備份自：http://blog.rainy.im/2015/05/01/psychtoolbox-3-accurate-timing-1/
Psychtoolbox 3 中一些基本概念與基本原理的介紹咧栗，重點(diǎn)總結(jié)精確到幀的呈現(xiàn)時間的控制與精確的鍵盤（鼠標(biāo)）輸入時間的控制。
1. Textures, Windows, Screens 等基本概念
PTB 中 screen 指代顯示器，Screen 0 代表默認(rèn)顯示器戚宦，Screen 1 代表雙屏系統(tǒng)中第二個顯示器桨踪，以此類推伪节。Screen('Screens')返回可用顯示器的列表吼砂。
PTB 中 (onscreen) window 是用來展示實(shí)驗(yàn)刺激的顷帖，一個顯示器（screen）最多只能有一個全屏顯示的 window美旧。所有的繪制操作都在 window 中執(zhí)行。window 都是雙緩沖的贬墩，也就是包含了后緩沖區(qū)（backbuffer）和前緩沖區(qū)（frontbuffer）兩部分榴嗅。如果把顯示器看作是一個舞臺，后緩沖區(qū)相當(dāng)于舞臺的后臺陶舞，將要繪制的圖形在這里完成準(zhǔn)備工作嗽测；而前緩沖區(qū)相當(dāng)于看得見的舞臺部分，也就是顯示器呈現(xiàn)刺激的部分，如一般實(shí)驗(yàn)室采用的 CRT 顯示器唠粥，在前緩沖區(qū)中陰極射線管通過掃描完成一次成像疏魏。當(dāng)我們通過一些繪制指令（如Screen('DrawTexture',...)）完成繪制的準(zhǔn)備工作后，需要通過調(diào)用Screen('Flip',...)指令晤愧，完成前后緩沖區(qū)的切換大莫，同時保證這一切換過程（一般1ms之內(nèi)即可完成）發(fā)生在兩次（幀）掃描的間隔（也就是電子槍回溯到屏幕左上角的時間段），避免造成成像斷裂等現(xiàn)象官份。Flip 指令最重要的功能是將圖像繪制過程與實(shí)際呈現(xiàn)過程分離只厘。
(offscreen) window 就是之前版本中的 Texture，唯一的不同是指令名稱和執(zhí)行效率舅巷。細(xì)微的差別就不再贅述羔味。
2. Flip 指令
Screen('Flip?') % 可以通過 Screen('Func?')進(jìn)行查詢該指令的說明文檔
Usage:
[VBLTimestamp StimulusOnsetTime FlipTimestamp Missed Beampos]
= Screen('Flip', windowPtr [, when] [, dontclear] [, dontsync] [, multiflip]);
Flip 指令返回的第一個值 VBLTimestamp 是指上一幀掃描結(jié)束的時間點(diǎn)，接下來陰極射線管的電子槍需要回到屏幕左上角進(jìn)行下一幀的掃描钠右，這一間隔稱為垂直空白間隙（vertical blank interval, VBL）赋元。同時前后緩沖區(qū)的切換也從這一時間點(diǎn)開始。此時 PTB 會進(jìn)入休眠狀態(tài)飒房，一直等到切換過程結(jié)束才會重新請求 CPU 資源们陆，在這期間 CPU 可以保證系統(tǒng)其它部分的正常運(yùn)行。等到切換完成之后情屹，PTB 立即執(zhí)行下面兩件事：
- 查詢電子槍（beam）當(dāng)前的位置，并返回給變量
Beampos杂腰； - 通過
GetSecs()查詢當(dāng)前精確的時間戳垃你。
一般的多任務(wù)操作系統(tǒng)（OS X & Windows），在具體事件的時間點(diǎn)上都可能存在非常細(xì)微的隨機(jī)誤差喂很，例如 VBL 開始的時間（VBLTimestamp）惜颇、PTB 重新占用 CPU 的時間，一般這一時間差不會超過 1ms少辣，但偶爾也有可能出現(xiàn)幾毫秒的誤差凌摄。為了補(bǔ)償這一誤差，PTB 利用電子槍回溯的位置作為另外一個高分辨率的時鐘進(jìn)行精確時間的控制漓帅，其計(jì)算的原理如下圖所示：
Flip 返回的第二個值 StimulusOnsetTime 代表第二幀開始進(jìn)行掃描的時間锨亏，即：StimulusOnsetTime = VBLTimestamp + VBL。
Beamposition 的查詢必須依賴于顯卡硬件的支持忙干，當(dāng)無法通過硬件查詢準(zhǔn)確的 Beamposition 時器予，也就無法獲取 VBL 時間。這時 PTB 一般會報(bào)錯：
----- ! PTB - ERROR: SYNCHRONIZATION FAILURE ! ----
One or more internal checks (see Warnings above) indicate that synchronization of Psychtoolbox to the vertical retrace (VBL) is not working on your setup.
如果對時間精確度的要求不是那么嚴(yán)格捐迫，或者程序還在調(diào)試階段乾翔，可以通過Screen('Preference', 'SkipSyncTests', 1)跳過這一錯誤。此時施戴，F(xiàn)lip 指令返回 StimulusOnsetTime = VBLTimestamp; beampos = -1;反浓。
3. Accurate Timing Demo
了解了以上原理萌丈，再來看精確時間控制的Demo：
首先是最簡單隨意的呈現(xiàn)方式，這樣無法保證精確控制時間雷则，只是為了與后面的方法進(jìn)行比較：
for frame = 1:numFrames
% Color the screen red
Screen('FillRect', window, [0.5 0.5 0.5]);
% Flip to the screen
Screen('Flip', window);
end
上一例子中沒有明確給出 Flip 執(zhí)行的時間辆雾，這導(dǎo)致我們無法精確控制刺激呈現(xiàn)的時間。下面的例子中巧婶，首先在后緩沖區(qū)準(zhǔn)備繪制之前讀取前一幀結(jié)束的時間vbl乾颁，然后在連續(xù)呈現(xiàn)numFrames幀刺激的過程中，明確指定每一次 Flip 的時間為上一幀掃描結(jié)束后的(waitframes - 0.5)*ifi艺栈。當(dāng)waitframes = 1;時英岭，前后兩次 Flip 之間的間隔一定為IFI，也就是連續(xù)呈現(xiàn)兩幀湿右，從而確保刺激呈現(xiàn)的時間為兩幀诅妹。
waitframes = 1;
vbl = Screen('Flip', window);
for frame = 1:numFrames
% Color the screen red
Screen('FillRect', window, [0.5 0 0]);
% Flip to the screen
vbl = Screen('Flip', window, vbl + (waitframes - 0.5) * ifi);
end
上一例子中我們希望 PTB 可以在連續(xù)兩幀中呈現(xiàn)刺激，以保證刺激呈現(xiàn)時間毅人。但現(xiàn)實(shí)并不一定如此吭狡，因?yàn)橛?jì)算機(jī)操作系統(tǒng)需要同時維持所有軟硬件組成的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，如鍵盤丈莺、鼠標(biāo)划煮、網(wǎng)絡(luò)連接等等，這就可能導(dǎo)致 CPU 無法及時響應(yīng) PTB 的請求缔俄。為了讓 CPU 優(yōu)先處理 PTB 的請求弛秋，我們需要提高 PTB 的優(yōu)先等級；除此之外俐载，還可以在繪制指令與 Flip 之間插入Screen('DrawingFinished', window);來阻止其它繪制蟹略，保證更好的時間精確度：
topPriorityLevel = MaxPriority(window);
Priority(topPriorityLevel);
vbl = Screen('Flip', window);
for frame = 1:numFrames
% Color the screen red
Screen('FillRect', window, [0.5 0 0.5]);
% Tell PTB no more drawing commands will be issued until the next flip
Screen('DrawingFinished', window);
% Flip to the screen
vbl = Screen('Flip', window, vbl + (waitframes - 0.5) * ifi);
end
Priority(0);
4. 其它精確時間控制的設(shè)定及方法
對于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件來說，基本上可以通過代碼的控制做到精確的時間控制遏佣。如果實(shí)驗(yàn)儀器是一些相對老舊的硬件設(shè)備（例如……）挖炬，可能需要一些額外的系統(tǒng)配置來輔助精確時間的控制。
4.1 系統(tǒng)設(shè)置：
- 退出系統(tǒng)中無用的應(yīng)用程序状婶、后臺服務(wù)等意敛，不要占用過多 CPU；
- 禁用殺毒軟件膛虫；
- 確保有足夠的內(nèi)存空闲，必要時利用虛擬內(nèi)存；
- 確保節(jié)能選項(xiàng)不會減慢 CPU走敌；
- 關(guān)閉藍(lán)牙碴倾、WIFI、網(wǎng)絡(luò)連接以及 CD/DVD 等外接設(shè)備；
- 不要盲目采用過高分辨率跌榔，這樣可能加重顯卡負(fù)擔(dān)异雁，增加處理時間誤差。
4.2 Matlab設(shè)置：
-
matlab -nojvm模式運(yùn)行（如果沒有必要用到 Java 輔助工具僧须，如GetChar等）纲刀； - 盡量減少 Matlab 圖形界面窗口；
- 閱讀 Matlab 文檔担平，優(yōu)化代碼示绊，充分利用內(nèi)存加快執(zhí)行速度；
-
help mlint查看執(zhí)行效率的瓶頸及代碼可能存在的問題暂论。
4.3 程序編寫中需要注意的問題：
- PTB 輸出的 log 信息：
通過 Screen('Preference', 'Verbosity', level); 控制 PTB 執(zhí)行過程中的輸出信息面褐，在程序調(diào)試時可以選擇較高的 level 便于找到問題；正式實(shí)驗(yàn)可以采用 Screen('Preference', 'Verbosity', 0); 禁用所有輸出信息取胎，節(jié)省執(zhí)行時間和資源展哭。
- 函數(shù)的預(yù)加載：
Matlab 中的 .M & .MEX 源文件的加載需要一定的時間，如文件的定位闻蛀、加載匪傍、執(zhí)行等，這一初始化時間可能需要幾百毫秒觉痛，所以在實(shí)驗(yàn)試次開始之前應(yīng)該先執(zhí)行一次需要的函數(shù)役衡。
- 同一源文件內(nèi)的
function比通過文件加載的function快：
Matlab 中的function可以直接在當(dāng)前腳本中定義，也可以通過單獨(dú)的腳本文件定義（函數(shù)名與文件名一致）薪棒，調(diào)試過程中為方便可以將不同的function切分成獨(dú)立的腳本文件映挂，但在正式實(shí)驗(yàn)時應(yīng)該將必要的function整合到同一個執(zhí)行腳本。
- 優(yōu)化代碼結(jié)構(gòu)：
實(shí)驗(yàn)程序的主體盗尸，trial loop 內(nèi)的代碼應(yīng)該以如下順序執(zhí)行：
% 1. 繪制命令
Screen('DrawDots',...), Screen('DrawText',...),Screen('DrawTexture',...)...
% 2. 阻止多余繪制
Screen('DrawingFinished', win);
% 3. 其它與顯卡操作無關(guān)的代碼，如聲音帽撑、鍵盤泼各、鼠標(biāo)以及其它Matlab邏輯等
KbWait;
% 4. Flip 指令讓預(yù)備繪制刺激登臺
vbl = Screen('Flip', win, vbl+0.5*ifi);
5. 總結(jié)
上述內(nèi)容主要針對 CRT 顯示器，CRT 與 液晶平板（LCD）的原理及優(yōu)劣 Elze （2010）的文章中有詳細(xì)介紹亏拉，文章還總結(jié)了2003-2009三本心理學(xué)雜志中75篇實(shí)驗(yàn)材料呈現(xiàn)時間低于50ms的研究扣蜻，從各個研究中作者給出或推斷的實(shí)驗(yàn)方法來看，許多研究者對顯示器上刺激呈現(xiàn)時間的基本概念與操作還存在一些誤解及塘，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)實(shí)際呈現(xiàn)的時間并非研究者所認(rèn)為的時間莽使。一直以來都有爭議而且最近比較熱鬧的心理學(xué)研究重復(fù)驗(yàn)證，其實(shí)很大程度上與實(shí)驗(yàn)條件控制有關(guān)笙僚，比如有些研究者文章中聲稱研究中刺激呈現(xiàn)時間為50ms芳肌，但是我們并不知道是如何做到的，實(shí)驗(yàn)程序中是否存在不合適的操作等。所以說應(yīng)該建議研究者投稿錄用后把實(shí)驗(yàn)程序開源亿笤，放到 Github 上翎迁，供所有人查看，也大大節(jié)約了重復(fù)實(shí)驗(yàn)的時間成本净薛。哈哈汪榔，但是又有幾個人愿意這樣做呢~
到此為止基本介紹了 PTB 3 中對實(shí)驗(yàn)刺激呈現(xiàn)時間進(jìn)行精確控制的方法以及相關(guān)注意事項(xiàng)，在實(shí)驗(yàn)過程中除了準(zhǔn)確地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)刺激之外肃拜，還需要準(zhǔn)確地記錄被試做出反應(yīng)的時間痴腌，這主要涉及到鍵盤、鼠標(biāo)或者特定的反應(yīng)輸入設(shè)備的精確控制燃领。PTB 3 中如何準(zhǔn)確地處理響應(yīng)輸入呢士聪，下一節(jié)再說吧。
參考：
- FAQ: Textures, Windows, Screens
- FAQ: Performance Tuning
- Accurate Timing Demo
- Elze, T. (2010). Misspecifications of stimulus presentation durations in experimental psychology: A systematic review of the psychophysics literature. PloS one, 5(9), e12792.
