Abilitazione ad alta risoluzione display in scala di grigi e misurazioni accurate Tempo di risposta su computer convenzionali

Neuroscience

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Summary

Hardware del computer convenzionale non può generare gli stimoli visivi con sufficientemente alta risoluzione in scala di grigi tempi di risposta e misurare con sufficiente accuratezza. Ci descrivono come utilizzare il VideoSwitcher per la produzione di display ad alta risoluzione monocromatiche, e la RTbox per misurare i tempi di risposta con elevata precisione su hardware convenzionale.

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Li, X., Lu, Z. L. Enabling High Grayscale Resolution Displays and Accurate Response Time Measurements on Conventional Computers. J. Vis. Exp. (60), e3312, doi:10.3791/3312 (2012).

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Abstract

Mostra i sistemi basati su schede grafiche convenzionali computer sono in grado di generare immagini con risoluzione 8-bit livello di grigio. Tuttavia, la maggior parte degli esperimenti di ricerca sulla visione richiedono display con più di 12 bit di risoluzione di luminanza. Diverse soluzioni sono disponibili. Bit + + 1 e 2 DataPixx utilizzare il Digital Visual Interface (DVI) Uscita dalle schede grafiche e ad alta risoluzione (14 o 16-bit) digital-to-convertitori analogico per pilotare dispositivi di visualizzazione analogici. Il 3 VideoSwitcher qui descritto combina i segnali video analogici dai canali rosso e blu di schede grafiche con pesi diversi utilizzando una rete passiva oppositore 4 e un circuito attivo per fornire segnali video identici ai tre canali di monitor a colori. Il metodo fornisce un modo economico per consentire display ad alta risoluzione monocromatiche utilizzando convenzionali schede grafiche e monitor analogici. Essa può anche fornire i segnali di comando che possono essere usati per contrassegnareinsorgenze di stimolo, rendendo semplice la sincronizzazione visual con le registrazioni fisiologiche o misure di tempo di risposta.

Sebbene tastiere dei computer e mouse sono frequentemente utilizzati per misurare tempi di risposta (RT), l'accuratezza di tali misurazioni è piuttosto basso. Il RTbox è un hardware specializzato e la soluzione software per misure accurate RT. Collegato al computer host tramite una connessione USB, il conducente del RTbox è compatibile con tutti i sistemi operativi convenzionali. Esso utilizza un clock del microprocessore e ad alta risoluzione per registrare le identità e le tempistiche di eventi dei pulsanti, che sono tamponati fino a quando il computer host li recupera. Gli eventi registrati pulsanti non sono influenzati da incertezze temporali o potenziali pregiudizi associati alla trasmissione ed elaborazione dei dati nel computer host. Lo stoccaggio asincrono semplifica notevolmente la progettazione di programmi utente. Sono disponibili diversi metodi per sincronizzare gli orologi del RTbox e banca dati informatizzata di accoglienzaer. Il RTbox può anche ricevere impulsi esterni e possono essere usate per misurare la RT in relazione ad eventi esterni.

Sia VideoSwitcher RTbox e sono disponibili per gli utenti ad acquistare. Le informazioni pertinenti e molti programmi dimostrativi sono disponibili all'indirizzo http://lobes.usc.edu/ .

Protocol

1. VideoSwitcher

1,1. Collegare VideoSwitcher a un computer

Il VideoSwitcher (figura 1) riceve video analogica (VGA) ingressi e viene utilizzato per pilotare tubo catodico (CRT) monitor a colori. Prima di utilizzare il VideoSwitcher, assicurarsi che la scheda grafica del computer o ha una porta VGA (Figura 2A) o un Digital Visual Interface (DVI-I) porta (Figura 2B) che trasmette entrambi i segnali video analogici e digitali. A DVI-to-VGA (Figura 2C) è necessario per collegare la porta DVI-I al VideoSwitcher.

Spegnere il computer e il monitor e scollegare il monitor dalla scheda grafica del computer.

Collegare il VGA o DVI-I della scheda grafica del computer alla porta di ingresso del VideoSwitcher utilizzando il cavo VGA. Utilizzare un piccolo cacciavite per fissare i collegamenti.

Collegare il cavo VGA del monitor alla porta di uscita di uno VideoSwitchernd fissare i collegamenti.

Collegare il VideoSwitcher a una presa elettrica utilizzando l'alimentatore in dotazione.

Accendere il computer e il monitor.

1,2. Due modalità di visualizzazione del switcher video

Il pulsante sulla VideoSwitcher consente all'utente di passare avanti e indietro in due modalità di visualizzazione. Nella modalità a colori, il VideoSwitcher non altera il segnale video dalla scheda grafica del computer. Nella scala di grigi, il display diventa monocromatico, con la sua luminosità determinata principalmente dal segnale video dal canale blu della scheda grafica, leggermente influenzata dal segnale del canale rosso, e nessun contributo dal canale verde. Ciò è perché la rete oppositore all'interno del VideoSwitcher attenua il segnale dal canale rosso di un fattore di circa 128, e il segnale dal canale verde non contribuisce affatto. Il rapporto dei contributi di uno blud canali rosso per l'uscita del VideoSwitcher è chiamato blu-rosso rapporto (BRratio). Il BRratio è di proprietà di uno Switcher Video, indipendente dalla configurazione del display. Esso può essere determinato sperimentalmente per ogni VideoSwitcher (vedi 1.3).

La modalità di visualizzazione può anche essere attivata inviando un segnale speciale attraverso il canale verde della scheda grafica utilizzando una chiamata di funzione in Matlab:

PsychVideoSwitcher ('switching', whichScreen, ToGrayMode);

dove ToGrayMode di 1 o 0 mezzi per passare alla modalità a colori o in scala di grigi.

La figura 3 mostra lo schema di un VideoSwitcher.

1,3. Misurare BRratio

Il BRratio può essere misurato per ogni VideoSwitcher utilizzando una squadra reticolo compito onda di rilevamento. I due livelli di onda quadra vengono assegnati valori RGB come (0, 0, 40) e (x, 0, 39). Si può regolare il valore di x fino a quando il reticolo ad onda quadrascompare, a questo punto il valore x è il BRratio --- la grandezza del segnale in R-canale che porta l'intensità prodotta da una unità di segnale in B-canale. Anche se si può misurare la BRratio elettronica, ad esempio per misurare il rapporto tra le uscite di tensione di un VideoSwitcher a valori RGB di (0, 0, 255) e (255, 0, 0), il metodo psicofisico qui descritto è molto semplice e accurate.

1,4. Calibrazione monitor

Per la maggior parte dei monitor, la luminosità del display non aumenta linearmente con il livello di pixel grigio specificato dalla scheda grafica del computer. La relazione può essere descritto come:
Equazione 1
dove L max, L min e γ sono determinate con una procedura di correzione gamma, utilizzando fotometri o da una combinazione di procedure psicofisiche e misurazioni fotometriche 7,8. Gamma di calibrazione è important per la produzione di contrasti precisi su un display, ma deve essere eseguita per ogni periferica di visualizzazione.

Con un fotometro, si può semplicemente visualizzare una grande piazza uniforme a graylevels pixel differenti (ad esempio, da 0 a 255), misurare la luminanza del centro della piazza, e montare i risultati con l'equazione 1 per ottenere γ.

La procedura implica la creazione psicofisica, in una zona della superficie di visualizzazione, il più uniforme possibile una miscela (nello spazio e nel tempo) di quantità uguali di zero e piena intensità pixel e determina il valore livello di grigio del pixel in un'area adiacente omogenea ( in cui tutti i pixel hanno la stessa intensità) che produce una corrispondenza psicofisico alla luminanza del pixel zona mista. La prima corrispondenza determina il valore di livello di grigio per 1/2 di luminanza massima. Una miscela di pixel con intensità di luminanza 1/2 e 1 viene utilizzato per determinare il 3/4 valore, e questa procedura viene ripetuta fino a sette valori from 1/8 a 7/8 sono state determinate. Questi risultati sono ripetuti, e molteplici controlli per verificare la coerenza sono fatte, come verificare che una miscela di 3/4 e 1/4 partite 1/2. In questa procedura, sia il livello B e R della zona omogenea vengono regolati, e U = B + R / BRratio. I risultati possono essere inseriti con l'Equazione 1 per ottenere γ.

Dopo si ottengono valori di L min, max e L γ, possiamo impostare la luminosità di fondo L 0 = (L max + L min) / 2, Il rapporto tra contrasto c pixel (U) e il livello di pixel grigio U è il seguente:
Equazione 2

Possiamo riscrivere l'equazione da risolvere per il livello richiesto grigio per un contrasto dato:
Equazione 3
dove U è normalmente un numero non intero. Il valore RGB del pixel corrispondente è: R = BRratio * [U int-(U)], G = 0, B =int (U), dove int () prende il valore intero del suo apporto.

1,5. Demo di un reticolo di un'onda sinusoidale

L'effetto di un aumento della scala di grigi risoluzione può essere dimostrato dal confronto di due reticoli di onde sinusoidali. La griglia a sinistra utilizza l'intera capacità del VideoSwitcher con ogni intensità dei pixel specificata dal R appropriato e valori B. La griglia a destra è la stessa di quella di sinistra eccetto che solo la U arrotondato viene usato come valore di ciascun pixel B, simulando l'uscita di un 8-bit dispositivo di visualizzazione.

2. RTbox

2,1. Collegare il RTbox a un computer

Collegare il RTbox (Figura 4) ad una porta USB di un computer con il cavo fornito. Se necessario, scaricare il driver del dispositivo da http://www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htm . Installare il driver seguendo le istruzioni sul sito.

2,2. Usare il RTbox per misurare il tempo di risposta

Il RTbox può essere utilizzato in due modi diversi.

Se il programma l'utente può tornare affidabili tempi di inizio di stimolo, come ad esempio l'orario restituito da Screen ('Flip') e PsychPortAudio in Psychtoolbox [8], il RTbox può essere utilizzato come una tastiera. Poiché tempi di inizio e di stimolo volte il tasto RTbox si basano gli orologi del computer host e il RTbox, rispettivamente, dobbiamo sincronizzare i due orologi. Questo viene fatto con un RTBox chiamata di funzione ('clear') prima di ogni inizio stimolo a cancellare gli eventi indesiderati nel buffer. Il tempo di risposta può essere semplicemente misurata come resp t = t - t esordio, dove tonset è lo stimolo restituito dal programma utente, e t è il tempo pulsante restituito dalla chiamata di funzione [t, tasto] = RTBox (timeout). Questo è perché il driver RTBox converte automaticamente il tempo di Button dal momento RTbox per ospitare tempo-macchina.

Se il programma utente non puòtornare affidabili tempi di inizio di stimolo, i segnali di comando indicano insorgenze di stimolo deve essere fornita al RTbox. Una soluzione è quella di utilizzare un sensore di luce per rilevare l'inizio dello stimolo o una macchia di luce che è sincronizzato allo stimolo. L'uscita del sensore di luce è collegato alla porta luce del RTbox. Una seconda soluzione è quella di utilizzare l'uscita trigger del VideoSwitcher. Il grilletto può essere direttamente collegato alla porta polso del RTbox. Una terza soluzione è quella di collegare il segnale audio del computer host alla porta del suono RTbox.

Per generare un trigger insorgenza stimolo dalla VideoSwitcher, ci "accendere" il canale verde dei pixel nella porzione centrale del primo frame dello stimolo visivo. Poiché non contribuisce alla rete di resistenza, il segnale nel canale verde è invisibile al soggetto. Una chiamata di funzione [t, tasto] = RTBox ('pulse', timeout) restituisce il tempo di risposta, dove 'pulse' indica al RTbox per calcolare t egli risposta relativa al tempo di attivazione. La chiamata di funzione viene utilizzato lo stesso per il trigger del suono. Per i trigger del sensore di luminosità, la chiamata di funzione è [t, tasto] = RTBox ('luce', timeout).

3. Integrare VideoSwitcher e RTbox

Abbiamo programmato un programma dimostrativo che utilizza la VideoSwitcher per controllare la visualizzazione, la RTbox per raccogliere l'ora esatta di risposta, e la RTbox ad inviare il codice evento e le risposte ad un sistema ERP. Il programma può essere scaricato dal http://lobes.usc.edu/videoswitcher/VideoSwitcherRTBoxERP_demo.m .

4. Risultati rappresentativi

Figura 1
Figura 1. Immagine di uno switcher video. Dispone di ingresso VGA e porte di uscita (sia femmina), un pulsante per commutare tra due modalità di visualizzazione, e una porta di uscita trigger.

ONTENUTO "> Figura 2
Immagini Figura 2. Di VGA (A) e DVI-I (B) porti e uno DVI-I a VGA (C).

Figura 3
Figura 3. Lo schema di un commutatore video. Il multiplexer ha due modalità di input, controllati da un livello di tensione. Quando è nella modalità mostrato nello schema, i canali RGB di un monitor ricevono lo stesso segnale, quindi il display è in scala di grigi. La tensione di commutazione viene generata da un chip CPLD, controllato da segnali di G-canale e l'interruttore. Il trigger è anche controllato dal ingresso nel G-canale.

Figura 4
Figura 4. Immagine di un RTbox. Ha un USB-B, una porta di ingresso della luce, un impulso / sound porta di ingresso, una porta di ingresso pulsante esterno, e una porta di uscita TTL.

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Discussion

Il switcher video fornisce un metodo compatto, economico e facile da usare per generare risoluzione display ad elevata luminosità con i convenzionali computer grafica carte e monitor a colori analogica. E 'collegato tra le uscite analogiche della scheda grafica e monitor. Si può anche passare da una modalità di visualizzazione monocromatiche e cromatica, fornendo ulteriore comodità. Il suo canale di trigger permette ai ricercatori di sincronizzare altre apparecchiature per schermi visivi.

Il RTbox è un compatto, economico e facile da usare hardware / soluzione software per la misurazione precisa i tempi di risposta. Se i trigger esterni sincronizzati con insorgenze stimolo sono disponibili, le misure RT sono totalmente indipendenti dal computer host. Per stimoli visivi, abbiamo progettato una porta integrata per ricevere luce trigger generato da fotodiodi. Trigger esterni possono anche essere utilizzati per calibrare il tempo di inizio stimolo restituito dal programma utente. Se il programma utente può fornirepreciso insorgenza stimolo tempo, una sincronizzazione accurata tra il computer host e la RTbox può essere ottenuto dal conducente RTbox, in modo che il RTbox può essere utilizzato per ottenere misurazioni accurate RT senza trigger esterno. Può anche ricevere segnali pulsanti esterni, come uscite da una scatola MRI pulsante compatibili, e trasmettere tutti i segnali di ingresso e marcatori eventi ad altri dispositivi, come un sistema EEG. Può servire come interfaccia per simultanea EEG / MRI sistemi di registrazione.

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Disclosures

Non ci sono conflitti di interesse dichiarati.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato finanziato da NEI e NIMH.

References

  1. Bits# Stimulus Processor with integrated Data Acquisition. Cambridge Research Systems Ltd. United Kingdom. Available from: http://www.crsltd.com/tools-for-vision-science/visual-stimulation/bits-sharp/ (2011).
  2. Visual Stimulators. VPixx Technologies Inc. Canada. Available from: http://www.vpixx.com/products/visual-stimulators/datapixx.html (2011).
  3. Li, X., Lu, Z. -L., Xu, P., Jin, J., Zhou, Y. Generating high gray-level resolution monochrome displays with conventional computer graphics cards and color monitors. Journal of Neuroscience Methods. 130, (1), 9-18 (2003).
  4. Pelli, D. G., Zhang, L. Accurate control of contrast on microcomputer displays. Vision Research. 31, 1337-1350 (1991).
  5. Li, X., Liang, Z., Kleiner, M., Lu, Z. -L. RTbox: A device for highly accurate response time measurements. Behavior Research Methods. 42, (1), 212-225 (2010).
  6. Psychtoolbox-3. United States. Available from: http://psychtoolbox.org/ (2012).
  7. Lu, Z. L., Sperling, G. Second-order reversed phi. Perception Psychophysics. 61, 1075-1088 (1999).
  8. Colombo, E., Derrington, A. Visual calibration of CRT monitors. Displays. 22, 87-95 (2001).

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