אנו מתארים מתודולוגיה חדשנית ליצירת אובייקטים 3-D נטורליסטי וקטגוריות אובייקט עם וריאציות תכונה הוגדרו במדויק. אנו משתמשים בסימולציות של התהליכים הביולוגיים של המורפוגנזה ותולדות גזע ליצירת אובייקטים חדשים, נטורליסטי וירטואליים 3-D וקטגוריות אובייקט כי אז יכול להיות שניתנו כדימויים חזותיים או אובייקטי Haptic.
In order to quantitatively study object perception, be it perception by biological systems or by machines, one needs to create objects and object categories with precisely definable, preferably naturalistic, properties1. Furthermore, for studies on perceptual learning, it is useful to create novel objects and object categories (or object classes) with such properties2.
Many innovative and useful methods currently exist for creating novel objects and object categories3-6 (also see refs. 7,8). However, generally speaking, the existing methods have three broad types of shortcomings.
First, shape variations are generally imposed by the experimenter5,9,10, and may therefore be different from the variability in natural categories, and optimized for a particular recognition algorithm. It would be desirable to have the variations arise independently of the externally imposed constraints.
Second, the existing methods have difficulty capturing the shape complexity of natural objects11-13. If the goal is to study natural object perception, it is desirable for objects and object categories to be naturalistic, so as to avoid possible confounds and special cases.
Third, it is generally hard to quantitatively measure the available information in the stimuli created by conventional methods. It would be desirable to create objects and object categories where the available information can be precisely measured and, where necessary, systematically manipulated (or ‘tuned’). This allows one to formulate the underlying object recognition tasks in quantitative terms.
Here we describe a set of algorithms, or methods, that meet all three of the above criteria. Virtual morphogenesis (VM) creates novel, naturalistic virtual 3-D objects called ‘digital embryos’ by simulating the biological process of embryogenesis14. Virtual phylogenesis (VP) creates novel, naturalistic object categories by simulating the evolutionary process of natural selection9,12,13. Objects and object categories created by these simulations can be further manipulated by various morphing methods to generate systematic variations of shape characteristics15,16. The VP and morphing methods can also be applied, in principle, to novel virtual objects other than digital embryos, or to virtual versions of real-world objects9,13. Virtual objects created in this fashion can be rendered as visual images using a conventional graphical toolkit, with desired manipulations of surface texture, illumination, size, viewpoint and background. The virtual objects can also be ‘printed’ as haptic objects using a conventional 3-D prototyper.
We also describe some implementations of these computational algorithms to help illustrate the potential utility of the algorithms. It is important to distinguish the algorithms from their implementations. The implementations are demonstrations offered solely as a ‘proof of principle’ of the underlying algorithms. It is important to note that, in general, an implementation of a computational algorithm often has limitations that the algorithm itself does not have.
Together, these methods represent a set of powerful and flexible tools for studying object recognition and perceptual learning by biological and computational systems alike. With appropriate extensions, these methods may also prove useful in the study of morphogenesis and phylogenesis.
תועלת של VM וסמנכ"ל מחקר במדעים קוגניטיביים
כבר תארנו בעבר את התועלת של VM וסמנכ"ל בפירוט L9 ,10,12-14. בקצרה, VM, במיוחד המתודולוגיה העובר הדיגיטלית, הוא שימושי משום שהיא מספקת שיטה עקרונית וגמישה ליצירת רומן, אבל אובייקטים נטורליסטי 3-D 14. בדומה לכך, הסמנכ"ל מספק שיטה עקרונית של יצירת קטגוריות נטורליסטי 9,10,12,13. ראוי לציין כי קטגוריות אובייקט שנוצרו על ידי תכונות רבות לשתף עם סמנכ"ל קטגוריות אובייקטים בטבע, כולל את העובדה שהקטגוריות נוטות להיות היררכי בטבע, ואת וריאציות התכונה בתוך ברחבי קטגוריות מתעוררות באופן עצמאי של הנסיין ואת האלגוריתמים לסיווג 39.
מגבלות נוכחיות וכיוונים עתידיים
שלוש מגבלות נוכחיות של הפרוטוקול שלנו ואת ההנחיות לעבודה בעתיד הם מציעותראוי לציון מיוחד: ראשית, שניהם VM וסמנכ"ל לדמות תהליכים ביולוגיים. בעוד אנו מראים כי חפצים וירטואליים שאינם ביולוגיים יכולים לשמש כמצעים לתהליכים אלו, התהליכים הבסיסיים עדיין מונעים מבחינה ביולוגית. עם זאת, אובייקטים טבעיים – ביולוגיים ושאינם ביולוגיים כאחד – לעבור שינויי צורה בשל כוחות שאינם ביולוגיים. למשל, סלעים עשויים להשתנות בצורה עקב תהליכים גיאולוגיים כגון שחיקה או שקיעה. קטגוריות חדשות של רוק עשויות לנבוע מתהליכים גיאולוגיים אחרים כאלה. זה צריך להיות פשוט יחסית כדי לשלב את התהליכים האלה ברפרטואר של אלגוריתמים לשנות את הצורה זמינות.
המגבלה העיקרית השנייה של הפרוטוקול שלנו היא שהרפרטואר הנוכחי של שינויי צורה דינמיות הוא מוגבל למדי. רצוי לשלב מגוון גדול יותר של שינויי צורה, כגון תנועה ביולוגית, או תנועה בשל כוחות חיצוניים, כגון רוח, מים או כוח הכביד. אנו מצפים שזה wilאני יהיה פשוט יחסית להביא לשאת את אלגוריתמי אנימצית המחשב הידוע ליישם שינויי צורה דינמיות כאלה.
המגבלה העיקרית השלישית של הפרוטוקול שלנו היא VM שכרגע אינו כולל תהליכים רבים אחרים ידועים המוךפו"גנטי כולל, בעיקר, gastrulation 36. זה גם לא מצליח לשלב כמה מגבלות ידועות, כגון עובדה שהמורפוגנזה בצמחים מתווכת כולו על ידי גידול, עם מעט או ללא תנועת תא אפשרית, בגלל קירות התא 36. בדומה לכך, הסמנכ"ל אינו כולל תהליכי פילוגנטי ידועים אחרים כגון סחיפה גנטית 40. בהתייחסו המגבלות האלה תהיינה מאוד לעזור להקל על השימוש בפרוטוקול שלנו בסימולציות התפתחותיים, אקולוגיות והאבולוציוני.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה בחלקו על ידי הצבא האמריקאי במעבדת המחקר ומחקר צבא משרד מענק W911NF1110105 ארה"ב והמענק NSF IOS-1147097to ג'יי Hegdé. תמיכה גם מסופקת על ידי מענק טייס לג'יי Hegdé מחזון מכון דיסקברי של ג'ורג'יה הבריאות באוניברסיטת המדעים. דניאל קרסטן נתמך על ידי מענקי ONR N00014-05-1-0124 וNIH R01 EY015261 ובחלקו על ידי תכנית WCU (World Class אוניברסיטה) ממומנת על ידי משרד חינוך, מדע והטכנולוגיה באמצעות קרן המחקר הלאומי של קוריאה (R31-10008 ). קארין Hauffen נתמך על ידי תכנית המחקר לתואר הראשונה חניכות (URAP) של צבא ארה"ב.
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. |