Institut de MØcanique des Fluides et des Solides de Strasbourg

De
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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Institut de MØcanique des Fluides et des Solides de Strasbourg UMR ULP-CNRS 7507 THSE présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'UniversitØ Louis Pasteur (Strasbourg I) Discipline : Sciences du Vivant Spécialités : Neurosciences, Sciences Cognitives Étude psychophysique et modélisation des traitements de bas niveau sous-tendant la vision des contours des objets par Tzvetomir Tzvetanov soutenue publiquement le 26 novembre 2003 Membres du jury : Directrice de th?se : Mme B.Dresp, ChargØe de recherche au CNRS Rapporteur interne : M C.Bonnet, Professeur à l'UniversitØ Louis Pasteur Rapporteur externe : M M.J.Morgan, Professeur à la City University London Rapporteur externe : M O.Koenig, Professeur à l'UniversitØ Lumi?re Lyon 2 Membre examinateur : M Y.RØmond, Professeur à l'UniversitØ Louis Pasteur

  • aire visuelle

  • quart de degré d'angle visuel

  • polarité

  • seuil de détection

  • tiers de degré

  • stimuli de polarités positives

  • direction d'alignement des stimuli

  • compétition pour la détection de la cible

  • stimuli

  • rapporteur interne


Publié le : samedi 1 novembre 2003
Lecture(s) : 41
Source : scd-theses.u-strasbg.fr
Nombre de pages : 173
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Institut de Mécanique des Fluides et des Solides de Strasbourg UMR ULPCNRS 7507
THÈSE
présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur (Strasbourg I)
Discipline :Sciences du Vivant Spécialités :Neurosciences, Sciences Cognitives
Étude psychophysique et modélisation des traitements de bas niveau soustendant la vision des contours des objets
par
Tzvetomir Tzvetanov soutenue publiquement le 26 novembre 2003
Directrice de thèse : Rapporteur interne : Rapporteur externe : Rapporteur externe : Membre examinateur :
Membres du jury :
Mme B.Dresp, M C.Bonnet, M M.J.Morgan, M O.Koenig, M Y.Rémond,
Chargée de recherche au CNR S Professeur à l’Université L ouis Pasteur Professeur à la City Univer sity London Professeur à l’Université L umière Lyon 2 Professeur à l’Université L ouis Pasteur
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Remerciements
Je souhaite remercier Mme B.Dresp de m’avoir proposé ce sujet de thèse et d’avoir accepté d’encadrer un doctorant d’un autre domaine scientifique. Qu’elle trouve ici l’expression de ma reconnaissance pour la qualité de son encadrement et implication durant ces trois années de travail en commun. Je remercie les membres du jury pour avoir accepté de lire, commenter et examiner mon travail de thèse.
Merci à tous les (ex)membres de l’"équipe Illkirch" de l’IMFS, sans qui une majeure par tie de ce travail n’existerait pas : Anne, Benoît, Christophe, Daniel, JeanCharles, Mohamad, Philippe, Stéphane, Sébastien F. et Sébastien R. ; aide matérielle et discussions scientifiques ont permis de clarifier nombreux points de doute et de faire avancer le travail.
Anne et Cyril (& co.), par leur amitié et conseils avisés, m’ont aussi permis de continuer.
Lidwine, Lina et Jérémy, qui sont venus me voir en cherchant une thématique qui les inté resse, m’ont aidé avec leur travail ainsi que par leurs approches nouvelles.
Je n’oublie pas toutes les personnes qui ont participé aux nombreuses expériences, dont une partie seulement est présentée dans cette thèse et sans qui ce travail n’existerait pas. Merci de leur bénévolat.
Ce travail n’aurait pas put être achevé sans le soutien financier de fin de thèse de la Société de Secours des Amis des Sciences, 16 rue Mazarine, 75006 Paris.
Merci Wilfried, Sarah (& co.) et Vincent.
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REMERCIEMENTS
Résumé
Les mécanismes de formation des contours sont connus pour avoir des propriétés fonction nelles différentes (Polat , 1999; Dresp , 1999, 2000). Une étude de l’intégration de l’information spatiale entre éléments de lignes coaxiaux a été effectuée. Deux régimes sont présents, différenciés à partir d’une séparation spatiale d’environ un quart de degré d’angle visuel : les régimes courte et longue distance. Le premier a été intensivement étudié, contrairement au deuxième. En utilisant une approche expérimentale et par modélisation, les caractéristiques fonctionnelles du régime longue distance ont été mesurées et attribuées en partie à l’aire visuelle primaire de l’Homme. Les expériences ont permis d’obtenir les différentes caractéristiques psychophysiques. Avec des stimuli de polarités positives, le régime courte distance a pour limites spatiales 0 et un tiers de degré, et est sensible à l’intensité de l’inducteur (Expérience 1). Le régime longue distance a pour limites spatiales un tiers de degré et 2,5 degrés, et n’est pas sensible à l’intensité de l’in ducteur (Expérience 1). Le régime longue distance semble être de manière générale facilitateur pour la détection de la cible (Expérience 2 et 5), quelles que soient la polarité et l’intensité de l’inducteur. Par contre, des différences entre polarités opposées et identiques des stimuli sont présentes pour ce régime. Les interactionsOFFversONsont de manière générale beaucoup moins facilitatrices que les autres interactions dans le régime longue distance (Expérience 2 et 5). La luminance du fond sur lequel sont présentés les stimuli semblait intervenir dans les interactions (Expérience 2), mais l’étude contrôle sur des sujets naïfs n’a pas montré d’effet du fond (Expérience 5). En fonction de la séparation spatiale entre les deux stimuli, il est possible d’obtenir une interaction entre les deux régimes si le stimulus inducteur est placé de manière à ce que les deux régimes soient en compétition pour la détection de la cible (Expérience 3). Pour des polarités positives des stimuli, le régime longue distance s’est avéré posséder une plasticité visuelle spécifique à la direction d’alignement des stimuli (Expérience 4) : la direction verticale a montré une augmentation des seuils de détection des sujets au début des expériences, et la di rection horizontale une diminution des seuils de détection des sujets au début des expériences. Par la suite, nous avons tenté de modéliser ces résultats expérimentaux au moyen du modèle LAMINART (Raizada & Grossberg , 2001). Ce modèle simule certaines propriétés fonction nelles des neurones du cortex visuel primaire (V1). Celuici permet de reproduire de manière globale les effets dus aux polarités, mais ne semble pas être sensible au facteur "séparation spatiale". Les résultats de cette thèse soutiennent l’idée que les deux régimes d’intégration de l’infor mation spatiale d’isoorientation sont principalement présents dans le cortex visuel primaire de l’Homme.
Mots clés :psychophysique, vision, régime courte distance, régime longue distance, mo délisation, réseau de neurones, LAMINART, théorie de la résonance adaptative, ART, seuil de détection, contraste, écarttype, non linéaire, lignes, Gabor.
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RÉSUMÉ
Abstract
Psychophysical study and modelling of the low level vision in volved in contour integration
The mechanisms of contour formation are known to have different functional properties (Polat , 1999; Dresp , 1999, 2000). A study of the integration of space information between coaxial elements of lines was carried out. Two regimes are present, differentiated from a space separation of approximately a quarter of degree of visual angle : short and longrange distance regimes. The first one was intensively studied, contrary to the second one. By using an experimental approach and by modeling, the functional characteristics of the longrange regime were measured and partly explained by the primary visual cortex of the Man. The experiments made it possible to obtain some psychophysical characteristics. With sti muli of positive polarities, the shortrange regime goes from zero to one third of degree, and is sensitive to the intensity of the inducer (Experiment 1). The longrange regime goes from one third of degree to 2,5 degrees, and is not sensitive to the intensity of the inducer (Experiment 1). The longrange regime seems to be in a general way facilitatory for detection of the target (Experiment 2 and 5), whatever the polarity and the intensity of the inducer. On the other hand, differences between opposite and identical polarities of the stimuli are present for this regime. The interactionOFFtoONis in a general way much less facilitatory than the other interac tions (Experiment 2 and 5).The luminance of the background field on which the stimuli are presented seemed to interfere in the interactions (Experiment 2), but the control study on naive subjects did not show an effect of this parameter (Experiment 5). According to the space sepa ration between the two stimuli, it is possible to obtain an interaction between the two regimes if the inductive stimulus is placed so that the two regimes compete for the detection of the target (Experiment 3). For positive polarities of the stimuli, the longrange regime proved to have a visual plasticity specific to the direction of alignment of the stimuli (Experiment 4) : the vertical direction shows an increase in the detection thresholds of the subjects at the beginning of the experiments, and the horizontal direction a reduction in the detection thresholds of the subjects at the beginning of the experiments. Thereafter, we tried to model these experimental results with the LAMINART model (Rai zada & Grossberg , 2001). It simulates a part of the functional properties of the neurons of the primary visual cortex (V1). It reproduces, in a global way, the effects due to the polarities, but does not seem to be sensitive to the factor "space separation". The results of this thesis support the idea that the two regimes of integration of the space information of Isoorientation are mainly influenced by the primary visual cortex of the Man.
Key words :psychophysics, vision, shortrange, longrange, modeling, neural networks, LAMINART, ART, contrast detection threshold, standard deviation, nonlinear, lines, Gabor.
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ABSTRACT
Table des matières
Remerciements
Résumé
Abstract
Introduction générale
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Le système visuel 1.1 Le modèle LAMINART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1 3
Estimation des écarttypes des paramètres seuil et pente de la fonction psychomé trique 5 2.1 Méthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.1 La fonction psychométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2 Les paramètres de la fonction psychométrique . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.3 Procédure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.4 Les fichiers de données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.1 Seuils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.2 Pentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Etude expérimentale des interactions spatiales entre segments visuels isoorientés 19 3.1 Etat des connaissances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 Expérience 1 : Etendue spatiale des régimes d’intégration courte et longue distance 28 3.2.1 Méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3 Expérience 2 : Caractéristiques fonctionnelles du régime longue distance . . . . 32 3.3.1 Méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
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4.1 4.2 4.3 4.4
TABLE DES MATIÈRES
Expérience 3 : Interactions des deux régimes d’intégration spatiale . . . . . . . 3.4.1 Méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Expérience 4 : L’apprentissage perceptif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Expérience 5 : Etude contrôle relative au régime longue distance . . . . . . . . 3.6.1 Méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Discussion générale des résultats et conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.1 Stimuli du type patch de Gabor ou D6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.2 Direction d’alignement des stimuli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.3 Effet longue distance avec des polarités opposées . . . . . . . . . . . . 3.7.4 Plasticité visuelle en fonction des polarités, du régime d’interaction, et de la direction d’alignement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.5 Voies ON et OFF et contours visuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.6 Correspondances neurophysiologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43 43 43 45 48 49 51 54 59 59 61 64 65 67 69 71
71 72 73
Modélisation des interactions spatiales entre segments visuels isoorientés 75 Le modèle LAMINART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.1.1 Rétine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.1.2 Corps Genouillé Latéral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.1.3 Couche 4(S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.1.4 Couche 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.1.5 Couche 4(Y) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.1.6 Couche 2/3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.1.7 Implémentation et modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Simulation "RETINEBloc1" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.2.1 Définition du seuil de détection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.2.2 Résultats des simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Simulation "RETINEBloc1Bloc2" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Discussion générale des simulations et conclusions . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.4.1 Le régime longue distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.4.2 Interactions entre polarités identiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.4.3 Interactions entre polarités opposées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.4.4 Correspondances entre valeurs physiques de la luminance et valeurs nu mériques en entrée de la rétine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
TABLE DES MATIÈRES
5
Conclusions générales et perspectives
Bibliographie
A
B
C
D
E
xi
107
113
Stimuli visuels et lois psychophysiques 121 A.1 Des lignes ou bord de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 A.2 Patch de Gabor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 A.3 Stimulus D6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 A.4 Comparaison entre stimuli Gabor et stimuli lignes . . . . . . . . . . . . . . . . 124 A.5 Lois psychophysiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
La fonction psychométrique B.1 Les fonctions psychométriques théoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.2 Fonctions utilisées et ajustement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.3 Seuil et pente à 75% de réponses correctes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.4 Écarttypes dans le cadre du calcul asymptotique . . . . . . . . . . . . . . . . B.5 Algorithme bootstrap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Analyse de la variance
Listing du code source
Publications
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