我々は正確に定義された機能の変動に自然主義的な3-Dオブジェクトとオブジェクトカテゴリを作成するための新しい方法論を記述する。次に、視覚画像や触覚オブジェクトとしてレンダリングできます小説、自然主義的な仮想3-Dオブジェクトとオブジェクトカテゴリを作成する形態形成と系統発生の生物学的プロセスのシミュレーションを使用しています。
定量対象知覚を研究するために、生物学的システムによって、またはマシン、特性1、好ましくは自然主義的な、正確に定義可能で、オブジェクトとオブジェクトカテゴリを作成する1つのニーズによって、それが知覚される。さらに、知覚学習に関する研究のために、それはそのような特性を有する新規2オブジェクトとオブジェクトカテゴリ(またはオブジェクトクラス ) を作成するのに便利です。
多くの革新的で有用な方法は、現在、新規のオブジェクトとオブジェクトカテゴリ3-6(またrefsを参照してください。7,8)を作成するために存在しています。しかし、一般的に言えば、既存の方法は欠点の3つの広範な種類を持っている。
まず、形状の変化は、一般的に実験5,9,10により課されているので、自然カテゴリの変動とは異なる場合があり、特定の認識アルゴリズムのために最適化されています。それはバリエーションがエクステとは独立に発生することが望ましいであろうrnally制約を課した。
第二に、既存の方法では、11月13日自然物の形状の複雑さを捉えることが困難である。目標は、自然物の知覚を研究することである場合、オブジェクトとオブジェクトカテゴリが可能交絡や特殊なケースを避けるために、自然主義的であるためには、それが望ましい。
第三に、それは定量的に従来の方法で作成された刺激で入手可能な情報を測定することは一般に困難である。それは体系的に(または "調整")操作、必要な場合には、利用可能な情報を正確に測定することができるオブジェクトとオブジェクトのカテゴリを作成し、することが望ましいであろう。これは、1つは、量的には、基礎となるオブジェクト認識タスクを策定することができます。
ここでは、上記の基準の3つすべてを満たすアルゴリズム、またはメソッドのセットを記述します。仮想形態形成(VM)はによって "デジタル胚"と呼ばれる小説、自然主義的な仮想3次元オブジェクトを作成する胚発生14の生物学的プロセスをシミュレートする。仮想系統発生(VP)は自然淘汰9,12,13の進化の過程をシミュレートすることによって、小説、自然主義的なオブジェクトのカテゴリを作成します。これらのシミュレーションによって作成されたオブジェクトとオブジェクトカテゴリは、さらに形状特性15,16の系統的なバリエーションを生成するために様々なモーフィングの方法で操作することができます。 VPとモーフィングの方法もまた、デジタル胚以外の小説の仮想オブジェクトに、または実世界のオブジェクト9,13の仮想バージョンには、原則として適用することができます。この方法で作成された仮想物体は、表面の質感、照明、サイズ、視点と背景の所望の操作で、従来のグラフィカルツールキットを使用して視覚的なイメージとしてレンダリングできます。仮想オブジェクトはまた、従来の3次元プロトを使って触覚オブジェクトとして "印刷"することができます。
我々はまた、illusを助けるために、これらの計算アルゴリズムのいくつかの実装を記述するアルゴリズムの潜在的有用性をtrate。それらの実装のアルゴリズムを区別することが重要である。実装は、単に基本的なアルゴリズムの "原理の証明"として提供されるデモです。一般的には、計算アルゴリズムの実装がしばしばアルゴリズム自体が持っていない制限がありますことに注意するのは重要です。
一緒に、これらの方法は同様の生物学的および計算システムによる物体認識と知覚学習を研究するための強力かつ柔軟なツールのセットを表します。適切な拡張子を使用すると、これらの方法はまた、形態形成と系統発生の研究に有用証明するかもしれない。
認知科学研究のVMとVPの有用性
我々は以前に詳細L9 ,10,12-14のVMとVPの有用性を説明してきました。それは小説が、自然主義的な3-Dオブジェクト14を作成するための原則的かつ柔軟な方法を提供するので、簡単に説明すると、特に、VM、デジタル胚の方法論は、便利です。同様に、VPは自然主義的なカテゴリ9,10,12,13作成の原理に基づいた方法を提供します。これは、オブジェクトのカテゴリはカテゴリは自然の中で階層的になる傾向があるという事実を含め、本質的にオブジェクトのカテゴリとVPのシェアの多くの機能によって生成されたことは注目に値しますし、カテゴリ内および間での機能のバリエーションは分類のために独自に実験やアルゴリズムの生じるその39。
現在の制限と今後の方向性
三現在の我々のプロトコルの限界や、彼らは示唆している将来の仕事の方向性特に注目されています:まず、VMとVPの両方は、生物学的プロセスをシミュレートします。我々は、非生物学的な仮想オブジェクトは、これらのプロセスのための基材として使用できることを示しているが、基礎プロセスは依然として生物学的に動機づけられています。しかし、天然物 – 同様に、生物学的および非生物 – 非生物学的な力による形状変化を受ける。例えば、岩は、浸食や堆積などの地質学的過程に起因する形状に変更されることがあります。岩の新しいカテゴリは、他のそのような地質学的過程から発生する可能性がある。これは、利用可能な形状変化アルゴリズムのレパートリーに、これらのプロセスを組み込むことが比較的簡単であるべきです。
我々のプロトコルの第2の主要な制限は、 動的な形状変化の現在のレパートリーはかなり限られていることです。それはそのような生物学的な動き、またはそのような風、水や重力などの外力による運動などの形状変化の大きい配列を組み込むことが望ましい。我々は、それがウィルことを期待lは、このような動的な形状変更を実装するために知られているコンピュータ·アニメーションのアルゴリズムを負担することに持参するのは比較的簡単である。
我々のプロトコルの第三の主要な制限は、VMが現在原腸陥入36、最も顕著なのは、を含む他の多くの既知の形態形成のプロセスが含まれていないことです。また、理由の細胞壁の可能性はほとんどあるいはまったく細胞の動きを受けて、その植物の形態形成は、成長によって完全に媒介されているという事実など、いくつかの既知の制約、、、36を組み込むために失敗します。同様に、VPは、遺伝的浮動40などの他の既知の系統学的プロセスは含まれません。これらの制限に対処するには、発達の生態学と進化シミュレーションで、我々のプロトコルの使用を容易に大いに役立つだろう。
The authors have nothing to disclose.
この作品は、米陸軍研究所と米陸軍研究局助成W911NF1110105とNSFの助成金、IOS-1147097toジェイHegdéによって部分的にサポートされていました。また、サポートはジョージア健康科学大学のビジョンディスカバリー研究所からジェイHegdéへのパイロットの助成金によって提供されていました。ダニエルKersten氏は、韓国の国立研究財団(R31-10008を介して、文部科学省によって資金を供給されてWCU(ワールドクラスの大学)プログラムで助成ONR N00014-05-1から0124までおよびNIH R01 EY015261と部分的に支持された)。カリンHauffenは、米陸軍の学部研究実習プログラム(URAP)によってサポートされていました。
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. |