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摘要

婴儿和幼儿以与父母截然不同的方式看待世界。头部安装摄像头提供了一个易于理解的机制, 以了解婴儿的视觉环境。该议定书为家庭或实验室的实验提供了指导原则, 以捕捉幼儿和婴儿的自我中心观点。

摘要

婴儿和幼儿以基本的感官水平看待世界, 这与他们的父母有着根本不同的方式。这主要是由于生物的限制: 婴儿比他们的父母拥有不同的身体比例, 控制他们自己的头部运动的能力是不发达的。此类限制限制了可用的可视输入。本议定书的目的是为研究人员提供指导原则, 使用头部安装摄像头, 以了解发展中婴儿所经历的不断变化的视觉输入。成功使用此协议将使研究人员能够设计和执行在家庭或实验室中设置的开发儿童视觉环境的研究。从这个方法, 研究人员可以编译一个整体视图的所有可能的项目在儿童的视野。此方法不能直接测量孩子所看的内容。通过将这种方法与机器学习、计算机视觉算法和手工编码相结合, 研究人员可以生成高密度数据集, 以说明发展中婴儿的视觉生态学的变化。

引言

数十年来, 心理学家一直在寻求了解发展中婴儿的环境, 威廉？詹姆斯著名的描述为 "绽放, 嗡嗡的混乱1"。婴儿的日常体验通常是通过从第三人称视角拍摄自然主义戏剧与社会合作伙伴进行研究的。这些侧面或以上的视图通常显示杂乱的环境, 以及一个婴儿听到2的新单词的潜在引用者数量令人望而生畏。对外部观察者来说, 詹姆斯的描述是容易的, 但这种静止的, 第三人称的观点不是婴儿看待世界的方式。一个婴儿离地面更近, 可以移动他们的世界, 使物体更接近视觉探索。图 1说明了父子交互的第三人称视图。突出的是它们的观点之间的根本区别。也许, 婴儿接受的输入并不像父母和研究人员预期的那样混乱。采用头部安装摄像头的方法的目标是从第一人称的角度捕捉婴儿体验, 以便了解在整个开发过程中可获得的视觉环境。

头部安装的摄像头, 戴在帽子或头巾, 提供了一个窗口, 进入瞬间的视觉体验的发展婴儿。从这一角度出发, 对幼儿环境的结构和规律性的研究显得十分明显。头部安装的摄像头已经揭示了婴儿的视觉体验主要由手, 无论是他们自己和他们的社会合作伙伴的, 和脸看起来, 一旦被认为是必要的共同关注, 比预期要少得多3. 头部安装的摄像头还显示, 婴儿和他们的看护者创造了一些时刻, 当物体在视觉上占主导地位, 以婴儿的视野 (FOV) 为中心, 减少对象标签映射4固有的不确定性。

头部安装的摄像头根据头部运动捕捉婴儿的第一人称视图。这一观点与婴儿眼动没有完全同步, 也不能代表婴幼儿眼球运动, 只能与眼球追踪器一起捕捉。例如, 只有眼睛保持头部静止, 或头部移位, 同时保持眼睛固定在一个物体上的转变, 将导致婴儿的实际 FOV 和头部摄像头捕获的人之间的错位。然而, 在玩具游戏中, 婴儿通常把他们所关注的对象居中, 将他们的头、眼睛和玩具的位置与身体的中线5对准。失调是罕见的, 通常是由短暂的延迟之间的眼睛移位和陪同头部转3。因此, 头相机不太适合捕捉快速动态的注意力转移。头部安装摄像头的强度在于捕捉日常视觉环境, 揭示婴儿可利用的视觉内容。

下面的协议和代表性的结果将展示如何使用头部安装摄像头来研究婴幼儿的视觉环境。

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研究方案

以下程序收集婴儿和幼儿在实验室和在家中的视觉体验的数据是由印第安纳大学机构审查委员会批准的。从婴儿的看护者那里得到了知情同意。

1. 选择头部摄像头

注:有许多小型、轻型和便携相机可以随时购买 (图 2)。

  1. 选择一个不显眼的头部摄像头, 不会影响被记录的场景。
    1. 使用临时粘合剂将照相机安装到一个舒适的帽子或头带上, 或者将相机安全地安装到附着在带头的小塑料板上。将相机放置在孩子的额头上 (图 2B, 左)。
      1. 根据相机的形状, 通过将小布料环缝成带头或帽子 (图 2B、中心和右边) 来安装相机。
      2. 确保帽子或头带是可调的, 以达到一个舒适和舒适的适合儿童的头部 (图 2A)。
        注:直接地位于婴孩的眼睛之间的照相机理论上是理想的, 然而这不是相当可能的以当前技术。可以放置在前额低的小摄像头变得越来越可用。
  2. 如果照相机被送回家与父母, 保证父母能使用他们, 不用任何技术帮助。
    1. 在父母离开实验室之前, 训练他们如何操作头部摄像头。
    2. 用照相机将父母带回家, 头带或帽子, 以及描述打开相机和记录数据的程序的手。
  3. 确保摄像头足够轻, 让婴儿穿和忘记。
    注:建议的重量小于30克3。任何选择的相机不应在使用过程中加热, 并必须在大量使用耐用。
  4. 如果实验设置要求孩子们自由移动, 请将录制的视频存储到内部存储卡中。否则, 使用拴在数据收集计算机上的照相机。
  5. 使用具有高品质镜头的相机, 更好地利用机器学习算法的最新进展, 将视觉场景细分为感兴趣的区域。
    1. 如果视觉场景将由研究人员手动编码, 使用相机, 可以捕捉图像, 在足够的质量, 以手动检查。
  6. 确保任何电池供电的摄像头都能记录所需的时间。
  7. 在开始实验或将相机送回家前不久, 测试头部摄像头以确保其工作正常。

2. 实验室数据收集

注:头部安装的摄像头可以很容易地添加到大多数实验。

  1. 有2-3 个实验者把相机放在孩子的头上: 一个实验者把头部摄像头, 一个监视器的头部摄像头的看法, 如果需要, 你分心的孩子。
    1. 要求家长确保孩子在安置过程中保持镇静, 分散孩子的注意力。
  2. 按如下三步执行摄像机放置。
    1. 脱敏婴儿在他们的头附近手行动。
      1. 请家长轻轻抚摸或抚摸婴儿的头和头发几次。
      2. 让实验者把帽子放在婴儿头上, 像在2.2.1.1 一样。
    2. 当孩子分心时, 让实验者把头部安装的摄像头放在上面。
      1. 使用按键玩具保持孩子的手繁忙。
      2. 在这个阶段有分心的实验者或家长的帮助, 轻轻地把孩子的手推到吸引人的玩具上, 这样孩子的手就不会去头部。
    3. 当孩子与玩具接触时, 拧紧孩子头上的帽子, 调整头部摄像头。
      1. 调整相机, 使当婴儿在他/她的脸前持有一个对象, 对象是中心的头部摄像头 FOV。
      2. 如果孩子坐着, 调整相机, 以便在孩子往下看时捕捉到孩子的大部分膝部。
  3. 把相机放在孩子的头上后, 让实验者离开房间开始录音。
  4. 如果相机被移出或移出, 请重新进入房间以校正相机。
    1. 如果孩子不允许重新应用照相机, 则终止实验。
      注:为了在家里记录自然环境, 首先要把帽子和照相机放在婴儿身上, 并向家长展示如何定位相机。相机的设计和配合必须确保家长能够在没有技术帮助的情况下将帽子戴在孩子身上。

3. 亲子研究的数据收集

注: 以下代表的头部摄像头的方法使用自然主义玩具在实验室中展示的类型的分析, 可以对婴儿和他们的父母的自我中心的看法 (图 3A)。

  1. 装备的父母和孩子的头部安装摄像头, 如2.1 和2.2 所述。
  2. 使用头部摄像头捕捉 720 x 1280 像素的分辨率为30帧/秒的视频. 按照步骤2.3 和2.4 中的说明进行操作。
    1. 亚组每5秒一帧的视频流。
    2. 使用商业软件或内部开发的程序, 在视图内手动绘制每个玩具 (图 3B) 周围的边框 (见图 3C为示例框架)。
      1. 如果玩具的一部分由于被其他玩具遮挡或框架边缘的截断而可见, 则只有当玩具易于识别并包括玩具的所有可见部分时, 才会绘制边界框。
      2. 例如, 如果只有娃娃的腿是可见的, 在它的腿周围画一个边界框。如果一个对象 occludes 一半的娃娃, 留下的头发和腿可见, 然后画一个盒子, 包括头发和腿。

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结果

一个简单而又信息丰富的分析方法是在每个时间点计算视图中对象的数量。由于磁头摄像机在大约30赫兹 (30 图像/秒) 上生成数据, 因此每5秒将数据向下采样到1个图像有助于生成一个更易于管理的数据集, 同时维护一个适合于了解儿童所看到的场景类型的解决方案。此前的研究表明, 婴儿3的视觉场景是缓慢变化的。自定义脚本用于在视图中绘制玩具周围的...

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讨论

本文概述了将头部安装摄像头应用于婴幼儿的基本情况, 以捕捉他们的自我中心视觉场景。商业上可用的头摄像头足以为绝大多数的研究。小的, 轻便的, 便携的相机应该被纳入软织物帽子或头带, 并适用于儿童的头部。一旦成功地设计和实施, 就可以在实验室和家庭环境中运行各种实验。从采集到的视频中, 可以对发展中婴儿视觉生态学的综合数据进行整理和分析。

这个方法?...

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披露声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢陈宇博士在创作这篇手稿时所做的指导, 以及在代表成果部分所使用的数据。我们感谢同意在《议定书》的数字和拍摄中使用的参与家庭以及丽迪雅 Hoffstaetter 对这份手稿的仔细阅读。这项研究得到了国家卫生研究所赠款 T32HD007475-22 (J.I.B.、D.H.A.)、R01 HD074601 (迪萨纳亚克)、R01 HD028675 (迪萨纳亚克、L.B.S.) 和 F32HD093280 (L.K.S.) 的支持。国家科学基金会资助 BCS-1523982 (迪萨纳亚克, l.b.) 和职业 IIS-1253549 (迪萨纳亚克, D.J.C.), 国家科学基金会研究生研究金项目 #1342962 (S.E.S.), 并由印第安纳大学通过新兴领域的研究主动学习: 大脑, 机器和儿童 (J.I.B., 迪萨纳亚克, L.B.S.)。

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材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Head-cameraLooxcieLooxcie 3
Head-cameraWatecWAT-230A
Head-cameraSupercircuitsPC207XP
Head-cameraKT&CVSN500N
Head-cameraSereneLifeHD Clip-On
Head-cameraConbrovPen TD88
Head-cameraMvowizonSmiley Face Spy Button
Head-cameraNarrativeClip 2
Head-cameraMeCamDM06

参考文献

  1. James, W. The Principles of Psychology. , Henry Holt and Co. New York. (1890).
  2. Quine, W., Van, O. Word and object: An inquiry into the linguistic mechanisms of objective reference. , The MIT Press. Cambridge, MA. (1960).
  3. Yoshida, H., Smith, L. B. What's in view for toddlers? Using a head camera to study visual experience. Infancy. 13 (3), 229-248 (2008).
  4. Yu, C., Smith, L. B. Embodied attention and word learning by toddlers. Cognition. 125 (2), 244-262 (2012).
  5. Bambach, S., Smith, L. B., Crandall, D. J., Yu, C. Objects in the center: How the infant's body constrains infant scenes. Joint IEEE International Conference on Development and Learning and Epigenetic Robotics 2016. , 132-137 (2016).
  6. Adolph, K. E., Gilmore, R. O., Freeman, C., Sanderson, P., Millman, D. Toward open behavioral science. Psychological Inquiry. 23 (3), 244-247 (2012).
  7. Sanderson, P. M., Scott, J. J. P., Johnston, T., Mainzer, J., Wantanbe, L. M., James, J. M. MacSHAPA and the enterprise of exploratory sequential data analysis (ESDA). International Journal of Human-Computer Studies. 41 (5), 633-681 (1994).
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  10. Jayaraman, S., Fausey, C. M., Smith, L. B. The faces in infant-perspective scenes change over the first year of life. PlOS ONE. 10 (5), e0123780(2015).
  11. Fausey, C. M., Jayaraman, S., Smith, L. B. From faces to hands: Changing visual input in the first two years. Cognition. 152, 101-107 (2016).
  12. Jayaraman, S., Fausey, C. M., Smith, L. B. Why are faces denser in the visual experiences of younger than older infants? Developmental Psychology. 53 (1), 38(2017).
  13. Clerkin, E. M., Hart, E., Rehg, J. M., Yu, C., Smith, L. B. Real-world visual statistics and infants' first-learned object names. Philosophical Transactions of the Royal Society B, Biological Sciences. 372, 20160055(2017).

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