Summary
Infanti e bambini Mostra il mondo in un modo fondamentalmente diverso dai loro genitori. Testa-montata telecamere forniscono un meccanismo trattabile per comprendere l'ambiente visivo infantile. Questo protocollo fornisce principi guida per esperimenti in casa o in laboratorio per catturare la vista egocentrica dei bimbi e dei lattanti.
Abstract
Infanti e bambini Mostra il mondo, ad un livello base sensoriale, in un modo fondamentalmente diverso dai loro genitori. Questo è in gran parte a causa di vincoli biologici: i neonati possiedono le proporzioni del corpo diverso rispetto ai loro genitori e la capacità di controllare i propri movimenti della testa è meno sviluppata. Tali vincoli limitano l'input visivo disponibile. Questo protocollo mira a fornire i principi guida per i ricercatori utilizzando telecamere montate testa per comprendere l'evoluzione input visivo vissuto da bambino in via di sviluppo. Riuscito uso di questo protocollo permetterà ai ricercatori di progettare ed eseguire studi di ambiente visivo del bambino in via di sviluppo, impostata in casa o in laboratorio. Da questo metodo, i ricercatori possono compilare una visualizzazione aggregata di tutti gli elementi possibili nel campo di vista di un bambino. Questo metodo non direttamente misurare esattamente ciò che il bambino sta esaminando. Combinando questo approccio con apprendimento automatico, algoritmi di computer vision e codifica manuale, i ricercatori possa produrre un set di dati ad alta densità per illustrare l'evoluzione ecologia visual del bambino in via di sviluppo.
Introduction
Per decenni, gli psicologi hanno cercato di comprendere l'ambiente del bambino in via di sviluppo, che William James notoriamente descritto come un "fiore, ronzio confusione1." Le esperienze quotidiane del bambino in genere sono studiate le riprese naturalistica gioca con le parti sociali da una prospettiva in terza persona. Queste viste dal lato o sopra mostrano in genere ambienti ingombri e una quantità scoraggiante di potenziali referenti per ogni nuova parola che un infante sente2. Per un osservatore esterno, descrizione di James è apt, ma questa prospettiva stazionaria, di terza persona non è il modo che un bambino vede il mondo. Un infante è più vicino al suolo e può muoversi attraverso il loro mondo, portando gli oggetti più vicini per l'esplorazione visiva. Una visuale in terza persona di un'interazione genitore-bambino è illustrata nella Figura 1. Evidenziate sono le differenze fondamentali tra le loro prospettive. Forse, l'input che ricevono gli infanti è non quasi come caotica come anticipato dai genitori e ricercatori. L'obiettivo dei metodi con telecamere montate testa è per catturare l'esperienza infantile da una visuale in prima persona al fine di comprendere l'ambiente visivo a loro disposizione durante lo sviluppo.
Testa-montata telecamere, indossate su un cappello o un archetto, forniscono una finestra nelle esperienze visual ad ogni istante del bambino in via di sviluppo. Da questa prospettiva, lo studio della struttura e della regolarità nell'ambiente del bambino diventa apparente. Telecamere montate testa hanno rivelato il esperienze visive degli infanti ad essere in gran parte dominato dalle mani, sia loro proprio e del loro partner sociali e che faccia-sembra, una volta considerato indispensabile per l'istituzione di attenzione congiunta, sono molto più scarsi rispetto a attesi 3. Head-mounted fotocamere hanno anche dimostrato che i neonati e dei loro caregivers creare momenti in cui gli oggetti sono visivamente dominante e centrato nel campo visivo del neonato (FOV), riducendo l'incertezza inerente all'oggetto-etichetta mappatura4.
Testa-montata telecamere catturano visuale in prima persona infants' basato su movimenti della testa. Questa vista non è perfettamente sincrono con, o rappresentante di, movimenti di occhio infantile, che possono essere catturati solo in combinazione con eye-tracker. Per esempio, uno spostamento di solo gli occhi, mantenendo la testa stazionario, o uno spostamento della testa, mantenendo gli occhi fissati su un oggetto, verrà creato un disallineamento tra infants' effettivo FOV e quella acquisita dalla fotocamera testa. Tuttavia, durante la riproduzione del giocattolo, neonati in genere centro gli oggetti che sono presenti, allineando la loro testa, occhi e la posizione del giocattolo con del midline5 del loro corpo. Disallineamenti sono rari e in genere vengono creati da momentanei ritardi tra un turno di occhio e l'accompagnamento di testa girare3. Pertanto, testa-telecamere non sono adatti a catturare la rapida dinamica degli spostamenti in attenzione. La forza di telecamere montate testa sta nel catturare l'ambiente visual quotidiano, rivelando il contenuto visivo disponibile agli infanti.
I seguenti risultati di protocollo e rappresentante dimostrerà come testa-montata telecamere può essere usato per studiare l'ambiente visivo di neonati e bambini piccoli.
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Protocol
La procedura seguente per raccogliere dati sul neonato e di bambino esperienze visive in laboratorio e a casa è stata approvata da Indiana University Institutional Review Board. Consenso informato è stato ottenuto da badante del neonato.
1. scegliere una fotocamera testa
Nota: Ci sono numerose telecamere di piccoli, leggeri e portatile prontamente disponibili per l'acquisto (Figura 2).
- Scegliere una fotocamera testa che è discreto e non influenzerà le scene in fase di registrazione.
- Montare la telecamera su un cappello aderente o fascia usando un adesivo temporaneo o montare saldamente la fotocamera su una piccola piastra di plastica attaccata al caschetto. Posizionare la fotocamera a fronte del bambino (Figura 2B, sinistra).
- A seconda della forma della fotocamera, montare la videocamera da cucito piccolo panno loops in una fascia o un cappello (fig. 2B, centro e destra).
- Garantire che il cappello o fascia regolabile per ottenere una vestibilità aderente e confortevole sulla testa del bambino (Figura 2A).
Nota: Una fotocamera che si trova tra gli occhi del neonato è teoricamente ideale, tuttavia questo non è abbastanza possibile con le attuali tecnologie. Piccole telecamere che possono essere posizionate in basse sulla fronte stanno diventando sempre più disponibili.
- Montare la telecamera su un cappello aderente o fascia usando un adesivo temporaneo o montare saldamente la fotocamera su una piccola piastra di plastica attaccata al caschetto. Posizionare la fotocamera a fronte del bambino (Figura 2B, sinistra).
- Se telecamere sono stati inviati a casa con i genitori, è necessario garantire che i genitori possono usare senza alcun aiuto tecnico.
- Prima che i genitori lasciano il laboratorio, addestrarli su come far funzionare la fotocamera testa.
- Invia la casa dei genitori con la fotocamera da utilizzare, il capo-banda o cappello e una mano-out che descrive la procedura per attivare la fotocamera e record di dati.
- Assicurarsi che le telecamere siano abbastanza luce per infanti da indossare e dimenticare.
Nota: Il peso raccomandato dista meno di 30 g3. Qualsiasi fotocamera selezionata non dovrebbe riscaldarsi durante l'uso e dovrà essere durevole in uso eccessivo. - Se la messa a punto sperimentale richiede ai bambini di essere liberi di muoversi, memorizzare i video registrati su una scheda di memoria interna. In caso contrario, utilizzare Telecamere legati al computer di raccolta dati.
- Utilizzare una fotocamera con un obiettivo di alta qualità per sfruttare al massimo gli avanzamenti recenti in algoritmi di apprendimento automatico che segmentare scene visive in regioni di interesse.
- Se scene visive saranno essere codificate manualmente dai ricercatori, è necessario utilizzare una macchina fotografica che può catturare immagini ad una qualità sufficiente per il controllo manuale.
- Assicurarsi che qualsiasi fotocamera batteria sia in grado di registrare per la quantità di tempo desiderata.
- Poco prima di iniziare l'esperimento o inviare la fotocamera a casa con i genitori, testare la fotocamera testa per garantire sta funzionando in modo appropriato.
2. raccolta dei dati in laboratorio
Nota: Testa-montata telecamere possono essere facilmente aggiunti alla maggior parte degli esperimenti.
- Hanno 2-3 sperimentatori posizionare la fotocamera sulla testa del bambino: uno sperimentatore pone la telecamera con testina, uno controlla la testa dalle telecamere e, se necessario, uno distrae il bambino.
- Chiedere al genitore per garantire che il bambino rimanga calmo e per distrarre il bambino durante il processo di collocamento.
- Eseguire il posizionamento della fotocamera in tre passaggi come segue.
- Desensibilizzare il bambino a portata di mano le azioni vicino alla loro testa.
- Chiedere al genitore di leggermente toccare o ictus del neonato testa e capelli più volte.
- Chiedi lo sperimentatore mettendo il cappello sulla testa del bambino per fare lo stesso come 2.2.1.1.
- Avere lo sperimentatore posizionare la fotocamera testa-montata quando il bambino è distratto.
- Usare giocattoli pulsante per mantenere le mani del bambino occupato.
- Avere la distrazione sperimentatore o genitore aiutare in questa fase spingendo delicatamente le mani del bambino verso il giocattolo coinvolgente in modo che le mani del bambino non vanno alla testa.
- Serrare il cappello sulla testa del bambino e regolare la telecamera con testina quando il bambino è impegnato con il giocattolo.
- Regolare la fotocamera in modo che quando il bambino tiene un oggetto davanti il suo viso, l'oggetto è centrato nella fotocamera testa FOV.
- Se il bambino è seduto, regolare la telecamera in modo che acquisisce maggior parte del giro del bambino quando il bambino guarda verso il basso.
- Desensibilizzare il bambino a portata di mano le azioni vicino alla loro testa.
- Dopo aver posizionato la fotocamera sulla testa del bambino, chiedere lo sperimentatore a lasciare la stanza e iniziare la registrazione.
- Nel caso in cui una fotocamera è spostata fuori luogo o rimosso, immettere nuovamente la camera per correggere la fotocamera.
- Terminare l'esperimento se il bambino non tollera la fotocamera viene riapplicata.
Nota: Per la registrazione di ambienti naturali in casa, prima di montare un cappello e la macchina fotografica per l'infante individuo e mostrare ai genitori come posizionare la fotocamera. Il design e la vestibilità della telecamera deve garantire che i genitori saranno in grado di mettere il cappello sul loro bambino senza aiuto tecnico.
- Terminare l'esperimento se il bambino non tollera la fotocamera viene riapplicata.
3. raccolta dei dati per lo studio del genitore-bambino
Nota: Il seguente metodo rappresentativo per testa-telecamere utilizza naturalistici giocattolo gioco in laboratorio per illustrare il tipo di analisi che possono essere condotti sulle viste egocentriche dei neonati e dei genitori (Figura 3A).
- Outfit il padre e il figlio con telecamere montate a testa, come descritto in 2.1 e 2.2.
- Utilizzare testa telecamere per catturare video con una risoluzione di 1280 x 720 pixel a 30 fotogrammi/s. procedere come descritto ai punti 2.3 e 2.4.
- Frazionare il flusso video in un fotogramma ogni 5 s.
- Disegnare manualmente i riquadri di delimitazione intorno ogni giocattolo (Figura 3B) all'interno della visualizzazione utilizzando software commerciale o un programma sviluppato internamente (per un frame di esempio, vedere Figura 3 ).
- Se solo parte di un giocattolo è visibile a causa di occlusione da altri giocattoli o troncamento sul bordo del telaio, solo disegnare rettangoli quando un giocattolo è facilmente identificabile e includere tutte le parti visibili del giocattolo.
- Ad esempio, se solo la gamba della bambola è visibile, disegnare un rettangolo attorno alla sua gamba. Se un oggetto occlude la metà della bambola, lasciando i capelli e le gambe visibili, quindi disegnare una casella che include sia i capelli e le gambe.
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Representative Results
Uno analisi semplice e informativo, è quello di contare il numero di oggetti in vista in ogni punto nel tempo. Poiché una fotocamera testa produce dati a circa 30 Hz (30 immagini/s), vedere giù-campionamento dati a 1 immagine ogni 5 s aiuta a produrre un set di dati più gestibile pur mantenendo una risoluzione del caso per informazioni sui tipi di bambini di scene. Ricerca precedente ha dimostrato che scene visive sono lenta evoluzione in infanti3. Uno script personalizzato è stato utilizzato per disegnare rettangoli intorno i giocattoli in vista. La figura 4 Mostra i risultati rappresentativi per 1 genitore-bambino diade. Un t-test indipendente confrontando il numero di scene con un determinato numero di oggetti tra il padre (Figura 4A) e il bambino (Figura 4B) ha rivelato che questo bambino ha avuto un maggior numero di scene con meno oggetti in vista rispetto al padre (t(78) = 4,58, p < 0,001).
Un'altra analisi informativo sono quello di calcolare come visivamente gli oggetti sono grandi di ogni visualizzazione. La proporzione dello schermo occupata da ciascun oggetto in vista può essere calcolata e analizzata. Per padre e figlio, c'è una correlazione negativa tra il numero di oggetti nella visualizzazione e le dimensioni visiva degli oggetti in tale visualizzazione (Figura 4, correlazione di Spearman r = -0,19, p < 0,001 e Figura 4, r di correlazione di Spearman = -0,23, p < 0,001). Cioè, se sono presenti più oggetti in vista, ogni oggetto occupa meno dello schermo che se ci sono meno oggetti in vista. Per questo elemento bivalente, il bambino catturato più scene con meno di 10 oggetti in vista e il genitore esibisce un numero maggiore di oggetti in vista. Risultati simili sono stati segnalati precedentemente nella letteratura3,4,5,8,9,10,11,12 ,13.
Figura 1: un schema illustrativo che illustrano le diverse visualizzazioni di un genitore e il loro bambino durante il gioco. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: esempi di telecamere montate testa e loro allegati. (A) infanti e bambini indossando telecamere montate testa a casa e in laboratorio. (B) esempi di modi per collegare telecamere testa a fasce (sinistra, centro) e cappelli (a destra). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: 24 The giocattoli utilizzati nel metodo rappresentativo. (Asinistra) Fotogramma rappresentanza la fotocamera testa di un bambino che illustrano un numero minore di oggetti in vista e visivamente più grandi dimensioni. (Adestra) Un fotogramma rappresentanza dalla fotocamera testa di un genitore che illustrano il loro punto di vista tipico: molti oggetti visivamente più piccole dimensioni. (B) i giocattoli sono coerenti in dimensioni, che vanno da 2-7 pollici sulla dimensione più lunga e tra 2-3 pollici sulle dimensioni di più brevi. (C) caselle vengono disegnati intorno a ogni giocattolo, o parte di giocattolo che è visibile e identificabile, utilizzando un'interfaccia utente grafica in-House. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: rappresentante risultati da una singola diade partecipando a giochi. Istogrammi raggruppamento il numero di scene in base al numero di oggetti in vista per il padre (A) e figlio (B). La proporzione dello schermo presi da ogni oggetto in vista contro il numero di oggetti in vista per il genitore (C) e il figlio (D). La linea nera è la retta di regressione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Questo documento illustra le nozioni di base per l'applicazione di telecamere montate testa agli infanti per catturare la loro scena visiva egocentrico. Telecamere testa commercialmente disponibili sono sufficienti per la maggior parte degli studi. Macchine fotografiche di piccoli, leggeri e portatile dovrebbero essere incorporati in un cappello di tessuto morbido o un archetto e applicati alla testa del bambino. Una volta correttamente progettato e implementato, una varietà di esperimenti può essere eseguita, sia nelle regolazioni del laboratorio sia in ambito domestico. Dai video raccolti, dati aggregati sull'ecologia visiva del bambino in via di sviluppo possono essere compilati ed analizzati.
La fase più critica con questo metodo è l'applicazione della fotocamera testa sul bambino. Se fatto correttamente, la fotocamera testa verrà inserita male e qualità dei dati sarà diminuita o inutilizzabile. Un posizionamento non corretto potrebbe anche stimolare il bambino a rifiutare la fotocamera e fermare l'esperimento. Si discuterà brevemente suggerimenti per garantire il successo con l'applicazione della fotocamera testa. Telecamere accese sull'infante in una mossa senza esitazione. Se il ricercatore è preoccupato per posizionare una telecamera sulla testa del bambino, o se vengono eseguiti più tentativi, la probabilità di rifiuto diventa molto più alta. Gli sperimentatori devono praticare immissione Cappelli e dispositivi della macchina fotografica sul disposto per i più piccoli o manichini in anticipo. Quando si posiziona la fotocamera, deve essere posto abbastanza basso sulla fronte per garantire una chiara visione della scena davanti alla faccia. Pesca leggermente la fotocamera verso il basso garantirà la vista delle mani del bambino durante la manipolazione attiva. La fotocamera dovrebbe anche essere stabile e sicuro sulla testa del neonato. Telecamere stabile significano immagini chiare e stabili. Se la cappelleria inizia a vibrare, per i più piccoli possono notare questo ed estrarre la fotocamera. Per i bambini sotto 18 mesi di età, nulla richiamando l'attenzione alla marcia aumenta il rifiuto. Questo include avendo la maniglia infantile l'attrezzatura o parlarne prima di posizionarlo sul bambino. Per i bambini oltre 18 mesi di età, ne la fotocamera in anticipo e chiedere il permesso del bambino di metterlo su può essere più efficace. Con un ricercatore addestrato, tasso di successo nella commercializzazione telecamere testa neonati, senza il neonato irritabili fuori l'esperimento, può raggiungere intorno 75%.
Quando si invia una casa di testa-fotocamera con le famiglie, richiedere parecchio tempo per progettare il posizionamento tappo/archetto e fotocamera. Il modo che un genitore pone una telecamera sulla testa del loro bambino non sarà sempre allo stesso livello di precisione come ricercatore addestrato. Assicurarsi che il tappo è facile da applicare da parte dei genitori e garantire che le domande di ricerca non richiedono specifiche impegnative. Se sperimentale esigenze richiedono il posizionamento preciso della fotocamera sulla testa, prendere in considerazione l'esecuzione dello studio in un ambiente di laboratorio anziché a casa.
Telecamere con testa avrà limitazioni a quello che può catturare. Data la posizione della fotocamera sulla testa del neonato, la vista orizzontale del bambino come si muovono che loro testa da sinistra a destra verrà ampiamente acquisiti. Spostamenti verticali della fotocamera, quando il bambino Guarda su e giù, sarà in grado di catturare gli estremi molto della scena visiva. Questo è particolarmente vero se la fotocamera è inclinata leggermente verso il basso sulla testa del bambino, al fine di catturare le mani del bambino.
Telecamere montate testa hanno rivelato che i bambini hanno una vista dei loro propri. Su un livello fondamentale, per i più piccoli e neonati Mostra il mondo in modo diverso rispetto ai loro genitori. Per i più piccoli di forma loro esperienza visiva con le loro mani: detenzione e manipolazione di oggetti vicino al loro viso4,5,8. Dato le braccia molto breve di per i più piccoli, l'oggetto è tenuto stretto e appare grande nel campo di vista. Tali scene con un oggetto chiaro focale sono spesso di lunga durata, durata circa quattro secondi e coincidano con la diminuzione dei movimenti della testa da neonato4. È importante notare, tuttavia, che testa-montata telecamere non forniscono tutte le informazioni per quanto riguarda dove il partecipante sta cercando. Invece, questo protocollo è in grado di descrivere quantitativamente la gamma di scene visive disponibili per i bambini. Attraverso una sessione di gioco intero, c'è un'alta probabilità che gli occhi del bambino sono in genere centrati al centro della scena visiva davanti il bambino5. Telecamere con testa consentono di indagare l'aggregato delle scene disponibili ad un bambino. Ad esempio, come spesso è un volto disponibile per loro di guardare? Come persistente sono queste scene con le facce? Come spesso è i bambini visualizzazione ingombra (un mucchio di giocattoli sul pavimento) versus ordinato (il soffitto o una parete vuota) scene? Questa metodologia di vista egocentrico è più adatta per dati a macro-scala, immagini 100 milioni raccolti nel corso di giorni. Se la domanda di ricerca ha bisogno di grana fine più risoluzione di queste questioni a livello aggregato, testa-montata eye tracking può essere più adatto per catturare la dinamica esatta della visione infantile.
Così come il bambino e l'adulto hanno esperienze visive diverse, l'esperienza visiva di neonati e bambini piccoli non è statico inerente allo sviluppo. Come i bambini crescono, le scene visive disponibili cambiano radicalmente, e c'è struttura inerente allo sviluppo nella persone e oggetti visivamente disponibile agli infanti di età diverse. Per esempio, quando i bambini sono molto giovani, loro ambiente visivo è densa con le facce di un numero molto piccolo di persone10. Da questo campione non uniforme di alcuni volti, infanti possono estrapolare e imparare a riconoscere e discriminare tra le facce che incontrano. A circa 8-10 mesi di età, gli infanti stanno cominciando a sedere costantemente, per strisciare e giocare con gli oggetti, ma loro abilità manuali sono ancora piuttosto limitata rispetto ai bambini più anziani. Di conseguenza, questi infanti sperimentare una maggiore frequenza di scene visive con pochi oggetti in vista, rispetto per gli infanti più anziani. Tuttavia, durante i pasti scene da questi stessi 8 - a 10-mese-olds rivelano anche tempi di disordine13, con ogni scena durante i pasti che contengono molti oggetti diversi. Nonostante questa confusione, c'è una struttura prevedibile agli oggetti in vista: un gruppo molto piccolo di oggetti appaiono ripetutamente. Questi ripetuti oggetti appartengono a categorie che comprende le prime parole apprese dai neonati13. Così, anche se può essere facile guardare all'ambiente dei bambini e sostengono il che loro mondo è una "fiorisce, ronzio confusione," i dati di testa-fotocamera viste egocentrico-bimbi rivelano che prevedibile regolarità statistica esiste nel loro campo visivo per smorzare frastuono e confusione.
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Disclosures
Gli autori non dichiarano conflitti di interesse.
Acknowledgments
Gli autori ringraziano il Dr. Chen Yu per la sua guida nella creazione di questo manoscritto e per i dati utilizzati nella sezione risultati rappresentante. Ringraziamo le famiglie partecipanti che hanno accettato di essere usati nelle figure e le riprese del protocollo, nonché Lydia Hoffstaetter per la sua attenta lettura di questo manoscritto. Questa ricerca è stata sostenuta dagli istituti nazionali di sovvenzioni di salute T32HD007475-22 (J.I.B., DHA), R01 HD074601 (S.B.), HD028675 R01 (S.B., L.B.S) e F32HD093280 (L.K.S.). National Science Foundation concede BCS-1523982 (S.B., L.B.S) e carriera IIS-1253549 (S.B., DJC), il National Science Foundation Graduate ricerca Fellowship programma #1342962 (s.e.s.) e dalla Indiana University attraverso l'Area di ricerca emergenti Iniziativa - apprendimento: Cervelli, macchine e bambini (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
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