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    VR为科研人员提供前所未有的动物行为研究方式

    2017-11-02 10:29:05 来源: it产业网
    聊聊

    测绘网讯 2017年11月02日,虚拟现实的时代已经来临,诸如HTC Vive和Oculus Rift这样的头显已经开始出现在千家万户之中。在幕后,虚拟现实还能在科学研究领域带来另一场重要但可能却更安静的革命。事实证明,VR不仅仅是只适用于人类。这项技术正越来越多地应用于实验室,帮助科学家了解动物行为。VR虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统,它利用计算机生成一种模拟环境,是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。



    这听起来似乎很奇怪,但将VR应用于动物身上不是一个新颖的概念。有趣的例子包括针对飞蛾的飞行模拟器;针对小白鼠的虚拟迷宫;针对斑马鱼的恐怖游戏;以及针对蟑螂的虚拟森林。VR对于研究动物行为而言非常有用,但这种方法存在一个关键的缺陷:科学家需要以某种方式约束或控制动物,而这可能会产生误导性的结果。

    好消息是,随着科技的进步(尤其是游戏行业),为动物提供一个可以自由移动的完全沉浸式虚拟环境已经不再是遥远的未来。我们可以将其比作是动物的《黑客帝国》(或许我们正处于更高等生物的《黑客帝国》之中)…

    例如,最新的研究方法之一来自德国弗莱堡大学的Andrew Straw及其团队。名为FreemoVR的系统能够将逼真的环境投射到屏幕上,然后监控动物的反应。Straw解释说:“通过提供允许动物自由移动的VR,我们可以让动物自行体验自然的运动感觉,感受前行时的肌肉伸展和收缩,并且同时创建一个人造视觉世界,使其执行诸如测试空间导航这样的任务。”

    尽管采用了先进的技术,但设置非常简单:一个单纯由地板和墙壁都是柔性计算机显示器组成的区域。在这种3D环境中,系统可以通过多个高速摄像头和传感器追踪动物,这意味着动物不需要像以往那样使用特殊的头戴式设备。

    Straw解释道:“我们结合使用了现代计算机游戏技术(投影仪,显卡和软件)和基于摄像头的动物追踪技术来创建一个支持动物自由移动的虚拟现实。我们可以将动物浸入一个全息响应式性3D(环境)中,这基本上只会受到实验者的想像力所限制。如果不是PC游戏行业,我们的工作将不可能实现。”

    1. 斑马鱼的《太空入侵者》

    这听起来或许像是“我要整天玩游戏”的借口,但Straw相信系统可以帮助研究人员以前所未有的方式来了解动物行为。据研究人员介绍,应用这项技术的两大主要途径是围绕空间识别和集体行为。换句话说,动物如何了解它们所在的环境,以及它们如何与其他动物交互。Straw说道:“动物需要建立起它们所在位置的心理地图,以及身体如何能感知自己的运动。只有如此实验才能实现这样的事情。”

    事实证明,动物认同了自己所在的3D虚拟环境,并以与现实世界相同的方式作出反应。例如,当《太空侵略者》的“入侵”斑马鱼的鱼缸时,斑马鱼将信以为真,并试图加入这个群体(注:斑马鱼喜好群游)。

    通过一款旧游戏来欺骗可怜的斑马鱼似乎十分奇怪,但这能帮助解释动物是理解世界的方式。对于希望了解鱼类将如何回应水中其他“东西”的Straw问道:“如果水中的其他东西看起来像是《太空侵略者》,这是否还重要呢?这到底是视觉外观的原因呢,还是说运动模式的原因呢?”

    2. 一扇通往动物大脑的独特大门

    针对动物的虚拟现实可以帮助科学家更好地了解动物行为,或许这最终也能帮助我们了解人类行为。

    对研究人员而言,VR(结合已有技术来测量可以自由移动的动物的大脑活动)为动物大脑打开了一扇独特的大门,帮助他们研究动物的神经信号是如何回应特定的环境。例如,当小白鼠感到害怕的时候,我们可以测量其大脑行为,而这或许能帮助我们理解在压力环境下的人类大脑。

    自由移动的VR系统可能比以前更成熟,但仍然存在改进的余地。部分优化十分简单,比如采用匹配动物视觉敏感度的的影像,这对能够直接感知紫外线的动物尤为如此。Straw说:“这个问题在乎构建合适的设备,并通过合适的偏振来投影图像。”这种技术已经应用于3D影院,其配备的主动式偏振器能够非常快速地切换信号的偏振,从而向每只眼睛提供不同的信号。

    第二个问题是立体视觉,而这十分难以解决。对当前的技术而言,我们不可能在自由移动的VR环境中为每只眼睛渲染单独的图像。Straw解释说:“这可能是一个更为根本性的难题。这就是为什么这种头戴式显示器对人类来说非常重要。对我们而言,立体视觉非常关键。”但对诸如昆虫或小白鼠这样的实验动物而言,这不算是一个大问题,但如果研究人员希望研究更为大型的动物,这个问题则需要解决。单纯地将图像投影到墙上不能令依靠立体视觉的动物信服。例如,猫会知道呆在角落里的并不是老鼠。

    3. 令动物100%相信的VR环境

    从长远来看,科学家希望创建一个多感官环境,其中动物不仅能够“看到”虚拟现实,同时还能“闻到”,甚至是“触摸”虚拟现实。如果要确保脑部活动分析的结果具备实际意义,动物需要100%相信它们周围的环境。在未来,针对动物的VR可以成为科学家理解其大脑工作原理的重要工具,但对我们而言可能更为重要的是,当某些事情出错时,这种工具可以帮助我们研究到底是出了什么问题。

    现在可能暂时无法实现,但随着VR和其他技术的不断发展,这样一个未来的到来可能比我们想象中更快。(测绘网 小会)

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