Мы описываем новую методологию для создания натуралистических 3-D объектов и объектов категории с точно определенными изменениями функции. Мы используем моделирования биологических процессов морфогенеза и филогенеза для создания новых, натуралистической виртуальные 3-D объектов и объектов категории, которая затем может быть вынесено как визуальные образы или тактильные объекты.
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.
Полезность В. М. и В. П. в когнитивной науке исследований
Ранее мы уже описали полезности В. М. и В. П. подробно L9 ,10,12-14. Короче говоря, В.М., особенно цифровой методологии эмбриона, является полезной, поскольку она обеспечивает принципиальную и гибкий способ создания романа, но натуралистическая 3-D объектов 14. Кроме того, В. П. обеспечивает принципиальную метод создания натуралистических категорий 9,10,12,13. Стоит отметить, что объект категорий, порожденных В. П. разделяют многие черты с объектом категорий в природе, в том числе тот факт, что категории, как правило, иерархический характер, и функция изменения внутри и между категориями возникают независимо от экспериментатора и алгоритмы для классификации их 39.
Текущие ограничения и будущие направления
Три существующие ограничения нашего протокола и направления будущей работы, которую они предлагаютследует особо отметить: Во-первых, как В. М. и В. П. моделирования биологических процессов. В то время как мы покажем, что небиологических виртуальные объекты могут быть использованы в качестве субстратов для этих процессов, основные процессы по-прежнему биологически мотивированной. Тем не менее, природных объектов – биологических и небиологических так – пройти изменения формы из-за не-биологических сил. Например, горные породы может измениться в форму за счет геологических процессов, таких как эрозия или седиментации. Новые категории породы могут возникнуть от других подобных геологических процессов. Он должен быть относительно простым, чтобы включить эти процессы в репертуар доступных алгоритмах изменение формы.
Второе серьезное ограничение нашего протокола является то, что текущий репертуар динамического изменения формы весьма ограничен. Желательно включать более широкий круг изменения формы, такие как биологические движения, движения за счет внешних сил, таких, как энергия ветра, воды или тяжести. Мы ожидаем, что она Вильл быть относительно простым, чтобы пустить в ход известные алгоритмы компьютерной анимации для реализации таких динамических изменений формы.
Третьим основным ограничением нашего протокола является то, что VM в настоящее время не включают в себя много других известных морфогенетических процессов, включая, прежде всего, гаструляции 36. Он также не включает некоторые известные ограничения, например, тот факт, что в морфогенезе растений опосредована исключительно за счет роста, с небольшим или без клеточного движения возможны, потому клеточных стенок 36. Кроме того, вице-президент не включает другие известные процессы филогенетического таких как генетический дрейф 40. Решение этих ограничений позволит значительно облегчить использование нашего протокола в области развития, экологического и эволюционного моделирования.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была частично поддержана армией США и Научно-исследовательской лаборатории армии США Research Office грант W911NF1110105 и NSF гранта IOS-1147097to Jay Hegde. Была также оказана поддержка пилотом грант Jay Hegde от видения Discovery института Джорджии университета медицинских наук. Даниэль Керстен была поддержана грантами ONR N00014-05-1-0124 и NIH R01 EY015261 и частично WCU (World Class Университет) программы, финансируемой Министерством образования, науки и технологий через Национальный научный фонд Корея (R31-10008 ). Карин Hauffen была поддержана программа студенческого профессиональное исследований (URAP) армии США.
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. |