i figur 1. Belyses är de grundläggande skillnaderna mellan deras perspektiv. Kanske är den ingång som spädbarn får inte alls lika kaotiskt som väntat av föräldrar och forskare. Målet med metoder med huvud-monterad kameror är fånga den begynna erfarenheten från en första person vy för att förstå den visuella miljön tillgänglig för dem under hela utvecklingen.
Huvud-monterad kameror, bärs på en mössa eller pannband, ge ett fönster in i de ögonblick till ögonblick visuella upplevelserna av utveckla barnet. Ur detta perspektiv blir studiet av struktur och regelbundenheter i barnets miljö. Huvud-monterad kameror har avslöjat spädbarns visuella upplevelser till stor del domineras av händer, både sin egen och sin sociala partners och att ansiktet-ser, en gång betraktades som absolut nödvändigt för att fastställa gemensamma uppmärksamhet, är mycket knappare än förväntade 3. huvud-monterad kameror har också visat att spädbarn och deras vårdgivare skapa ögonblick när objekten är visuellt dominerande och centrerad i barnets synfält (FOV), minska osäkerheten till objekt-etikett kartläggning4.
Huvud-monterad kameror fånga upp spädbarnets första person vy baserat på huvudrörelser. Den här vyn är inte perfekt synkront med, eller representant, infant ögonrörelser, som bara kan fångas i samband med en eye-tracker. Exempelvis kommer att en förskjutning av endast ögonen samtidigt att hålla huvudet stilla, eller en förskjutning av huvudet samtidigt hålla ögonen fast på ett objekt, skapa en förskjutning mellan de spädbarn faktiska FOV och den tagits med kameran huvud. Dock under leksak lek centrera spädbarn vanligtvis objekt de ska gå till, justera deras huvud, ögon och placeringen av leksaken med deras kroppens mittlinjen5. Avvikelser är sällsynta och skapas vanligtvis av tillfälliga förseningar mellan en öga-Skift och den medföljande huvud vända3. Därför är huvud-kameror inte väl lämpade för att fånga snabba dynamiken av förskjutningar i uppmärksamhet. Styrkan i huvud-monterad kameror ligger i att fånga den dagliga visuella miljön, avslöjar det visuella innehållet tillgängligt till spädbarn.
Följande protokoll och representativt resultat kommer att demonstrera hur huvud-monterad kameror kan användas för att studera den visuella miljön av spädbarn och småbarn.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Följande procedur för att samla in uppgifter om spädbarns och barns visuella upplevelser i laboratoriet och hemma godkändes av Indiana University institutionella i styrelsen. Informerat samtycke erhölls från barnets vårdgivare.
1. Välj en huvud kamera
Obs: Det finns många små, lätta och bärbara kameror lätt tillgängliga för köp (figur 2).
- Välja en huvud kamera som är diskret och kommer inte att påverka de scener som spelats.
- Montera kameran på en ombonad mössa eller pannband med ett tillfälligt lim eller säkert montera kameran till en liten plastplatta som bifogas pannbandet. Placera kameran på barnets panna (figur 2B, vänster).
- Beroende på formen på kameran, montera kameran med sömnad liten trasa slingor i ett pannband eller en hatt (figur 2B, center och höger).
- Säkerställa att den mössa eller pannband är justerbar för att uppnå en ombonad och bekväm passform på barnets huvud (figur 2A).
Obs: En kamera som ligger direkt mellan ögonen på barnet är teoretiskt perfekt, men detta inte är fullt möjligt med dagens teknik. Små kameror som kan placeras lågt i pannan blir alltmer tillgängliga.
- Montera kameran på en ombonad mössa eller pannband med ett tillfälligt lim eller säkert montera kameran till en liten plastplatta som bifogas pannbandet. Placera kameran på barnets panna (figur 2B, vänster).
- Om kameror skickas hem med föräldrarna, se till att föräldrar kan använda dem utan någon teknisk hjälp.
- Innan föräldrarna lämnar laboratoriet, utbilda dem om hur du använder kamerans huvud.
- Skicka föräldrarna hem med kameran till användning, huvud-bandet eller hatt och en hand-out som beskriver förfarandet för att slå på kameran och spela in data.
- Säkerställa att kamerorna är tillräckligt lätt för barn att bära och glömma.
Obs: Rekommenderad vikt är mindre än 30 g3. Alla valda kamera bör inte värma upp under användning och skall vara hållbar under kraftig användning. - Om den experimentella setup kräver att barnen vara fritt rörliga, lagra inspelade videoklipp till en intern lagringskort. Annars Använd kameror bundna till data collection datorn.
- Använda en kamera med hög kvalitet lins för att bättre utnyttja senaste framstegen inom maskininlärning algoritmer som segmentera visuella scener i regioner av intresse.
- Om visuella scener kommer att kodas manuellt av forskare, använda en kamera som kan ta bilder med tillräckligt hög kvalitet för manuell avsyning.
- Se till att någon batteridriven kamera är kapabel att inspelning för önskad mängd tid.
- Strax före början testa experimentet eller skicka kameran hemma med föräldrarna, huvud kameran fungerar den på lämpligt sätt.
2. datainsamling i laboratoriet
Obs: Huvud-monterad kameror kan enkelt läggas till de flesta experiment.
- 2-3 praktiker har och placera kameran till barnets huvud: en försöksledaren placerar kamerans huvud, en övervakar huvud-kameravyn, och, om det behövs en distraherar barnet.
- Be föräldern att säkerställa att barnet förblir lugn och att distrahera barnet under placering.
- Utför kameran placering i tre steg enligt följande.
- Okänsliga spädbarnet för att hand åtgärder nära huvudet.
- Be en förälder lätt beröring eller stroke spädbarnets huvud och hår flera gånger.
- Be de experimenter utsläppande hatten på barnets huvud att göra samma som 2.2.1.1.
- Har experimenter placera kameran huvud-monterad när barnet är distraherad.
- Använda tryckknappen leksaker för att hålla barnets händer upptagen.
- Har störande försöksledaren eller förälder hjälpa i detta skede genom att försiktigt trycka barnets händer mot engagerande leksaken så att barnets händer inte gå till chefen.
- Dra åt hatten på barnets huvud och justera kameran i huvudet när barnet är engagerad med leksaken.
- Justera kameran så att när barnet håller ett objekt framför dennes ansikte, objektet centreras i huvud kameran FOV.
- Om barnet sitter, justera kameran så att den fångar upp de flesta av barnets knä när barnet ser ner.
- Okänsliga spädbarnet för att hand åtgärder nära huvudet.
- Efter att placera kameran på barnets huvud, be försöksledaren att lämna rummet och börja inspelningen.
- I händelse av att en kamera flyttas ur plats eller tas bort, åter in i rummet för att rätta till kameran.
- Att avsluta experimentet om barnet inte tål kameran att återanvändas.
Obs: För inspelning naturliga miljöer i hemmet, först passa en hatt och kamera för det enskilda barnet och Visa föräldrarna hur man placera kameran. Design och passform på kameran måste se till att föräldrar kommer att kunna sätta hatten på deras barn utan teknisk hjälp.
- Att avsluta experimentet om barnet inte tål kameran att återanvändas.
3. datainsamlingen för den överordnade-spädbarn-studien
Obs: Följande representativa metod för huvud-kameror används naturalistiska leksak lek i labbet för att demonstrera typ av analyser som kan utföras på de egocentriska utsikt över spädbarn och deras föräldrar (figur 3A).
- Outfit föräldern och barnet med huvud-monterad kameror, som beskrivs i 2.1 och 2.2.
- Använd huvudet kameror för att fånga videor med en upplösning på 720 x 1280 pixlar vid 30 ram/s. Fortsätt enligt beskrivningen i steg 2.3 och 2.4.
- Delprov videoströmmen i en bildruta varje 5 s.
- Manuellt rita begränsningsramar runt varje leksak (figur 3B) inom vyn med hjälp av kommersiell programvara eller ett program som utvecklats internt (se figur 3 c för en prov-ram).
- Om bara en del av en leksak är synlig på grund av ocklusion av andra leksaker eller trunkering på kanten av ramen, bara dra begränsningsramar när en leksak är lätt identifierbara och innefatta alla synliga delar av leksaken.
- Till exempel om bara dockans ben är synliga, rita en markeringsram runt sina ben. Om ett objekt occludes hälften av dockan, lämnar hår och ben synligt, sedan rita en ruta som innehåller både hår och ben.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En enkel, men informativ, analys är att räkna antalet objekt i vyn vid varje punkt i tid. Eftersom en huvud kamera producerar data vid cirka 30 Hz (30 bilder/s), down-provtagning data till 1 bild varje 5 s hjälper att producera en mer hanterbar datamängd bibehållen en upplösning som passar till att förstå typer av scener barn se. Tidigare forskning har visat att visuella scener är långsamt föränderliga i spädbarn3. Ett anpassat skript användes Rita begränsningsramar runt leksaker i vyn. Figur 4 visar representativa resultat för 1 förälder-barn dyad. Ett oberoende t-test som jämför antalet scener med ett givet antal objekt mellan överordnat (figur 4A) och barn (figur 4B) visade detta barn hade ett större antal scener med färre objekt i vyn jämfört med överordnat (t(78) = 4,58, p < 0,001).
En annan informativ analys är att beräkna hur visuellt stora objekten är i varje vy. Andelen av skärmen tas upp av varje objekt i vyn kan beräknas och analyseras. För både överordnade och underordnade, finns det en negativ korrelation mellan antalet objekt i vyn och visuella storleken på objekten i vyn (figur 4 c, Spearman korrelation r = -0,19, p < 0,001 och figur 4 d, Spearman korrelation r = -0,23, p < 0,001). D.v.s. om det finns fler objekt i vyn, tar varje objekt upp mindre av skärmen än om det finns färre objekt i vyn. För denna dyad, barnet fångat fler scener med mindre än 10 objekt i vyn och föräldern uppvisar ett större antal objekt i vyn. Liknande resultat har tidigare rapporterats i litteraturen3,4,5,8,9,10,11,12 ,13.
Figur 1: en belysande Schematisk visar olika vyer av en förälder och deras barn under uppspelning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: exempel på huvud-monterad kameror och deras bilagor. (A) spädbarn och småbarn som bär huvud-monterad kameror hemma och i labbet. (B) exempel på sätt att fästa huvud kameror till pannband (vänster, mitten) och hattar (höger). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: The 24 leksaker används i representativa metoden. (A, vänster) Representativ ram från huvud kameran av ett barn som illustrerar ett mindre antal objekt i vyn och på visuellt större storlekar. (A, höger) En representativ ram från huvud kameran av en förälder som illustrerar deras typisk vy: många objekt på visuellt mindre storlekar. (B) leksaker är konsekventa i storlek, från 2-7 tum på den längsta dimensionen, och mellan 2-3 inches kortare mått. (C) lådor dras runt varje leksak, eller en del av leksak som är synliga och identifierbara, med en egen grafiska användargränssnittet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: representativa resultat från en enda dyad deltagande i leksak lek. Histogram gruppering antalet scener utifrån antalet objekt i vyn för förälder (A) och barn (B). Andelen av skärmen tas upp av varje objekt i vyn jämfört med antalet objekt i vyn för överordnat (C) och barnet (D). Den svarta linjen är linjen för bästa passform. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Detta dokument beskriver grunderna för att använda huvud-monterad kamera för spädbarn att fånga deras egocentriska visuella scen. Kommersiellt tillgängliga head kameror är tillräcklig för de allra flesta studier. Små, lätta och bärbara kameror bör ingå i ett mjukt tyg mössa eller pannband och tillämpas på barnets huvud. Framgångsrikt utformats och genomförts, en mängd experiment kan köras, både i laboratoriemiljö och i hemmiljö. Från de videor som samlades, kan samla in data om utveckla barnets visuella ekologi sammanställs och analyseras.
Den mest kritiska stegen med denna metod är tillämpningen av huvud kameran till barnet. Om gjort felaktigt, huvud kameran placeras dåligt och datakvaliteten blir minskat eller oanvändbart. En felaktig placering kan också sporra barnet att avvisa kameran och stoppa experimentet. Vi kommer att kort diskutera förslag att garantera framgång med tillämpning av huvud kameran. Kameror ska placeras på barnet i ett drag utan att tveka. Om forskaren är orolig att placera en kamera på barnets huvud, eller om flera försök görs, blir sannolikheten för vägran mycket högre. Praktiker bör öva utsläppande hattar och kameran enheter på villig småbarn eller skyltdockor i förväg. När du placerar kameran, måste det placeras tillräckligt låg i pannan att säkerställa en tydlig bild av scenen framför ansiktet. Något angling kameran nedåt garanterar Visa barnets händer under aktiv manipulation. Kameran bör också vara stabil och säker på barnets huvud. Stabil kameror menar stabila och tydliga bilder. Om huvudbonader vibrerar, kan småbarn märker detta och dra kameran. För barn ökar under 18 månaders ålder, något att uppmärksamma redskap avslag. Detta inkluderar att ha spädbarn handtaget utrustningen eller prata om det innan du placerar den på barnet. För barn kan över 18 månaders ålder, talar om kameran i förväg och be om barnets tillstånd att lägga den på vara effektivare. Med utbildade forskare, kan framgångsrika i att placera huvudet kameror på spädbarn, utan den begynna tjafsa ur experimentet, nå runt 75%.
När du skickar en head-kamera hem med familjer, ta lång tid att utforma mössa/pannband och kamerans placering. Det sätt som en förälder sätter en kamera på barnets huvud kommer inte alltid på samma nivå av precision som utbildade forskare. Se till att locket är lätt att applicera av föräldrarna och säkerställa forskningsfrågorna inte Kräv krävande specifikationer. Om experimentella behov kräver exakt placering av kameran på huvudet, överväga att köra studien i laboratoriemiljö istället för hemma.
Huvud-kamerorna har begränsningar i vad de kan fånga. Eftersom placeringen av kameran på huvudet på barnet, barnet horisontella åsikter de flytta sitt huvud från vänster till höger kommer att fångas i stor utsträckning. Vertikala förskjutningar av kameran, när barnet tittar upp och ner, kommer att kunna fånga mycket extrema visuella scenen. Detta är särskilt sant om kameran är vinklad något nedåt på huvudet på barnet, för att fånga barnets händer.
Huvud-monterad kameror har visat att barn har en syn på sina egna. På en grundläggande nivå Visa småbarn och spädbarn världen annorlunda än sina föräldrar. Småbarn forma deras visuella upplevelsen med sina händer: holding och manipulera objekt nära deras ansikte4,5,8. Med tanke på de mycket korta armarna av småbarn, objektet hålls nära och visas stora i synfältet. Sådana scener med ett klart fokus objekt är ofta långvarig, cirka fyra sekunder varaktighet, och sammanfaller med att minska huvudrörelser av spädbarn4. Det är viktigt att Observera dock att huvud-monterad kameror inte ger någon information om där deltagaren är ute. Detta protokoll kan istället kvantitativt beskriva spänna av visuella scener tillgängliga för barn. Över en hel spelsession finns det en hög sannolikhet att barnets ögon vanligtvis är centrerat i mitten av visuella scenen framför barn5. Head kameror tillåter oss att undersöka sammanlagt av scenerna som är tillgängliga för barn. Till exempel hur ofta finns ett ansikte för dem att titta på? Hur ihållande är dessa scener med ansikten? Hur ofta är barn som tittar på rörig (en hög med leksaker på golvet) kontra stilrena (taket eller en tom vägg) scener? Denna egocentriska vyn metod är bäst lämpad för data på makro-skalan, 100 miljoner bilder insamlade under dagarna. Om forskningsfrågan behöver mer finkornig upplösning än dessa aggregat-nivå frågor, kan huvud-monterad eye-tracking vara bättre lämpad att fånga exakt dynamiken i infant vision.
Precis som de barn och vuxna har olika visuella upplevelser, är den visuella upplevelsen av spädbarn och småbarn inte utvecklingsmässigt statisk. Eftersom barn växer, de tillgängliga visuella scenerna förändras dramatiskt, och det finns utvecklande struktur i människor och objekt visuellt till spädbarn i olika åldrar. Exempelvis när spädbarn är mycket unga, är deras visuella miljön tät med ansikten på ett mycket litet antal personer10. Denna icke-enhetlig provtagning av några ansikten, kan spädbarn extrapolera och lära sig att känna igen och skilja mellan ansikten som de möter. På runt 8-10 månaders ålder, spädbarn börjar sitta stadigt, för att krypa och leka med objekt, men deras manuella färdigheter är fortfarande ganska begränsad jämfört med äldre spädbarn. Som ett resultat, uppleva dessa spädbarn en högre frekvens av visuella scener med några objekt, jämfört med äldre spädbarn. Ändå, matdags scener från dessa samma 8 – 10 månad-eleverna också avslöja tider av röran13, med varje måltid scen som innehåller många olika objekt. Trots denna röran, finns det en förutsägbar struktur på objekt i vyn: en mycket liten uppsättning objekt visas upprepade gånger. Dessa upprepade objekt tillhör kategorier som omfattar de första orden lärt av spädbarn13. Således, även om det kan vara lätt att se på barns miljö och hävdar deras värld är en ”blommande, surrande förvirring”, huvud-kameran data visar spädbarn egocentriska visningar avslöja att förutsägbar statistiska regelbundenheter finns i deras synfält att dämpa den buller och förvirring.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar inga intressekonflikter.
Acknowledgments
Författarna tackar Dr. Chen Yu för hans vägledning i skapandet av detta manuskript och för de data som används i avsnittet representativt resultat. Vi tackar medverkande familjer som samtyckt till att användas i siffrorna och Filmning av de protokoll som Lydia Hoffstaetter för hennes noggrann läsning av detta manuskript. Denna forskning stöddes av National Institutes of Health bidrag T32HD007475-22 (J.I.B., D.H.A.), R01 HD074601 (SB), R01 HD028675 (S.B., L.B.S.) och F32HD093280 (L.K.S.). National Science Foundation beviljar BCS-1523982 (S.B., L.B.S) och karriär IIS-1253549 (S.B., D.J.C.), den nationella Science Foundation Graduate Research Fellowship Program #1342962 (S.E.S.), och av Indiana University genom den framväxande område för forskning Initiativ - lärande: Hjärnor, maskiner och barn (J.I.B., S.B., L.B.S.).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Head-camera | Looxcie | Looxcie 3 | |
| Head-camera | Watec | WAT-230A | |
| Head-camera | Supercircuits | PC207XP | |
| Head-camera | KT&C | VSN500N | |
| Head-camera | SereneLife | HD Clip-On | |
| Head-camera | Conbrov | Pen TD88 | |
| Head-camera | Mvowizon | Smiley Face Spy Button | |
| Head-camera | Narrative | Clip 2 | |
| Head-camera | MeCam | DM06 |
References
- 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).
