Descriviamo una nuova metodologia per la creazione di naturalistici oggetti 3-D e categorie di oggetti con variazioni tecniche definite con certezza. Usiamo simulazioni dei processi biologici di morfogenesi e filogenesi di creare nuovi, naturalistici oggetti virtuali in 3-D e categorie di oggetti che possono poi essere resi come immagini visive o oggetti tattili.
Al fine di studiare quantitativamente percezione dell'oggetto, sia la percezione di sistemi biologici o da macchine, si ha la necessità di creare oggetti e categorie oggetto con definibile con precisione, preferibilmente naturalistico, proprietà 1. Inoltre, per gli studi sull'apprendimento percettivo, è utile per creare oggetti nuovi e categorie di oggetti (o classi di oggetti) con tali proprietà 2.
Molti metodi innovativi e utili attualmente esistenti per la creazione di nuovi oggetti e categorie di oggetti 3-6 (vedi anche rif. 7,8). Tuttavia, in generale, i metodi esistenti hanno tre grandi tipi di carenze.
Primo, variazioni di forma sono generalmente imposto dallo sperimentatore 5,9,10, e può quindi essere diversa dalla variabilità categorie naturali, e ottimizzato per un particolare algoritmo di riconoscimento. Sarebbe desiderabile avere le variazioni sorgono indipendentemente EXTErnally imposto vincoli.
In secondo luogo, i metodi esistenti hanno difficoltà a catturare la complessità forma degli oggetti naturali 11-13. Se l'obiettivo è di studiare percezione naturale oggetto, è auspicabile che gli oggetti e le categorie oggetto da naturalistico, in modo da evitare possibili confonde e casi particolari.
Terzo, è generalmente difficile misurare quantitativamente le informazioni disponibili nei stimoli creati con metodi convenzionali. Sarebbe auspicabile creare oggetti e categorie oggetto quando le informazioni possono essere misurate con precisione e, se necessario, sistematicamente manipolato (o 'sintonizzato'). Questo permette di formulare le sottostanti compiti di riconoscimento degli oggetti in termini quantitativi.
Qui si descrive un insieme di algoritmi, o metodi, che soddisfano tutti e tre i criteri di cui sopra. Morfogenesi virtuale (VM) crea nuovi, naturalistici oggetti virtuali in 3-D chiamato 'embrioni digitali "dasimulando il processo biologico di embriogenesi 14. Filogenesi virtuale (VP) crea nuove categorie di oggetti naturalistici, simulando il processo evolutivo della selezione naturale 9,12,13. Gli oggetti e le categorie di oggetti creati da queste simulazioni possono essere ulteriormente manipolati da vari metodi di morphing per generare variazioni sistematiche delle caratteristiche di forma 15,16. Il VP e morphing metodi possono essere applicati, in linea di principio, a nuovi oggetti virtuali diversi embrioni digitali, o di versioni virtuali di oggetti del mondo reale 9,13. Oggetti virtuali creati in questo modo possono essere visualizzati come immagini visive utilizzando un toolkit grafico convenzionale, con manipolazioni desiderati di struttura della superficie, illuminazione, dimensioni, punto di vista e lo sfondo. Gli oggetti virtuali possono anche essere 'stampato' come oggetti tattili utilizzando un convenzionale 3-D prototyper.
Abbiamo anche descrivere alcune implementazioni di questi algoritmi computazionali per illuscentrare la potenziale utilità degli algoritmi. È importante distinguere gli algoritmi dalle rispettive implementazioni. Le implementazioni sono dimostrazioni offerti esclusivamente come una 'prova di principio' degli algoritmi sottostanti. È importante notare che, in generale, l'implementazione di un algoritmo di calcolo ha spesso limitazioni che l'algoritmo stesso non ha.
Insieme, questi metodi rappresentano una serie di strumenti potenti e flessibili per lo studio e il riconoscimento di oggetti di apprendimento percettivo dai sistemi biologici e computazionali simili. Con le estensioni del caso, questi metodi possono anche rivelarsi utili nello studio della morfogenesi e filogenesi.
Utilità di VM e VP in Cognitive Science Research
Abbiamo già descritto l'utilità di VM e VP in dettaglio l9 ,10,12-14. In breve, VM, in particolare la metodologia embrione digitale, è utile perché fornisce un metodo di principio e flessibile per la creazione di nuovi, ma naturalistiche oggetti 3-D 14. Allo stesso modo, VP fornisce un metodo di principio della creazione di categorie naturalistici 9,10,12,13. Vale la pena notare che le categorie di oggetti generate dalle funzionalità di parti VP con molte categorie di oggetti in natura, compreso il fatto che le categorie tendono ad essere di natura gerarchica, e le variazioni funzionalità all'interno e tra le categorie sorgere indipendentemente dello sperimentatore e gli algoritmi per la classificazione li 39.
Limiti attuali e le prospettive future
Tre attuali limiti del nostro protocollo e le indicazioni per il lavoro futuro suggerisconosono particolarmente significativi: in primo luogo, sia VM e VP simulare processi biologici. Mentre mostriamo che oggetti virtuali non biologici possono essere utilizzati come substrato per questi processi, i processi sottostanti sono ancora biologicamente motivati. Tuttavia, gli oggetti naturali – biologici e non biologici allo stesso modo – subiscono cambiamenti di forma a causa di non biologici forze. Per esempio, le rocce possono cambiare forma a causa di processi geologici come l'erosione o sedimentazione. Nuove categorie di roccia può derivare da altri tali processi geologici. Dovrebbe essere relativamente semplice per incorporare questi processi nel repertorio di algoritmi disponibili cambiare forma.
La seconda limitazione principale del nostro protocollo è che il suo repertorio attuale di cambiamenti di forma dinamica è piuttosto limitata. È opportuno inserire un array più grande di variazioni di forma, come il movimento biologico, o movimento causa di forze esterne come vento, acqua o gravità. Ci aspettiamo che la will essere relativamente semplice per far valere i noti algoritmi di computer animation per attuare tali cambiamenti di forma dinamica.
La terza limitazione principale del nostro protocollo è che VM attualmente non include molti altri processi morfogenetici noti tra cui, in particolare, gastrulazione 36. Inoltre non riesce a includere alcuni vincoli noti, come il fatto che la morfogenesi nelle piante è mediata interamente dalla crescita, con movimento cellulare poco o nessun possibile, a causa delle pareti cellulari 36. Allo stesso modo, VP non include altri processi filogenetici noti come la deriva genetica 40. Affrontare queste limitazioni sarebbe di grande aiuto facilitare l'uso del nostro protocollo in sviluppo, simulazioni ecologiche ed evolutive.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato in parte finanziato dal US Army Research Laboratory e l'US Army Research Office concessione W911NF1110105 e NSF concessione IOS-1147097to Jay Hegde. Il sostegno è stato fornito anche da una borsa di studio pilota per Jay Hegde dalla scoperta Vision Institute of Health Sciences dell'Università della Georgia. Daniel Kersten stato sostenuto dalle concessioni ONR N00014-05-1-0124 e NIH R01 EY015261 e in parte da WCU (World Class University) programma finanziato dal Ministero dell'Istruzione, della Scienza e della tecnologia attraverso la Fondazione Nazionale di Ricerca di Corea (R31-10008 ). Karin Hauffen è stato sostenuto dal Corso di Laurea apprendistato di ricerca (URAP) dell'esercito degli Stati Uniti.
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. |