Nous décrivons une nouvelle méthodologie pour la création de naturalistes objets 3-D et des catégories d'objets avec des variations de caractéristiques bien définies. Nous utilisons des simulations de processus biologiques de la morphogenèse et la phylogenèse pour créer de nouveaux objets virtuels, naturalistes 3-D et des catégories d'objets qui peuvent ensuite être rendus sous forme d'images visuelles ou des objets haptiques.
Afin d'étudier quantitativement la perception des objets, qu'il s'agisse de la perception par les systèmes biologiques ou par des machines, il est nécessaire de créer des objets et des catégories d'objets avec précision définissable, de préférence naturaliste, les propriétés 1. En outre, des études sur l'apprentissage perceptif, il est utile de créer de nouveaux objets et catégories d'objets (ou classes d'objets) avec de telles propriétés 2.
Beaucoup de méthodes novatrices et utiles existent actuellement pour créer de nouveaux objets et catégories d'objets 3-6 (voir aussi refs. 7,8). Cependant, en général, les méthodes existantes trois grands types de défauts.
Tout d'abord, les variations de forme sont généralement imposées par l'expérimentateur 5,9,10, et peut donc être différente de la variabilité des catégories naturelles, et optimisé pour un algorithme de reconnaissance particulière. Il serait souhaitable que les variations surviennent indépendamment de l'externally imposé des contraintes.
Deuxièmement, les méthodes existantes ont du mal à saisir la complexité forme des objets naturels 11-13. Si l'objectif est d'étudier la perception des objets naturels, il est souhaitable que les objets et les catégories d'objets à être naturaliste, afin d'éviter les possibles facteurs de confusion et de cas particuliers.
Troisièmement, il est généralement difficile de mesurer quantitativement l'information disponible dans les stimuli créés par des méthodes conventionnelles. Il serait souhaitable de créer des objets et des catégories d'objets où l'information disponible peut être mesuré avec précision et, le cas échéant, systématiquement manipulé (ou «accordé»). Cela permet de formuler les tâches de reconnaissance d'objets sous-jacents en termes quantitatifs.
Nous décrivons ici un ensemble d'algorithmes ou méthodes qui correspondent aux trois critères ci-dessus. Morphogenèse virtuelle (VM) crée de nouveaux naturalistes, des objets virtuels en 3-D appelés «embryons numériques» parsimulant le processus biologique de l'embryogenèse 14. Virtual phylogenèse (VP) crée de nouvelles catégories d'objets naturalistes, en simulant le processus évolutif de la sélection naturelle 9,12,13. Les objets et les catégories d'objets créés par ces simulations peut être manipulé par diverses méthodes de morphing de générer des variations systématiques des caractéristiques de forme 15,16. Le vice-président et morphing méthodes peuvent également être appliquées, en principe, à de nouveaux objets virtuels autres que les embryons numériques, ou des versions virtuelles de objets du monde réel 9,13. Les objets virtuels créés de cette manière peuvent être rendus sous forme d'images visuelles à l'aide d'une boîte à outils graphique classique, avec des manipulations souhaitées de texture de la surface, l'éclairage, la taille, points de vue et de fond. Les objets virtuels peuvent également être «imprimé» comme des objets tactiles en utilisant un classique 3-D prototypeur.
Nous décrivons également certaines implémentations de ces algorithmes de calcul pour aider illustrer l'utilité potentielle des algorithmes. Il est important de distinguer les algorithmes de leurs implémentations. Les implémentations sont des démonstrations offertes uniquement comme une «preuve de principe» des algorithmes sous-jacents. Il est important de noter que, en général, une implémentation d'un algorithme de calcul ont souvent des limites que l'algorithme lui-même ne possède pas.
Ensemble, ces méthodes représentent un ensemble d'outils puissants et flexibles pour l'étude de la reconnaissance d'objets et de l'apprentissage perceptif par les systèmes biologiques et informatiques ressemblent. Avec les extensions appropriées, ces méthodes peuvent également s'avérer utiles dans l'étude de la morphogenèse et la phylogenèse.
Utilité des VM et VP de la recherche en sciences cognitives
Nous avons déjà décrit l'utilité de VM et VP en détail l9 ,10,12-14. En bref, VM, en particulier la méthodologie embryon numérique, est utile car elle fournit une méthode fondée sur des principes et flexible pour la création de roman, mais naturalistes objets 3-D 14. De même, VP fournit une méthode fondée sur des principes de créer des catégories naturalistes 9,10,12,13. Il est à noter que les catégories d'objets générés par VP partagent des caractéristiques avec de nombreuses catégories d'objets dans la nature, y compris le fait que les catégories ont tendance à être de nature hiérarchique, et les variations de caractéristiques à l'intérieur et entre les catégories de survenir indépendamment de l'expérimentateur et les algorithmes de classification les 39.
Limitations actuelles et orientations futures
Trois limites actuelles de notre protocole et les orientations pour les travaux futurs, ils suggèrentsont particulièrement remarquables: d'abord, à la fois VM et VP simuler des processus biologiques. Bien que nous montrent que les non-biologiques des objets virtuels peuvent être utilisés comme substrats pour ces processus, les processus sous-jacents sont encore biologiquement motivé. Cependant, les objets naturels – biologiques et non biologiques semblables – subissent des changements de forme en raison de non-biologiques forces. Par exemple, les roches peuvent changer de forme en raison de processus géologiques tels que l'érosion ou de la sédimentation. De nouvelles catégories de roche peut résulter de ces autres processus géologiques. Il devrait être relativement simple d'intégrer ces processus dans le répertoire des algorithmes disponibles changer de forme.
La deuxième limitation majeure de notre protocole est que son répertoire actuel de changements de forme dynamique est plutôt limitée. Il est souhaitable d'incorporer un plus grand éventail de changements de forme, telles que le mouvement biologique, ou le mouvement dû à des forces extérieures telles que le vent, l'eau ou la gravité. Nous nous attendons à ce qu'il will être relativement simple à mettre à profit les algorithmes connus d'animation par ordinateur pour mettre en œuvre ces changements de forme dynamiques.
La troisième limite importante de notre protocole est que VM ne prend actuellement pas inclure de nombreux autres processus morphogénétiques connus, y compris, notamment, la gastrulation 36. Elle omet également d'intégrer des contraintes connues, telles que le fait que la morphogénèse des plantes est médiée entièrement par la croissance, avec le mouvement des cellules peu ou pas possible, car des 36 parois cellulaires. De la même manière, vice-président ne comprend pas les autres processus phylogénétiques connus tels que la dérive génétique 40. S'attaquer à ces limitations aiderait grandement faciliter l'utilisation de notre protocole en développement, les simulations écologiques et évolutifs.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu en partie par le Laboratoire de recherche de l'armée américaine et l'US Army Research Office subvention W911NF1110105 et NSF subvention IOS 1147097to Jay Hegde. Soutien a également été apporté par une subvention pilote de Jay Hegde de l'Institut de la Vision Découverte de l'Université Georgia sciences de la santé. Daniel Kersten a été financée par des subventions de l'ONR N00014-05-1-0124 et NIH R01 EY015261 et en partie par WCU (World Class University) financé par le Ministère de l'éducation, de la science et de la technologie par le biais de la Fondation Nationale de la Recherche de Corée (R31-10008 ). Karin Hauffen a été soutenu par le Programme d'apprentissage en recherche de premier cycle (URAP) de l'armée américaine.
Name of toolkit/equipment | Company / Author | Catalogue # | Yorumlar |
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. |