Plataforma para el reconocimiento facial: aspectos de percepción y cognición social

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Plataforma para el reconocimiento facial: aspectos de percepción y cognición social Kryscia Ramírez y Shirley Romero Bonilla Universidad de Costa Rica [email protected], [email protected]

Janio Jadán-Guerrero Universidad de Costa Rica Universidad Tecnológica Indoamérica 988599@ ecci.ucr.ac.cr ABSTRACT

The face of a person is one of the anatomical structures that has more muscles and the elements that compose it (forehead, eyebrows, eyes, nose, mouth, for example.) can take different forms and arrangements through the development of the person to over time. In this context, hypotheses concerning the perceptual process and social cognition were raised. Variables as gender, response time and type of processing of the perceived information were controlled. An experiment with 100 participants was carried out. Two instruments (a web application with 120 pairs of photographs and a structured on-line survey) determined whether a person was able to match a face seen in a photograph with the respective counterpart twenty years earlier. Using inferential statistics seems that participants were able to "defrag" or "decompose" the overall image of the face, but there is no significant difference in gender. Keywords

Face perception; bottom-up; top-down; social cognition; web-platform.

aspectos importantes de los estados internos: emociones e intenciones [6]. Otras investigaciones señalan que las personas son capaces de percibir en el rostro, cualidades internas que son más estables a través del tiempo, tan variadas como la dominancia o el atractivo [2-3]. Con base en estos aspectos derivados de estudios previos, resulta inquietante y objeto de esta investigación el conocer ORV DOFDQFHV GH ORV SURFHVRV ³WRS-GRZQ´ HQ FXDnto a la capacidad retrospectiva de descomponer y condensar los cambios faciales a través de los años [6], para así, asociar dos rostros homólogos pero cuyos cambios están espaciados por hasta veinte años. Además es de interés para esta investigación identificar si criterios como el género de quien percibe es relevante en la eficacia de procesos inferenciales (cambio del rostro a través del tiempo). Con base en estos objetivos, se ha diseñado una plataforma web que apoye a comprobar las siguientes hipótesis: 1.

ACM Classification Keywords

Experimentation; Human Factors

En cuanto a procesos perceptuales y procesos de coherencia central: a.

Los participantes son capaces de emparejar un rostro observado en una fotografía con el homólogo respectivo de veinte años atrás.

b.

Elementos del rostro: ojos, boca y nariz son la base sobre la cual los participantes orientaron sus SURFHVRV ³WRS-GRZQ´ SDUD OD GHFRQVWUXFFLyQ \ reconstrucción del rostro (partes) a través de métodos analíticos y sintéticos.

INTRODUCCIÓN

Algunos estudios señalan que el reconocimiento facial parece tener un componente innato [1-7]. Se ha evidenciado que alrededor de los 30 minutos posteriores al nacimiento de un niño, este realizará el seguimiento y rastreo visual, así FRPR HO PRYLPLHQWR FHIiOLFR TXH SHUPLWD ³HQIRFDU´ XQD cara en movimiento, con más ahínco que otros objetos móviles significativamente más contrastantes, e independientemente de la complejidad o la frecuencia espacial con que se presente. Desde el área de la Etología, el percibir la edad del rostro, ayuda al ser humano a regular su comportamiento (en forma y frecuencia) dirigido hacia un homólogo; por ejemplo: el tamaño de la circunferencia cefálica es de vital importancia en la pertinencia de la conducta paternal/maternal para la atención, el cuidado y la protección de los infantes. Por otra parte, el área de la psicología referente a la Cognición Social (CS) [5], considera que el rostro, sus facciones y el movimiento de las mismas, muestran

2.

En cuanto a aspectos concernientes a la Cognición Social: a.

Los participantes masculinos muestran más fallas que las participantes femeninas al intentar emparejar un rostro observado en una fotografía con el homólogo respectivo de veinte años atrás, independientemente del sexo de las personas de las fotografías.

b.

Los participantes masculinos tienen un tiempo de respuesta menor que las participantes femeninas al intentar emparejar un rostro observado en una fotografía con el homólogo respectivo de veinte años atrás, independientemente del sexo de las personas de las fotografías.

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entre 15 y 25 años. Una de ellas era la homóloga de la persona de la fotografía en la parte superior. El diseño contempló el uso del ratón del computador para seleccionar las fotografías de la parte inferior durante un tiempo de exposición de 30 segundos. Al finalizar el tiempo, la diapositiva pasaba automáticamente a la siguiente sin registrar ningún acierto. Al final se presentaban una diapositiva con los resultados. Tabla 1. Características de los participantes. METODOLOGÍA

La presente investigación es de tipo experimental, debido a que se controlan las características de la fotografía de una persona por género, rango de edad y tiempo de exposición (variables independientes). Con el fin de analizar su efecto en el reconocimiento de rostros en función de cantidad de aciertos y tiempo de respuesta (variables dependientes) por parte de participantes en varios ensayos en la plataforma web. Participantes

La muestra para el experimento estaba compuesta por cien participantes con las características que se muestran en la Tabla 1. La selección de los participantes se hizo mediante un muestreo no probabilístico y de modo intencional en función de las características antes mencionadas. Adicionalmente, para lograr mayor precisión en el experimento, fue imprescindible establecer criterios para la selección de la muestra: Mostrar disposición voluntaria a participar en la investigación, saber usar un computador y no presentar limitaciones visuales que entorpezcan el reconocimiento de imágenes. Instrumentos

En el diseño del instrumento se llevaron a cabo tres fases. En la Primera Fase se realizó la recopilación de pares de fotografías del rostro de una persona entre 30 y 45 años de edad y su homóloga cuando tenía entre 15 a 25 años de edad. Para este proceso se recurrieron a las redes sociales, bases de datos de fotografías disponibles en internet (UB KinFace Database of Northeastern University http://www3.ece.neu.edu) y por solicitud directa de colegas y amigos de los experimentadores. Se recopilaron 240 fotografías correspondientes a 120 personas de tres grupos étnicos: caucásicos, de color y asiáticos. Estas fueron procesadas a un formato blanco y negro de tamaño estándar a 264x356 pixeles. En la Segunda Fase se diseñó un prototipo preliminar del instrumento en PowerPoint, se utilizaron macros y el lenguaje de programación Visual Basic. El instrumento estaba compuesto por la diapositiva de instrucciones, diez diapositivas que contenían en la parte superior la fotografía de una persona adulta entre 30 y 45 año de edad. En la parte inferior se mostraban 6 fotografías de personas jóvenes

Estas pruebas preliminares permitieron identificar que el total de aciertos y desaciertos no eran suficiente para los objetivos de la investigación, por tal motivo se llevó a cabo una Tercera Fase, en la que se desarrolló una plataforma web con características similares a las del primer instrumento, pero que adicionalmente registraba el tiempo que tardaba cada participante en emparejar la fotografía homóloga y aumentando el número de ensayos a 20. Este instrumento fue desarrollado con lenguajes de programación PHP, HTML5, JavaScript y base de datos MySQL. Para seleccionar las 20 fotografías de las personas adultas se utilizó un procedimiento aleatorio, que seleccionaba de entre las 120 fotografías de adultos tomando en cuenta los siguientes parámetros: 7 de grupo étnico caucásico, 7 de grupo étnico de color, 6 de grupo étnico asiático, 1 o 2 fotografías de personajes públicos por cada grupo étnico y que no se repita ninguna fotografía de adulto, hubiera 10 fotografías de mujeres y 10 fotografías de hombres. Para seleccionar las fotografías de las personas jóvenes se consideraron los siguientes parámetros: La fotografía de la persona joven correspondiente, 5 fotografías al azar de personas jóvenes del mismo género y grupo étnico y que no se repita ninguna fotografía de joven. Este nuevo instrumento facilitó a que el experimento pueda ser realizado también en forma virtual sin necesidad de la presencia del experimentador. Procedimiento

Para llevar a cabo el experimento se contactaron 30 participantes de forma presencial y 70 por medio de Facebook y correo electrónico. En cada caso se le pedía al participante ingresar al sitio http://ticaula.citic.cr/experimento en una computadora de escritorio o portátil. En la primera página se informaba sobre el experimento, si estaba de acuerdo en participar se le pedía que llene un formulario con sus datos: cédula, edad, país y género. Posteriormente, al presionar el botón de registro se mostraba la página de instrucciones. En ésta página se le pedía al participante realizar una práctica con un ejemplo de una persona famosa. Después el experimentador preguntaba si todo está claro antes de que presione el botón de inicio. Una vez que el participante daba inicio se registraba el tiempo actual de apertura del ensayo en un reloj ubicado en la parte inferior de la página y se iban contabilizando 30 segundos.

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En esta parte también se informaba al participante el número de ensayo en orden inverso comenzando desde el 20. Se consideró ubicar los relojes en la parte inferior y de tamaño pequeño con el fin de que no sea un distractor para el participante. Para registrar el tiempo en segundos que le toma al participante emparejar las dos fotografías mediante sus inferencias se restaba la hora del reloj derecho del reloj izquierdo. Si el participante no seleccionaba ninguna fotografía dentro de 30 segundos, el instrumento pasaba al siguiente ensayo. Este proceso se repetía hasta que se presenten los 20 ensayos. Es importante indicar que se controló que los 20 ensayos sean los mismos para todos los participantes, lo único que cambia es el orden mediante un proceso aleatorio, es decir que los ensayos no se muestran en el mismo orden para todos los participantes, así como también las fotografías de personas jóvenes se mostraban en orden aleatorio. Como se explicó en la sección del diseño del instrumento, en la fase 2 se utilizó un procedimiento que seleccionó de forma aleatoria las fotografías de las personas adultas. En este proceso se controló que haya un equilibrio entre género y grupo étnico. Finalmente, el instrumento mostraba a cada participante los resultados de los aciertos, el tiempo total del experimento, el tiempo promedio de los aciertos y el tiempo promedio de todos los ensayos realizados. El tiempo máximo del experimento se contemplaba en aproximadamente 15 minutos por participante. Con el fin de complementar la información se utilizó una encuesta como segundo instrumento. La encuesta fue realizada en Google Drive estructurada con 10 preguntas. Análisis de datos

Los resultados obtenidos fueron analizados cuantitativamente, teniendo en cuenta las hipótesis de la investigación. El análisis estadístico se realizó con el programa SPSS. En primer lugar se presenta la estadística descriptiva de los datos y, posteriormente se presenta el análisis estadístico por cada una de las hipótesis, utilizando las pruebas t de Student y chi-cuadrado (para la tabla de contingencia). Los resultados del análisis de los datos se muestran en la siguiente sección. RESULTADOS

En relación a la primera hipótesis, los participantes son capaces de emparejar un rostro observado en una fotografía con el homólogo respectivo de veinte años atrás, acertando en promedio una cantidad de personas mayor a 10 (un porcentaje de acierto mayor del 50%) en un tiempo promedio menor a 10 segundos. Estos resultados se verificaron al realizar una prueba t de Student de una cola con un 95% de confianza para cada una de las variables dependientes. La prueba t de Student de una cola con un 95% de confianza para la variable Cantidad de aciertos se obtiene t(3,437;99) = 0,0005 (p < 0,05), esto muestra que los

Figura 1. Cantidad de participantes por género que utilizaron ciertos elementos del rostro para realizar el emparejamiento.

participantes del experimento son capaces de emparejar un rostro observado en una fotografía con el homólogo respectivo de veinte años atrás, con un porcentaje mayor del 50%. La prueba t de Student de una cola con un 95% de confianza para la variable Tiempo de respuesta se obtiene t(-2,004;99) = 0,024 (p < 0,05), esto quiere decir que los participantes del experimento son capaces de emparejar un rostro observado en una fotografía con el homólogo respectivo de veinte años atrás, en un tiempo menor a la tercera parte del total de tiempo asignado para el experimento. En relación a la segunda hipótesis, en la Figura 1 se observa que los elementos del rostro: ojos, boca y nariz fueron la base sobre la cual los participantes orientaron sus procesos ³WRS-GRZQ´ SDUD OD GHFRQVWUXFFLyQ \ UHFRQVWUXFFLyQ GHO rostro (partes) a través de métodos analíticos y sintéticos; sin importar el género. Siguiendo con los resultados de los elementos del rostro que fueron la base sobre la cual los participantes realizaron el emparejamiento, se realizó una tabla de contingencia para averiguar si existía relación de dependencia entre el género de un participante y los elementos del rostro que utilizó para emparejar un rostro observado en una fotografía con el homólogo respectivo de veinte años atrás (donde se tiene la cantidad de participantes que contestaron en la encuesta los elementos del rostro utilizados para llevar a cabo el experimento). De acuerdo a la información de la tabla de contingencia se realizó la pruebDȤFKL-cuadrado) FRQGHFRQILDQ]DREWHQLHQGRȤ  S > 0.05), por lo que las variables son independientes, o sea, el género de un participante no es determinante al utilizar ciertos elementos del rostro para realizar el emparejamiento.

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La media de la cantidad de aciertos de las mujeres es mayor (los participantes masculinos muestran en promedio más fallas que las participantes femeninas en el emparejamiento) y la media del tiempo de respuesta de los hombres es menor (los participantes masculinos duraron en promedio menos que las participantes femeninas en el emparejamiento); no existe realmente una diferencia significativa en ambos casos. Para corroborar estos resultados se realizó la prueba t de Student de una cola con un 95% de confianza para cada variable dependiente, comparando las medias de dos muestras independientes: participantes femeninas y participantes masculinos. La prueba t de Student para dos muestras independientes de una cola con un 95% de confianza para la variable Cantidad de aciertos, donde existe igualdad de varianzas según la prueba de Levene F    S •   t  S• (VWHUHVXOWDGR PXHVWUDTXH no existe diferencia significativa entre participantes masculinos y femeninos, con relación en la cantidad de aciertos promedio al intentar emparejar un rostro observado en una fotografía con el homólogo respectivo de veinte años atrás, independientemente del sexo de las personas de las fotografías. La prueba t de Student para dos muestras independientes de una cola con un 95% de confianza para la variable Tiempo de respuesta, donde existe igualdad de varianzas según la prueba de Levene F    S •   t  S• . Este resultado muestra que no existe diferencia significativa entre los participantes masculinos y las participantes femeninas; o sea, el tiempo de respuesta promedio es igual en ambos al intentar emparejar un rostro observado en una fotografía con el homólogo respectivo de veinte años atrás, independientemente del sexo de las personas de las fotografías. Discusión

De acuerdo con los datos expuestos, los resultados señalan que los participantes son capaces de emparejar un rostro observado en una fotografía con el homólogo respectivo de veinte años atrás, tal como se ha mencionado, el rostro constituye ±desde el punto de vista biológico, psicológico y social- el estímulo visual de mayor significación para el ser humano [8]. Numerosos estudios [1][2][3][7] han demostrado ampliamente cómo el rostro constituye una clave esencial para identificar aspectos tan básicos como: el sexo, la edad, el grupo étnico, y aspectos más complejos como: sus estados de ánimo y el atribuirle características de personalidad o perfilar la identidad de una personas CONCLUSIONES

El estudio parece mostrar la habilidad de nuestro aparato cognitivo para utilizar mecanismos de procesamiento de

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información que hace posible la asociación de un par de fotografías homólogas y a la vez distintas por variables de edad, lo cual implica una habilidad para proyectar un pensamiento retrospectivo o prospectivo respecto a una imagen y esquematizar un rostro no familiar al tiempo que se intuyen los cambios del mismo a través del tiempo. Adicionalmente, este estudio parece no mostrar diferencias significativas entre los participantes en relación con su género [4], tampoco hay investigaciones homólogas con qué contrastar los resultados obtenidos. Resulta interesante para futuras investigaciones tomar en FXHQWDHO³GLQDPLVPR´GHOURVWUR\UHDOL]DUHOH[SHULPHQWR FRQXQDHWDSDGHDVRFLDFLyQ³LQYLYR´HVGHFLUXWLOL]DUXQ participante modelo que deba ser asociado u homologado con su fotografía correspondiente, pues, puede considerarse como variable, la estática facial en una fotografía y la facilidad que ésta representa para realizar una asociación, situación que podría tornarse más compleja si el rostro se encuentra dinámico, en movimiento y expresivo. AGRADECIMIENTOS

Al Dr. Odir Rodriguez (Maestría en Ciencias Cognocitivas) por su guía en la experimentación con humanos. Al Centro de Investigaciones en Tecnologías de la Información y Comunicación (CITIC) por el contingente tecnológico para publicar la plataforma en la web. REFERENCIAS

1. Adolphs, R. (2001). The neurobiology of social cognition. Current Opinion in Neurobiology, 11(2), 231±9. 2. Alley, T. R. (2013). Social and Applied Aspects of Perceiving Faces (p. 285). Psychology Press. 3. Bruce, V., & Young, A. (1986). Understanding face recognition. British Journal of Psychology, 77(3), 305± 327. 4. Heisz, J. J., Pottruff, M. M., & Shore, D. I. (2013). Females scan more than males: a potential mechanism for sex differences in recognition memory. Psychological Science, 24(7), 1157±63. 5. Johnson, M. H., Dziurawiec, S., Ellis, H., & Morton, J.  1HZERUQV¶SUHIHUHQWLDOWUDFNLQJRIIDFH-like stimuli and its subsequent decline. Cognition, 40(1-2). 6. Liggett, J. (1974). The human face. New York, NY, USA: Stein & Day Pub. 7. Lopera, F. (2000). Procesamiento de caras: bases neurológicas, trastornos y evaluación. Revista de Neurología, 30(5), 5. 8. Manzanero, A. (2010). Procesos cognitivos en el reconocimiento de caras. In Memoria de Testigos (pp. 131±146). Madrid, España: Ed. Pirámide. Adolphs, R. (2001). The neurobiology of social cognition. Current Opinion in Neurobiology, 11(2), 231±9.