Wir beschreiben eine neuartige Methodik zur Schaffung naturalistischen 3-D Objekte und Objektgruppen Kategorien mit genau definierten Funktion Variationen. Wir verwenden Simulationen der biologischen Prozesse der Morphogenese und Phylogenese zu neuen, naturalistischen virtuellen 3-D-Objekte und Objekt-Rubriken, die dann als visuelle Bilder oder haptische Objekte gerendert werden können.
Um quantitativ zu untersuchen Objektwahrnehmung es die Wahrnehmung von biologischen Systemen oder Maschinen, muss man Objekte und Objektgruppen Kategorien mit genau definierbaren, vorzugsweise naturalistischen, Eigenschaften 1 zu schaffen. Weiterhin für Studien über Lernvorgangs, ist es nützlich, um neue Objekte und Objektteile Positionen (oder Objektklassen) mit solchen Eigenschaften 2 zu erstellen.
Viele innovative und nützliche Methoden existieren derzeit für die Erstellung neuer Objekte und Objektkategorien 3-6 (siehe auch refs. 7,8). Im Allgemeinen jedoch, die bestehenden Methoden haben drei Arten von Mängeln.
Zuerst werden Formvariationen allgemein durch den Experimentator 5,9,10 auferlegt, und kann daher von der Variabilität der natürlichen Kategorien, und eignen sich für eine bestimmte Erkennungs-Algorithmus. Es wäre wünschenswert, wenn die Variationen entstehen unabhängig von der externally auferlegten Zwängen.
Zweitens müssen die bestehenden Methoden Schwierigkeit der Erfassung der Form der Komplexität von natürlichen Objekten 11-13. Wenn das Ziel ist, natürliches Objekt der Wahrnehmung zu untersuchen, ist es wünschenswert, für Objekte und Objektkategorien naturalistisch sein, um so mögliche confounds und Sonderfälle zu vermeiden.
Drittens ist es im Allgemeinen schwierig, zur quantitativen Messung der verfügbaren Informationen in den Stimuli durch herkömmliche Verfahren erzeugt. Es wäre wünschenswert, um Objekten und Objektkategorien schaffen, wo die verfügbaren Informationen genau gemessen werden kann und, soweit erforderlich, systematisch manipuliert (oder "abgestimmten"). Dies erlaubt es, die Aufgabe zugrunde Erkennungsaufgaben quantitativ formulieren.
Hier beschreiben wir eine Reihe von Algorithmen oder Methoden, die alle drei der oben genannten Kriterien erfüllen. Virtuelle Morphogenese (VM) entwickelt neuartige, naturalistische virtuellen 3-D-Objekte als "digitale Embryonen durchSimulation der biologische Prozess der Embryogenese 14. Virtuelle Phylogenese (VP) entwickelt neuartige, naturalistische Objektkategorien durch Simulation den evolutionären Prozess der natürlichen Selektion 9,12,13. Objekte und Objektkategorien durch diese Simulationen erstellt wurden, können weiter durch verschiedene Morphing-Methoden manipuliert werden, um systematische Variationen der Formeigenschaften 15,16 generieren. Die VP und Morphing Methoden können auch angewendet werden, im Prinzip, um neue virtuelle Gegenstände als digitale Embryonen oder virtuellen Versionen von Objekten der realen Welt 9,13. Virtuelle Objekte auf diese Weise erstellt wurden, können als visuelle Bilder mit einem herkömmlichen grafischen Toolkit, mit dem gewünschten Manipulationen Oberflächenstruktur, Beleuchtung, Größe, Sicht-und Hintergrund gerendert werden. Die virtuellen Objekte können auch "gedruckt" werden als haptische Objekte mit einem herkömmlichen 3-D Prototypist.
Wir beschreiben auch einige Implementierungen dieser Rechenalgorithmen zu illus helfentrieren den potentiellen Nutzen der Algorithmen. Es ist wichtig, um die Algorithmen von deren Implementation unterscheiden. Die Implementierungen sind Demonstrationen ausschließlich als "proof of principle" der zugrunde liegenden Algorithmen angeboten. Es ist wichtig zu beachten, daß im allgemeinen eine Umsetzung eines Rechenalgorithmus oft Einschränkungen, dass der Algorithmus selbst nicht.
Zusammen repräsentieren diese Methoden eine Reihe von leistungsfähigen und flexiblen Tools für die Untersuchung Objekterkennung und perzeptuellen Lernen durch biologische und Rechensysteme gleichermaßen. Mit entsprechenden Erweiterungen, können diese Methoden auch als nützlich erweisen bei der Untersuchung der Morphogenese und Phylogenese.
Nützlichkeit der VM und VP in Cognitive Science Research
Wir haben zuvor die Nützlichkeit VM und VP im Detail l9 ,10,12-14 beschrieben. Kurz gesagt, ist VM, insbesondere die digitale Embryo Methodik, nützlich, weil es eine prinzipielle und flexible Methode für die Erstellung von Roman, aber naturalistischen 3-D Objekte 14 zur Verfügung stellt. Ähnlich stellt VP eine prinzipielle Methode zur Erstellung naturalistischen Kategorien 9,10,12,13. Es ist erwähnenswert, dass das Objekt Kategorien von VP teilen viele Eigenschaften mit Objektkategorien in der Natur, einschließlich der Tatsache, dass die Kategorien zu sein in der Natur hierarchische neigen, und die Funktion Schwankungen innerhalb und zwischen den Kategorien entstehen unabhängig von der Experimentator und die Algorithmen zur Klassifizierung generiert sie 39.
Aktuelle Einschränkungen und Future Directions
Drei aktuelle Grenzen unserer Protokoll und die Richtungen für die zukünftige Arbeit, die sie vorschlagen,Besonders hervorzuheben sind: Erstens, simulieren sowohl VM und VP biologische Prozesse. Während wir zeigen, dass nicht-biologische virtuelle Objekte als Substrate für diese Prozesse verwendet werden können, sind die zugrundeliegenden Prozesse noch biologisch motiviert. Allerdings natürliche Objekte – unterziehen Formveränderungen durch nicht-biologische Kräfte – biologischen und nicht-biologischen gleichermaßen. Zum Beispiel kann Felsen in Form durch geologische Prozesse wie Erosion oder Sedimentation ändern. Neue Kategorien von Rock kann von anderen derartigen geologischen Prozessen entstehen. Es sollte relativ einfach sein, diese Prozesse in das Repertoire der verfügbaren Formänderung Algorithmen integrieren.
Der zweite wichtige Einschränkung unseres Protokolls ist, dass seine aktuellen Repertoire der dynamischen Formänderungen eher begrenzt. Es ist wünschenswert, um eine größere Anordnung von Formveränderungen, wie biologische Bewegung oder Bewegungen durch externe Kräfte wie Wind, Wasser oder Schwerkraft zu integrieren. Wir erwarten, dass es will relativ einfach sein, um die bekannten Computer-Animation-Algorithmen tragen solche dynamische Form Änderungen zu implementieren.
Der dritte wichtige Einschränkung unserer Protokolls ist, dass VM derzeit nicht enthalten viele andere bekannte morphogenetischen Prozesse einschließlich, vor allem, Gastrulation 36. Es wird auch nicht einige bekannte Beschränkungen, wie beispielsweise die Tatsache, dass die Morphogenese in Pflanzen vollständig durch Wachstum vermittelt wird, mit wenig oder keiner Zellbewegung möglich, weil der Zellwände 36 einzuarbeiten. Ebenso übernimmt die VP keine anderen bekannten phylogenetischen Prozesse wie genetische Drift 40. Die Bewältigung dieser Einschränkungen würde sehr helfen, erleichtern die Nutzung unseres Protokolls in Entwicklungs-, ökologischen und evolutionären Simulationen.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde zum Teil von der US Army Research Laboratory und dem US Army Research Office Gewährung W911NF1110105 und NSF IOS-1147097to Jay Hegde unterstützt. Unterstützung wurde auch von einem Piloten Zuschuss zu Jay Hegde von der Vision Discovery Institute der Georgia Health Sciences University zur Verfügung gestellt. Daniel Kersten wurde durch Zuschüsse ONR N00014-05-1-0124 und NIH R01 EY015261 und teilweise durch WCU (World Class University) Programms durch das Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Technologie durch die National Research Foundation of Korea finanziert (R31-10008 unterstützt ). Karin Hauffen wurde von der Undergraduate Research Apprenticeship Program (Urap) der US-Armee unterstützt.
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. |