Bestudering van de effecten van natuurlijke visuele scèneveranderingen op de typische visuele perceptie van volwassenen

Achtergrond

De natuurlijke visuele omgeving is vaak complex, met een enkele visuele scène die een grote verscheidenheid aan stimuli bevat. Deze prikkels kunnen snel en vaak veranderen. Om de zaken nog ingewikkelder te maken, kan de gedragsrelevantie van een bepaalde stimulus of visueel kenmerk ook op elk moment veranderen. Visuele perceptie in realistisch complexe visuele omgevingen vereist de constante extractie van taakrelevante stimulusinformatie uit een overvloed aan irrelevante informatie. Begrijpen hoe taakrelevante informatie wordt gebruikt om gedrag te sturen in de context van constant veranderende, feature-rijke visuele omgevingen is een belangrijk onderdeel van het begrijpen van perceptie. Dit kan met name het geval zijn als het visuele systeem evolutionair is geoptimaliseerd om te presteren in realistisch complexe omgevingen waarin de gedragsrelevante stimulus of functie snel en vaak kan veranderen.

Het doel van deze studie is om de overkoepelende voorspelling te onderzoeken dat het visuele systeem is geoptimaliseerd om visuele informatie op een gegeneraliseerde manier te extraheren die flexibel is voor de grote verscheidenheid aan voortdurend veranderende visuele kenmerken die men tegenkomt in natuurlijke omgevingen. In het bijzonder zal deze studie de hypothese testen dat, in de context van realistisch complexe natuurlijke scènes, taak-irrelevante visuele kenmerkvariabiliteit een negatieve invloed heeft op het vermogen van deelnemers om het visuele kenmerk te onderscheiden dat relevant is voor de betreffende taak.

methoden

Deelnemers

De experimentele protocollen zijn goedgekeurd door de University of Pennsylvania Institutional Review Board. Deelnemers zullen worden uitgenodigd om vrijwillig deel te nemen aan dit onderzoek. Deelnemers geven geïnformeerde toestemming. Om er zeker van te zijn dat de deelnemers aan de geschiktheidscriteria voldoen, worden ze voorafgaand aan het experiment geïnterviewd en vullen ze een enquête in. Ook voorafgaand aan het experiment zullen ze worden gescreend op gezichtsscherpte met behulp van een Snellen-ooggrafiek en op kleurafwijkingen met behulp van de Ishihara-plaattest. Ze worden voorafgaand aan het experiment uitgesloten als hun best gecorrigeerde gezichtsscherpte in beide ogen slechter is dan 20/40 of als ze fouten maken bij de Ishihara-plaattest.

Voor ingeschreven deelnemers wordt hun drempel voor horizontale positiediscriminatie (in een controleconditie zonder enige taak-irrelevante variabiliteit; zie Sessieorganisatie hieronder voor details) berekend op basis van hun prestaties op de experimentele taak tijdens hun eerste sessie. Deelnemers worden uitgesloten na afloop van hun eerste sessie als hun horizontale positie-discriminatiedrempel in de controleconditie hoger is dan een maximale waarde van 0,6 graden visuele hoek, en deelnemers die op dit moment worden uitgesloten, zullen niet deelnemen aan verdere experimentele sessies. Indien zeer weinig ingeschreven deelnemers aan dit criterium voldoen, wordt deze maximale drempelwaarde voor deelname verhoogd. In het geval dat de maximale drempelwaarde voor opname wordt verhoogd, worden deelnemers die eerder waren uitgesloten niet opnieuw opgenomen in het experiment posthoc.

Inrichting

Een gekalibreerde LCD-kleurenmonitor (27-inch NEC MultiSync PA271Q QHD Color Critical Desktop W-LED-monitor met SpectraView Engine; NEC Display Solutions) zal worden gebruikt om de stimuli weer te geven in een verder donkere kamer, nadat de deelnemers zich in het experimentele donker hebben aangepast ruimte voor minimaal 5 minuten. De monitor wordt aangestuurd met een pixelresolutie van 1920 x 1080, met een verversingssnelheid van 60 Hz en met 8-bits resolutie voor elk RGB-kanaal. De hostcomputer voor deze monitor is een Apple Macintosh met een Intel Core i7-processor. De hoofdpositie van elke deelnemer wordt gestabiliseerd met behulp van een kinkom (Headspot, UHCOTech, Houston, TX). De ogen van de deelnemer worden horizontaal en verticaal gecentreerd ten opzichte van de monitor. De afstand tussen de ogen van de deelnemer en de monitor is 75 cm. De deelnemer voert zijn antwoorden in met behulp van een Logitech F310 gamepad-controller.

prikkels

Alle stimuli zijn varianten van dezelfde natuurlijke visuele scène: een vierkant beeld (met een visuele hoek van 8 graden in zowel de breedte als de hoogte), waarin een centraal object (een banaan, met een visuele hoek van ongeveer 4 graden in de hoogte) is gepresenteerd op een ongeveer cirkelvormige reeks overlappende achtergrondobjecten (die ongeveer 5 graden visuele hoek insluiten en bestaan ​​uit overlappende takken en bladeren). Het centrale object (de banaan) en/of de zogenaamde "achtergrondobjecten" (de takken en bladeren) veranderen in horizontale positie, rotatie en/of diepte bij verschillende stimuli. Het centrale object en de achtergrondobjecten worden gepresenteerd in de context van andere objecten die nooit over verschillende stimuli bewegen (een rotsrichel, een skyline en drie met mos bedekte stronken).

De natuurlijke visuele scène is gemaakt met behulp van Blender, een open-source 3D-creatiesuite (https://www.blender.org, versie 2.81a). Het centrale object en/of de achtergrondobjecten werden in horizontale positie, rotatie en/of diepte verplaatst om verschillende stimuli te creëren met behulp van iset3d, een open-source softwarepakket (https://github.com/ISET/iset3d) dat werkt met een aangepaste versie van pbrt (https://github.com/mmp/pbrt-v3). De afbeeldingen zijn gemaakt met behulp van iset3d met een resolutie van 1920 x 1920 met 100 samples per pixel, op 31 golflengten met gelijke tussenafstanden tussen 400 nm en 700 nm.

De afbeeldingen gemaakt met iset3d zijn geconverteerd naar RGB-afbeeldingen met behulp van aangepaste software (Natural Image Thresholds; https://github.com/AmyMNi/NaturalImageThresholds) geschreven met behulp van MATLAB (MathWorks; Natick, MA) en gebaseerd op het softwarepakket Virtual World Color Constancy (github.com/BrainardLab/VirtualWorldColorConstancy). Natural Image Thresholds is afhankelijk van routines van de Psychophysics Toolbox (http://psychtoolbox.org), iset3d (https://github.com/ISET/iset3d), en isetbio (http://psychtoolbox.org). Om een ​​hyperspectrale afbeelding gemaakt met behulp van iset3d om te zetten in een RGB-afbeelding voor presentatie op de gekalibreerde monitor, werden de hyperspectrale afbeeldingsgegevens eerst gebruikt om LMS-kegelexcitaties te berekenen. Vervolgens werden de LMS-kegelexcitaties geconverteerd naar een metameer weergegeven beeld in de RGB-kleurruimte van de monitor, op basis van de monitorkalibratiegegevens. Het RGB-beeld werd gamma-gecorrigeerd met behulp van een gemeenschappelijke schaling die alle RGB-beelden in de stimulusset in het weergavegamma van de monitor bracht.

De stimuli worden gepresenteerd op de gekalibreerde monitor in de context van de psychofysische taak. De stimuli worden gepresenteerd op een uniforme grijze achtergrond (~100 cd/m^2), die gedurende de experimentele sessie op de monitor wordt weergegeven.

Psychofysische taak

Een psychofysische taak zal worden gebruikt om het vermogen van deelnemers te meten om de horizontale positie van het centrale object te onderscheiden dat wordt gepresenteerd in de context van achtergrondobjecten in een natuurlijke visuele scène. De taak zal een gedwongen-keuzetaak met twee intervallen zijn die één stimulus per interval presenteert. Elk interval heeft een duur van 250 ms. Elke stimulus wordt gepresenteerd in het midden van de monitor. Tussen de twee stimulusintervallen worden achtereenvolgens twee maskers in het midden van de monitor weergegeven. Elk masker wordt gepresenteerd voor een duur van 400 ms, voor een totaal interstimulusinterval van 800 ms (zie Sessie-organisatie hieronder voor maskerdetails).

De taak van de deelnemer zal zijn om te bepalen of, vergeleken met het centrale object gepresenteerd in het eerste interval, het centrale object gepresenteerd in het tweede interval links of rechts is. Na de twee intervallen heeft de deelnemer een onbeperkte hoeveelheid tijd om op een van de twee responsknoppen op de gamepad te drukken (de trigger linksboven om aan te geven dat het centrale object in het tweede interval zich links bevond, de trigger rechtsboven om aan te geven dat het rechts was). Een van de twee feedbacktonen wordt weergegeven nadat het antwoord is ingevoerd, om aan te geven of de deelnemer correct of incorrect was. Voor pogingen waarbij er geen verschil is in de positie van het centrale object tussen de twee intervallen, wordt de respons die de juiste feedbacktoon krijgt, willekeurig gekozen per poging. De pogingen worden gescheiden door een interval van ongeveer 1 seconde.

De experimentele programma's zijn te vinden in het maatwerk softwarepakket Natural Image Thresholds (https://github.com/AmyMNi/NaturalImageThresholds). Ze zijn geschreven in MATLAB (MathWorks; Natick, MA) en waren gebaseerd op het softwarepakket Virtual World Color Constancy (github.com/BrainardLab/VirtualWorldColorConstancy). Ze vertrouwen op routines uit de Psychophysics Toolbox (http://psychtoolbox.org) en mgl (http://justingardner.net/doku.php/mgl/overview).

Sessie organisatie

De verwachting is dat deelnemers dit pilot-experiment in zes sessies zullen afronden. De eerste sessie omvat inschrijvingsprocedures voor deelnemers (geïnformeerde toestemming, zichttesten, enz.; zie Deelnemers hierboven voor details) evenals gewenningsproeven (zie volgende paragraaf) en zal ongeveer anderhalf uur duren. De tweede tot en met de zesde sessie zullen elk ongeveer een uur duren.

In de eerste sessie, voorafgaand aan het begin van de taak, krijgt de deelnemer taakinstructies en krijgt hij de gelegenheid om te oefenen met het indrukken van de antwoordknoppen. Alleen voor de eerste sessie begint de deelnemer met 30 gewenningsproeven. De gewenningsproeven zullen in volgorde omvatten: 10 willekeurig geselecteerde gemakkelijke proeven (de grootste positieveranderingsvergelijkingen), 10 willekeurig geselecteerde middelzware proeven (de 4de en 5de grootste positieveranderingsvergelijkingen), en 10 willekeurig geselecteerde proeven van alle mogelijke positie-verandering vergelijkingen. De gewenningsproeven zullen geen taak-irrelevante variabiliteit bevatten. Gegevens van de gewenningsproeven worden niet bewaard. Na de kennismakingsproeven is er een pauze waarin de deelnemer de gelegenheid krijgt om eventuele vragen te stellen. De pauze eindigt wanneer de deelnemer aangeeft klaar te zijn (door middel van een druk op de knop) en het experiment begint.

In elke sessie zijn er twee voorwaarden: "voorwaarde" verwijst naar de referentiepositie van het centrale object. Voor elke referentiepositie zijn er 11 "vergelijkingsposities" voor het centrale object: vijf vergelijkingsposities in de positieve horizontale richting, vijf vergelijkingsposities in de negatieve horizontale richting en een vergelijkingspositie van 0 betekent geen verandering. In elke proef bevat het ene interval een referentiestimulus en het andere interval een van de vergelijkingsstimuli van die referentiestimulus. De volgorde waarin deze twee stimuli binnen een proef worden gepresenteerd, wordt per proef willekeurig gekozen.

Een "blok" van trials zal bestaan ​​uit 2 condities en 11 vergelijkingen per conditie, voor een totaal van 22 trials. De proeven binnen een blok worden in willekeurige volgorde uitgevoerd. Een blok wordt voltooid voordat het volgende blok met proeven begint. Er zullen 14 iteraties van een blok zijn, voor een totaal van 308 proeven.

Deze set van 308 proeven vormt een enkel "ruisniveau". Een enkele sessie bestaat uit drie geluidsniveaus: Geluidsniveau 0, Geluidsniveau 1 en Geluidsniveau 2. De proeven voor elk geluidsniveau worden verdeeld in twee "runs" (154 proeven per run). Elke run zal dus een enkel geluidsniveau bevatten. De zes runs worden per sessie in willekeurige volgorde gelopen. Elke run wordt gescheiden door een pauze van minimaal een minuut en waarin de deelnemer wordt geïnstrueerd om te staan ​​​​of uit te rekken als dat nodig is. Elke pauze eindigt wanneer de deelnemer aangeeft klaar te zijn (door middel van een druk op de knop).

In alle zes runs zullen er in totaal 924 proeven zijn. Bovendien begint elke sessie met vier oefenpogingen (inclusief de eerste experimentele sessie, die wordt voorafgegaan door gewenningsproeven zoals hierboven beschreven). Elke sessie omvat ook een oefenproef na elk van de vijf pauzes. Elke oefenproef wordt willekeurig gekozen uit de reeks eenvoudige proeven (hierboven beschreven) en bevat geen taak-irrelevante variabiliteit. De gegevens van de oefenproeven worden niet bewaard. Inclusief de negen oefentrials zijn er in totaal 933 trials per sessie.

Voor geluidsniveau 0 zijn er geen wijzigingen in de achtergrondobjecten (de takken en bladeren). Geluidsniveau 0 zal de controlevoorwaarde zijn en zal worden gebruikt om de drempel van de deelnemer te bepalen voor het onderscheiden van de horizontale positie van het centrale object zonder enige taak-irrelevante stimulusruis. Geluidsniveaus 1 en 2 worden gebruikt om de drempel van de deelnemer te bepalen voor het onderscheiden van de horizontale positie van het centrale object in de aanwezigheid van taak-irrelevante stimulusruis.

Geluidsniveau 1 zal bestaan ​​uit taak-irrelevante ruis in een enkele taak-irrelevante eigenschap: rotatie. Een taak-irrelevante rotatiehoeveelheid zal afzonderlijk op elke stimulus worden toegepast. Voor elke stimulus wordt willekeurig een enkele rotatiehoeveelheid getrokken uit een pool van 51 rotatiehoeveelheden, en de achtergrondobjecten in de stimulus worden allemaal geroteerd met die rotatiehoeveelheid. De hoeveelheid rotatie wordt afzonderlijk getrokken (willekeurig met vervanging) voor elk van de twee stimuli die in een proef worden gepresenteerd (de stimulus voor de referentiepositie en de stimulus voor de vergelijkingspositie). De verzameling van 51 rotatiehoeveelheden zal bestaan ​​uit: één rotatiehoeveelheid van nul (geen verandering aan de achtergrondobjecten), 25 rotatiehoeveelheden met gelijke tussenruimten in de richting van de klok mee en 25 rotatiehoeveelheden op gelijke afstanden tegen de klok in.

Geluidsniveau 2 zal bestaan ​​uit taak-irrelevante ruis in twee taak-irrelevante kenmerken: rotatie en diepte. Voor geluidsniveau 2 is er ook een pool van 51 geluidshoeveelheden, maar elke geluidshoeveelheid in de pool zal bestaan ​​uit zowel een rotatiehoeveelheid (dezelfde 51 rotatiehoeveelheden als in geluidsniveau 1) en een dieptehoeveelheid. Er zijn 51 mogelijke dieptehoeveelheden (één dieptehoeveelheid van nul, 25 dieptehoeveelheden op gelijke afstand in de positierichting en 25 dieptehoeveelheden op gelijke afstand in de negatieve richting). Voor de Noise Level 2-pool van 51 ruishoeveelheden, zal een van de ruishoeveelheden bestaan ​​uit een rotatiehoeveelheid van nul en een dieptehoeveelheid van nul. Voor de resterende 50 ruishoeveelheden in de pool, wordt elk van de resterende 50 rotatiehoeveelheden willekeurig toegewezen (zonder vervanging) aan een van de resterende 50 dieptehoeveelheden. Uit deze Lawaainiveau 2-pool van 51 ruishoeveelheden wordt willekeurig een enkele ruishoeveelheid getrokken (met vervanging) voor elk van de twee stimuli in een proef afzonderlijk.

Ten slotte zullen, zoals hierboven vermeld (zie Psychofysische taak), tijdens het interstimulusinterval twee maskers per poging worden getoond. Alle maskers over alle geluidsniveaus worden getrokken uit dezelfde verdeling van stimuli (stimuli met geluidsniveau 0, dus zonder taak-irrelevante ruis). Om elk van de twee maskers in een proef te maken: eerst worden de centrale objectposities in de eerste en tweede intervallen van de proef bepaald. De twee stimuli met Ruisniveau 0 die overeenkomen met de centrale objectposities in het eerste en tweede interval zullen worden gebruikt om de proefmaskers te maken. Voor elk van deze twee stimuli wordt de gemiddelde intensiteit berekend per RGB-kanaal per 16 x 16 blok van de stimulus. Vervolgens wordt elk blok van 16 x 16 van een masker willekeurig getrokken uit de ene of de andere stimulus en bestaat uit de uniforme gemiddelde intensiteit berekend per RGB-kanaal voor dat blok van de geselecteerde stimulus. De twee maskers die per poging worden getoond, zullen dus elk bestaan ​​uit een andere willekeurige trekking per blok van 16 x 16.

Gegevensanalyse

Per sessie wordt voor elk geluidsniveau de drempel van de deelnemer voor het onderscheiden van de objectpositie gemeten. Eerst wordt voor elke vergelijkingspositie het aantal proeven berekend waarop de deelnemer antwoordde dat de vergelijkingsstimulus zich rechts van de referentiestimulus bevond. Vervolgens wordt de verhouding waarvan de vergelijking als rechts is gekozen, aangepast aan een cumulatieve normale functie met behulp van de Palamedes Toolbox (http://www.palamedestoolbox.org). Om alle vier de parameters van de psychometrische functie (drempel, helling, vervalpercentage en gokpercentage) te schatten, wordt het vervalpercentage gelijk gesteld aan het schattingspercentage en wordt gedwongen om binnen het bereik [0, 0,05] te liggen, en de model zal worden aangepast aan de gegevens met behulp van de maximale waarschijnlijkheidsmethode. De drempel wordt berekend als het verschil tussen de stimulusniveaus bij uitvoeringen (verhouding van de vergelijking is rechts gekozen) gelijk aan 0,7602 en 0,5 zoals bepaald door de cumulatieve normale fit.