Habilitación de alta resolución en escala de grises Muestra y medidas precisas de tiempo de respuesta en los ordenadores convencionales

Neuroscience

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Summary

Hardware de la computadora convencional no puede generar los estímulos visuales con suficientemente alta en escala de grises tiempos de resolución y la medida de respuesta con la suficiente precisión. Se describe cómo utilizar el VideoSwitcher para producir pantallas de alta resolución monocromática, y la RTbox para medir los tiempos de respuesta con una alta precisión en el hardware de ordenador 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 visualización basados ​​en gráficos por ordenador las tarjetas convencionales son capaces de generar imágenes con resolución de 8 bits escala de grises. Sin embargo, la mayoría de los experimentos en la investigación de la visión requieren pantallas con más de 12 bits de resolución de luminancia. Hay varias soluciones disponibles. Bit + + 1 y 2 DataPixx utilizar la interfaz visual digital (DVI) salida de las tarjetas gráficas y de alta resolución (14 o 16-bit) convertidores de digital a analógico para manejar los dispositivos analógicos de pantalla. El 3 VideoSwitcher descrito aquí combina señales de vídeo analógicas de los canales rojo y azul de las tarjetas gráficas con diferentes pesos utilizando una red resistente pasivo de 4 y un circuito activo para proporcionar señales idénticas de video para los tres canales de monitores a color. El método proporciona una manera económica para permitir a pantallas de alta resolución monocromática utilizando tarjetas gráficas y monitores analógicos convencionales. También puede proporcionar señales de disparo que se pueden utilizar para marcarinicios de estímulo, lo que hace que sea fácil de sincronizar visuales con las grabaciones fisiológicas o mediciones de tiempo de respuesta.

Aunque los teclados y ratones de ordenador se utilizan con frecuencia en la medición de los tiempos de respuesta (TR), la exactitud de estas mediciones es muy baja. El RTbox es un hardware especializado y software para medidas precisas de RT. Conectado al ordenador host a través de una conexión USB, el conductor del RTbox es compatible con todos los sistemas operativos convencionales. Utiliza un reloj del microprocesador y de alta resolución para registrar las identidades y el calendario de eventos de botón, que se almacenan hasta que el ordenador central los recupera. Los eventos de botón registradas no se verán afectados por la incertidumbre de tiempo o sesgos potenciales asociados con la transmisión y procesamiento de datos en el ordenador anfitrión. El almacenamiento asíncrono simplifica enormemente el diseño de los programas de usuario. Existen varios métodos para sincronizar los relojes de la RTbox y el Comput de acogidaer. El RTbox también puede recibir disparadores externos y ser usado para medir RT con respecto a los eventos externos.

Tanto VideoSwitcher y RTbox están disponibles para los usuarios a comprar. La información relevante y muchos programas de demostración se puede encontrar en http://lobes.usc.edu/ .

Protocol

1. VideoSwitcher

1,1. Conecte VideoSwitcher a un ordenador

El VideoSwitcher (Figura 1) recibe de vídeo analógicas (VGA) entradas y se utiliza para conducir tubo de rayos catódicos (CRT) de color. Antes de utilizar el VideoSwitcher, asegúrese de que la tarjeta de gráficos de computadora tiene un puerto VGA (Figura 2A) o una interfaz visual digital (DVI-I) del puerto (Figura 2B) que transmite señales de vídeo analógicas y digitales. Un adaptador de DVI a VGA (Figura 2C) es necesario para conectar el puerto DVI-I de la VideoSwitcher.

Apague el ordenador y el monitor y desconecte el monitor de la tarjeta de gráficos por ordenador.

Conecte el VGA o el puerto DVI-I de la tarjeta de gráficos por ordenador al puerto de entrada de la VideoSwitcher utilizando el cable VGA proporcionado. Use un destornillador pequeño para asegurar las conexiones.

Conecte el cable VGA del monitor al puerto de salida de la una VideoSwitcherª asegurar las conexiones.

Conecte el VideoSwitcher a una fuente de alimentación mediante el adaptador de corriente suministrado.

Encienda el ordenador y el monitor.

1,2. Dos modos de visualización del conmutador de vídeo

El botón de interruptor en el VideoSwitcher permite al usuario cambiar atrás y hacia adelante en dos modos de visualización. En la modalidad de color, la VideoSwitcher no altera la señal de vídeo desde la tarjeta de gráficos por ordenador. En el modo de escala de grises, la pantalla se vuelve monocromática, con su luminancia determinada principalmente por la señal de vídeo del canal azul de la tarjeta gráfica, ligeramente afectado por la señal del canal rojo, y ninguna contribución de la canal verde. Esto es porque la red resistor en el interior del VideoSwitcher atenúa la señal del canal rojo por un factor de aproximadamente 128, y la señal del canal verde no contribuye en absoluto. La relación de las contribuciones de la azul und canales rojo a la salida del VideoSwitcher se llama azul a rojo relación (BRratio). El BRratio es propiedad de un conmutador de vídeo, independientemente de la configuración de la pantalla. Se puede determinarse experimentalmente para cada VideoSwitcher (véase 1,3).

El modo de visualización también se puede cambiar mediante el envío de una señal especial por el canal verde de la tarjeta gráfica mediante una llamada a la función de Matlab:

PsychVideoSwitcher ('modo conmutado ", whichScreen, ToGrayMode);

donde ToGrayMode de 1 o 0 significa para cambiar a modo de escala de grises o color.

La Figura 3 muestra el diagrama esquemático de un VideoSwitcher.

1,3. Mida BRratio

El BRratio se puede medir para cada VideoSwitcher utilizando una rejilla de onda cuadrada tarea de detección. Los dos niveles de la onda cuadrada se asignan valores RGB tales como (0, 0, 40) y (x, 0, 39). Se puede ajustar el valor de x hasta que la rejilla de onda cuadradadesaparece, momento en el cual el valor de x es el BRratio --- la magnitud de la señal en el canal R que conduce a la intensidad producida por una unidad de señal en el canal B. Aunque se puede medir la BRratio electrónicamente, por ejemplo para medir la relación de las salidas de tensión de una VideoSwitcher en valores RGB de (0, 0, 255) y (255, 0, 0), el método psicofísico descrito aquí es muy simple y precisa.

1,4. Muestra de calibración

Para la mayoría de los monitores, la luminancia de la pantalla no se incrementa linealmente con el nivel de píxel gris especificado por la tarjeta de gráficos por ordenador. La relación puede ser descrito como:
Ecuación 1
donde L máx, L min y γ se determinó con un procedimiento de corrección gamma, ya sea mediante el uso de fotómetros o por una combinación de procedimientos psicofísicos y mediciones fotométricas 7,8. Gamma es la calibración Important para producir contrastes precisos en una pantalla, sino que debe realizarse para cada dispositivo de visualización.

Con un fotómetro, uno simplemente puede mostrar un cuadro uniforme, grande en graylevels píxeles diferentes (por ejemplo, de 0 a 255), medir la luminancia del centro de la plaza, y se ajustan los resultados con la ecuación 1 para obtener γ.

El procedimiento implica la creación de psicofísica, en un área de la superficie de visión, lo más uniforme posible una mezcla (en espacio y tiempo) de cantidades iguales de cero y llena de intensidad de los píxeles y que determinan el valor graylevel de píxeles en un área homogénea adyacente ( en la que todos los pixeles tienen la misma intensidad) que produce una coincidencia psicofísica a la luminancia de la zona mixta-píxel. El primer partido determina el valor graylevel durante 1/2 de la luminancia máxima. Una mezcla de pixeles con intensidades de luminancia de 1/2 y 1 se utiliza para determinar el valor 3/4, y este procedimiento se repite hasta siete valores fROM 1/8 a 7/8 han sido determinadas. Estas coincidencias se repiten, y diversos controles de consistencia se realizan, tales como la verificación de que una mezcla de 3/4 y 1/4 partidos de 1/2. En este procedimiento, tanto el B y los niveles de R de la zona homogénea se ajustan, y U = B + R / BRratio. Los resultados se pueden encajar con la Ecuación 1 para obtener γ.

Después de obtener los valores de L min, max L y γ, se puede establecer la luminancia de fondo L 0 = (L + L max min) / 2, la relación entre el contraste de píxeles c (U) y el nivel de gris de píxeles U es:
Ecuación 2

Podemos reescribir la ecuación para encontrar el nivel requerido de grises para un contraste que se utiliza:
Ecuación 3
donde U es normalmente un número no entero. El valor RGB del píxel correspondiente es: R = BRratio * [U-int (U)], G = 0, B =int (U), donde int () toma el valor entero de su entrada.

1,5. Demostración de una rejilla de onda sinusoidal

El efecto del aumento de escala de grises de resolución puede demostrarse mediante la comparación de dos rejillas de onda sinusoidal. La rejilla de la izquierda utiliza la capacidad total de la VideoSwitcher con cada intensidad de los píxeles especificado por el R apropiado y los valores de B. La rejilla de la derecha es el mismo que el de la izquierda, excepto que sólo la U redondeado se utiliza como valor B de cada píxel, imitando la salida de un dispositivo de visualización de 8-bits.

2. RTbox

2,1. Conecte el RTbox a un ordenador

Conecte el RTbox (Figura 4) a un puerto USB de un ordenador con el cable suministrado. Si es necesario, descargue el controlador del dispositivo desde el http://www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htm . Instale el controlador siguiendo las instrucciones de la página web.

2,2. El uso de la RTcaja para medir el tiempo de respuesta

El RTbox puede utilizarse de dos maneras diferentes.

Si el programa del usuario puede volver confiables tiempos de inicio del estímulo, tales como el tiempo devuelto por la pantalla ('Flip') y PsychPortAudio en Psychtoolbox [8], el RTbox puede ser usado como un teclado. Debido a los tiempos del comienzo del estímulo y los tiempos de RTbox botón se basan los relojes de la computadora host y RTbox, respectivamente, debemos sincronizar los dos relojes. Esto se hace con una llamada a la función RTBox ('clear') antes de cada inicio de estímulo para borrar los eventos no deseados en el búfer. El tiempo de respuesta puede ser simplemente mide como t resp = t - inicio de t, donde tonset es el estímulo de regresar de el programa de usuario, y t es el tiempo el botón que devuelve la llamada a la función [t, un botón] = RTBox (tiempo de espera). Esto es porque el controlador RTBox convierte automáticamente el tiempo desde el momento botón RTbox para alojar tiempo de ordenador.

Si el programa del usuario no puedevolver confiables tiempos de inicio de estímulo, señales de disparo que indican inicios de estímulo debe ser proporcionada a la RTbox. Una solución es utilizar un sensor de luz para detectar el inicio del estímulo o un parche de luz que se sincroniza con el estímulo. La salida del sensor de luz está conectado al puerto de la luz RTbox. Una segunda solución consiste en utilizar la salida del disparador de la VideoSwitcher. El gatillo puede ser conectado directamente al puerto de impulso de la RTbox. Una tercera solución es conectar la señal de audio del ordenador al puerto de sonido de la RTbox.

Para generar un disparador de inicio del estímulo de la VideoSwitcher, que "encienda" el canal verde de los píxeles en la parte central de la primera imagen del estímulo visual. Debido a que no contribuye a la red de resistencias, la señal en el canal verde es invisible para el sujeto. Una llamada a la función [t, un botón] = RTBox ("pulso", tiempo de espera) devuelve el tiempo de respuesta, donde "pulso" instruye al RTbox para calcular t él tiempo de respuesta relativa al gatillo. La llamada de función se utiliza el mismo para el gatillo de sonido. Para los desencadenantes del sensor de luz, la llamada a la función es [t, un botón] = RTBox ('luz', tiempo de espera).

3. Integrar VideoSwitcher y RTbox

Hemos programado un programa de demostración que usa el VideoSwitcher para controlar la visualización, la RTbox para recoger el tiempo de respuesta precisa, y la RTbox para enviar el código de evento y las respuestas a un sistema ERP. El programa se puede descargar desde http://lobes.usc.edu/videoswitcher/VideoSwitcherRTBoxERP_demo.m .

4. Los resultados representativos

Figura 1
Figura 1. Imagen de un conmutador de vídeo. Cuenta con entrada de VGA y puertos de salida (dos mujeres), un botón para cambiar entre dos modos de visualización, y un puerto de salida de disparo.

CONTENIDO "> Figura 2
Figura 2. Fotos de VGA (A) y DVI-I (B) y los puertos. Un DVI-I a VGA (C)

Figura 3
Figura 3. El esquema de un conmutador de vídeo. El multiplexor tiene dos modos de entrada, controlados por un nivel de tensión. Cuando está en el modo mostrado en el esquema, los canales RGB de un monitor de recibir la misma señal, por lo que la pantalla está en escala de grises. La tensión de conmutación es generada por un chip de CPLD, controlada por señales en el G-canal y el botón del interruptor. El gatillo también es controlado por la entrada en el G-canal.

Figura 4
Figura 4. Imagen de un RTbox. Tiene un puerto USB-B, un puerto de entrada de la luz, un puerto de entrada de pulso / de sonido, un puerto de entrada de pulsador externo, y un puerto de salida TTL.

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Discussion

El conmutador de vídeo ofrece un método compacto, de bajo costo, y fácil de usar para generar la resolución de alta luminosidad muestra utilizando convencionales tarjetas de gráficos por ordenador y monitores analógicos de color. Se conecta entre las salidas analógicas de la tarjeta gráfica y el monitor. También puede cambiar entre los modos de pantalla monocromática y cromática, proporcionando mayor comodidad. Su canal de disparo permite a los investigadores para sincronizar otros equipos a pantallas visuales.

El RTbox es un compacto, de bajo costo, y fácil de usar solución hardware / software para la medición precisa el tiempo de respuesta. Si desencadenantes externos sincronizados con inicios de estímulo están disponibles, las medidas de RT son totalmente independientes de la computadora host. Para los estímulos visuales, hemos diseñado un puerto de luz incorporado para recibir disparadores generados por los fotodiodos. Disparadores externos también pueden utilizarse para calibrar el momento del inicio de estímulo devuelto por el programa de usuario. Si el programa de usuario puede proporcionaraparición precisa estímulo tiempo, la sincronización exacta entre el ordenador principal y el RTbox se puede lograr por el conductor RTbox, por lo que el RTbox puede utilizarse para obtener mediciones precisas de RT sin ningún disparo externo. También puede recibir las señales externas de botones, como salidas de una caja de botones compatible con resonancia magnética, y transmitir todas las señales de entrada y los marcadores de eventos a otros dispositivos, tales como un sistema de EEG. Puede servir como interfaz para los sistemas de grabación simultánea de EEG / MRI.

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Disclosures

No hay conflictos de interés declarado.

Acknowledgements

Este trabajo fue financiado por el INE y el 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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