可视化视觉适应

Behavior
 

Summary

本文介绍用于模拟和视觉系统学习适应的新方法。

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Webster, M. A., Tregillus, K. E. Visualizing Visual Adaptation. J. Vis. Exp. (122), e54038, doi:10.3791/54038 (2017).

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Abstract

许多技术已经发展到可视化图像是如何出现的个体有不同的视觉灵敏度: 例如 ,由于光学或年龄的差异,或颜色缺陷或疾病。这个协议描述了用于掺入感觉适应成模拟的技术。该协议被示为具有色觉的例子,但是一般适用于任何形式的视觉适应的。该协议使用基于关于视网膜和皮质机制编码的颜色以及如何将这些调整其灵敏度在当时的刺激的平均颜色和范围的颜色的标准和可信的假设人类颜色视觉的一个简单的模型。该机制的增益调整,使得下一个上下文他们的平均响应等同于不同的环境。仿真有助于揭示适应的理论极限,并产生“改编的图像”被最佳匹配到一个特定的ENVIRO市民明白或观察员。他们还探索适应不同的观察者或不同环境中的作用提供了一个通用指标。表征视觉感知和性能,这些图像为研究视觉或其他感觉系统长期适应的功能和后果的新颖工具。

Introduction

可能世界是什么样子给他人,或者以自己为我们改变?这些问题的答案是理解的性质和感知的机制和感官编码正常和临床情况的后果至关重要的。各种各样的技术和方法已被开发用于模拟图像可能会出现以不同的视觉敏感度的个体。例如,这些包括可以由不同类型的颜色缺陷的被辨别颜色的模拟1,2,3,4,空间和彩色差异可以由婴儿或较旧的观察员5,6,7,8来解决,9 ,图像如何出现在周边视野向上类= “外部参照”> 10,和光学误差或疾病11,12,13,14的后果。他们也被应用到可视化是可能的其他物种的15,16,17歧视。通常情况下,这种模拟的使用在不同人群中的灵敏度损耗测量滤波器的图像,从而减少或消除它们难以看到的结构。例如,色盲的常见形式反映两个感光体为中等或长波长敏感的一个的损失,并过滤以除去它们的信号图像通常出现缺乏“红绿”的色调1。同样,婴儿具有更差的敏度,从而为他们的降低的空间灵敏度处理的图像出现模糊 。F“> 5这些技术提供了什么样一个人可以看到另一种可能不会宝贵的插图然而,他们不这样做-而且往往不打算-描绘观察者的实际感性经验,而且在某些情况下可能误传数量和类型的信息提供给观察者。

本文介绍用于模拟在视觉体验其中结合了视觉编码的基本特性差异的新颖技术-适配18,19。所有的感觉和运动系统不断调整,以它们暴露于环境。在一个房间里有刺激性气味很快消失,而视觉适应的房间怎么亮或变暗。重要的是,出现了几乎任何刺激属性这些调整,包括“高层次”的看法,例如某人的脸20的特点类=“外部参照”> 21或它们的话音22,23,以及校准移动眼睛或达到的对象24,25时进行的马达的命令。事实上,改编很可能几乎所有的神经处理的重要属性。本文示出了如何将这些适应影响到图像的外观的仿真中,通过基本上“适应图像”来预测它会出现一个特定的适应观察者26,27,28,29的特定状态下。许多因素可以改变观察者的灵敏度,但往往适应可以补偿这些变化的重要方面,因此,灵敏度损失比没有假定系统适应被预测不那么显眼。相反,因为适应根据目前的刺激情境调节感光度,这些调整也纳入预测如何当环境变化很大的看法可能会有所不同很重要。

以下方案示出了通过调整图像的颜色内容的技术。色觉有颜色编码的初始阶段,神经都比较容易理解的优势,是适应30的图案。实际机制和调整是复杂的,多种多样,但适应的主要后果可以使用简单的和常规的两阶段模型( 图1a)被捕获。在第一阶段中,彩色信号最初由三种类型的视锥光那些对短期,中期或长波长(S,M和L视锥细胞)最大限度敏感的编码。在第二阶段中,从不同的视锥细胞的信号被后receptoral细胞内结合,以形成“颜色对手”茶从不同锥体接收拮抗输入nnels(因此传达“颜色”的信息),并且加在一起的锥体输入“非对手”通道(因此编码“明亮度”的信息)。适应发生在两个阶段中,并且调整到颜色的两个不同方面-的平均值(在锥体)和方差(在-receptoral后通道)30,31。模拟的目标是将这些调整从其改编的输出应用到模型的机制,然后呈现图像。

适应图像的过程包括六个主要部件。这些1)选择图像; 2)选择用于图像光谱的格式; 3),其限定在环境中的颜色变化; 4)限定的观测器的灵敏度的变化; 5使用该程序来创建适于图像); 6)利用图像来评价适应的后果。 Ť他认为以下各步骤加以详细说明。的基本模式和机构响应在图1中示出,而图2 - 5图像的实例与模型渲染。

Protocol

注:协议说明使用一个程序,它允许一个选择的图像,然后使用由不同的下拉菜单选择的选项适应它们。

1.选择图像适应

  1. 点击图片和浏览图像的文件名的工作。观察上左窗格中的原始图像。

2.指定激励和观察

  1. 单击“格式”菜单来选择如何表示的图像和观察者。
  2. 点击“标准观察者”选项标准或平均观察者适应特定的颜色分布模型。在这种情况下,使用标准方程来的图像的RGB值转换为锥体灵敏度32。
  3. 点击“个人观察者”选项,以特定观测的光谱灵敏度模型。因为这些敏感性是波长相关的,该程序CON绿党通过使用标准的或测得的发射光谱用于显示图像分成枪光谱的RGB值。
  4. 点击“自然光谱”选项,在世界上接近实际的光谱。此选项通过使用标准的基础函数33或高斯光谱34以近似为图像颜色的相应的频谱的RGB值转换为频谱,例如。

3.选择适用条件

  1. 适应是同一个观测到不同的环境( 例如 ,森林与城市景观的颜色),或不同的观察员在相同的环境( 例如 ,正常对色盲的观察者)。
    1. 在前一种情况下,使用菜单来选择环境。在后者中,使用菜单来定义观察者的灵敏度。
  2. 要设置的环境中,选择“引用”和“测试” ENVIR从下拉菜单中onments。这些通过加载不同的环境机制响应适应控制的两种不同的状态。
    1. 选择“引用”菜单来控制启动环境。这是主题适合于在观看原始图像的环境。
      注:显示已预先计算不同环境的选择。这些是从色域的图像的不同集合的测量得出。例如,一个应用程序研究了如何颜色感知可能与季节的变化而变化,通过使用在不同时间27从同一位置所采取校准图像。另一项研究,探索适应如何可能在不同的位置会影响颜色知觉,通过采样不同的场景类别29的图像所代表的位置。
    2. 选择“用户自定义”的环境中加载的值自定义环境。 OBSERVE一个窗口浏览并选择一个特定的文件。创建这些文件为独立的图像,显​​示要包括在每个图像(如步骤1),然后点击“保存图像应答”按钮。
      注意:这将显示一个窗口,在其中可以创建或附加到Excel文件存储到每个图像的响应。要创建一个新的文件,输入文件名,或浏览现有的文件。对于现有文件,将当前图像的响应添加到所有图像的响应自动取平均值。选择具有“用户定义的”选项文件时,这些平均值是参考环境输入。
    3. 选择“测试”菜单访问环境的列表的图像进行调整。选择“当前图像”选项,使用该机制的反应所显示的图像。
      注:此选项假定受试者正在适应颜色当前正在观看的形象。否则,选择T的一个他预先计算环境或“用户自定义”选项加载测试环境。

4.选择观测的光谱灵敏度

注:对于不同的环境的适应效应,观察者通常会保持恒定,并且被设置为默认的“标准观察者”与平均光谱灵敏度。有3个菜单,用于设置一个单独的光谱灵敏度,其控制筛分颜料或观察者的光谱灵敏度的量。

  1. 点击“镜头”菜单上选择镜头色素的密度。不同的选项允许人们选择不同年龄的密度特性。
  2. 点击“黄斑”菜单上选择同样黄斑色素的密度。观察颜料的峰值密度而言这些选项。
  3. 点击“锥”菜单上没有观察者之间进行选择肾错构瘤三色视或不同类型的异常三色视的。
    注意:基于程序定义观察者和一组26个postreceptoral通道直线状锥形信号组合到大致均匀样品不同的颜色和亮度的组合的圆锥光谱灵敏度的选择。

5.调整图像

  1. 点击“调整”按钮。
    注意:此执行的代码,用于计算图像中的每个像素的视锥细胞和后receptoral机制的响应。该响应被缩放,使得平均响应于所述调整的颜色分布等于该参考分布的平均值的反应,或使平均反应是一种用于个体或参考观察者相同。缩放是乘模拟冯·克里斯适应35。新的图像然后通过求和该机制响应和转换回RGB值显示呈现。在ALG的详细信息orithm在26,27,28,29中给出。
  2. 观察屏幕上的三个新的图像。这些被标记为1)“不适应” - 测试图像应该出现的人完全适应参考环境; 2)“锥形适配” - 这仅显示在受体适应地调节图像;和3)“全部适应” - 这示出了通过完成适应于环境或观察者的变化预测图像。
  3. 点击“保存图像”按钮保存三个计算图像。观察屏幕上一个新的窗口,浏览文件夹并选择文件名。

6.评估适应的后果

注:原来的基准和调整图像模拟相同的图像应该如何建模空间Adapta的两种状态下出现重刑,而重要的是,不同之处仅适配状态的原因。在图像的差异从而提供洞察适应的后果。

  1. 目测看图像之间的差异。
    注意:图片的简单检查可以帮助显示生活在不同颜色的环境中时多颜色视觉会如何变化,或有多少适应可能弥补在观测灵敏度变化。
  2. 通过量化分析,使用或行为的测量与图像通过经验评估适应29所带来的后果,这些调整的效果。
    1. 如何测量颜色外观的变化。例如,比较在两个图像中的颜色来测量如何颜色类别或在不同的环境或观察者的感知显着性变化。例如,使用与适应的色彩变化分析,计算有多少独特的色调( 纯黄色或蓝色)理论上可以vARY因为观察者的色彩环境29变化。
    2. 请问适应如何影响视觉灵敏度或性能。例如,使用经适配的图像进行比较提供一种新颖的色彩视觉搜索是否是快时观察员第一适配到背景的颜色。通过在图像上叠加的目标,并且用图像一起适于不同彩色干扰项阵列,其中,用于定位所述奇数目标29测得的反应时间进行实验。

Representative Results

图2 -图4示出自适应模拟在观察者或环境的变化。 图2比较了塞尚的静物与苹果的年轻和年长的观察者谁只在镜头色素28的密度不同的预测外观。通过年轻眼睛( 图2a)中看到的原始图像通过更密集地着色透镜出现多少更黄和调光器( 图2b)。 (在平均颜色和色度响应的相应位移在图1c中示出)。然而,适应的平均谱改变折扣几乎所有的颜色外观变化的( 图2c)。原来的颜色响应几乎完全被在锥体适配回收,从而使随后的对比度变化具有可忽略的影响。

NT个” FO:保持-together.within页=‘1’> 图3示出凡高的菖蒲过滤以模拟颜色外观在deuteranomalous观测器,其标准m3感光色素被移位在峰值灵敏度为L感光色素28为6nm内适应化的锥再次调整用于平均刺激色度,但L比中号对比从异常颜料是弱( 图3b),压缩机构响应沿该轴( 图1d)已经建议。凡高可能有夸张的色彩运用,以弥补色彩不足,因为他刻画过滤的不足时,可以看起来更自然的色彩。然而,对比适应降低的对比预测的图像应该再次“出现”非常相似正常和反常三原色( 图3c),即使后者具有为L弱得多固有的敏感性36,37来预测。

图4显示了环境变化的模拟,通过模拟如何莫奈的日出(海事)描绘朦胧的图像可能会出现完全适应了阴霾的观察者(或完全适应他的绘画艺术家)。适应前的图像出现浑浊并且在很大程度上单色( 图4a),并且相应地对图像的对比度的机构响应是弱( 图1E)。然而,适应无论是平均色度偏差和减少色差的对比(在这种情况下,以匹配典型的室外场景的机制响应)标准化和扩展感知的色域,使其可媲美色知觉的范围经历了明亮的室外场景( 图4b)。

最后, 图5示出在协议6.2节指出用于使用所述模型来研究颜色视觉的两个例子。 图5a示出下适应茂盛或干旱环境孟塞尔调色板,而图5b绘出在出现纯红色,绿色,蓝色或黄色,当相同的观察者适于各种不同的模拟所需要的调色板刺激的移环境。如在世界颜色调查29经验测量这个范围是相当的这些焦点颜色的实际刺激范围的测量。 图5c,而不是显示一组嵌入颜色之前或改编的火星地形后的显示方式。为适应图像设定导致显著更短的反应时间找到独特的颜色在视觉搜索任务29。

图1
图1:模型。 一个 )的响应进行建模,用于与锥的视锥细胞的敏感性(其适应于刺激平均值)或postreceptoral组合(其适应于刺激方差的机制。b)每个postreceptoral机制在color-调谐到不同的方向亮度空间,由矢量所指示的。对于模拟26个机制进行计算,其中样品中的45°间隔的空间(对于L M和S 比。LM平面示出,并且所述L M和亮度平面)。 c)在equiluminant(L比M和S 比。LM)平面中的顶部和图2的中间图的图像中的机制的响应。平均对比反应是SH自己在22.5°的间隔以更充分地描绘响应分布,虽然模型是基于在45℃的间隔通道。在原始图像( 图2a)的平均色度是接近灰色(0,0)和颜色沿着蓝轴微黄偏置。增加观察者的透镜密度产生在平均向黄色( 图2b)大的移位。 D)用于对比在图3a3b中所示的图像的响应。在原来的( 图3a)的圆锥体的对比度沿L 压缩为色盲观察者( 图3b)M轴。 E)用于对比图4a4b中所示的图像的响应。原始图像( 图4a)的低对比度响应膨胀以下适应,这就给画的平均响应匹配到FO的响应岭颜色分布典型的户外自然场景( 图4b)的。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2
图2:模拟透镜老龄化的后果。塞尚的静物与苹果 (a)中处理,以模拟老化透镜(b)和适应用透镜(C)。盖蒂的开放内容节目的数字图像礼貌。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3
图3:SimulatiNG异常三色视。凡高的菖蒲 的(a)模拟的还原颜色形成对比的颜色缺陷观察者(b)中,并且在观察者所预测的外观完全适应了对比度降低(c)中。盖蒂的开放内容节目的数字图像礼貌。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4
图4:模拟适应低对比度环境。莫奈的日出(船用)。原始图像(a)中进行处理,以模拟为适于在场景中(b)该低反差的观察者的颜色外观。这是通过调整机制的灵敏度的检测灵敏度,使完成的是,在绘画的颜色的平均响应等于为自然室外场景的集合测得的颜色的平均响应。盖蒂的开放内容节目的数字图像礼貌。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5
图5.使用模型来研究视觉效果。 )孟塞尔调色板下适应呈现给茂盛或干旱环境的颜色。 b)以应出现适配之后纯红色,绿色,蓝色或黄色的范围不同的色彩环境的调色板芯片。浅色阴影的符号从世界颜色调查的语言区的平均芯片的选择范围。 C)的表面的图像火星,因为它们可能会出现适应地球或火星观察者。叠加补丁显示添加了视觉搜索任务的刺激的例子,包括一组均匀着色干扰项和一​​个不同颜色的目标。 d)在实验进行测定,用于定位所述奇数目标搜索时间,并是适于火星适于图像内基本上短。 请点击此处查看该图的放大版本。

Discussion

示出的协议演示如何适应于环境或观察者的变化的影响可以在图像被描绘。这写照需要将取决于模型所做的假设的形式 - 例如,颜色是如何编码,以及如何编码机制,应对和适应。因此,最重要的一步是决定模型上的色觉 - 比如哪些虚拟通道的特性,他们认为如何适应。另一个重要的步骤是设定合适的参数为两个环境,或两个观察员敏感的特性,您之间调整。

说明该模型非常简单,而且有许多方式是不完整的,可以根据不同的应用进行扩展。例如,颜色信息未被编码的独立的形式,并且示出的模拟不考虑的空间结构的图像或神经感受域的,或跨越机制已知相互作用,诸如对比度正常化38。类似地,在图像的所有像素被给予相等的权重,因此,模拟结果不包括空间因素,如场景如何与眼球运动采样。模型中的适应也假定为代表的简单乘法缩放。这是适用于某些形式的色适应,但可能无法正确描述在后receptoral水平的响应变化。类似地,在模型的对比度响应函数是线性的,因此不模拟神经元的实际响应的功能。另一个重要的限制是,示出的模拟结果不包含噪声。如果发生在或自适应的位点之前该噪声,然后适配可以调整信号和噪声,因此可能对外观和视觉性能非常39不同的影响。一种方法模拟噪声的影响是在刺激28引入随机扰动。然而,这并不会模仿一下这个噪音“看起来像”观察者。

正如所示出的示例所建议的,仿真可以捕捉仅考虑观察者的光谱和对比敏感度时不明显的颜色体验的许多性质,并且在特定的功能,突出在正火颜色感知和补偿适应的重要性观察者的灵敏度极限。在这点上,该技术提供了许多优点和应用程序用于可视化或预测视觉知觉。这些措施包括以下内容:

变视觉更好模拟

如前所述,过滤的图像以不同的灵敏度揭示了什么一个经验,当图像中的信息被改变,但在预测什么的表现不够理想观察者与灵敏度将经历。作为一个例子,过滤,以模拟一个较旧的观察者的眼睛的透镜泛黄的灰度看起来补丁9更黄。但谁习惯于他们的年龄较老的镜头,而不是观察员描述和可能从字面上看到的刺激为灰色40。如图所示,这是适应的视觉系统28的自然结果,从而将这一调整是为了更好的可视化一个人的知觉重要。

一个共同的机制预测观察者之间和环境之间的差异

大多数模拟技术都集中在预测观察者的变化。但适应也经常通过改变在世界上18,19驱动。个人沉浸在不同的视觉环境( 例如 ,城市农村,或ARID 比。茂盛)暴露于刺激可能导致适配41,42的非常不同的状态的非常不同的图案。此外,这些差异是个人在一个日益专业化和技术社会( 例如,艺术家,放射科医生,视频游戏玩家,或潜水员)占据不同的壁龛中强调。知觉学习和专业知识得到了广泛的研究,并取决于许多因素,43,44,45。但这些中的一个可以是简单的曝光46,47。举例来说,一个账户的“其他种族”的效果,在观测者在显着更好的面对我们自己的民族,是因为它们适应他们普遍遇到的48,49面。适应提供了一个合作MMON度量用于评估灵敏度变化Vs的影响对感知的刺激变化,从而预测两个不同的观察者可能会如何遇到相同的世界比。将同一观察者在两个不同的世界。

评估适应的长期后果

其实适应观察家然后测量它们的敏感性和认知的变化是怎样一个成熟和广泛的研究心理技术。然而,这些测量通常仅限于短期暴露持续数分钟或数小时。越来越多的证据表明,适应也工作在更长的时间尺度是更加难以测试凭经验50,51,52,53,54。模拟适应具有推动ADAP的优势塔季翁国在其理论的长期限制,因而探索时间尺度是不实际的实验。它还可以测试的逐渐变化,如老化或疾病进展的感性后果。

评估适应的潜在效益

一个相关的问题是,虽然很多功能已经被提出了适应,性能的提升往往不能在短期内适应的研究明显,这可能部分是因为这些改进只出现在较长的时间尺度。测试观察者如何可以适用于模拟这些时间尺度的图像进行不同的视觉任务提供了一个探索的感性利益和适应29的成本的新方法。

视觉编码和适应的测试机制

该模拟可以帮助形象化和可视化比较我两个不同型号chanisms以及如何不同型号的这些机制调整它们的灵敏度。这种比较可以帮助揭示视觉性能和感知视觉编码的不同方面的相对重要性。

适应图像来观察

为了适应那个帮助人们看到更好的程度,这种模拟为开发图像处理,可以更好地突出观察员信息模型潜在有力工具。这种图像增强技术是普遍的,但是本方法旨在在其实际的大脑调节,从而以模拟视觉系统发展到利用实际的编码策略的方式来调整图像。以这种方式预处理图像可以在原则上,而不是调整图像以匹配适应指出,观察员目前在26取出需要观察员视觉适应一种新的环境

这似乎是不现实的,几乎完全表明,在实践中的折扣,适应可能从我们的知觉敏感性的变化,但也有许多例子知觉做出现戏剧性的敏感性差异55不受影响,这是一个经验问题适应如何完成为任何给定的情况 - 一个适应的图像也可以用来解决。在任何情况下,如果我们的目标是可视化观察者的感性经验,然后这些模拟可以说是来得接近特征是比仅基于过滤的图像传统的模拟体验。此外,它们提供了用于预测和检测感觉适应29的后果和功能的新的工具。再次,这是适应在感觉处理无处不在,和同类机型可能被利用来探索适应于其他视觉属性和其他s的影响enses。

Disclosures

作者什么都没有透露。

Acknowledgments

由卫生部(NIH)资助EY-10834的美国国家研究院资助。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Computer
Images to adapt
Programming language (e.g., Visual Basic or Matlab)
Program for processing the images
Observer spectral sensitivities (for applications involving observer-specific adaptation)
Device emmission spectra (for device-dependent applications)

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