Vi beskriver en ny metode til at skabe naturalistiske 3-D objekter og objekt kategorier med præcist definerede funktion variationer. Vi bruger simuleringer af de biologiske processer i morfogenese og phylogenesen at skabe nye, naturalistiske virtuelle 3-D objekter og objekter kategorier, der derefter kan leveres som visuelle billeder eller haptiske objekter.
For at kvantitativt studere objekt opfattelse, hvad enten det opfattelsen af biologiske systemer eller af maskiner, er man nødt til at oprette objekter og objekt kategorier med netop definerbar, fortrinsvis naturalistiske, ejendomme 1. Desuden er der for undersøgelser af perceptuel læring, er det nyttigt at skabe nye objekter og objekt kategorier (eller objekt klasser) med sådanne egenskaber 2.
Mange innovative og nyttige metoder i øjeblikket eksisterer for at skabe nye objekter og objekt kategorier 3-6 (se også ref. 7,8). Men generelt de nuværende metoder er tre typer mangler.
Først form variationer generelt pålagt af forsøgslederen 5,9,10, og kan derfor være forskellig fra variation i naturlige kategorier, og optimeret til en særlig anerkendelse algoritme. Det ville være ønskeligt at have variationer opstår uafhængigt af externally pålagt begrænsninger.
For det andet kan de eksisterende metoder har svært ved at fange formen kompleksiteten af naturlige objekter 11-13. Hvis målet er at studere naturlig objekt opfattelse, er det ønskeligt for objekter og objekter kategorier skal naturalistiske, for at undgå eventuelle forvirrer og særlige tilfælde.
For det tredje er det generelt vanskeligt at kvantitativt at måle den tilgængelige information i de stimuli skabt af konventionelle fremgangsmåder. Det ville være ønskeligt at oprette objekter og objekt kategorier, hvor de tilgængelige oplysninger kan måles nøjagtigt og, hvor det er nødvendigt, systematisk manipuleret (eller 'tunet'). Dette gør det muligt at formulere de underliggende objektdetektering opgaver i kvantitative termer.
Her beskriver vi et sæt algoritmer eller fremgangsmåder, der opfylder alle tre af de ovennævnte kriterier. Virtual morfogenese (VM) skaber nye, naturalistiske virtuelle 3-D genstande såkaldte »digitale embryoner« vedsimulerer den biologiske proces embryogenese 14. Virtual phylogenesen (VP) skaber nye, naturalistiske objekt kategorier ved at simulere den evolutionære proces med naturlig udvælgelse 9,12,13. Objekter og objekt kategorier skabt af disse simuleringer kan manipuleres yderligere ved forskellige morphing metoder til at generere systematiske variationer af form egenskaber 15,16. VP og morphing metoder kan også anvendes i princippet til nye virtuelle andre objekter end digitale embryoner, eller til virtuelle udgaver af virkelige objekter 9,13. Virtuelle objekter, der oprettes på denne måde kan gøres som visuelle billeder ved hjælp af en konventionel grafisk toolkit, med ønskede manipulationer af overfladestruktur, belysning, størrelse, synspunkter og baggrund. De virtuelle objekter kan også "printet" som haptiske objekter med en konventionel 3-D Prototyper.
Vi beskriver også nogle implementeringer af disse beregningsmæssige algoritmer til at illukoncentrere den potentielle anvendelighed af algoritmerne. Det er vigtigt at skelne de algoritmer fra deres implementeringer. De implementeringer er demonstrationer, der tilbydes udelukkende som en "proof of principle 'af de underliggende algoritmer. Det er vigtigt at bemærke, at der generelt er en implementering af et beregningsmæssige algoritme ofte har begrænsninger, at algoritmen ikke selv har.
Sammen disse metoder udgør et sæt af kraftfulde og fleksible værktøjer til at studere objekt genkendelse og perceptuelle læring ved hjælp af biologiske og beregningsmæssige systemer ens. Med passende udvidelser, kan disse fremgangsmåder også være nyttige i studiet af morfogenese og phylogenesen.
Nytten af VM og VP i kognitiv videnskab Research
Vi har tidligere beskrevet nytten af VM og VP i detaljer l9 ,10,12-14. Kort fortalt VM, især den digitale embryo metoden, er nyttigt, fordi det giver en principfast og fleksibel metode til at skabe roman, men naturalistiske 3-D genstande 14. Tilsvarende VP giver en principiel metode til at skabe naturalistiske kategorier 9,10,12,13. Det er værd at bemærke, at objekt kategorier genereret af VP deler mange træk med objekt kategorier i naturen, herunder det faktum, at de kategorier tendens til at være hierarkisk i naturen, og funktionen variationer inden for og på tværs af kategorier opstår uafhængigt af forsøgslederen og de algoritmer for at klassificere dem 39.
Aktuelle Begrænsninger og fremtidige retninger
Tre nuværende begrænsninger i vores protokol og de retninger for det fremtidige arbejde, de foreslårer særligt bemærkelsesværdige: For det første, både VM og VP simulere biologiske processer. Mens vi viser, at ikke-biologiske virtuelle objekter kan bruges som substrater for disse processer, de underliggende processer er stadig biologisk motiveret. Men naturlige objekter – biologiske og ikke-biologiske både – undergår formændringer på grund af ikke-biologiske kræfter. For eksempel kan sten ændrer form på grund af geologiske processer såsom erosion eller sedimentation. Nye kategorier af sten kan opstå fra andre sådanne geologiske processer. Det bør være relativt enkelt at inkorporere disse processer i repertoire af tilgængelige formændring algoritmer.
Den anden større begrænsning af vores protokol er, at den nuværende repertoire af dynamiske formændringer er ret begrænset. Det er ønskeligt at inkorporere et større array af formændringer, såsom biologiske bevægelse, eller bevægelse på grund af ydre kræfter, såsom vind, vand eller tyngdekraft. Vi forventer, at det will være forholdsvis ligetil at bringe til at bære de kendte computeranimation algoritmer til at gennemføre sådanne dynamiske formændringer.
Den tredje store begrænsning af vores protokol er, at VM i øjeblikket ikke omfatter mange andre kendte morfogenetiske processer, herunder, især, gastrulation 36. Det kan heller ikke optage nogle kendte begrænsninger, såsom at morfogenese i planter medieres udelukkende af vækst, med lille eller ingen cellebevægelse muligt, fordi cellevæggene 36. Heller ikke VP ikke andre kendte fylogenetiske processer såsom genetisk drift 40. Håndtering af disse begrænsninger ville hjælpe i høj grad lette brugen af vores protokol i udviklingsmæssige, økologiske og evolutionære simuleringer.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet delvist af den amerikanske hær Research Laboratory og den amerikanske hær Research Office tilskud W911NF1110105 og NSF tilskud IOS-1147097to Jay Hegdé. Der blev også leveret af en pilot tilskud til Jay Hegdé fra Vision Discovery Institute of Georgia Health Sciences University. Daniel Kersten blev støttet af tilskud onr N00014-05-1-0124 og NIH R01 EY015261 og dels ved WCU (World Class University) program finansieret af Ministeriet for Uddannelse, Videnskab og Teknologi gennem National Research Foundation of Korea (R31-10008 ). Karin Hauffen blev støttet af Undergraduate Research elevprogram (URAP) i den amerikanske hær.
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. |