A modular head/eye platform for real-time reactive vision

This paper describes the design, implementation and testing of a high speed controlled stereo “head/eye” platform which facilitates the rapid redirection of gaze in response to visual input. It details the mechanical device, which is based around geared DC motors, and describes hardware aspects of the controller and vision system, which are implemented on a reconfigurable network of general purpose parallel processors. The servo-controller is described in detail and higher level gaze and vision constructs outlined. The paper gives performance figures gained both from mechanical tests on the platform alone, and from closed loop tests on the entire system using visual feedback from a feature detector.

Reactions to peripheral image motion using a head/eye platform

The authors demonstrate four real-time reactive responses to movement in everyday scenes using an active head/eye platform. They first describe the design and realization of a high-bandwidth four-degree-of-freedom head/eye platform and visual feedback loop for the exploration of motion processing within active vision. The vision system divides processing into two scales and two broad functions. At a coarse, quasi-peripheral scale, detection and segmentation of new motion occurs across the whole image, and at fine scale, tracking of already detected motion takes place within a foveal region. Several simple coarse scale motion sensors which run concurrently at 25 Hz with latencies around 100 ms are detailed. The use of these sensors are discussed to drive the following real-time responses: (1) head/eye saccades to moving regions of interest; (2) a panic response to looming motion; (3) an opto-kinetic response to continuous motion across the image and (4) smooth pursuit of a moving target using motion alone.

Deficits in agency in schizophrenia, and additional deficits in body image, body schema, and internal timing, in passivity symptoms

Individuals with schizophrenia, particularly those with passivity symptoms, may not feel in control of their actions, believing them to be controlled by external agents. Cognitive operations that contribute to these symptoms may include abnormal processing in agency as well as body representations that deal with body schema and body image. However, these operations in schizophrenia are not fully understood, and the questions of general versus specific deficits in individuals with different symptom profiles remain unanswered. Using the projected-hand illusion (a digital video version of the rubber-hand illusion) with synchronous and asynchronous stroking (500 ms delay), and a hand laterality judgment task, we assessed sense of agency, body image, and body schema in 53 people with clinically stable schizophrenia (with a current, past, and no history of passivity symptoms) and 48 healthy controls. The results revealed a stable trait in schizophrenia with no difference between clinical subgroups (sense of agency) and some quantitative (specific) differences depending on the passivity symptom profile (body image and body schema). Specifically, a reduced sense of self-agency was a common feature of all clinical subgroups. However, subgroup comparisons showed that individuals with passivity symptoms (both current and past) had significantly greater deficits on tasks assessing body image and body schema, relative to the other groups. In addition, patients with current passivity symptoms failed to demonstrate the normal reduction in body illusion typically seen with a 500 ms delay in visual feedback (asynchronous condition), suggesting internal timing problems. Altogether, the results underscore self-abnormalities in schizophrenia, provide evidence for both trait abnormalities and state changes specific to passivity symptoms, and point to a role for internal timing deficits as a mechanistic explanation for external cues becoming a possible source of self-body input.

Desenvolvimento de um Sistema de Visão Global para uma Frota de Mini-Robôs Móveis

Navigation based on visual feedback for robots, working in a closed environment, can be obtained settling a camera in each robot (local vision system). However, this solution requests a camera and capacity of local processing for each robot. When possible, a global vision system is a cheapest solution for this problem. In this case, one or a little amount of cameras, covering all the workspace, can be shared by the entire team of robots, saving the cost of a great amount of cameras and the associated processing hardware needed in a local vision system. This work presents the implementation and experimental results of a global vision system for mobile mini-robots, using robot soccer as test platform. The proposed vision system consists of a camera, a frame grabber and a computer (PC) for image processing. The PC is responsible for the team motion control, based on the visual feedback, sending commands to the robots through a radio link. In order for the system to be able to unequivocally recognize each robot, each one has a label on its top, consisting of two colored circles. Image processing algorithms were developed for the eficient computation, in real time, of all objects position (robot and ball) and orientation (robot). A great problem found was to label the color, in real time, of each colored point of the image, in time-varying illumination conditions. To overcome this problem, an automatic camera calibration, based on clustering K-means algorithm, was implemented. This method guarantees that similar pixels will be clustered around a unique color class. The obtained experimental results shown that the position and orientation of each robot can be obtained with a precision of few millimeters. The updating of the position and orientation was attained in real time, analyzing 30 frames per second

Implementation of filters for image pre-processing for leaf analyses in plantations

In this work an image pre-processing module has been developed to extract quantitative information from plantation images with various degrees of infestation. Four filters comprise this module: the first one acts on smoothness of the image, the second one removes image background enhancing plants leaves, the third filter removes isolated dots not removed by the previous filter, and the fourth one is used to highlight leaves' edges. At first the filters were tested with MATLAB, for a quick visual feedback of the filters' behavior. Then the filters were implemented in the C programming language. At last, the module as been coded in VHDL for the implementation on a Stratix II family FPGA. Tests were run and the results are shown in this paper. © 2008 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Estudo do sinal eletromiográfico em exercícios isométricos em diferentes velocidades de contração

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Efeito da prática no controle de torque isométrico em crianças com transtorno de desenvolvimento de coordenação

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Análise da estabilidade do tornozelo em movimentos esportivos e o efeito da órtese semi-rígida

Pós-graduação em Desenvolvimento Humano e Tecnologias - IBRC

O controle de preensão em pinça em adultos jovens: efeito da posição do punho

The human hand is the focus of inumerous research studies. Human individuals are capable of performing manual tasks beyond the ability of any other animal. Such large motor ability is due in part to contact surface of the pulp thumb in opposition to the other fingers. Evidences in the literature show that the position of the upper limb influences the ability of hand strength and control. Specifically, the position of the wrist has great influence on the production of pinch strength. The main objective of this study was to investigate the influence of wrist position on the pinch grip with the thumb in opposition to the index finger. Participants of the present study were 21 undergraduate students, 10 men and 11 women. Participants performed a pinch grip task in three wrist positions - maximum flexion, maximum extension and neutral - on two force conditions - 20% and 40% of maximum voluntary contraction (MVC). MVC was measured in two attempts in each of the three positions of the wrist for a period of three seconds, and the trial of the best result was used as the parameter for task performance. In each trial participants maintained the force production at position for 10 seconds. All participants performed each test condition four times, and the first was used as a familiarization trial and discarded from further analysis. In all trials visual feedback online was provided. Results of both group gender showed variability was similar for force production. Men were stronger than women, but this difference was not significant and both produced on the average more strength in the neutral wrist position than in flexion or extension. In the extended position participants were significantly less variable than in the flexion and neutral positions. We obtained a significant positive correlation between weight and pinch force...(Complete abstracts click electronic access below)

Controle motor em pacientes com doença de Parkinson: terapia do espelho, foco de atenção e tarefa dupla

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Imperceptible electrical noise attenuates isometric plantar flexion force fluctuations with correlated reductions in postural sway

Optimal levels of noise stimulation have been shown to enhance the detection and transmission of neural signals thereby improving the performance of sensory and motor systems. The first series of experiments in the present study aimed to investigate whether subsensory electrical noise stimulation applied over the triceps surae (TS) in seated subjects decreases torque variability during a force-matching task of isometric plantar flexion and whether the same electrical noise stimulation decreases postural sway during quiet stance. Correlation tests were applied to investigate whether the noise-induced postural sway decrease is linearly predicted by the noise-induced torque variability decrease. A second series of experiments was conducted to investigate whether there are differences in torque variability between conditions in which the subsensory electrical noise is applied only to the TS, only to the tibialis anterior (TA) and to both TS and TA, during the force-matching task with seated subjects. Noise stimulation applied over the TS muscles caused a significant reduction in force variability during the maintained isometric force paradigm and also decreased postural oscillations during quiet stance. Moreover, there was a significant correlation between the reduction in force fluctuation and the decrease in postural sway with the electrical noise stimulation. This last result indicates that changes in plantar flexion force variability in response to a given subsensory random stimulation of the TS may provide an estimate of the variations in postural sway caused by the same subsensory stimulation of the TS. We suggest that the decreases in force variability and postural sway found here are due to stochastic resonance that causes an improved transmission of proprioceptive information. In the second series of experiments, the reduction in force variability found when noise was applied to the TA muscle alone did not reach statistical significance, suggesting that TS proprioception gives a better feedback to reduce force fluctuation in isometric plantar flexion conditions.

Reaching to a target in the 3-D space

Reaching and grasping an object is an action that can be performed in light, under visual guidance, as well as in darkness, under proprioceptive control only. Area V6A is a visuomotor area involved in the control of reaching movements. V6A, besides neurons activated by the execution of reaching movements, shows passive somatosensory and visual responses. This suggests fro V6A a multimodal capability of integrating sensory and motor-related information, We wanted to know whether this integration occurrs in reaching movements and in the present study we tested whether the visual feedback influenced the reaching activity of V6A neurons. In order to better address this question, we wanted to interpret the neural data in the light of the kinematic of reaching performance. We used an experimental paradigm that could examine V6A responses in two different visual backgrounds, light and dark. In these conditions, the monkey performed an istructed-delay reaching task moving the hand towards different target positions located in the peripersonal space. During the execution of reaching task, the visual feedback is processed in a variety of patterns of modulation, sometimes not expected. In fact, having already demonstrated in V6A reach-related discharges in absence of visual feedback, we expected two types of neural modulation: 1) the addition of light in the environment enhanced reach-related discharges recorded in the dark; 2) the light left the neural response unmodified. Unexpectedly, the results show a complex pattern of modulation that argues against a simple additive interaction between visual and motor-related signals.

Untersuchungen zur Visuomotorik des Menschen

Motorische Bewegungen werden über die visuelle Rückmeldung auf ihre Genauigkeit kontrolliert und ggf. korrigiert. Über einen technischen Eingriff, wie beispielsweise einer Prismenbrille, kann man eine Differenz zwischen optisch wahrgenommener und haptisch erlebter Umwelt erzeugen, um die Fähigkeiten des visuomotorischen Systems zu testen. In dieser Arbeit wurde eine computergestützte Methode entwickelt, eine solche visuomotorische Differenz zu simulieren. Die Versuchspersonen führen eine ballistische Bewegung mit Arm und Hand aus in der Absicht, ein vorgegebenes Ziel zu treffen. Die Trefferpunkte werden durch einen Computer mit Hilfe eines Digitalisierungstablettes aufgenommen. Die visuelle Umwelt, welche den Versuchspersonen präsentiert wird, ist auf einem Monitor dargestellt. Das Monitorabbild – ein Kreuz auf weißem Hintergrund – betrachten die Testpersonen über einen Spiegel. Dieser ist in einem entsprechenden Winkel zwischen Monitor und Digitalisierungstablett angebracht, so dass das Zielbild auf dem Digitalisierungstablett projiziert wird. Die Testpersonen nehmen das Zielkreuz auf dem Digitalisierungstablett liegend wahr. Führt die Versuchsperson eine Zielbewegung aus, können die aufgenommenen Koordinaten als Punkte auf dem Monitor dargestellt werden und die Testperson erhält über diese Punktanzeige ein visuelles Feedback ihrer Bewegung. Der Arbeitsbereich des Digitalisierungstabletts kann über den Computer eingerichtet und so motorische Verschiebungen simuliert werden. Die verschiedenartigen Möglichkeiten dieses Aufbaus wurden zum Teil in Vorversuchen getestet um Fragestellungen, Methodik und technische Einrichtungen aufeinander abzustimmen. Den Hauptversuchen galt besonderes Interesse an der zeitlichen Verzögerung des visuellen Feedbacks sowie dem intermanuellen Transfer. Hierbei ergaben sich folgende Ergebnisse: ● Die Versuchspersonen adaptieren an eine räumlich verschobene Umwelt. Der Adaptationsverlauf lässt sich mit einer Exponentialfunktion mathematisch berechnen und darstellen. ● Dieser Verlauf ist unabhängig von der Art des visuellen Feedbacks. Die Beobachtung der Handbewegung während der Adaptation zeigt die gleiche Zielabfolge wie eine einfache Punktprojektion, die den Trefferort der Bewegung darstellt. ● Der exponentielle Verlauf der Adaptationsbewegung ist unabhängig von den getesteten zeitlichen Verzögerungen des visuellen Feedbacks. ● Die Ergebnisse des Folgeeffektes zeigen, dass bei zunehmender zeitlicher Verzögerung des visuellen Feedbacks während der Adaptationsphase, die Größe des Folgeeffektwertes geringer wird, d.h. die anhaltende Anpassungsleistung an eine visuomotorische Differenz sinkt. ● Die Folgeeffekte weisen individuelle Eigenheiten auf. Die Testpersonen adaptieren verschieden stark an eine simulierte Verschiebung. Ein Vergleich mit den visuomotorischen Herausforderungen im Vorleben der Versuchspersonen ließ vermuten, dass das visuomotorische System des Menschen trainierbar ist und sich - je nach Trainingszustand – unterschiedlich an wahrgenommene Differenzen anpasst. ● Der intermanuelle Transfer konnte unter verschiedenen Bedingungen nachgewiesen werden. ● Ein deutlich stärkerer Folgeeffekt kann beobachtet werden, wenn die wahrgenommene visuomotorische Differenz zwischen Ziel und Trefferpunkt in eine Gehirnhälfte projiziert wird und der Folgeeffekt mit der Hand erfolgt, welche von dieser Hirnhemisphäre gesteuert wird. Der intermanuelle Transfer wird demnach begünstigt, wenn die visuelle Projektion der Fehlerbeobachtung in die Gehirnhälfte erfolgt, die während der Adaptationsphase motorisch passiv ist.

Kurzzeit-Orientierungsstrategien in Drosophila melanogaster

Tiere müssen Nahrung, Fortpflanzungspartner oder eine angenehme Umgebung finden und gleichzeitig eventuellen Gefahren aus dem Weg gehen. Eine effektive Orientierungsstrategie stellt für sie einen enormen Vorteil dar, vor allem wenn sie sich in einer komplexen Umwelt bewegen. Eine bisher unbekannte Art, die Orientierung zu optimieren, wird in dieser Arbeit vorgestellt. Sie analysiert, wie sich Taufliegen in einem Temperatur- Gradienten sowie in einer visuell geprägten Umwelt orientieren. Die dabei gefundene Orientierungsstrategie wird als „Memotaxis“ bezeichnet. Sie basiert auf der Integration von Informationen entlang der Wegstrecke, was dazu führt, dass die eingeschlagene Richtung proportional zum positiven Feedback immer stereotyper beibehalten wird. Obwohl die Memotaxis perfekt für die Orientierung in verrauschten Gradienten geeignet ist, wurde ihre Existenz in Situationen mit wenig Rauschen nachgewiesen. Die Strategie führt im Temperaturgradienten dazu, dass Fliegen umso weiter über ein Temperaturoptimum hinweg laufen, je weiter sie vorher darauf zuliefen. Beim Anlauf visueller Stimuli zeigen sie ein ähnliches Verhalten. Je weiter sie auf eine Landmarke zulaufen, desto länger dauert es, bis sie nach deren Verschwinden von dieser Richtung abweichen. Dies gilt auch dann, wenn man gleichzeitig mit dem Verschwinden der Landmarke der Fliege eine andere anbietet. Memotaxis sollte bei vielen Tieren eine gewichtige Rolle spielen, bei der Taufliege können durch die verfügbaren genetischen Methoden zusätzlich die dafür relevanten Gehirnzentren und die biochemischen Komponenten gefunden werden. Der Ellipsoidkörper des Zentralkomplexes ist für die Memotaxis in visuellen Umgebungen notwendig.rnDas Verhalten auf einem vertikalen Laufband wurde analysiert, vor allem im Hinblick auf die adaptive Termination dieses Verhaltens. Die Fliegen erkannten lange Zeit nicht, dass ihr Verhalten nicht zielführend ist und liefen stereotyp und ohne voranzukommen nach oben. Dieses Verhalten wird sogar noch verstärkt, wenn man das visuelle Feedback für die Bewertung ihres Verhaltens verstärkt. rn

Physiologie eines erlernten Körpermodells in Drosophila melanogaster

In der vorliegenden Dissertation wird ein Körpergrößengedächtnis untersucht. Es wird dargestellt, wie diese Information über die Reichweite der Fliege beim Lückenklettern unter kotrollierten Umweltbedingungen erworben und prozessiert wird. Zusätzlich wird geklärt, welche biochemischen Signale benötigt werden, um daraus ein lang anhalten-des Gedächtnis zu formen. Adulte Fliegen sind in der Lage, ihre Körperreichweite zu lernen. Naive Fliegen, die in der Dunkelheit gehalten wurden, versuchen erfolglos, zu breite Lücken zu überqueren, während visuell erfahrene Fliegen die Kletterversuche an ihre Körpergröße anpassen. Erfahrene kleine Fliegen scheinen Kenntnis ihres Nachteils zu haben. Sie kehren an Lückenbreiten um, welche ihre größeren Artgenos-sen durchaus noch versuchen. Die Taufliegen lernen die größenabhängige Reichweite über die visuelle Rückmeldung während des Laufens (aus Parallaxenbewegung). Da-bei reichen 15 min in strukturierter, heller Umgebung aus. Es gibt keinen festgelegten Beginn der sensiblen Phase. Nach 2 h ist das Gedächtnis jedoch konsolidiert und kann durch Stress nicht mehr zerstört oder durch sensorische Eingänge verändert werden. Dunkel aufgezogene Fliegen wurden ausgewählten Streifenmustern mit spezifischen Raumfrequenzen ausgesetzt. Nur die Insekten, welche mit einem als „optimal“ klassi-fizierten Muster visuell stimuliert wurden, sind in der Lage, die Körperreichweite einzu-schätzen, indem die durchschnittliche Schrittlänge in Verbindung mit der visuellen Wahrnehmung gebracht wird. Überraschenderweise ist es sogar mittels partieller Kompensation der Parallaxen möglich, naive Fliegen so zu trainieren, dass sie sich wie kleinere Exemplare verhalten. Da die Experimente ein Erlernen der Körperreich-weite vermuten lassen, wurden lernmutante Stämme beim Lückenüberwinden getes-tet. Sowohl die Ergebnisse von rut1- und dnc1-Mutanten, als auch das defizitäre Klet-tern von oc1-Fliegen ließ eine Beteiligung der cAMP-abhängigen Lernkaskade in der Protocerebralbrücke (PB) vermuten. Rettungsexperimente der rut1- und dnc1-Hinter-gründe kartierten das Gedächtnis in unterschiedliche Neuronengruppen der PB, wel-che auch für die visuelle Ausrichtung des Kletterns benötigt werden. Erstaunlicher-weise haben laterale lokale PB-Neurone und PFN-Neurone (Projektion von der PB über den fächerförmigen Körper zu den Noduli) verschiedene Erfordernisse für cAMP-Signale. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse darauf hin, dass hohe Mengen an cAMP/PKA-Signalen in den latero-lateralen Elementen der PB benötigt werden, wäh-rend kolumnäre PFN-Neurone geringe oder keine Mengen an cAMP/PKA erfordern. Das Körperreichweitengedächtnis ist vermutlich das am längsten andauernde Ge-dächtnis in Drosophila. Wenn es erst einmal konsolidiert ist hält es länger als drei Wo-chen.rnAußerdem kann die Fruchtliege Drosophila melanogaster trainiert werden, die kom-plexe motorische Aufgabe des Lückenkletterns zu optimieren. Die trainierten Fliegen werden erfolgreicher und schneller beim Überqueren von Lücken, welche größer sind als sie selbst. Dabei existiert eine Kurzeitkomponente (STM), die 40 min nach dem ersten Training anhält. Nach weiteren vier Trainingsdurchläufen im Abstand von 20 min wird ein Langzeitgedächtnis (LTM) zum Folgetag geformt. Analysen mit Mutati-onslinien wiesen eine Beteiligung der cAMP-abhängigen Lernkaskade an dieser Ge-dächtnisform auf. Rettungsexperimente des rut2080-Hintergrunds kartierten sowohl das STM, als auch das LTM in PFN-Neuronen. Das STM kann aber ebenso in den alpha- und beta- Loben der Pilzkörper gerettet werden.rnLetztendlich sind wildtypische Fliegen sogar in der Lage, sich an einen Verlust eines Mittelbeintarsuses und dem einhergehenden Fehlen des Adhäsionsorgans am Tarsusende anzupassen. Das Klettern wird zwar sofort schlechter, erholt sich aber bis zum Folgetag wieder auf ein normales Niveau. Dieser neue Zustand erfordert ein Ge-dächtnis für die physischen Möglichkeiten, die nur durch plastische Veränderungen im Nervensystem des Insekts erreicht werden können.