Se describe una nueva metodología para la creación de naturalistas objetos 3-D y categorías de objetos con variaciones de características definidas con precisión. Utilizamos simulaciones de los procesos biológicos de la morfogénesis y la filogénesis de crear nuevos, naturalistas objetos virtuales en 3-D y las categorías de objetos que pueden ser representados como imágenes visuales u objetos táctiles.
Para estudiar cuantitativamente la percepción de objetos, ya sea por la percepción de los sistemas biológicos o por las máquinas, se necesita para crear objetos y categorías de objetos con precisión definible, preferiblemente naturalista, propiedades 1. Además, los estudios sobre el aprendizaje perceptual, es útil para crear objetos nuevos y categorías de objetos (o clases de objetos) con tales propiedades 2.
Muchos métodos innovadores y útiles existen en la actualidad para la creación de nuevos objetos y categorías de objetos 3-6 (ver también las refs. 7,8). Sin embargo, en términos generales, los métodos existentes tienen tres grandes tipos de deficiencias.
En primer lugar, variaciones de forma son generalmente impuesta por el experimentador 5,9,10, y por lo tanto puede ser diferente de la variabilidad en categorías naturales, y optimizado para un algoritmo de reconocimiento particular. Sería deseable tener las variaciones surgen independientemente de la externally impuso restricciones.
En segundo lugar, los métodos existentes tienen dificultad para captar la complejidad forma de los objetos naturales 11-13. Si el objetivo es el estudio de la percepción del objeto natural, es deseable que los objetos y las categorías de objetos a ser naturalista, a fin de evitar posibles factores de confusión y casos especiales.
En tercer lugar, generalmente es difícil de medir cuantitativamente la información disponible en los estímulos creados por métodos convencionales. Sería deseable crear objetos y categorías de objetos donde la información disponible puede medirse con precisión y, en caso necesario, sistemáticamente manipulado (o 'sintonizado'). Esto permite formular las tareas de reconocimiento de objetos subyacentes en términos cuantitativos.
Aquí se describe un conjunto de algoritmos, o métodos, que cumplen los tres criterios anteriores. Morfogénesis virtual (VM) crea nuevas, naturalistas objetos virtuales en 3-D llamados «embriones digitales" porsimulando el proceso biológico de la embriogénesis 14. Filogénesis Virtual (VP) crea nuevas categorías, objeto naturalistas simulando el proceso evolutivo de la selección natural 9,12,13. Objetos y categorías de objetos creados por estas simulaciones puede ser manipulado por varios métodos de morphing para generar variaciones sistemáticas de características de forma 15,16. El VP y morphing métodos también se pueden aplicar, en principio, a nuevos objetos virtuales que no sean embriones digitales, o para versiones virtuales de los objetos del mundo real 9,13. Objetos virtuales creados de esta manera se puede representar como imágenes visuales usando un conjunto de herramientas gráficas convencionales, con manipulaciones deseadas de textura de la superficie, iluminación, tamaño, punto de vista y el fondo. Los objetos virtuales también se pueden 'impreso' como objetos táctiles que utilizan un sistema convencional de 3-D prototyper.
También se describen algunas implementaciones de estos algoritmos computacionales para ayudar a illustrar la utilidad potencial de los algoritmos. Es importante distinguir los algoritmos de sus implementaciones. Las implementaciones son demostraciones ofrecen sólo como una "prueba de principio" de los algoritmos subyacentes. Es importante señalar que, en general, una implementación de un algoritmo computacional a menudo tiene limitaciones que el propio algoritmo no tiene.
Juntos, estos métodos representan un conjunto de herramientas potentes y flexibles para estudiar el reconocimiento de objetos y el aprendizaje perceptual por los sistemas biológicos y computacionales por igual. Con las extensiones apropiadas, estos métodos también pueden ser útiles en el estudio de la morfogénesis y la filogénesis.
Utilidad de la VM y VP de Investigación en Ciencia Cognitiva
Anteriormente hemos descrito la utilidad de VM y VP en detalle l9 ,10,12-14. Brevemente, VM, especialmente la metodología embrión digital, es útil porque proporciona un método basado en principios y flexible para crear novela, pero naturalistas objetos 3-D 14. Del mismo modo, VP proporciona un método basado en principios de la creación de categorías naturalistas 9,10,12,13. Vale la pena señalar que las categorías de objetos generados por comparten características con muchas VP categorías de objetos en la naturaleza, incluyendo el hecho de que las categorías tienden a ser de naturaleza jerárquica, y las variaciones de características dentro ya través de categorías surgir independientemente del experimentador y los algoritmos de clasificación ellos 39.
Limitaciones actuales y direcciones futuras
Tres actuales limitaciones de nuestro protocolo y las instrucciones para el trabajo futuro, sugierenson particularmente notables: en primer lugar, tanto VM y VP simular procesos biológicos. Aunque se muestra que no biológicos objetos virtuales pueden ser utilizados como sustratos para estos procesos, los procesos subyacentes siguen siendo biológicamente motivados. Sin embargo, los objetos naturales – biológicos y no biológicos por igual – someterse a cambios en la forma, debido a la no-biológicos fuerzas. Por ejemplo, las rocas pueden cambiar de forma debido a procesos geológicos como la erosión o sedimentación. Nuevas categorías de roca puede surgir de otros procesos geológicos tales. Debería ser relativamente fácil de incorporar estos procesos en el repertorio de los algoritmos disponibles cambian de forma.
La segunda limitación importante de nuestro protocolo es que su repertorio actual de cambios de forma dinámica es bastante limitado. Es deseable incorporar una mayor variedad de cambios en la forma, tales como el movimiento biológico, o movimiento debido a fuerzas externas, como el viento, el agua o la gravedad. Esperamos que duraranl ser relativamente fácil de hacer valer los algoritmos informáticos conocidos de animación para implementar dichos cambios de forma dinámica.
La tercera limitación importante de nuestro protocolo es que VM actualmente no incluye muchos otros conocidos procesos morfogenéticos incluyendo, en particular, la gastrulación 36. También falla en incorporar algunas limitaciones conocidas, tales como el hecho de que la morfogénesis en plantas está mediada completamente por el crecimiento, con el movimiento de células poco o ningún posible, debido a las paredes celulares 36. De manera similar, VP no se incluyen otros procesos filogenéticos conocidos como la deriva genética 40. Para abordar estas limitaciones sería de gran ayuda facilitar el uso de nuestro protocolo en las simulaciones de desarrollo, ecológicos y evolutivos.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado en parte por el Ejército de los EE.UU. Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE.UU. y la Oficina de Investigación y W911NF1110105 subvención NSF subvención IOS-1147097to Hegde Jay. También se prestó apoyo de una subvención piloto para Jay Hegde del Instituto Visión Descubrimiento de la Georgia Health Sciences University. Daniel Kersten fue apoyado por becas ONR N00014-05-1-0124 y NIH R01 EY015261 y en parte por WCU (World Class University) programa financiado por el Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (R31-10008 ). Karin Hauffen fue apoyada por el Programa de Investigación de Pregrado Aprendizaje (URAP) del Ejército de los EE.UU..
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. |