Activation des niveaux de gris écrans haute résolution et s'assurer de mesures précises de temps de réponse sur les ordinateurs classiques

Neuroscience

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Summary

Matériel informatique conventionnel ne peut pas générer des stimuli visuels avec suffisamment élevée en niveaux de gris des temps de réponse de résolution et de mesure avec une précision suffisante. Nous décrivons comment utiliser le VideoSwitcher pour produire des écrans haute résolution monochromatiques, et le RTbox pour mesurer les temps de réponse avec une grande précision sur le matériel informatique classique.

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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

Les systèmes d'affichage basés sur les cartes graphiques informatiques classiques sont capables de générer des images avec résolution de 8 bits en niveaux de gris. Cependant, la plupart des expériences dans la recherche en vision exigent écrans avec plus de 12 bits de résolution de luminance. Plusieurs solutions sont disponibles. Bit + + 1 et 2, utilisez la DataPixx Digital Visual Interface (DVI) de sortie de cartes graphiques et haute résolution (14 ou 16-bit) numérique-analogique des convertisseurs pour commander les dispositifs d'affichage analogiques. Le 3 VideoSwitcher décrit ici combine les signaux vidéo analogiques à partir des canaux rouge et bleu de cartes graphiques avec des poids différents en utilisant un réseau résistant passive 4 et un circuit actif pour délivrer des signaux vidéo identiques aux trois canaux de moniteurs couleur. La méthode fournit un moyen peu coûteux pour permettre des écrans haute résolution en utilisant monochromatiques classiques cartes graphiques et moniteurs analogiques. Il peut également fournir des signaux de déclenchement qui peuvent être utilisés pour marqueronsets de relance, le rendant facile pour synchroniser affichages visuels avec des enregistrements physiologiques ou des mesures de temps de réponse.

Bien que les claviers d'ordinateur et la souris sont fréquemment utilisés pour mesurer les temps de réponse (RT), la précision de ces mesures est assez faible. Le RTbox est un matériel spécialisé et solution logicielle pour les mesures précises RT. Connecté à l'ordinateur hôte via une connexion USB, le pilote de l'RTbox est compatible avec tous les systèmes d'exploitation classiques. Il utilise une horloge de microprocesseur et de haute résolution pour enregistrer les identités et le calendrier des événements de bouton, qui sont mises en mémoire tampon jusqu'à ce que l'ordinateur hôte les récupère. Les événements de bouton enregistrées ne sont pas affectées par les incertitudes de synchronisation potentiels ou les préjugés associés à la transmission et traitement des données dans l'ordinateur hôte. Le stockage asynchrone simplifie grandement la conception des programmes utilisateurs. Plusieurs méthodes sont disponibles pour synchroniser les horloges de la RTbox et le comput d'accueiler. Le RTbox pouvez également recevoir des déclencheurs externes et être utilisé pour mesurer la RT par rapport à des événements extérieurs.

Les deux VideoSwitcher et RTbox sont disponibles pour les utilisateurs à acheter. L'information pertinente et les programmes de démonstration de nombreux peut être trouvé à http://lobes.usc.edu/ .

Protocol

1. VideoSwitcher

1,1. Connectez VideoSwitcher à un ordinateur

Le VideoSwitcher (figure 1) reçoit vidéo analogiques (VGA) et des entrées est utilisée pour piloter à tube cathodique (CRT) de couleur. Avant d'utiliser le VideoSwitcher, assurez-vous que la carte graphique informatique a soit un port VGA (figure 2A) ou d'un Digital Visual Interface (DVI-I) port (figure 2B) qui transmet les signaux vidéo numériques et analogiques. Un adaptateur DVI-VGA (figure 2C) est nécessaire pour connecter le port DVI-I de la VideoSwitcher.

Éteignez l'ordinateur et de suivre et de débrancher le moniteur de la carte graphique informatique.

Branchez le VGA ou le port DVI-I de l'infographie de la carte au port d'entrée de l'VideoSwitcher l'aide du câble fourni VGA. Utilisez un petit tournevis pour sécuriser les connexions.

Connecter le câble VGA de l'écran pour le port de sortie de l'une VideoSwitchere sécuriser les connexions.

Branchez le VideoSwitcher à une source d'alimentation en utilisant l'adaptateur d'alimentation fourni.

Allumez l'ordinateur et le moniteur.

1,2. Deux modes d'affichage de l'aiguilleur vidéo

Le bouton interrupteur sur la VideoSwitcher permet à l'utilisateur de basculer en va-et-vient dans deux modes d'affichage. Dans le mode de couleur, l'VideoSwitcher ne modifie pas le signal vidéo de la carte d'ordinateur graphique. Dans le mode de niveaux de gris, l'affichage devient monochromatique, avec sa luminance déterminée essentiellement par le signal vidéo à partir du canal bleu de la carte graphique, légèrement affectée par le signal provenant du canal rouge, et aucune contribution de la couche verte. C'est parce que le réseau résistant à l'intérieur du VideoSwitcher atténue le signal du canal rouge par un facteur d'environ 128, et le signal de la voie verte ne contribue pas du tout. Le ratio des contributions de l'une bleued canaux rouge à la sortie du VideoSwitcher est appelé bleu au rouge rapport (BRratio). Le BRratio est la propriété d'un commutateur vidéo, indépendante de la configuration de l'affichage. Il peut être déterminée expérimentalement pour chaque VideoSwitcher (voir 1.3).

Le mode d'affichage peut aussi être activé en envoyant un signal spécial par la voie verte de la carte graphique en utilisant un appel de fonction dans Matlab:

PsychVideoSwitcher («SwitchMode ', whichScreen, ToGrayMode);

où ToGrayMode de 1 ou 0 signifie pour passer en niveaux de gris ou en mode couleur.

La figure 3 montre le schéma d'un VideoSwitcher.

1,3. Mesurer BRratio

Le BRratio peut être mesurée pour chaque VideoSwitcher aide d'une tâche de détection d'ondes carrées réseau. Les deux niveaux de l'onde carrée reçoivent des valeurs RGB comme (0, 0, 40) et (x, 0, 39). On peut ajuster la valeur de x jusqu'à ce que la grille d'onde carréedisparaît, après quoi la valeur x est le BRratio --- l'amplitude du signal dans le R-canal qui conduit à l'intensité produite par une unité de signal dans le canal B. Bien que l'on peut mesurer la BRratio par voie électronique, par exemple pour mesurer le rapport des sorties de tension d'un VideoSwitcher à des valeurs RVB de (0, 0, 255) et (255, 0, 0), la méthode psychophysique décrit ici est très simple et précise.

1,4. Étalonnage d'écran

Pour la plupart des moniteurs, luminosité de l'écran n'augmente pas linéairement avec le niveau du pixel gris précisé par la carte graphique informatique. La relation peut être décrite comme suit:
L'équation 1
où L max, L min et γ sont déterminées avec une procédure de correction gamma, soit en utilisant photomètres ou par une combinaison de procédures et des mesures photométriques psychophysiques 7,8. D'étalonnage Gamma est important pour produire des contrastes précis sur un écran, elle doit être effectuée pour chaque dispositif d'affichage.

Avec un photomètre, on peut simplement afficher un carré uniforme à grande niveaux de gris de pixels différents (par exemple, de 0 à 255), mesurer la luminance du centre de la place, et le montage des résultats avec l'équation 1 pour obtenir γ.

Le procédé implique la création d'psychophysique, dans une zone de la surface de visualisation, aussi uniforme que possible d'un mélange (dans l'espace et le temps) de quantités égales de zéro et pleine intensité pixels et déterminant la valeur niveau de gris de pixels dans une zone adjacente homogène ( dans lequel tous les pixels ont la même intensité) qui produit une correspondance psychophysique à la luminance de la zone mixte-pixel. Le premier match détermine la valeur niveaux de gris pour moitié de la luminance maximale. Un mélange de pixels avec des intensités de luminance 1/2 et 1 est utilisée pour déterminer la valeur 3/4, et cette procédure est répétée jusqu'à ce que sept valeurs de fROM 1/8-7/8 ont été déterminés. Ces matches sont répétées, et diverses vérifications de cohérence sont effectués, par exemple, vérifier qu'un mélange de 3/4 et 1/4 matchs 1/2. Dans cette procédure, à la fois le B et le niveau de R de la zone homogène sont ajustées, et U = B + R / BRratio. Les résultats peuvent être adaptés avec l'équation 1 pour obtenir γ.

Après nous obtenons des valeurs de L min, L max et γ, nous pouvons définir la luminance de fond L 0 = (L max + L min) / 2, La relation entre le contraste pixel c (U) et le pixel de niveau de gris U est la suivante:
L'équation 2

Nous pouvons réécrire l'équation à résoudre pour le niveau requis de gris pour un contraste donné:
L'équation 3
où U est normalement un nombre non entier. La valeur RVB du pixel correspondant est: R = BRratio * [U-int (U)], G = 0, B =int (U), où int () prend la valeur entière de son entrée.

1,5. Démo d'un réseau sinusoïdal

L'effet de l'augmentation en niveaux de gris de résolution peut être démontré par la comparaison de deux réseaux d'ondes sinusoïdales. Le réseau de gauche utilise la capacité totale de l'VideoSwitcher les uns avec les intensités de pixel spécifié par l'R approprié et les valeurs B. Le réseau sur la droite est la même que celle de gauche, sauf que seule la U arrondi est utilisé comme valeur B de chaque pixel, imitant la sortie d'un dispositif d'affichage à 8 bits.

2. RTbox

2,1. Branchez le RTbox à un ordinateur

Branchez le RTbox (Figure 4) à un port USB d'un ordinateur avec le câble fourni. Si nécessaire, téléchargez le pilote du dispositif de la http://www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htm . Installez le pilote en suivant les instructions sur le site.

2,2. Utilisez le RTcase pour mesurer le temps de réponse

Le RTbox peut être utilisé de deux manières différentes.

Si le programme de l'utilisateur peut retourner fiables fois le début du stimulus, comme le temps retourné par l'écran ('Flip') et PsychPortAudio dans Psychtoolbox [8], le RTbox peut être utilisé comme un clavier. Parce que les temps d'apparition de relance et les délais bouton RTbox sont basés les horloges de l'ordinateur hôte et le RTbox, respectivement, nous devons synchroniser les deux horloges. Cela se fait avec un RTBox appel de fonction ('clear') avant chaque début du stimulus pour effacer les événements indésirables dans la mémoire tampon. Le temps de réponse peut être simplement mesuré comme t resp = t - t apparition, où tonset est le stimulus retourné par le programme utilisateur, et t est le temps le bouton retourné par l'appel de fonction [t, bouton] = RTBox (timeout). C'est parce que le conducteur RTBox convertit automatiquement le temps sur le bouton à partir du moment RTbox d'accueillir le temps d'ordinateur.

Si le programme de l'utilisateur ne peut pasretour fiable fois le début du stimulus, des signaux de déclenchement indiquant onsets de relance doit être fourni à l'RTbox. Une solution consiste à utiliser un capteur de lumière pour détecter l'apparition du stimulus ou d'une tache lumineuse qui est synchronisé avec le stimulus. La sortie du capteur de lumière est connecté au port de lumière de l'RTbox. Une deuxième solution consiste à utiliser la sortie de déclenchement de l'VideoSwitcher. Le déclencheur peut être directement connecté au port d'impulsion du RTbox. Une troisième solution est de connecter le signal audio de l'ordinateur hôte à l'orifice sonore du RTbox.

Pour générer un déclencheur début du stimulus de l'VideoSwitcher, on "activer" le canal vert des pixels dans la partie centrale de la première trame du stimulus visuel. Parce qu'il ne contribue pas à le réseau de résistances, le signal dans le canal vert est invisible à l'objet. Un appel de fonction [t, bouton] = RTBox («pulse», timeout) retourne le temps de réponse, où «pulse» indique l'RTbox pour calculer t il la réponse relative du temps pour la détente. Le même appel de fonction est utilisé pour le déclenchement du son. Pour les déclencheurs de capteurs de lumière, l'appel de fonction est [t, bouton] = RTBox («lumière», timeout).

3. Intégrer VideoSwitcher et RTbox

Nous avons programmé un programme de démonstration qui utilise le VideoSwitcher pour contrôler l'affichage, le RTbox pour recueillir le temps de réponse précise, et le RTbox d'envoyer le code d'événement et les réponses à un système ERP. Le programme peut être téléchargé à partir http://lobes.usc.edu/videoswitcher/VideoSwitcherRTBoxERP_demo.m .

4. Les résultats représentatifs

Figure 1
Figure 1. Image d'un commutateur vidéo. Il possède une entrée VGA et deux ports de sortie (femelle), un bouton pour basculer entre deux modes d'affichage, et un port de sortie de déclenchement.

ontenu "> Figure 2
Photos Figure 2. De VGA (A) et DVI-I (B) et les ports DVI-I vers VGA (C).

Figure 3
Figure 3. Le schéma d'un commutateur vidéo. Le multiplexeur a deux modes d'entrée, commandés par un niveau de tension. Quand il est dans le mode indiqué dans le schéma, les canaux RVB d'un moniteur reçoivent le même signal, pour que l'écran est en mode niveaux de gris. La tension de commutation est généré par une puce CPLD, commandés par des signaux dans le G-canal et le bouton interrupteur. La détente est également contrôlée par l'entrée dans le G-canal.

Figure 4
Figure 4. Image d'un RTbox. Il possède un port USB-B, un port d'entrée de lumière, un port d'entrée d'impulsion / bruit, un orifice d'entrée bouton externe, et un orifice de sortie TTL.

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Discussion

Le commutateur vidéo fournit une méthode compact, peu coûteux et facile à utiliser pour générer la résolution affiche une luminance élevée en utilisant classiques infographie cartes et des moniteurs couleur analogiques. Il est connecté entre les sorties analogiques de la carte graphique et le moniteur. Il peut également basculer entre les modes d'affichage monochromatiques et chromatiques, offrant plus de commodité. Son canal de déclenchement permet aux chercheurs de synchroniser d'autres équipements à écrans de visualisation.

Le RTbox est un appareil compact, peu coûteux et facile à utiliser du matériel / logiciel pour la mesure de temps de réponse précise. Si des déclencheurs externes synchronisés, apparus de relance sont disponibles, les mesures RT sont totalement indépendants de l'ordinateur hôte. Pour les stimuli visuels, nous avons conçu un port de lumière intégré pour recevoir les déclencheurs générés par des photodiodes. Déclencheurs externes peuvent également être utilisés pour calibrer le temps le début du stimulus retourné par le programme utilisateur. Si le programme utilisateur peut fournirprécise l'apparition du temps de relance, une synchronisation précise entre l'ordinateur hôte et le RTbox peut être réalisé par le conducteur RTbox, de sorte que le RTbox peut être utilisé pour obtenir des mesures précises RT sans déclenchement externe. Il peut également recevoir des signaux bouton externes, tels que les sorties à partir d'une boîte à boutons compatible IRM, et de transmettre tous les signaux d'entrée et des marqueurs d'événements à d'autres appareils, comme un système EEG. Il peut servir d'interface pour les systèmes d'enregistrement simultanés EEG / IRM.

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Disclosures

Pas de conflits d'intérêt déclarés.

Acknowledgements

Ce travail a été financé par l'IEN et 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).
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  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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