Ativando alta escala de cinza monitores de resolução e Medidas resposta precisa de tempo em computadores convencionais

Neuroscience

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Summary

Hardware convencional não pode gerar estímulos visuais com suficientemente alto em tons de cinza tempos de resposta e de resolução de medida com uma precisão suficiente. Nós descrevemos como usar o VideoSwitcher para produzir displays de alta resolução monocromática, eo RTbox para medir tempos de resposta com alta precisão em hardware convencional.

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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

Sistemas de visualização baseados em placas gráficas de computador convencionais são capazes de gerar imagens com resolução de 8-bit dos níveis de cinza. No entanto, a maioria das experiências em investigação visão requerem exibe com mais de 12 bits de resolução de luminância. Várias soluções estão disponíveis. Bit + + 1 e 2 DataPixx usar o Digital Visual Interface de saída (DVI) de placas gráficas e de alta resolução (14 ou 16-bit) digital-analógico conversores para conduzir dispositivos de vídeo analógicos. O 3 VideoSwitcher descrito aqui combina sinais de vídeo analógicos dos canais vermelho e azul de placas gráficas com pesos diferentes, utilizando uma rede resistente passivo 4 e um circuito ativo para entregar os sinais de vídeo idênticas para os três canais de monitores coloridos. O método fornece uma maneira barata de permitir displays monocromáticos de alta resolução usando cartões de gráficas convencionais e monitores analógicos. Ele também pode fornecer sinais de disparo que podem ser usados ​​para marcarlatências de estímulo, tornando mais fácil para sincronizar apresentações visuais com gravações fisiológicas ou medições de tempo de resposta.

Apesar de teclados e mouses de computador são freqüentemente usados ​​para medir tempos de resposta (TR), a precisão dessas medidas é bastante baixa. O RTbox é um hardware especializado e solução de software para medições precisas RT. Conectado ao computador host através de uma conexão USB, o motorista do RTbox é compatível com todos os sistemas operacionais convencionais. Ele usa um relógio e microprocessador de alta resolução para registrar as identidades e de tempo de eventos de botão, que estão em buffer até que o computador host recupera-los. Os eventos de botão gravados não são afetados pelas incertezas de tempo ou potenciais vieses associados com a transmissão de dados e processamento no computador anfitrião. O armazenamento assíncrona simplifica o desenho de programas do usuário. Vários métodos estão disponíveis para sincronizar os relógios do RTbox ea Comput anfitriãoer. O RTbox pode também receber accionadores externas e ser utilizado para medir RT com respeito aos eventos externos.

Ambos VideoSwitcher e RTbox estão disponíveis para os usuários comprarem. A informação relevante e de demonstração pode ser encontrada em http://lobes.usc.edu/ .

Protocol

1. VideoSwitcher

1,1. Ligue VideoSwitcher a um computador

O VideoSwitcher (Figura 1) recebe de vídeo analógico (VGA) entradas e é usada para acionar tubo de raios catódicos (CRT) monitores coloridos. Antes de usar o VideoSwitcher, verifique se o computador tem placa de vídeo ou uma porta VGA (Figura 2A) ou Digital Visual Interface (DVI-I) porta (Figura 2B), que transmite tanto sinais de vídeo digitais e analógicas. Um adaptador DVI-to-VGA (Figura 2C) é necessário para conectar a porta DVI-I para o VideoSwitcher.

Desligue o computador eo monitor e desligue o monitor da placa gráfica do computador.

Conecte o cabo VGA ou porta DVI-I da placa gráfica do computador à porta de entrada do VideoSwitcher usando o cabo fornecido VGA. Use uma chave de fenda pequena para proteger as conexões.

Conecte o cabo VGA do monitor à porta de saída da uma VideoSwitchernd proteger as conexões.

Conecte o VideoSwitcher a uma fonte de alimentação usando o adaptador de alimentação fornecido.

Ligue o computador eo monitor.

1,2. Dois modos de exibição do comutador de vídeo

O botão interruptor na VideoSwitcher permite ao usuário voltar-e-vem em dois modos de exibição. No modo de cor, o VideoSwitcher não altera o sinal de vídeo a partir da placa gráfica do computador. No modo de escala de cinzentos, o visor torna-se monocromática, com a sua luminância determinada principalmente pelo sinal de vídeo a partir do canal de azul da placa gráfica, ligeiramente afectado por o sinal do canal de vermelho, e nenhuma contribuição do canal de verde. Isto é porque a rede resistente dentro do VideoSwitcher atenua o sinal a partir do canal de vermelho por um factor de cerca de 128, eo sinal do canal verde não contribui de todo. A razão entre as contribuições da azul umcanais D vermelhas para a saída do VideoSwitcher é chamado azul-de-vermelho (razão BRratio). O BRratio é propriedade de um comutador de vídeo, independente da configuração da tela. Ele pode ser determinada experimentalmente para cada VideoSwitcher (ver 1.3).

O modo de exibição também pode ser ligado através do envio de um sinal especial pelo canal verde da placa de vídeo usando uma chamada de função em Matlab:

PsychVideoSwitcher ('Switchmode', whichScreen, ToGrayMode);

onde ToGrayMode de 1 ou 0 meio para mudar para tons de cinza ou modo de cor.

A Figura 3 mostra o diagrama esquemático de um VideoSwitcher.

1,3. Meça BRratio

O BRratio pode ser medido para cada VideoSwitcher usando uma onda quadrada tarefa de detecção de grade. Os dois níveis de onda quadrada são atribuídos valores RGB, tais como (0, 0, 40) e (x, 0, 39). Pode-se ajustar o valor de x até que a grade de onda quadradadesaparece, ponto em que o valor x é a BRratio --- a magnitude do sinal no R-canal que conduz à intensidade produzido por uma unidade de sinal no canal B. Embora se possa medir a BRratio electronicamente, por exemplo, para medir a razão entre as saídas de tensão de um VideoSwitcher com valores de RGB de (0, 0, 255) e (255, 0, 0), o método psicofísico aqui descrito é muito simples e preciso.

1,4. Mostrar Calibração

Para a maioria dos monitores, iluminação de exibição não aumenta linearmente com o nível de pixel cinza especificado pelo cartão de computação gráfica. A relação pode ser descrito como:
Equação 1
onde L max, L min e γ são determinados com um processo de correcção gama, ou usando fotómetros ou por uma combinação de procedimentos psicofísicos e medições fotométricas 7,8. Calibração Gamma é important para produzir contrastes precisos em uma tela, que deve ser realizado para cada dispositivo de exibição.

Com um fotómetro, pode-se simplesmente exibir um quadrado grande uniforme em graylevels pixel diferentes (por exemplo, de 0 a 255), medir a luminância do centro do quadrado, e se encaixam os resultados com a Equação 1 para se obter γ.

O procedimento envolve a criação de psicofísico, em uma área da superfície de visualização, tão uniforme quanto possível uma mistura (no espaço e no tempo) de quantidades iguais de zero e de intensidade de pixels completo e determinação do valor graylevel de pixels de uma área adjacente homogénea ( em que todos os pixels têm a mesma intensidade) que produz uma correspondência psicofísico para a luminância da área misturado-pixel. A primeira partida determina o valor graylevel durante 1/2 de luminância máxima. Uma mistura de pixels com intensidades de luminância de 1/2 e 1 é usado para determinar o valor 3/4, e este procedimento é repetido até que sete valores from 1/8 a 7/8 foram determinados. Estes jogos são repetidos, e várias verificações de consistência são feitas, tais como a verificação de que uma mistura de 3/4 e 1/4 partidas 1/2. Neste procedimento, tanto o B e os níveis de P da zona homogénea são ajustadas, e U = B + R / BRratio. Os resultados podem ser encaixar com a Equação 1 para se obter γ.

Depois de obter os valores de L min, max L e γ, podemos definir a luminância de fundo L 0 = (L + L max min) / 2, A relação entre pixels de contraste c (U) e pixel cinzento nível U é:
Equação 2

Podemos reescrever a equação para resolver o nível exigido de cinza para um contraste dado:
Equação 3
em que U é normalmente um número não inteiro. O valor RGB do pixel correspondente é: R = BRratio * [U-int (U)], G = 0, B =int (U), onde int () leva o valor inteiro da sua entrada.

1,5. Demonstração de uma grade de onda senoidal

O efeito da escala de cinzentos resolução aumentada pode ser mostrado por comparação de duas grelhas de onda de seno. A grade do lado esquerdo usa a capacidade total do VideoSwitcher com cada intensidade de pixel especificado pela R apropriado e os valores de B. A grade do lado direito é o mesmo que o da esquerda, excepto que apenas o U arredondada é usado como valor B de cada pixel, mimetizando a saída de um dispositivo de exibição de 8-bit.

2. RTbox

2,1. Ligue o RTbox a um computador

Ligue o RTbox (Figura 4) para uma porta USB de um computador com o cabo fornecido. Se necessário, baixar o driver do dispositivo de http://www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htm . Instale o driver seguindo as instruções no site.

2,2. Use o RTcaixa para medir o tempo de resposta

O RTbox pode ser usado em duas formas diferentes.

Se o programa do usuário pode retornar vezes estímulo confiáveis ​​início, como o tempo retornado pela Screen ('Flip') e PsychPortAudio em Psychtoolbox [8], o RTbox pode ser usado como um teclado. Porque os tempos de estímulo início e os horários botão RTbox baseiam-se os relógios do computador host eo RTbox, respectivamente, é preciso sincronizar os dois relógios. Isto é feito com um RTBox chamada de função ('clear') antes de cada início do estímulo para apagar os eventos indesejados no buffer. O tempo de resposta pode ser simplesmente medido como t resp = t - t início, onde tonset é o estímulo retornado do programa do usuário, e t é o tempo botão retornado pela chamada de função [t, botão] = RTBox (timeout). Isto é porque o condutor RTBox converte automaticamente o tempo de botão a partir do momento RTbox para acolher o tempo de computador.

Se o programa do usuário não podevoltar vezes início de confiança de estímulo, indicando sinais de disparo inícios de estímulo devem ser fornecidas ao RTbox. Uma solução é a utilização de um sensor de luz para detectar o aparecimento de um estímulo, ou um fragmento de luz que está sincronizado com o estímulo. A saída do sensor de luz é ligado à porta de luz do RTbox. Uma segunda solução consiste em utilizar a saída de disparo do VideoSwitcher. O gatilho pode ser conectado diretamente à porta de pulso da RTbox. A terceira solução é ligar o sinal de áudio do computador host para a porta de som do RTbox.

Para gerar um gatilho início do estímulo da VideoSwitcher, nós "ligar" o canal verde dos pixels na porção central do primeiro quadro do estímulo visual. Porque não contribui para a rede de resistências, o sinal no canal verde é invisível para o sujeito. Uma chamada de função [t, botão] = RTBox ("pulso", timeout) retorna o tempo de resposta, onde "pulso" instrui o RTbox para calcular t ele resposta relativa de tempo para o gatilho. A chamada de função é utilizado o mesmo para o gatilho de som. Para acionadores do sensor de luminosidade, a chamada de função é [t, botão] = RTBox ("luz", timeout).

3. Integrar VideoSwitcher e RTbox

Temos programado um programa de demonstração que usa o VideoSwitcher para controlar a exibição, o RTbox para coletar o tempo de resposta precisa, eo RTbox para enviar código do evento e as respostas para um sistema de ERP. O programa pode ser descarregado a partir http://lobes.usc.edu/videoswitcher/VideoSwitcherRTBoxERP_demo.m .

4. Os resultados representativos

A Figura 1
Figura 1. Imagem de um comutador de vídeo. Tem entrada VGA e portas de saída (tanto do sexo feminino), um botão para alternar entre dois modos de exibição, e uma porta de saída de disparo.

ONTEÚDO "> A Figura 2
Figura 2. Fotos de VGA (A) e DVI-I (b) portas e uma DVI-I para VGA (C).

A Figura 3
Figura 3. O esquemática de um comutador de vídeo. O multiplexador tem dois modos de entrada, controlados por um nível de tensão. Quando se está no modo mostrado no esquema, os canais RGB de um monitor de receber o sinal mesmo, de modo que o mostrador é em tons de cinzento modo. A tensão de comutação é gerado por um chip CPLD, controlado por sinais do G-canal eo botão interruptor. O gatilho está também controlado pela entrada no G-canal.

A Figura 4
Figura 4. Imagem de um RTbox. Ele tem uma porta USB-B, uma porta de entrada de luz, uma porta de entrada de pulso / som, uma porta de entrada externa botão e uma porta de saída TTL.

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Discussion

O comutador de vídeo fornece um método compacto, barato e fácil de usar para gerar resolução alta luminância exibe usando computação gráfica convencionais cartões e monitores de cor analógicas. Ele é conectado entre as saídas analógicas da placa de vídeo eo monitor. Também pode alternar entre os modos de exibição monocromáticas e cromáticas, proporcionando maior comodidade. Seu canal de disparo permite que os pesquisadores para sincronizar outros equipamentos para apresentações visuais.

O RTbox é um compacto, barato e fácil de usar hardware / software solução para a medição precisa do tempo de resposta. Se os gatilhos externos sincronizados com latências de estímulo estão disponíveis, as medidas RT são totalmente independente do computador host. Para estímulos visuais, nós projetamos uma porta de luz embutida para receber gatilhos gerados por fotodiodos. Gatilhos externos podem também ser utilizados para calibrar o tempo de latência estímulo retornado por programa de utilizador. Se o programa de utilizador pode fornecerpreciso estímulo início tempo de sincronização, exacta entre o computador hospedeiro eo RTbox pode ser alcançado pelo condutor RTbox, de modo que o RTbox pode ser usado para obter medições precisas RT sem qualquer gatilho externo. Ele também pode receber sinais de botão externos, tais como as saídas de uma caixa de botão RM compatível, e transmitir todos os sinais de entrada e de marcadores de eventos para outros dispositivos, tais como um sistema de EEG. Ela pode servir como uma interface para sistemas simultâneos de EEG / MRI gravação.

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Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgements

Este trabalho foi financiado pelo 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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