Lecture automatique Interactive Video pour les études de la communication animale

Published 2/09/2011
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Neuroscience
 

Summary

Lecture vidéo est une technique largement utilisée dans le comportement animal. Nous avons créé et évalué un programme qui s'applique à base de règles, la lecture interactive en 3-D des animations par ordinateur en réponse à temps réel, des données automatisée sur le comportement des sujets.

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Butkowski, T., Yan, W., Gray, A. M., Cui, R., Verzijden, M. N., Rosenthal, G. G. Automated Interactive Video Playback for Studies of Animal Communication. J. Vis. Exp. (48), e2374, doi:10.3791/2374 (2011).

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Abstract

Lecture vidéo est une technique largement utilisée pour la manipulation contrôlée et la présentation des signaux visuels dans la communication animale. En particulier, basé sur des paramètres d'animation par ordinateur offre la possibilité de manipuler indépendamment n'importe quel nombre de caractéristiques comportementales, morphologiques ou spectrales dans le contexte des réalistes, des images animées d'animaux à l'écran. Une limitation importante de la lecture classique, cependant, est que le stimulus visuel n'a pas la capacité d'interagir avec l'animal vivant. Empruntant la technologie du jeu vidéo, nous avons créé un système automatisé et interactif pour la lecture vidéo qui contrôle les animations en réponse à des signaux en temps réel à partir d'un système de suivi vidéo. Nous avons démontré cette méthode en menant compagnon de choix des essais sur les poissons porte-épée féminine, Xiphophorus birchmanni. Les femelles ont reçu un choix simultané entre un mâle courtisant conspécifiques et un mâle courtisant hétérospécifiques (X. Malinche) sur les côtés opposés d'un aquarium. Le stimulus virtuel masculine a été programmé pour suivre la position horizontale de la femme, en tant que mâles courtisent faire dans l'état sauvage. Mate-le choix des essais sur les sauvages X. femelles birchmanni ont été utilisés pour valider la capacité du prototype efficacement générer un stimulus réaliste visuelle.

Protocol

1. Mise en place du matériel et du système Viewer.

Le système se compose d'un réservoir de tests encadrée par deux moniteurs. Une caméra vidéo connectée au système Viewer BIOBSERVE enregistre le mouvement du sujet en temps réel. Données de mouvement est transmis à la lecture de la vidéo interactive (IVP) programme sur un serveur distinct, qui détermine le mouvement du stimulus animés sur l'écran.

  1. Placez deux moniteurs CRT aux extrémités opposées d'un aquarium de 80 l rempli d'eau propre; sortie moniteur match.
  2. Placez l'appareil photo aérienne pour capturer la vue de l'aquarium; connecter à BIOBSERVE carte vidéo.
  3. Configurer le système de visionneuse de recevoir des informations de suivi de la caméra.
  4. Activer le plug-in l'Observateur qui envoie les coordonnées du museau de l'animal, le corps et la queue vers le serveur d'animation en temps réel via une adresse IP du réseau spécifié.
  5. Allumez le serveur de l'animation.

2. Etalonnage.

  1. Sur le serveur animation, ouvrez InteractiveDisplaySetup.txt. Entrer la largeur et la hauteur d'écran écran en pixels sous la rubrique «Infos Moniteur". Sous la rubrique «ProgramType" entrer "calibrage". Enregistrer les modifications au fichier.
  2. Double-cliquez sur l'icône du programme IVP pour démarrer le programme.
  3. Entrez dans l'étendue de la dimension du réservoir de mettre en place dans le système de visionneuse à l'étape 2.3. Cela permettra d'assurer la correspondance entre les données de sortie Viewer et interactive à partir IVP.
  4. Comme les extrémités des réservoirs de poissons sont plus petits que les moniteurs, le logiciel permet à l'utilisateur d'utiliser le clavier (A et S pour la largeur, Z et X pour la hauteur, et les touches directionnelles pour la position) pour déplacer la zone de visualisation (viewport) du stimuli pour s'aligner avec les extrémités de la cuve d'essai. Consultés sur le serveur de l'animation, la fenêtre rose est fait l'écho sur un moniteur d'essai et la fenêtre bleue sur l'autre (figure 1).
  5. Utilisez z et x sur le clavier à l'échelle de l'affichage des poissons mâles sur les deux fenêtres jusqu'à ce qu'elle corresponde à la taille désirée de relance.
  6. Déplacez les boîtes affiché afin de les aligner sur les bords de la cuve d'essai. L'utilisateur utilise les touches Q ou W pour déplacer les boîtes rapproche ou s'éloigne du centre du poisson.
  7. Entrez les informations expérience lorsque vous êtes invité par le programme. L'utilisateur a la possibilité de choisir parmi les modèles préchargés (dans notre démonstration, courtiser mâles Xiphophorus birchmanni, X. Malinche). L'utilisateur spécifie également le comportement de chaque poisson dans chaque étape (non-interactif ou interactif), le côté et le stade dans lequel chaque stimulus apparaît, et la taille désirée (longueur standard) de chaque stimulus.
  8. La question suivante vous demande si l'utilisateur souhaite les mouvements des poissons à mettre en miroir, c'est à dire que le mouvement du modèle de chaque côté de l'aquarium seront exactement les mêmes. Ceci n'est utilisé que lorsque les poissons sont à la fois en mode animation. Les dernières questions concernent le mouvement de la nageoire dorsale. L'utilisateur peut sélectionner par défaut dorsale, ce qui rendrait la dorsale ne soulèvent lors d'une parade nuptiale latérale. Si la dorsale n'est pas réglé par défaut, l'utilisateur peut décider si le modèle soulève sa nageoire dorsale, selon la distance du sujet par le moniteur.

3.Starting IVP pour les maté-test à choix.

  1. InteractiveDisplaySetup.txt et réglez "ProgramType" à liveTesting et mettre 'experimentName' au nom même fichier qui contient les données d'expérimentation.
  2. Placez délicatement les poissons dans l'aquarium sous réserve et attendre 10 min.
  3. Démarrez le 2.0 et le visualiseur IVP.

4. Mate-choix procès.

La séquence globale d'expérimentation suit des études antérieures utilisant des stimuli vidéo non-interactif 1-4. Les femelles sont présentés avec deux stimuli différents sur des écrans aux extrémités opposées d'un aquarium de tests. Le comportement des femmes est suivi en temps réel par le système Viewer Biobserve. Le test de réponse est le temps d'association, la quantité de temps qu'une femme consacre moins de 10 cm d'un moniteur ou l'autre. Temps de l'Association est automatiquement calculée par le spectateur.

  1. Les stimuli vidéo sont affichés à des sujets dans un essai consistant en deux, de 20 minutes étapes. Une étape se compose de quatre segments de 5 minutes:
    1. Le premier segment acclimate la femelle à la cuve de test pendant cinq minutes en affichant un écran monochrome sur les deux moniteurs.
    2. Dans le deuxième segment, deux stimuli vidéo différents sont affichés à la femelle, l'un sur l'écran de gauche et l'autre sur le droit pendant cinq minutes.
    3. Immédiatement après l'affichage des stimuli vidéo, un écran monochrome est de nouveau affiché sur les deux moniteurs pendant cinq minutes.
    4. Dans le quatrième et dernier segment, les stimuli du deuxième segment sont présentées, mais la position de chaque stimulus est allumé. Cela fournit un contrôle au sein-femme pour le biais de côté.
  2. Le secstade de deuxième répète le même schéma, avec un ensemble différent de stimuli simultanément présentés.
  3. Des essais supplémentaires sont gérés par un retour à l'étape 2 et varier systématiquement côté et ordre de présentation.

5. Des résultats représentatifs.

Nous avons évalué l'efficacité de la lecture interactive en comparant la réponse des femmes à des animations interactives et non interactives de mâles courtisent. Le stimulus non-interactif réalisé un stimulus séduction à l'écran, indépendamment du comportement des femmes, comme dans de précédentes études 1-4.

Le stimulus interactives suivies de la position horizontale de la femelle à travers l'écran. La position du poisson soit simulée ou le poisson a été soumise opérationnellement défini comme le milieu de la ligne reliant le centre de gravité et le museau. Les trois règles qui guident le comportement des hommes étaient comme suit, où la direction X se réfère à la longueur de la cuve, et la direction Z se réfère à la largeur de la cuve (figure 2):

Règle 1: Les hommes de simulation suit toujours le sujet à travers l'écran, son suivi dans la direction Z.

Règle 2: la nageoire dorsale du mâle simulé n'est soulevée quand il effectue une parade nuptiale latérale.

Règle 3: Le poisson xipho simulées mâle uniquement effectuer une parade nuptiale latérale pour 50% du temps total qu'il est affiché à la femelle. La parade nuptiale latérale est déclenchée par le poisson mâle étant au sein d'un quart la longueur du corps masculin de la femelle dans la direction Z. La parade nuptiale latéraux est indépendante de la proximité de la femelle est à l'écran dans la direction X.

Le stimulus interactifs suivi de près la position de la femelle en temps réel (figure 3).

Des travaux antérieurs utilisant des stimuli non-interactive a montré que 4,5 X. féminine birchmanni fortement préféré des signaux visuels de leur propre espèce. Les stimuli non-interactif créé par l'IVP ont été tout aussi efficace à connaître les préférences du compagnon conspécifiques (t = 1,923, N = 9, p = 0,046). Lorsque les femelles ont été testés sur des simulations interactives mâles conspécifiques et hétérospécifiques immédiatement avant ou après dans le même procès, cependant, ils ont échoué à montrer une préférence (figure 4).

Figure 1
Figure 1. Moniteur d'installation pour l'étalonnage.

Figure 2
Figure 2. Vue schématique du réservoir et de configuration du moniteur, indiquant les axes utilisés pour décrire la position.

Figure 3
Figure 3. Position horizontale du modèle d'animation et représentant sujet féminin dans le temps.

Figure 4
Figure 4. Temps de l'Association (s) de femmes ayant interactifs et non interactifs conspécifiques et hétérospécifiques stimuli masculins. Chaque parcelle est créée à partir d'un record de cinq minutes de la sortie de postes par le prototype. Dans ces parcelles, le temps progresse dans la direction Y verticale de 0 à 5 minutes.

Figure 5
Figure 5. Données représentatives du temps d'association et de suivi par deux stimuli interactifs. Deux segments de cinq minutes pour les deux femelles sont affichées.

Discussion

Les méthodes précédentes pour la lecture vidéo interactive dans le comportement des animaux se sont appuyés sur un opérateur humain pour fournir les réponses aux indices comportementaux chez les sujets. Avec IVP, nous avons créé un programme qui applique les règles de l'interactivité basée en réponse à temps réel, des données automatisée sur le comportement des sujets. Nous brièvement les étapes de la création du programme ci-dessous.

La première étape était de créer numériques exemplaires mâles de X. birchmanni et X. Malinche. Nous avons pris une approche semblable à celle des études précédentes 6. Nous avons créé des maillages 3D qui sont calquées sur les textures à partir de photographies du réel x. birchmanni et X. Malinche. Pour capturer les textures réalistes du vrai poisson, les mêmes photographies utilisées pour modéliser les formes de poissons ont été utilisées comme textures pour les poissons. Une carte planaire appliquées à leurs coordonnées UV aligné la carte UV avec la texture photo. Deuxièmement, le maillage des poissons numérique doit se déforment comme un vrai poisson. Pour ce faire, un squelette virtuel a été créé pour le corps et les nageoires et les «écorchés» pour la maille. Le processus de dépouillement permet le maillage de se déformer lorsque les articulations sont en rotation.

Deuxièmement, nous avons ajouté motion pour le poisson numérique. Six mouvements clés qui un poisson xipho mâle fait ont été animés. Trois de ces mouvements ont été utilisées pour représenter les différentes vitesses au cours de laquelle un poisson nager. Les trois autres mouvements ont été les poissons restants encore, le tournage, ou présentant une parade nuptiale latérale. Comme les hommes peuvent élever ou abaisser leur nageoire dorsale conformément à savoir si les récepteurs masculins ou féminins sont présents 3, nous avons découplé du mouvement de la nageoire dorsale de celui de la parade nuptiale latérale. La nageoire dorsale a été saisi afin qu'il puisse être relevé ou abaissé à tout moment pendant le cycle. Un total de cycles d'animation de vingt à quatre ont été utilisés. Chaque cycle a commencé et s'est terminée avec le poisson dans la même posture afin que les cycles d'animation pourraient facilement se fondre ensemble. Tous les cycles d'animation de vingt à quatre ont été créées par rotoscopie 7,8 le mouvement souhaité de la vidéo-dessus d'un live, courtiser mâles X. birchmanni.

Troisièmement, nous avons permis à l'interactivité. Nous avons utilisé le système Viewer Biobserve de suivre en temps réel la position du museau, le corps et la queue du xipho femelle et de transmettre cette information en temps réel pour le programme IVP. Cela a été fait séparément pour chaque mâle courtise sur chaque moniteur. L'animation des hommes suivis de position des poissons sujet. Nous avons modélisé suivant à l'aide de Reynolds est arrivé 9,10 comportement de la direction, qui a permis aux hommes de suivre les femmes et ralentir à l'approche de la femelle.

Pour calculer la position du poisson xipho mâle à chaque pas de temps, le système a été fourni avec la position actuelle de la femelle, ce qui a permis au programme de calculer les forces qui animent le mâle. Tout d'abord, le vecteur-cible offset a été calculé en soustrayant la position des poissons mâles de la position de la femelle. Deuxièmement la distance entre le poisson mâle à la femelle a été déterminé en prenant de l'ampleur du vecteur cible de compensation. Troisièmement, la vitesse désirée du poisson mâle a été déterminée en divisant la distance par une valeur de décélération constante. Cela a permis aux poissons mâles à ralentir à l'approche du poisson femelle. Dernière, l'accélération souhaitée a été calculé en soustrayant la vitesse du courant du mâle de la vitesse désirée.

Comme les animations sont rendus comme des cadres discrets de la vidéo à 60 Hz, les calculs ont été effectués pour chaque étape de temps discrets, à des intervalles de 0,016 secondes. Vitesse maximale a été fixée à une valeur de 10 cm / s pour ces expériences. Si l'ampleur de la nouvelle vitesse était supérieure à la vitesse maximale, la vitesse a été réglée au maximum.

Pour cette simulation particulière, les poissons mâles interactifs soulevé sa nageoire dorsale 50% du temps, et seulement pendant les interactions cour. Le comportement de cour latérale d'affichage a été déclenchée lorsque le stimulus masculin était de moins de 0,25 longueurs corps du poisson xipho femmes dans la dimension Z.

Nous avons été surpris que l'interactivité aboli la préférence des femmes pour les congénères, malgré le fait que les animations non-interactif a suscité une forte préférence et étant donné que les femmes ont passé la majorité du temps de s'associer avec les stimuli interactifs. Une possibilité est que suit de près la femelle peut l'emporter sur des indices visuels utilisés pour évaluer les mâles, comme l'épée et la nageoire dorsale. Alternativement, les femelles peuvent être moins susceptibles de perdre de l'intérêt chez un homme de cour, et donc moins susceptibles de l'échantillon à la fois les individus (figure 5).

Néanmoins, nos résultats montrent que le principe de fonctionnement de la technologie du jeu vidéo à savoir, piloté par logiciel, fondé sur des règles agents répondant à l'entrée utilisateur peut être appliquée avec succès à la lecture interactive dans des études dele comportement animal. Ce type de règles basé lecture interactive devrait s'avérer utile pour les études de mouvement et collectif shoaling 11,12. En particulier, la capacité de manipuler les règles qu'un exemplaire virtuel utilise des bancs devrait nous donner un aperçu des processus qui utilisent les animaux pour prendre des décisions bancs.

Disclosures

La production de cette vidéo article a été parrainé par la recherche Biobserve.

Acknowledgements

Nous sommes redevables à Stephan Schwartz et Christian Gutzen des Biobserve GmbH pour le parrainage de cet article et de l'assistance technique beaucoup. Nous remercions Olivia Ochoa, Christian Kaufmann, et Zachary Cress de l'aide pour les soins de poissons; nous sommes reconnaissants envers le gouvernement fédéral mexicain pour la permission de recueillir les poissons. Nous sommes redevables à Glen Vigus, Frédéric Parke, et le Laboratoire de visualisation à la Texas A & M. Athéna Mason et Ryan Easterling aidé à préparer cette publication. Le financement a été fourni par Texas A & M University et NSF IOS-1045226.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Maya 8.0
C# program using Microsoft’s XNA Game Studio 2.0
BIOBSERVE Viewer 2
Dell 15” CRT monitor (2)
20 X 20 X 80 cm Plexiglas testing aquarium
Dell Latitude computer (animation server)

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References

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