Wij beschrijven een nieuwe methodologie voor het creëren van naturalistische 3-D objecten en object categorieën met precies gedefinieerde functie variaties. We gebruiken simulaties van de biologische processen van morfogenese en de fylogenese om nieuwe, naturalistische virtuele 3-D objecten en object categorieën die vervolgens kan worden weergegeven als visuele beelden of haptische objecten te maken.
Om kwantitatief object perceptie te bestuderen, zij het waarneming door biologische systemen of door machines, moet men objecten en object categorieën te maken met precies definieerbare, bij voorkeur naturalistische, eigenschappen 1. Verder is het voor studies op perceptuele leren, is het nuttig om nieuwe objecten en object categorieën (of object klassen) maakt met zulke eigenschappen 2.
Veel innovatieve en nuttige technieken die momenteel bestaan voor het creëren van nieuwe objecten en object categorieën 3-6 (zie ook refs. 7,8). Echter algemeen de bestaande methoden drie grote categorieën tekortkomingen.
Eerst worden vormvariaties algemeen opgelegd door de experimentator 5,9,10 en kan daarom afwijken van de natuurlijke variabiliteit in categorieën en geoptimaliseerd voor een bepaald algoritme. Het zou wenselijk zijn om de variaties zich buiten de Externally opgelegd beperkingen.
Ten tweede, de bestaande methoden hebben moeite het vastleggen van de vorm complexiteit van natuurlijke objecten 11-13. Als het doel is het bestuderen object natuurlijke waarneming, is het wenselijk dat voorwerpen en objectcategorieën om naturalistic, om te voorkomen mogelijk verwart en speciale gevallen.
Ten derde is meestal moeilijk kwantitatief te meten de beschikbare informatie in de stimuli van conventionele methoden. Het zou wenselijk zijn om objecten en objectcategorieën creëren waarbij de beschikbare informatie nauwkeurig kan worden gemeten en eventueel systematisch gemanipuleerd (of "afgestemd"). Dit maakt het mogelijk om het onderliggende object herkenning taken te formuleren in kwantitatieve termen.
Hier beschrijven we een set van algoritmen, of methoden, die alle drie de bovengenoemde criteria voldoen. Virtual morfogenese (VM) creëert nieuwe, naturalistische virtuele 3-D objecten genaamd 'digitale embryo's' doorsimuleren het biologische proces van embryogenese 14. Virtual fylogenese (VP) creëert nieuwe, naturalistische object categorieën door simulatie van het evolutionaire proces van natuurlijke selectie 9,12,13. Objecten en object categorieën die door deze simulaties kan verder worden gemanipuleerd door verschillende morphing methoden om systematische variaties van vormkenmerken 15,16 genereren. De VP en morphing methoden kunnen ook worden toegepast in beginsel nieuwe virtuele objecten dan digitale embryo's of virtuele versies van echte objecten 9,13. Virtuele objecten die op deze manier kan worden weergegeven als visuele beelden met behulp van een conventionele grafische toolkit, met de gewenste manipulaties van oppervlakte textuur, verlichting, grootte, standpunt en achtergrond. De virtuele objecten kunnen ook worden 'geprint' als haptische objecten met behulp van een conventionele 3-D Prototyper.
We beschrijven ook een aantal implementaties van deze algoritmes te illus helpentrate het mogelijke nut van de algoritmen. Het is belangrijk om de algoritmen onderscheiden van hun implementaties. De implementaties zijn demonstraties uitsluitend aangeboden als een 'proof of principle' van de onderliggende algoritmen. Het is belangrijk op te merken dat in het algemeen vaak een implementatie van een computer-algoritme beperkingen die het algoritme zelf niet het geval is.
Samen vormen deze methoden vormen een set van krachtige en flexibele tools voor het bestuderen van object herkenning en perceptuele leren door biologische en computationele systemen gelijk. Met geschikte toestellen, kunnen deze methoden ook nuttig in de studie van morfogenese en fylogenese.
Nut van VM en VP in Cognitive Science Research
We hebben eerder beschreven het nut van VM en VP in detail L9 ,10,12-14. In het kort, VM, in het bijzonder de digitale embryo methodologie, is nuttig omdat het een principiële en flexibele methode voor het creëren van nieuwe, maar naturalistische 3-D objecten 14. Ook VP biedt een principiële manier van het creëren van naturalistische categorieën 9,10,12,13. Het is vermeldenswaard dat object categorieën gegenereerd door VP beschikken over diverse voorzieningen met object categorieën in de natuur, waaronder het feit dat de categorieën hebben de neiging om hiërarchische zijn in de natuur, en de functie variaties binnen en tussen categorieën ontstaan onafhankelijk van de experimentator en de algoritmes voor het classificeren van ze 39.
Huidige beperkingen en toekomstige richtingen
Drie huidige beperkingen van ons protocol en de aanwijzingen voor de toekomstige werkzaamheden ze suggererenzijn bijzonder opmerkelijk: Ten eerste, zowel VM en VP simuleren biologische processen. Hoewel we dat niet-biologische virtuele objecten kunnen worden gebruikt als substraten voor deze processen de onderliggende processen nog biologisch gemotiveerd. Echter, natuurlijke objecten – biologische en niet-biologische gelijk – ondergaan vormveranderingen als gevolg van niet-biologische krachten. Zo kan rotsen vormverandering door geologische processen zoals erosie of sedimentatie. Nieuwe categorieën van rock kan voortvloeien uit andere dergelijke geologische processen. Het moet betrekkelijk eenvoudig om deze processen te nemen in het repertoire van beschikbare vormverandering algoritmen.
De tweede belangrijke beperking van ons protocol is dat de huidige repertoire van dynamische vormveranderingen vrij beperkt. Het is wenselijk om een grotere reeks van vormveranderingen zoals biologische beweging of beweging als gevolg van uitwendige krachten zoals wind, water of zwaartekracht nemen. We verwachten dat het Will vrij makkelijk kunnen brengen aan de bekende computeranimatie algoritmes dragen aan dergelijke dynamische vorm veranderingen door te voeren.
De derde grote beperking van ons protocol is dat VM momenteel niet bevatten vele andere bekende morfogenetische processen zoals, met name, gastrulatie 36. Het evenmin te nemen enkele bekende beperkingen zoals dat morfogenese in planten volledig wordt gemedieerd door groei, met weinig of geen celbeweging mogelijk, omdat de celwanden 36. Zo ook maakt VP geen andere bekende fylogenetische processen zoals genetische drift 40. Het aanpakken van deze beperkingen zou enorm helpen vergemakkelijken van het gebruik van ons protocol in ontwikkeling, ecologische en evolutionaire simulaties.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd mede ondersteund door de US Army Research Laboratory en het Amerikaanse leger Bureau Onderzoek subsidie W911NF1110105 en NSF subsidie IOS-1147097to Jay Hegde. Ook is steun verleend door een pilot subsidie aan Jay Hegde van de Vision Discovery Institute van de Georgia Health Sciences University. Daniel Kersten werd ondersteund door subsidies ONR N00014-05-1-0124 en NIH R01 EY015261 en deels door WCU (World Class University) programma wordt gefinancierd door het Ministerie van Onderwijs, Wetenschap en Technologie door de National Research Foundation Korea (R31-10008 ). Karin Hauffen werd gesteund door de Undergraduate Research stageprogramma (URAP) van het Amerikaanse leger.
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. |