وصفنا منهجية جديدة لخلق طبيعي 3-D الكائنات والفئات الكائن مع وجود اختلافات ميزة محددة بدقة. نستخدم محاكاة العمليات البيولوجية وعلم تطور السلالات من التشكل لإنشاء وطبيعي رواية الظاهري الكائنات 3-D والفئات الكائن الذي يمكن بعد ذلك تقديم والصور المرئية أو كائنات لمسي.
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.
فائدة VM وVP المعرفي في بحوث العلوم
وقد وصفت في السابق كنا فائدة VM وVP بالتفصيل L9 ،10،12-14. لفترة وجيزة، VM، وخاصة المنهجية الجنين الرقمية، مفيد لأنه يوفر طريقة مرنة والمبدئي لإنشاء الرواية، ولكن طبيعي 3-D الكائنات 14. وبالمثل، VP يوفر طريقة المبدئي لخلق فئات طبيعي 9،10،12،13. تجدر الإشارة إلى أن الفئات التي تم إنشاؤها بواسطة كائن ميزات حصة VP مع العديد من فئات الكائن في الطبيعة، بما في ذلك حقيقة أن الفئات تميل إلى أن تكون هرمية في الطبيعة، والتغيرات ميزة داخل وعبر فئات تنشأ بشكل مستقل عن مجرب والخوارزميات لتصنيف منهم 39.
القيود الحالية والاتجاهات المستقبلية
ثلاث القيود الحالية من بروتوكول لدينا والاتجاهات للعمل في المستقبل يقترحونوتجدر الإشارة على وجه الخصوص: أولا، كل VM وVP محاكاة العمليات البيولوجية. في حين نعرض التي يمكن استخدامها غير البيولوجية الأشياء الافتراضية بمثابة ركائز لهذه العمليات، والعمليات الأساسية لا تزال دوافع بيولوجيا. ومع ذلك، الأشياء الطبيعية – البيولوجية وغير البيولوجية على حد سواء – تغيرات الشكل بسبب عدم البيولوجية القوات. على سبيل المثال، قد تتغير في شكل الصخور بسبب العمليات الجيولوجية مثل تآكل أو الترسيب. فئات جديدة قد تنشأ من الصخور الجيولوجية من العمليات الأخرى من هذا القبيل. ينبغي أن تكون واضحة نسبيا لإدراج هذه العمليات في جعبته من الخوارزميات المتاحة تغير الشكل.
القيد الرئيسي الثاني للبروتوكول لدينا هو أن يقتصر بدلا من ذخيرة الحالي يتغير شكل ديناميكي. من المستحسن أن يتم إدراج أكبر مجموعة من التغييرات الشكل، مثل حركة البيولوجية، أو الحركة بسبب قوى خارجية مثل المياه والرياح أو الجاذبية. نتوقع أنه فيلل تكون واضحة نسبيا إلى أن تمارس الحركة الكمبيوتر يعرف الخوارزميات لتنفيذ هذه التغييرات الشكل الديناميكي.
القيد الرئيسي الثالث من البروتوكول لدينا هو أن VM حاليا لا يتضمن العديد من العمليات الأخرى بما في ذلك تخلقية المعروفة، وعلى الأخص، تكون المعيدة 36. كما أنه لا يتضمن بعض القيود المعروفة، مثل حقيقة أن توسطت التشكل في النباتات بشكل كامل عن طريق النمو، مع حركة الخلايا قليلة أو معدومة ممكن، وذلك بسبب جدران الخلايا 36. وبالمثل، لا يتضمن VP غيرها من العمليات النشوء والتطور المعروفة مثل الانحراف الجيني 40. ومعالجة هذه القيود يساعد كثيرا تسهيل استخدام بروتوكول لدينا في المحاكاة والتنموية والبيئية التطورية.
The authors have nothing to disclose.
وأيد هذا العمل في جزء من مختبر أبحاث الجيش الأمريكي والجيش الأمريكي بحوث مكتب W911NF1110105 منحة ومنحة NSF-IOS 1147097to هغدة جاي. وقدمت أيضا الدعم من منحة رائد لهغدة جاي من معهد ديسكفري الرؤية من جامعة جورجيا العلوم الصحية. وأيد دانيال كيرستن من المنح ONR N00014-05-1-0124 وNIH R01 EY015261 والجزء الآخر من البرنامج (جامعة الدرجة العالم) WCU بتمويل من وزارة التعليم والعلوم والتكنولوجيا من خلال مؤسسة البحوث الوطنية لكوريا (R31-10008 ). كارين كان مدعوما من قبل برنامج Hauffen البحوث الجامعية التدريب المهني (URAP) من الجيش الأمريكي.
Name of toolkit/equipment | Company / Author | Catalogue # | コメント |
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. |