Summary
Bebés y niños ver el mundo de manera fundamentalmente diferente de sus padres. Cabeza-montado cámaras proporcionan un mecanismo manejable para entender el entorno visual infantil. Este protocolo proporciona los principios rectores para los experimentos en casa o en laboratorio para capturar la vista egocéntrica de los niños pequeños y lactantes.
Abstract
Bebés y niños ver el mundo, en un nivel sensorial básico, de una manera fundamentalmente diferente de sus padres. Esto es en gran parte debido a las limitaciones biológicas: los bebés poseen proporciones corporales que sus padres y la capacidad para controlar sus propios movimientos de la cabeza está menos desarrollada. Tales restricciones limitan la entrada visual disponible. Este protocolo tiene como objetivo proporcionar los principios rectores para los investigadores utilizando cámaras montado en la cabeza para entender la entrada visual cambio experimentada por el bebé en desarrollo. Uso acertado de este protocolo permitirá a los investigadores a diseñar y ejecutar estudios de entorno visual de desarrollo del niño en la casa o el laboratorio. De este método, los investigadores pueden compilar una vista agregada de todos los elementos posibles en el campo de visión de un niño. Este método mide directamente exactamente lo que el niño está mirando. Al combinar este enfoque con el aprender de máquina algoritmos de visión de computadora y codificación manual, los investigadores puede producir un conjunto de datos de alta densidad para ilustrar la ecología visual cambiante del bebé en desarrollo.
Introduction
Durante décadas, los psicólogos han intentado entender el ambiente del niño en desarrollo, que William James famoso describió como un "florecimiento, zumbido confusión1." Las experiencias cotidianas del niño son típicamente estudiadas por película juego naturalista con los interlocutores sociales desde una perspectiva de tercera persona. Estos puntos de vista desde el lado o por encima de típicamente muestran ambientes desordenados y un número enorme de potenciales referentes para cualquier nueva palabra que un niño oye2. Para un observador externo, descripción de James es apto, pero esta perspectiva inmóvil, la tercera persona no es la manera que un niño ve el mundo. Un niño está más cercano del suelo y puede moverse a través de su mundo, traer objetos más cerca para la exploración visual. Una vista en tercera persona de una interacción padres-niño se ilustra en la figura 1. Destacan las diferencias fundamentales entre sus perspectivas. Tal vez, el input que reciben los niños es no casi tan caótica como esperado por padres e investigadores. Métodos con cabeza-montado cámaras pretende capturar la experiencia infantil de una vista en primera persona para comprender el entorno visual a su disposición en todo el desarrollo.
Cámaras montado en la cabeza, usadas en un sombrero o diadema, ofrecen una ventana a las experiencias visuales de momento a momento del bebé en desarrollo. Desde esta perspectiva, el estudio de la estructura y las regularidades en el entorno del bebé llega a ser evidente. Cabeza-montado cámaras han revelado experiencias visuales de los bebés a ser dominados por las manos, tanto su propio y sus interlocutores sociales y que cara-mira, una vez considerado imprescindible para el establecimiento de atención conjunta, son mucho más escaso que anticipado 3. cabeza-montado cámaras fotográficas también han demostrado que los bebés y sus cuidadores crean momentos cuando los objetos son visualmente dominante y centrada en campo de vista del niño (FOV), reducir la incertidumbre inherente al objeto etiqueta asignación4.
Cabeza-montado cámaras capturan vista en primera persona los infantes basado en movimientos de la cabeza. Este punto de vista no es perfectamente sincrónico con, o representante, movimientos del ojo infantil, que sólo pueden ser capturados junto con un eye-tracker. Por ejemplo, un cambio de sólo los ojos manteniendo la cabeza inmóvil, o un cambio de la cabeza manteniendo la mirada fijada en un objeto, va a crear un desalineamiento entre campo visual real de los infantes y la captada por la cámara principal. Sin embargo, durante la reproducción del juguete, los bebés típicamente centro los objetos que asisten, alineando su cabeza, los ojos y la ubicación del juguete con la línea media de su cuerpo5. Desalineaciones son raros y normalmente se crean retrasos momentáneos entre un desplazamiento del ojo y el acompañamiento de giro de la cabeza3. Por lo tanto, cámaras de cabeza no son adecuadas para capturar la dinámica rápida de los cambios en la atención. La fuerza de cabeza-montado cámaras radica en captar el entorno visual cotidiano, revelando el contenido visual disponible a los niños.
Los siguientes resultados de protocolo y representante demostrará cómo cabeza-montado cámaras pueden usarse para estudiar el entorno visual de los bebés y niños pequeños.
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Protocol
El procedimiento siguiente para recopilar datos sobre bebés y de niños pequeños experiencias visuales en el laboratorio y en el país fue aprobado por la Junta de revisión institucional de la Universidad de Indiana. Se obtuvo consentimiento informado del cuidador del niño.
1. elegir una cámara fotográfica principal
Nota: Hay numerosas cámaras pequeñas, peso ligero y portátiles disponible para compra (figura 2).
- Elija una cámara principal que es discreta y no influirá en las escenas que se graban.
- Monte la cámara en un ajustado sombrero o diadema con un adhesivo temporal o bien montar la cámara en una placa plástica pequeña adherida a la diadema. Coloque la cámara en la frente del niño (figura 2B, izquierda).
- Dependiendo de la forma de la cámara, montaje de la cámara por los lazos de paño pequeño de coser a una diadema o sombrero (figura 2B, centro y derecha).
- Asegúrese de que el sombrero o diadema ajustable para lograr un ajuste cómodo y ceñido en la cabeza del niño (figura 2A).
Nota: Una cámara situada directamente entre los ojos del bebé es teóricamente ideal, sin embargo esto no es posible con la tecnología actual. Pequeñas cámaras que se pueden colocar bajo en la frente se están convirtiendo en cada vez más disponibles.
- Monte la cámara en un ajustado sombrero o diadema con un adhesivo temporal o bien montar la cámara en una placa plástica pequeña adherida a la diadema. Coloque la cámara en la frente del niño (figura 2B, izquierda).
- Si las cámaras están siendo enviadas a casa con los padres, asegúrese de que los padres los pueden utilizar sin ayuda técnica.
- Antes de que los padres dejan el laboratorio, capacitarlos sobre cómo operar la cámara principal.
- Envíe a los padres con la cámara en uso, la banda de cabeza o sombrero y una mano que describe el procedimiento para encender la cámara y registro de datos.
- Asegúrese de que las cámaras son lo bastante ligeras como para los niños de usar y olvidar.
Nota: El peso recomendado es menos de 30 g3. Cualquier cámara elegido no debe calentarse durante su uso y debe ser durable bajo uso pesado. - Si la configuración experimental requiere que los niños se mueve libremente, almacenar vídeo grabado en una tarjeta de almacenamiento interno. De lo contrario, utilizar cámaras atadas a la computadora de colección de datos.
- Utilizar una cámara con una lente de alta calidad para mejor aprovechar los recientes avances en algoritmos de aprendizaje automático que segmentar escenas visuales en las regiones de interés.
- Si escenas visuales se codificarse manualmente por los investigadores, utilizar una cámara que puede capturar imágenes en calidad suficiente para la inspección manual.
- Asegúrese de que cualquier cámara de pilas es capaz de grabar para la cantidad de tiempo deseada.
- Poco antes de empezar el experimento o el envío de la cámara con los padres, prueba de la cámara principal para asegurar que funcione adecuadamente.
2. recolección en el laboratorio
Nota: Cabeza-montado cámaras pueden añadirse fácilmente a la mayoría de los experimentos.
- Han experimentadores de 2-3 Coloque la cámara sobre la cabeza del niño: un experimentador coloca la cámara principal, uno controla la vista de cámara de la cabeza, y, si es necesario, uno distrae al niño.
- Pregunte a los padres para asegurarse de que el niño permanece tranquilo y distraer al niño durante el proceso de colocación.
- Realizar la colocación de cámara en tres pasos como se indica a continuación.
- Desensibilizar al niño para acciones cerca de su cabeza.
- Pregunte a los padres ligeramente toque o movimiento de cabeza y el cabello del bebé varias veces.
- Pedir el experimentador colocando el sombrero en la cabeza del bebé a hacer lo mismo como en 2.2.1.1.
- Tiene el experimentador coloca la cámara, montado en la cabeza cuando el niño está distraído.
- Utilice juguetes pulsador para entretener a las manos del niño.
- Tiene el experimentador distracción o el padre ayuda en esta etapa empujando suavemente las manos del niño hacia el juguete atractivo para que las manos del niño no van a la cabeza.
- Apriete el sombrero en la cabeza del niño y ajustar la cámara principal cuando el niño con el juguete.
- Ajustar la cámara para que cuando el niño tiene un objeto delante de su cara, el objeto se centra en la cámara central campo de visión.
- Si el niño está sentado, ajuste la cámara que captura la mayor parte de regazo del niño cuando el niño mira hacia abajo.
- Desensibilizar al niño para acciones cerca de su cabeza.
- Después de colocar la cámara sobre la cabeza del niño, pedir el experimentador para salir de la habitación y comenzar la grabación.
- En caso de que una cámara se mueve fuera de lugar o quitar, volver a entrar en la habitación para corregir la cámara.
- Terminar el experimento si el niño no tolera la cámara se vuelve a aplicar.
Nota: Para grabar ambientes naturales en el hogar, primero coloque un sombrero y una cámara al niño individual y mostrar a los padres cómo colocar la cámara. El diseño y ajuste de la cámara deben asegurarse de que los padres serán capaces de poner el sombrero a su hijo sin ayuda técnica.
- Terminar el experimento si el niño no tolera la cámara se vuelve a aplicar.
3. recopilación para el estudio de padres-niño
Nota: El siguiente método representativo para las cámaras de cabeza utiliza juego de naturalistas de juguete en el laboratorio para demostrar el tipo de análisis que pueden realizarse en los puntos de vista egocéntricos de los niños y sus padres (Figura 3A).
- Equipo de los padres y el niño con la cabeza-montado cámaras, como se describe en 2.1 y 2.2.
- Utilizar cámaras de cabeza para capturar vídeos con una resolución de 720 x 1280 píxeles a 30 frame/s. proceda como se describe en los pasos 2.3 y 2.4.
- Subsample la secuencia de vídeo en un solo fotograma cada 5 s.
- Manual dibujar cuadros delimitadores alrededor de cada juguete (figura 3B) en vista del uso de software comercial o un programa desarrollado en la empresa (ver figura 3 para un marco de muestra).
- Si sólo parte de un juguete es visible debido a la obstrucción por otros juguetes o truncamiento en el borde del marco, sólo dibujar cajas limitadoras cuando un juguete es fácilmente identificable y se incluyen todas las partes del juguete.
- Por ejemplo, si sólo la pierna de la muñeca es visible, dibuje un cuadro delimitador alrededor de su pierna. Si un objeto obstruye la mitad de la muñeca, dejando el cabello y piernas visibles, luego dibujar un cuadro que incluye el pelo y las piernas.
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Representative Results
Un análisis sencillo pero informativo, es contar el número de objetos a la vista en cada punto en el tiempo. Ya que una cámara de cabeza produce datos a aproximadamente 30 Hz (30 imágenes/s), ver abajo-muestreo los datos a 1 imagen cada 5 s ayuda a producir un conjunto de datos más manejable manteniendo una resolución apropiada para la comprensión de los tipos de niños de escenas. Investigación previa ha demostrado que escenas visuales son cambio lento en niños3. Se utilizó un script personalizado para dibujar cuadros delimitadores alrededor de los juguetes a la vista. La figura 4 muestra resultados representativos para la díada madre-recién nacido 1. Un t-test independiente comparando el número de escenas con un número dado de objetos entre los padres (Figura 4A) y el niño (Figura 4B) reveló que este niño tenía un mayor número de escenas con pocos objetos a la vista en comparación con el padre (t(78) = 4.58, p < 0.001).
Otro análisis informativo es para calcular cómo visualmente los objetos grandes son en cada vista. La proporción de la pantalla tomada por cada objeto a la vista puede ser calculada y analizada. Para el padre y el hijo, existe una correlación negativa entre el número de objetos en la vista y el tamaño visual de los objetos en ese punto de vista (figura 4, correlación de Spearman r =: -0,19, p < 0.001 y figura 4, correlación de Spearman r =-0.23, p < 0.001). Es decir, si hay más objetos a la vista, cada objeto ocupa menos de la pantalla que si hay menos objetos a la vista. Esta díada, el niño había capturado más escenas con menos de 10 objetos a la vista y el padre exhibe un mayor número de objetos a la vista. Resultados similares se han divulgado previamente en la literatura3,4,5,8,9,10,11,12 ,13.
Figura 1: un esquema ilustrativo demostrando los diferentes puntos de vista de un padre y su hijo durante el juego. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: ejemplos de cabeza-montado cámaras fotográficas y sus accesorios. (A) bebés y niños pequeños con cabeza-montado cámaras en casa y en el laboratorio. (B) ejemplos de maneras de conectar cámaras de cabeza a bandas (izquierda, centro) y sombreros (derecha). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: 24 los juguetes utilizados en el método representativo. (A, izquierda) Cuadro representativo de la cámara de la cabeza de un niño que ilustra un menor número de objetos a la vista y en tamaños más grandes visualmente. (Aderecha) Un cuadro representativo de la cámara principal de un padre que ilustra su punto de vista típico: muchos objetos visualmente más pequeñas. (B) juguetes son constantes en tamaño, que van desde 2 a 7 pulgadas en la dimensión más larga y entre los 2-3 pulgadas de las dimensiones más cortas. (C) cajas se dibujan alrededor de cada juguete, o de parte de juguete que es visible e identificable, mediante una interfaz gráfica de usuario interno. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Representante resulta de una Diada de solo participar en juego juguete. Histogramas agrupando el número de escenas basadas en el número de objetos a la vista de los padres (A) y niño (B). La proporción de la pantalla tomado por cada objeto a la vista versus el número de objetos a la vista para los padres (C) y el niño (D). La línea negra es la línea de mejor ajuste. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Este documento describe los conceptos básicos para la aplicación de cámaras montado en la cabeza a los niños a captar la escena visual egocéntrica. Cámaras cabeza comercialmente disponibles son suficientes para la mayoría de los estudios. Pequeño, ligeras y portátiles cámaras deben ser incorporadas en una tela suave sombrero o diadema y aplicadas a la cabeza del niño. Una vez correctamente diseñado y aplicado, una variedad de experimentos se puede ejecutar, en el laboratorio, así como en el entorno familiar. De los videos que se reunieron, datos agregados sobre ecología visual del bebé en desarrollo pueden ser compilados y analizados.
El paso más crítico con este método es la aplicación de la cámara principal en el niño. Si se hace correctamente, la cámara principal se colocará mal y calidad de los datos será disminuida o inutilizable. Una colocación incorrecta también puede estimular al niño a rechazar la cámara y detener el experimento. Discutiremos brevemente sugerencias para asegurar el éxito con la aplicación de la cámara principal. Las cámaras deben colocarse sobre el bebé en un movimiento sin dudarlo. Si el investigador es aprensivo para colocar una cámara en la cabeza del niño, o si se realizan múltiples intentos, la probabilidad de rechazo se convierte en mucho más alta. Los experimentadores deben practicar poniendo sombreros y dispositivos de cámara en dispuestos pequeños o maniquíes previamente. Al colocar la cámara, se debe colocar lo suficientemente baja en la frente para garantizar una visión clara de la escena delante de la cara. Pesca un poco la cámara hacia abajo garantiza vista de las manos del bebé durante la manipulación activa. La cámara también debe ser estable y seguro en la cabeza del bebé. Cámaras estables significan imágenes claras y estables. Si el sombrero jiggles, niños pequeños pueden notar esto y salga de la cámara. Para los niños menores de 18 meses de edad, nada llamar la atención sobre el engranaje aumenta denegaciones. Esto incluye tener el mango infantil el equipo o hablar de ello antes de colocarlo en el niño. Para niños mayores de 18 meses de edad, hablando de la cámara de antemano y pedir permiso al niño para ponerlo en pueden ser más eficaces. Con un investigador entrenado, las tasas de éxito en la colocación de cámaras de cabeza en los bebés, sin quejarse infantil fuera de la experiencia, pueden llegar a aproximadamente 75%.
Al enviar una casa de cabeza de cámara con las familias, tomar un tiempo considerable para el diseño de la colocación de la tapa/cabeza y en cámara. La manera de que un padre coloca una cámara en su cabeza no será siempre el mismo nivel de precisión como un investigador entrenado. Asegúrese de que la tapa es fácil de aplicar por los padres y asegurar que las preguntas de investigación no exigen especificaciones exactas. Si experimental necesidades requieren la colocación precisa de la cámara en la cabeza, considere ejecutar el estudio en un entorno de laboratorio en vez de en el país.
Cámaras de cabeza tendrá limitaciones en lo que puede capturar. Dada la ubicación de la cámara en la cabeza del lactante, las vistas horizontales del niño mientras se mueven que su cabeza de izquierda a derecha será capturado extensivamente. Desplazamientos verticales de la cámara, cuando el niño mira hacia arriba y hacia abajo, serán incapaces de capturar los muy extremos de la escena visual. Esto es especialmente cierto si la cámara tiene un ángulo ligeramente hacia abajo en la cabeza del bebé, con el fin de capturar las manos del bebé.
Cabeza-montado cámaras han revelado que los niños tengan una visión propia. En un nivel fundamental, los niños pequeños y bebés ver el mundo diferentemente que sus padres. Los niños conforman su experiencia visual con sus manos: sostener y manipular objetos cerca de su cara4,5,8. Los brazos muy cortos de los niños pequeños, el objeto se mantiene estrecha y aparece en el campo de visión. Tales escenas con un objeto claro focal son a menudo de larga duración, alrededor de cuatro segundos de duración y coincidan con la disminución de los movimientos de la cabeza por el infantil4. Es importante tener en cuenta, sin embargo, que cabeza-montado cámaras no proporcionan ninguna información en cuanto a donde está mirando el participante. En cambio, este protocolo puede describir cuantitativamente el rango de escenas visuales disponibles para los niños. A través de una sesión de juego de todo, hay una alta probabilidad de que ojos del niño se centran típicamente en el centro de la escena visual frente el niño5. Cámaras de cabeza nos permiten investigar el total de las escenas disponibles para un niño. Por ejemplo, ¿con qué frecuencia está disponible para que se vean en una cara? ¿Persistentes son estas escenas con caras? ¿Con qué frecuencia es niños ver desordenado (un montón de juguetes en el piso) frente despejada (el techo o una pared en blanco) escenas? Esta metodología de vista egocéntrico es más adecuada para datos a escala macro, 100 millones imágenes recogidas durante días. Si la pregunta de investigación necesita más resolución de grano fino que estas preguntas de nivel de agregado, seguimiento ocular montado en la cabeza puede ser mejor adaptado para capturar la dinámica exacta de la visión infantil.
Así como el niño y el adulto tienen diferentes experiencias visuales, la experiencia visual de los bebés y niños pequeños no es desarrollo estática. Como los niños crecen, las escenas visuales disponibles cambian drásticamente, y se dispone de estructura del desarrollo de las personas y los objetos visualmente a los niños de diferentes edades. Por ejemplo, cuando los niños son muy jóvenes, su entorno visual es denso con las caras de un número muy pequeño de personas10. De este muestreo no uniforme de unos rostros, los bebés pueden extrapolar y aprender a reconocer y discriminar entre caras que se encuentran. Alrededor de 8-10 meses de edad, los bebés empiezan a sentarse constantemente, para gatear y jugar con objetos, pero sus habilidades manuales siguen siendo bastante limitados en comparación con los bebés mayores. Como resultado, estos niños experimentan a una mayor frecuencia de escenas visuales con pocos objetos a la vista, en comparación con los bebés mayores. Sin embargo, escenas de la hora de la comida de estos mismos 8 a 10 meses de edad revelan momentos de desorden13, con cada escena de las comidas que contienen muchos objetos diferentes. A pesar de este desorden, hay una estructura predecible a los objetos a la vista: un muy pequeño conjunto de objetos aparecen repetidamente. Estos repiten objetos pertenecen a las categorías que abarcan las primeras palabras aprendidas por los niños13. Así, aunque puede ser fácil mira al entorno de los niños y su mundo es un "florecimiento, zumbido confusión," cámara fotográfica principal datos mostrando vistas egocéntricos los bebés revelan que existen regularidades estadísticas predecibles en su campo de visión para humedecer el estruendo y la confusión.
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Disclosures
Los autores no declaran conflictos de interés.
Acknowledgments
Los autores agradecen a Dr. Chen Yu por su orientación en la creación de este manuscrito y por los datos usados en la sección de resultados de representante. Agradecemos a las familias participantes que accedió a ser utilizado en las figuras y filmación del protocolo así como Lydia Hoffstaetter para su lectura cuidadosa de este manuscrito. Esta investigación fue apoyada por los institutos nacionales de becas en salud T32HD007475-22 (J.I.B., D.H.A.), R01 HD074601 (S.B.), R01 HD028675 (S.B., L.B.S.) y F32HD093280 (L.K.S.). National Science Foundation otorga BCS-1523982 (S.B., L.B.S) y carrera IIS-1253549 (S.B., D.J.C.), la nacional Science Fundación postgrado investigación beca programa #1342962 (S.E.S.) y por la Universidad de Indiana a través del área emergente de investigación Iniciativa - aprendizaje: Cerebros, máquinas y los niños (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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