Nós descrevemos uma nova metodologia para a criação de naturalistas objetos 3-D e categorias de objetos com variações característica precisamente definidos. Nós usamos simulações dos processos biológicos de morfogênese e filogênese para criar novos, naturalistas virtuais objetos 3-D e categorias de objetos que podem ser processados como imagens visuais ou objetos táteis.
A fim de estudar quantitativamente a percepção do objeto, seja pela percepção de sistemas biológicos ou por máquinas, é preciso criar objetos e categorias de objetos com precisão definível, de preferência naturalista, propriedades 1. Além disso, para estudos sobre o aprendizado perceptual, é útil para criar novos objetos e categorias de objetos (ou classes de objetos) com tais propriedades 2.
Muitos métodos inovadores e úteis existem atualmente para a criação de novos objetos e categorias objeto 3-6 (ver também refs. 7,8). No entanto, de modo geral, os métodos existentes têm três tipos de deficiências.
Em primeiro lugar, as variações de forma são geralmente imposta pelo experimentador 5,9,10, e podem, portanto, ser diferente da variabilidade categorias naturais, e optimizado para um algoritmo de reconhecimento particular. Seria desejável ter as variações surgem independentemente do externally impôs restrições.
Em segundo lugar, os métodos existentes têm dificuldade em captar a complexidade forma dos objectos naturais 11-13. Se o objetivo é estudar a percepção do objeto natural, é desejável que os objetos e categorias objeto a ser naturalista, de modo a evitar possíveis confunde e casos especiais.
Em terceiro lugar, é geralmente difícil de medir quantitativamente a informação disponível nos estímulos criados através de métodos convencionais. Seria desejável para criar objectos e categorias de objectos em que a informação disponível pode ser medido com precisão e, se necessário, sistematicamente manipulada (ou "afinado"). Isto permite que se formulam as tarefas de reconhecimento de objectos subjacentes, em termos quantitativos.
Aqui nós descrevemos um conjunto de algoritmos ou métodos que atendam todos os três critérios acima. Morfogênese virtual (VM) cria novos, naturalistas virtuais objetos 3-D chamados "embriões digitais" porsimulando o processo biológico de embriogénese 14. Virtual filogênese (VP), cria novas categorias de objeto, naturalistas, simulando o processo evolutivo da seleção natural 9,12,13. Objetos e categorias de objetos criados por essas simulações podem ser ainda manipulados por vários métodos de morphing para gerar variações sistemáticas de características de forma 15,16. O vice-presidente e morphing métodos também podem ser aplicadas, em princípio, a novela objetos virtuais que não sejam embriões digitais, ou a versões virtuais de objetos do mundo real 9,13. Objetos virtuais criados desta forma pode ser processado como imagens visuais usando uma ferramenta gráfica convencional, com manipulações desejados de superfície, textura, iluminação, tamanho ponto de vista, e do fundo. Os objetos virtuais também pode ser 'impresso' como objetos táteis usando um convencional 3-D prototyper.
Descrevemos também algumas implementações destes algoritmos computacionais para ajudar ilustratrar a utilidade potencial dos algoritmos. É importante distinguir os algoritmos de suas implementações. As implementações são demonstrações oferecidos apenas como uma "prova de princípio" dos algoritmos subjacentes. É importante notar que, em geral, uma implementação de um algoritmo computacional frequentemente tem limitações que o próprio algoritmo não tem.
Juntos, estes métodos representam um conjunto de ferramentas poderosas e flexíveis para estudar o reconhecimento de objetos e aprendizado perceptual por sistemas biológicos e computacionais semelhantes. Com as extensões apropriadas, estes métodos podem também ser úteis no estudo da morfogénese e filogênese.
Utilidade da VM e VP de Pesquisa em Ciência Cognitiva
Nós já descreveu a utilidade de VM e VP em detalhes l9 ,10,12-14. Resumidamente, VM, especialmente a metodologia embrião digital, é útil porque proporciona um método de princípios e flexível para a criação de novo, mas naturalistas objectos 3-D 14. Da mesma forma, VP fornece um método de princípio de criação de categorias naturalistas 9,10,12,13. Vale a pena notar que as categorias de objetos gerados por características partes VP muitos com categorias de objetos na natureza, incluindo o fato de que as categorias tendem a ser de natureza hierárquica, e as variações de recursos dentro e através de categorias surgir independentemente do experimentador e os algoritmos de classificação los 39.
Limitações atuais e perspectivas futuras
Três limitações atuais do nosso protocolo e as direções para trabalhos futuros sugeremsão particularmente notáveis: Primeiro, tanto VM e VP simular processos biológicos. Enquanto que mostram que não biológicos objectos virtuais podem ser utilizados como substratos para estes processos, os processos subjacentes são ainda biologicamente motivados. No entanto, os objetos naturais – biológicos e não biológicos parecidos – sofrer alterações de forma, devido à não-biológicos forças. Por exemplo, as pedras podem ser alterados na forma devido a processos geológicos, tais como a erosão ou sedimentação. Novas categorias de rocha pode surgir de outros tais processos geológicos. Ele deve ser relativamente simples de incorporar esses processos no repertório de algoritmos de alteração disponíveis de forma.
A segunda limitação importante do nosso protocolo é que seu repertório atual de mudanças de forma dinâmica é bastante limitada. É desejável a incorporação de uma maior variedade de alterações de forma, tais como movimento biológico, ou movimento devido a forças externas como o vento, a água, ou a gravidade. Esperamos que will ser relativamente simples de trazer para os algoritmos de animação conhecidos de computador para implementar tais mudanças de forma dinâmica.
A terceira limitação importante do nosso protocolo é que VM atualmente não inclui muitos outros processos morfogenéticos conhecidos, incluindo, principalmente, a gastrulação 36. Também não incorporar algumas limitações conhecidas, tais como o facto de que a morfogénese em plantas é mediada exclusivamente por crescimento, com o movimento de células pouco ou nenhum possível, em virtude das paredes das células 36. Da mesma forma, VP não inclui outros processos filogenéticos conhecidos, tais como a deriva genética 40. Enfrentar essas limitações ajudaria facilitar muito o uso do nosso protocolo em desenvolvimento, simulações ecológicos e evolutivos.
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi financiado em parte pelo Exército dos EUA Laboratório de Pesquisa e os EUA Army Research Office concessão W911NF1110105 e concessão do NSF IOS-1147097to Jay Hegde. O suporte também foi fornecida por uma concessão piloto Jay Hegde do Discovery Visão Instituto de Ciências da Saúde da Geórgia University. Daniel Kersten foi suportado por concessões ONR N00014-05-1-0124 e NIH R01 EY015261 e em parte por WCU programa (World Class University), financiado pelo Ministério da Educação, Ciência e Tecnologia, através da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (R31-10008 ). Karin Hauffen foi apoiado pelo Programa de Graduação de Pesquisa de Aprendizagem (URAP) do Exército dos EUA.
Name of toolkit/equipment | Company / Author | Catalogue # | Comments |
Digital Embryo Workshop (DEW) | Mark Brady and Dan Gu | This user-friendly, menu-driven tool can be downloaded free of charge as Download 1 from http://www.hegde.us/DigitalEmbryos. Currently available only for Windows. | |
Digital embryo tools for Cygwin | Jay Hegdé and Karin Hauffen | This is a loose collection of not-so-user-friendly programs. They are designed to be run from the command-line interface of the Cygwin Linux emulator for Windows. These programs can be downloaded as Download 2 from http://www.hegde.us/DigitalEmbryos. The Cygwin interface itself can be downloaded free of charge from www.cygwin.com. | |
Autodesk 3ds Max, Montreal, Quebec, Canada | Autodesk Media and Entertainment | 3DS Max | This is a 3-D modeling, animation and rendering toolkit with a flexible plugin architecture and a built-in scripting language. Available for most of the current operating systems. |
MATLAB | Mathworks Inc., Natick, MA, USA | MATLAB | This is a numerical computing environment and programming language with many useful add-on features. Available for most of the current operating systems. |
R statistical toolkit | R Project for Statistical Computing | R | Can be downloaded free of charge from http://www.r-project.org/. Available for most of the current operating systems. |
OpenGL | Khronos Group | OpenGL | This cross-language, cross-platform graphical toolkit can be downloaded free of charge from www.opengl.org. |
V-Flash Personal Printer | 3D Systems Inc., Rock Hill, SC, USA | V-Flash | This is a good value for all 3-D printing applications described in this report. The print materials are also vended by 3D Systems, Inc. Less expensive models are available in open source form from RepRap (rapmanusa.com) and MakerGear. More expensive models (> $30 K) are available from Objet Geometries, 3DS Systems, Z-Corp, Dimension Printing etc. |
TurboSquid.com | TurboSquid Inc., New York, LA | (various objects) | Various virtual 3-D objects can be downloaded from this site free of charge or for a fee. |
Table 1. Table Of Specific Toolkits And Equipment. |