تصور التكيف البصرية
Summary
توضح هذه المقالة طريقة جديدة لمحاكاة ودراسة التكيف في النظام البصري.
Abstract
وقد تم تطوير العديد من التقنيات لتصور كيف ستظهر صورة لفرد مع حساسية بصرية مختلفة: على سبيل المثال، بسبب خلافات البصرية أو العمر، أو نقص اللون أو المرض. يصف هذا البروتوكول تقنية لدمج التكيف الحسي في المحاكاة. ويوضح البروتوكول مع المثال من رؤية اللون، ولكن لا ينطبق بشكل عام على أي شكل من أشكال التكيف البصري. يستخدم بروتوكول نموذج بسيط من رؤية اللون الإنسان على أساس الافتراضات القياسية ومعقولة حول لون الشبكية وآليات القشرية التشفير وكيف يمكن لهذه ضبط حساسيتها للكل من متوسط اللون ومجموعة من الألوان في التحفيز السائدة. يتم تكييفها مكاسب الآليات بحيث يتم مساواته لهم يعني استجابة تحت إطار واحد لسياق مختلف. المحاكاة تساعد في الكشف عن حدود نظرية التكيف وتوليد "الصور تكييفها" أن تتم مطابقة الأمثل لبيئى معيننمت أو مراقب. وهي توفر أيضا مقياسا مشتركا لاستكشاف آثار التكيف داخل مختلف المراقبين أو في بيئات مختلفة. إن توصيف الإدراك البصري والأداء مع هذه الصور يوفر أداة جديدة لدراسة وظائف ونتائج التكيف على المدى الطويل في الرؤية أو الأنظمة الحسية الأخرى.
Introduction
ما قد تبدو العالم مثل للآخرين، أو إلى أنفسنا ونغير؟ الأجوبة على هذه الأسئلة مهمة بشكل أساسي لفهم طبيعة وآليات الإدراك والعواقب المترتبة على كل من تغيرات طبيعية والسريرية في الترميز الحسي. وقد تم تطوير مجموعة واسعة من التقنيات والنهج لمحاكاة كيفية ظهور الصور للأفراد مع الحساسيات بصرية مختلفة. على سبيل المثال، وتشمل هذه المحاكاة من الألوان التي يمكن أن يكون هناك تمييز من قبل أنواع مختلفة من أوجه القصور لون 1، 2، 3، 4، والاختلافات المكانية واللونية التي يمكن حلها من قبل الأطفال الرضع أو المراقبين السن 5، 6، 7، 8، 9 ، كيفية ظهور الصور في الرؤية المحيطية <s حتى الطبقة = "XREF"> 10، والنتائج المترتبة على الأخطاء البصرية أو المرض 11 و 12 و 13 و 14. كما تم تطبيقها لتصور التمييز التي من الممكن بالنسبة للأنواع الأخرى 15 و 16 و 17. عادة، مثل هذه المحاكاة استخدام قياسات الخسائر حساسية في مختلف قطاعات السكان لتصفية صورة وبالتالي تقليل أو إزالة هيكل لديهم صعوبة في رؤية. على سبيل المثال، الأشكال الشائعة للعمى الألوان تعكس فقدان واحد من اثنين من المستقبلات الضوئية الحساسة لموجات متوسطة أو طويلة، والصور التي تمت تصفيتها لإزالة إشاراتها عادة تظهر يخلو من الأشكال "المحمر مخضر" 1. وبالمثل، والأطفال الرضع لديهم حدة الفقيرة، وبالتالي فإن الصور المجهزة للحساسية المكانية خفضت من تظهر ضبابية . و "> 5 هذه التقنيات توفر الرسوم التوضيحية التي لا تقدر بثمن ما يمكن أن يرى شخص واحد لا آخر قد ومع ذلك، لم يفعلوا ذلك – وغالبا ما لا يقصد بها – تصوير التجربة الحسية الفعلية للمراقب، وفي بعض الحالات قد تحريف كمية وأنواع المعلومات المتاحة للمراقب.
توضح هذه المقالة تقنية جديدة وضعت لمحاكاة الاختلافات في التجربة البصرية الذي يتضمن سمة أساسية من الترميز البصري – التكيف 18 و 19. جميع الأنظمة الحسية والحركية ضبط باستمرار لسياق ما يتعرضون له. A رائحة نفاذة في غرفة يتلاشى بسرعة، في حين تتسع رؤية لكيفية مشرق أو تعتيم الغرفة. الأهم من ذلك، تحدث هذه التعديلات ما يقرب من أي سمة من الحوافز، بما في ذلك التصورات "رفيع المستوى" مثل خصائص وجه شخص ما 20،الطبقة = "XREF"> 21 أو لهم صوت 22 و 23، وكذلك معايرة الأوامر الحركية قدم عند تحريك العينين أو الوصول لكائن 24 و 25. في الواقع، من المرجح أن يكون التكيف خاصية أساسية من المعالجة العصبية كلها تقريبا. توضح هذه الورقة كيفية دمج هذه الآثار التكيف في محاكاة مظهر من الصور، التي أساسا "التكيف مع صورة" للتنبؤ كيف يمكن ان تظهر لمراقب معين في ظل حالة محددة للتكيف 26، 27، 28، 29. يمكن لعوامل كثيرة يغير حساسية مراقب، ولكن يمكن التكيف غالبا ما تعوض عن جوانب مهمة من هذه التغييرات، حتى يتسنى للخسائر الحساسية هي أقل ظهورا مما كان متوقعا من دون افتراض أن نظام يتكيف. على العكس من ذلك، لالتكيف يضبط حساسية وفقا للسياق التحفيز الحالي، هذه التعديلات مهمة لدمج للتنبؤ بكيفية تختلف كثيرا التصور عندما تختلف البيئة أيضا.
ويوضح البروتوكول التالية تقنية عن طريق تكييف محتوى اللون من الصور. رؤية لون له ميزة أن المراحل الأولية العصبية من لون الترميز مفهومة جيدا نسبيا، وكذلك أنماط التكيف 30. الآليات والتعديلات الفعلية معقدة ومتنوعة، ولكن النتائج الرئيسية للتكيف يمكن تصويرها باستخدام بسيطة ونموذج من مرحلتين التقليدية (الشكل 1A). في المرحلة الأولى، يتم ترميز الإشارات اللونية في البداية من قبل ثلاثة أنواع من المستقبلات الضوئية مخروط التي تعتبر حساسة الحد الأقصى لموجات قصيرة، متوسطة أو طويلة (S، M، L والمخاريط). في المرحلة الثانية، يتم الجمع بين الإشارات من المخاريط مختلفة داخل الخلايا بعد receptoral لتشكيل "لون الخصم" تشاnnels التي تتلقى مدخلات العدائية من المخاريط مختلفة (وبالتالي ينقل "لون" المعلومات)، وقنوات "غير الخصم" أن ألخص معا المدخلات مخروط (وبالتالي الترميز "سطوع" المعلومات). يحدث التكيف في كل المراحل، ويعدل إلى جانبين مختلفين من لون – المتوسط (في المخاريط) والفرق (في القنوات بعد receptoral) 30، 31. الهدف من المحاكاة هو تطبيق هذه التعديلات على آليات نموذج ومن ثم تقديم صورة من مخرجاتها تكييفها.
عملية التكيف الصور تتضمن ستة مكونات رئيسية. هذه هي 1) اختيار الصور. 2) اختيار شكل أطياف الصورة؛ 3) تحديد التغير في لون البيئة؛ 4) تحديد تغيير في حساسية مراقب؛ 5) باستخدام برنامج لإنشاء الصور تكييفها. و6) باستخدام صور لتقييم الآثار المترتبة على التكيف. تيانه التالية تعتبر كل من هذه الخطوات بالتفصيل. وتتضح ردود نموذج وآلية أساسية في الشكل 1، في حين أن الأرقام 2-5 أمثلة تظهر الصور المقدمة مع هذا النموذج.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوضح البروتوكول يتضح كيف آثار التكيف مع التغير في البيئة أو المراقب يمكن تصويرها في الصور. شكل هذا التصوير يأخذ سوف تعتمد على الافتراضات لنموذج – على سبيل المثال، كيف يتم ترميز اللون، وكيف يمكن للآليات الترميز الاستجابة والتكيف. وهكذا فإن أهم خطوة هي تحديد على نموذج ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
بدعم من المعاهد الوطنية للصحة (NIH) منحة EY-10834.
Materials
| Computer |
| Images to adapt |
| Programming language (e.g. Visual Basic or Matlab) |
| Program for processing the images |
| Observer spectral sensitivities (for applications involving observer-specific adaptation) |
| Device emmission spectra (for device-dependent applications) |
References
- Vienot, F., Brettel, H., Ott, L., Ben M’Barek, A., Mollon, J. D. What do colour-blind people see?. Nature. 376, 127-128 (1995).
- Brettel, H., Vienot, F., Mollon, J. D. Computerized simulation of color appearance for dichromats. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis. 14, 2647-2655 (1997).
- Flatla, D. R., Gutwin, C. So that’s what you see: building understanding with personalized simulations of colour vision deficiency. Proceedings of the 14th international ACM SIGACCESS conference on Computers and accessibility. , 167-174 (2012).
- Machado, G. M., Oliveira, M. M., Fernandes, L. A. A physiologically-based model for simulation of color vision deficiency. IEEE Trans. Vis. Comput. Graphics. 15, 1291-1298 (2009).
- Teller, D. Y. First glances: the vision of infants. the Friedenwald lecture. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 38, 2183-2203 (1997).
- Ball, L. J., Pollack, R. H. Simulated aged performance on the embedded figures test. Exp. Aging Res. 15, 27-32 (1989).
- Sjostrom, K. P., Pollack, R. H. The effect of simulated receptor aging on two types of visual illusions. Psychon Sci. 23, 147-148 (1971).
- Lindsey, D. T., Brown, A. M. Color naming and the phototoxic effects of sunlight on the eye. Psychol Sci. 13, 506-512 (2002).
- Raj, A., Rosenholtz, R. What your design looks like to peripheral vision. Proceedings of the 7th Symposium on Applied Perception in Graphics and Visualization. , 88-92 (2010).
- Perry, J. S., Geisler, W. S. Gaze-contingent real-time simulation of arbitrary visual fields. International Society for Optics and Photonics: Electronic Imaging. , 57-69 (2002).
- Vinnikov, M., Allison, R. S., Swierad, D. Real-time simulation of visual defects with gaze-contingent display. Proceedings of the 2008 symposium on Eye tracking research. , 127-130 (2008).
- Hogervorst, M. A., van Damme, W. J. M. Visualizing visual impairments. Gerontechnol. 5, 208-221 (2006).
- Aguilar, C., Castet, E. Gaze-contingent simulation of retinopathy: some potential pitfalls and remedies. Vision res. 51, 997-1012 (2011).
- Rowe, M. P., Jacobs, G. H. Cone pigment polymorphism in New World monkeys: are all pigments created equal?. Visual neurosci. 21, 217-222 (2004).
- Rowe, M. P., Baube, C. L., Loew, E. R., Phillips, J. B. Optimal mechanisms for finding and selecting mates: how threespine stickleback (Gasterosteus aculeatus) should encode male throat colors. J. Comp. Physiol. A Neuroethol. Sens. Neural. Behav. Physiol. 190, 241-256 (2004).
- Melin, A. D., Kline, D. W., Hickey, C. M., Fedigan, L. M. Food search through the eyes of a monkey: a functional substitution approach for assessing the ecology of primate color vision. Vision Res. 86, 87-96 (2013).
- Webster, M. A. Adaptation and visual coding. J vision. 11 (5), 1-23 (2011).
- Webster, M. A. Visual adaptation. Annu Rev Vision Sci. 1, 547-567 (2015).
- Webster, M. A., Kaping, D., Mizokami, Y., Duhamel, P. Adaptation to natural facial categories. Nature. 428, 557-561 (2004).
- Webster, M. A., MacLeod, D. I. A. Visual adaptation and face perception. Philos. Trans. R. Soc. Lond., B, Biol. Sci. 366, 1702-1725 (2011).
- Schweinberger, S. R., et al. Auditory adaptation in voice perception. Curr Biol. 18, 684-688 (2008).
- Yovel, G., Belin, P. A unified coding strategy for processing faces and voices. Trends cognit sci. 17, 263-271 (2013).
- Shadmehr, R., Smith, M. A., Krakauer, J. W. Error correction, sensory prediction, and adaptation in motor control. Annu rev neurosci. 33, 89-108 (2010).
- Wolpert, D. M., Diedrichsen, J., Flanagan, J. R. Principles of sensorimotor learning. Nat rev Neurosci. 12, 739-751 (2011).
- McDermott, K., Juricevic, I., Bebis, G., Webster, M. A., Rogowitz, B. E., Pappas, T. N. Human Vision and Electronic Imaging. SPIE. 68060, (2008).
- Juricevic, I., Webster, M. A. Variations in normal color vision. V. Simulations of adaptation to natural color environments. Visual neurosci. 26, 133-145 (2009).
- Webster, M. A., Juricevic, I., McDermott, K. C. Simulations of adaptation and color appearance in observers with varying spectral sensitivity. Ophthalmic Physiol Opt. 30, 602-610 (2010).
- Webster, M. A. Probing the functions of contextual modulation by adapting images rather than observers. Vision res. , (2014).
- Webster, M. A. Human colour perception and its adaptation. Network: Computation in Neural Systems. 7, 587-634 (1996).
- Webster, M. A., Mollon, J. D. Colour constancy influenced by contrast adaptation. Nature. 373, 694-698 (1995).
- Brainard, D. H., Stockman, A., Bass, M. . OSA Handbook of Optics. , 10-11 (2010).
- Maloney, L. T. Evaluation of linear models of surface spectral reflectance with small numbers of parameters. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis. 3, 1673-1683 (1986).
- Mizokami, Y., Webster, M. A. Are Gaussian spectra a viable perceptual assumption in color appearance?. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis. 29, A10-A18 (2012).
- Chichilnisky, E. J., Wandell, B. A. Photoreceptor sensitivity changes explain color appearance shifts induced by large uniform backgrounds in dichoptic matching. Vision res. 35, 239-254 (1995).
- Boehm, A. E., MacLeod, D. I., Bosten, J. M. Compensation for red-green contrast loss in anomalous trichromats. J vision. 14, (2014).
- Regan, B. C., Mollon, J. D., Cavonius, C. R. . Colour Vision Deficiencies. Vol. XIII. , 261-270 (1997).
- Carandini, M., Heeger, D. J. Normalization as a canonical neural computation. Nature reviews. Neurosci. 13, 51-62 (2011).
- Rieke, F., Rudd, M. E. The challenges natural images pose for visual adaptation. Neuron. 64, 605-616 (2009).
- Hardy, J. L., Frederick, C. M., Kay, P., Werner, J. S. Color naming, lens aging, and grue: what the optics of the aging eye can teach us about color language. Psychol sci. 16, 321-327 (2005).
- Webster, M. A., Mollon, J. D. Adaptation and the color statistics of natural images. Vision res. 37, 3283-3298 (1997).
- Webster, M. A., Mizokami, Y., Webster, S. M. Seasonal variations in the color statistics of natural images. Network. 18, 213-233 (2007).
- Sagi, D. Perceptual learning in Vision Research. Vision res. , (2011).
- Lu, Z. L., Yu, C., Watanabe, T., Sagi, D., Levi, D. Perceptual learning: functions, mechanisms, and applications. Vision res. 50, 365-367 (2009).
- Bavelier, D., Green, C. S., Pouget, A., Schrater, P. Brain plasticity through the life span: learning to learn and action video games. Annu rev neurosci. 35, 391-416 (2012).
- Kompaniez, E., Abbey, C. K., Boone, J. M., Webster, M. A. Adaptation aftereffects in the perception of radiological images. PloS one. 8, e76175 (2013).
- Ross, H. . Behavior and Perception in Strange Environments. , (1974).
- Armann, R., Jeffery, L., Calder, A. J., Rhodes, G. Race-specific norms for coding face identity and a functional role for norms. J vision. 11, 9 (2011).
- Oruc, I., Barton, J. J. Adaptation improves discrimination of face identity. Proc. R. Soc. A. 278, 2591-2597 (2011).
- Kording, K. P., Tenenbaum, J. B., Shadmehr, R. The dynamics of memory as a consequence of optimal adaptation to a changing body. Nature neurosci. 10, 779-786 (2007).
- Neitz, J., Carroll, J., Yamauchi, Y., Neitz, M., Williams, D. R. Color perception is mediated by a plastic neural mechanism that is adjustable in adults. Neuron. 35, 783-792 (2002).
- Delahunt, P. B., Webster, M. A., Ma, L., Werner, J. S. Long-term renormalization of chromatic mechanisms following cataract surgery. Visual neurosci. 21, 301-307 (2004).
- Bao, M., Engel, S. A. Distinct mechanism for long-term contrast adaptation. Proc Natl Acad Sci USA. 109, 5898-5903 (2012).
- Kwon, M., Legge, G. E., Fang, F., Cheong, A. M., He, S. Adaptive changes in visual cortex following prolonged contrast reduction. J vision. 9 (2), 1-16 (2009).
- Webster, M. A., Elliott, A., Fairchild, M. D., Franklin, A. . Handbook of Color Psychology. , 197-215 (2015).
