La constance en vision

1. La constance en vision Définition de la constance La constance de luminance La constance spatiale lors des mouvements oculaires Constance de taille Constance de forme (statique) Constance de forme (dynamique)

2. Je m’appelle Mark Wexler • Vous trouverez ce cours sur mon site : http://wexler.free.fr/ • Si vous avez des questions, n’hésitez pas à me contacter à : wexler@ccr.jussieu.fr

3. Définition de la constance • Au lieu de percevoir les données sensorielles directement …S = P • … les interpréter comme combinaison, parfois complexe, d’une partie variable (v) et une partie invariable (i) …S = f(v, i) • … et percevoir la partie invariableS = f(v, i = P)

4. La constance de luminance • Soyons simples, restons en N&B ! • Problème physique : comment quantifier si une surface est sombre ou claire ? Luminosité = Illumination Reflectivité brightness lightness Le flux d’énergie lumi- neuse qui atteint l’œil Une vraie propriété invariante d’une surface Conditions ambiantes

5. Le ‘noir’ et le ‘blanc’ d’une page imprimée semblent avoir presque les mêmes luminosités à l’intérieur et à l’extérieur Rblanc 10 Rencre Iextérieur 100 Iintérieur Lnoir ext. 10 Lblanc int. ! Une seule surface noire matte dans un spot très lumineux paraît blanche (l’effet de Gelb) Mais elle paraît gris foncé à côté d’une surface blanche L’illusion de contraste simultané(décrite par Chevreul au XIXème) Exemples de constance

6. Contraste simultané dynamique A. G. Shapiro et al. (2004). Induced contrast asynchronies. Journal of Vision

7. Mécanisme : Adaptation ? • L’adaptation • de la pupille • des récepteurs rétiniens au niveau ambiant de l’illumination • Problèmes : • trop lent (dizaines de secondes) • incapable de rendre compte des phénomènes complexes qu’on verra tout à l’heure

8. Mécanisme : Théorie d’Helmholtz • L’inférence perceptive (c. 1860) • Idée : déduire R de L = I R • Détermine d’abord I, l’illumination ambiante • Ensuite calcule R = L/I • Problème : il n’y a pas d’évidence qu’on connaisse, consciemment ou inconsciemment, I • Et même quand on le connaît, ça ne semble pas avoir un effet majeur sur la perception de la luminance (Rutherford & Brainard, 2002) • Comment pourrait-elle expliquer le contraste simultané ? Prédiction Si I paraît la même, et R paraît la même, alors L devrait être pareille Non !

9. Mécanismes « bas niveau » • Hering (c. 1860) : Pas de calcul « haut niveau » helmholzien, mais un calcul « bottom-up » qui comparerait directement les luminances dans l’image • Wallach (1948) : Ce qu’on perçoit sont les ratios des luminances • Marche très bien pour des stimulus très simples tels que le contraste simultané • Des problèmes avec les stimulus plus complexes • Gilchrist (1995) : L’hypothèse d’ancrage – le gris le plus clair (« l’ancre » de l’image) est perçu comme blanc

10. Mécanisme : Champs récepteur centre-périphérie • Mach (c. 1890) : L’application d’un filtre centre-périphérie (« chapeau méxicain », opérateur de Laplace, deuxième dérivée, détecteur de bords, inhibition latérale) expliquerait le contraste simultané et d’autres illusions de luminance (bandes de Mach, etc.) • Il existe des capteurs (sur la rétine et dans le LGN) avec de tels champs récepteur Bandes de Mach, version de Vasarely Illusion de Craik-O’Brien-Cornsweet

11. Modèle : Retinex(Land & McCann, 1971) • Etant donné L = I Roù seul L est connue, et que I(x) peut varier en fonction de la position dans l’image, le problème de savoir R est sous-déterminé ou mal posé • Si seulement I(x) ne variait pas, on pourrait connaître les réflectivités relatives (Wallach), et avec des hypothèses supplémentaires les réflectivités absolues (l’ancrage de Gilchrist) • Idée : • détecter d’abord les bords • aux bords, seule la réflectivité varie • à l’intérieur des régions, seule l’illumination varie • Application aux « mondrians » • Les mondrians sont compliqués, mais le monde l’est encore plus…

12. Le 3D : La carte de Mach normale inversée A essayer à la maison !

13. La carte de Mach :Reets colorés normale inversée Bloj, Kersten & Hurlbert (1999) Perception of three-dimensional shape influences colour perception through mutual illumination

14. Le 3D : Bords de réflectivité vs. bords d’illumination • Gilchrist (1977, 1988) : les bords de luminance ne sont pas nécessairement des bords de réflectivité – ils peuvent être, par ex., des ‘intersections’ des différents plans 3D illuminés différemment • Expérience (1977) • Des changements rétiniens minimaux qui mènent à des changements perceptifs 3D majeurs • Ca change la perception de la luminosité

15. Knill & Kersten (1991) La marche impossible (Adelson) D’autres exemples 3D

16. Les jonctions • Face aux complexités des effets du 3D sur la perception de la luminance, une approche à la façon d’Hering, bottom-up, avec des règles complexes sur les jonctions – surtout en vision par ordinateur (e.g., Sinha & Adelson, 1993) • Une généralisation de l’approche de Wallach

17. Explications bottom-up vs. top-down : exemple de l’illusion de White Contraste simultané… eh non ! Explication bottom-up : la force des jonctions T (Todorovic, 1997 ; Zaidi et al., 1997) Explication top-down : des plans de profondeur différente L’illusion « criss-cross », similaire mais avec des jonctions  (Adelson) vue comme plusieurs plans (dont un transparent), ou bien comme une image plate l’illusion a la même force pour tout le monde pas besoin d’abord passer par une phase 3D ? occluder (different illumination) same illumination L’illusion de WhiteHering vs. Helmholtz : Le retour

18. Quel rôle pour les bords ? • On ne peut pas toujours compter sur des bords nets • Exemple : les ombres floues (Adelson)

19. La constance spatiale lors des mouvements oculaires • Lorsque nos yeux tournent dans leurs orbites, le monde ne semble pas se déplacer (d’habitude) • On ne voit • ni de mouvement • ni de changement de position (pas la même chose!) • Pourtant, l’image rétinienne subit une rotation qui peut être violente • 3 fois/sec • Jusqu’au 500°/sec de vitesse (150 km/h à 5 m!) • Le même flux rétinien sans mouvement oculaire donne lieu (souvent) à des perceptions de rotation ou déplacement du monde visuel

20. Distorsions visuellesautour des saccades • Suppression de la perception du mouvement (Bridgeman, 1975) • Mislocalisation des points (Matin, 1965) • Tâche : localiser des points lumineux qui apparaissent juste avant ou après une saccade • Résultats • avant la saccade (mais pendant sa préparation) : erreurs dans le sens de la saccade • après la saccade : erreurs dans le sens contraire • Explication • Position perçue = position rétinienne + position de l’œil • L’estimation de la position de l’œil est mise au jour pendant les saccades • Cette mise au jour est plus lente que la saccade Honda, H. (1991). The timecourses of visual mislocalization and of extra-retinal eye position signals at the time of vertical saccades. Vis. Res. 31, 1915–1921.

21. Données neurophysiologiques • Des champs récepteurs : une carte rétinotopique • Lors d’une saccade, le contenu d’un champ récepteur change brusquement • Certains neurones anticipent ce changement en déplaçant leur champ récepteur pendant la préparation d’une saccade J.-R. Duhamel, C. Colby, M.E. Goldberg. “The updating of the representation of visual space in parietal cortex by intended eye movements”. Science, 255, 90-92 (1992).

22. Informations disponibles • Informations rétiniennes • Informations extra-rétiniennes • informations afférentes (proprioception)(Les yeux se déplacent, et nous sentons ce déplacement) • informations efférentes (commande motrice)(C’est notre cerveau qui commande ce déplacement, donc nous savons en avance comment les yeux se déplaceront)

23. Informations rétiniennes • ‘Hypothèse’ ou heuristique de base : dans chaque scène visuelle il y a un arrière-plan qui est stationnaire ; les objets au premier plan (qui sont plus petits que l’arrière-plan) peuvent se déplacer, mais pas l’arrière-plan • Lorsque l’arrière-plan se déplace (i.e., presque toute l’image), c’est interprété comme (le résultat d’) un mouvement oculaire. Lorsque l’image d’un petit objet au premier plan se déplace, c’est interprété comme étant dû au déplacement de l’objet. • Exemple : la vection (phénomène de gare)

24. L’illusion de Duncker (c. 1920)

25. James J. Gibson et l’école « écologique » « The visual world has the property of being stable…. By stability is meant the fact that it does not seem to move when one turns his eyes or himself around…. The perceptual experience of the stable, unbounded visual world comes from the information in the ambient array that is sampled by a mobile retina. The reasons the world does not seem to move when the eye moves, therefore, is not as complicated as it has seemed to be. Why should it move? The movement of the eye and its retina is registered instead; the retina is proprioceptive. » (The senses considered as perceptual systems, p. 256, 1966)

26. Flux optique • Gibson (The senses considered as perceptual systems, 1966)

27. Mais… • La démonstration de pression sur l’œil démontre que ce n’est pas tout, car une pression momentanée produit une rotation de la scène entière, qui est perçue comme telle – et non pas comme un mouvement propre • Patients neurologiques (e.g., T. Haarmeier et al. (1997), « False perception of motion in a patient who cannot compensate for eye movements », Nature, 389, 849-852) qui compensent pas pour leurs mouvements oculaires, et qui voient le monde tourner dans le sens inverse « Si l’œil M est détourné par force de l’objet N, et disposé comme s’il devait regarder vers q, l’âme jugera que l’œil est tourné vers R. Et parce qu’en cette situation les rayons de l’objet N entreront dans l’œil, tout de même que feraient ceux du point S, si l’œil était véritablement tourné vers R : elle croira que cet objet N est au point S, et qu’il est autre que celui qui est regardé par l’autre œil. »(Descartes, Traité de l’homme, 1644)

28. Informations extra-rétiniennesLes signaux proprioceptifs • Sherrington (1898) a démontré que les muscles oculaires produisent des signaux proprioceptifs en fonction de leur étirement. Ceci pourrait fournir un mécanisme pour annuler le flux optique dû aux mouvements oculaires, pour qu’il ne soit pas perçu comme mouvement d’objet.

29. Modèle de Sherrington

30. Gauthier, Nommay & Vercher (1990) Déviation externe de l’œil non-voyant Erreurs systématiques d’estimation de position dans la direction de la déviation Prédites par la théorie de feedback, pas par la théorie de la commande motrice Gauthier, Nommay & Vercher (1990)

31. Mais… • Encore la pression sur l’œil : on a les signaux proprioceptifs, mais on voit tout de même du mouvement. • Ni les signaux proprioceptifs – ni la rotation du champ visuel entier – ne peuvent pas annuler l’impression du mouvement d’objet. • Problème théorique : les signaux proprioceptifs sont trop lents par rapport aux signaux visuels. • Lorsqu’on tire l’œil anaesthésié par des forceps, on n’a pas accès aux informations du mouvement (Brindley & Merton, 1960)

32. Informations extra-rétiniennesLes (re-)efférences • Théorie de Helmholtz et Mach : une copie du signal efférent est soustraite (avec délai) du signal rétinien du flux optique.

33. Expérience critique • S’il y a commande motrice, mais les yeux ne bougent pas : • La théorie rétinienne (Gibson) prédirait qu’on ne verrait pas du mouvement dans la scène, car il n’y a pas de mouvement sur la rétine • Le théorie afférente (Sherrington) prédirait qu’on ne verrait rien non plus, car il n’y ni mouvement sur la rétine, ni signaux proprioceptifs du mouvement oculaire • La théorie efférente (Helmholtz, Mach) qu’on verrait du mouvement dans le sens inverse de la commande motrice, qui est soustraite du flux rétinienne nul

34. Et le résultat est… • On voit du mouvement dans le sens inverse de la commande motrice ! • Première version : au 19ème siècle, Ernst Mach se met de l’argile dans les yeux… • mais ils peuvent encore bouger un peu, donc il y a encore des signaux proprioceptifs • Versions plus récentes : paralysie pharmacologique • Kornmüller (1931) : novocaïne • Hammond et al. (1956) : tubocurarine

35. Mais… • Ça ne marche pas avec la paralysie totale • Curare : (J.K. Stevens et al. (1976), « Paralysis of the awake human: Visual perceptions », Vision Research, 16, 93-98) • Ça ne marche qu’avec un point lumineux dans le noir ! • L. Matin et al. [(1982) « Oculoparalytic illusion: Visual-field dependent spatial mislocalizations by humans partially paralyzed with curare ». Science, 216, 198-201] ont trouvé qu’avec un arrière-plan visuel, la cible ne se déplace pas

36. Conclusion • Pour distinguer le mouvement propre du mouvement d’objet, une copie de la commande motrice efférente est soustraite du flux optique • Mais cette information extra-rétinienne est beaucoup plus bruitée que le signal rétinien • En présence d’un arrière-plan visuel, les informations extra-rétiniennes sont (parfois) calibrées par les données rétiniennes

37. Cas de manquede constance spatiale • Il y a très peu de mémoire trans-saccadique. • J. Jonides, D.E. Irwin, S. Yantis (1982). « Integrating visual information from successive fixations. » Science, 215, 192-194. • Irwin, Yantis & Jonides (1983). « Failure to integrate information from successive fixations. » Science, 222, 188. • Mais il y a quelque travaux qui soutiennent l’existence d’une telle mémoire (Hayhoe et el., 1991 ; Melcher, 2001 ; Melcher & Morrone, 2003)

38. Un autre type de mouvement oculaire Sémi-volontaire Nécessite une cible en mouvement approprié Moins de compensation que pour les saccades Moins de constance spatiale La poursuite lisse

39. Stabilité du monde pendant la poursuite • L’illusion de Filehne • Pendant la poursuite lisse, n arrière-plan stationnaire semblent se déplacer dans le sens contraire • L’illusion d’Aubert et Fleischl • Un objet poursuivi (et donc presque stabilisé sur la rétine) semble se déplacer plus lentement qu’un se déplaçant sur la rétine avec la même vitesse

40. Stimulus de Johansson

41. Stimulus de Johansson • Deux objets se déplaçant horizontalement et verticalement, par ex.: • p1 = (sin t, 0) • p2 = (0, cos t) • Fixation d’un point immobile • on perçoit les trajectoires horizontale et verticale • Poursuite de l’un des deux objets • l’autre objet semble suivre une trajectoire intermédiaire entre une droite (contance parfaite) et un cercle (absence de constance)

42. Li et al. (2002) • La perception des formes 2D pendant la poursuite • Très peu de compensation • La forme perçue est la forme sur la rétine : absence totale de compensation pour le mouvement oculaire et donc de constance

43. Un énorme bugdans le système visuel • L’effet auto-cinétique • Un seul point immobile vu dans le noir complet semble subir des grands mouvements après quelques minutes • Décrit par Humboldt, un astronome du XVIIIème • Voir J. Levy (1972) pour une revue de théories • Probablement dû au manque de la compensation pour des petits mouvements oculaires involontaire

44. Constance de taille • On ne voit pas directement la taille (t) d’un objet, ni sa distance (d) de nous, mais son angle rétinien, qui est la combinaison : a  atan(t/d) • On perçoit les objets de formes similaires et tailles rétiniennes différentes comme ayant la même taille et des profondeurs 3D différentes • dans le domaine temporel • dans le domaine spatial • Le troisième dimension comme une ‘variable cachée’ qui garantirait une constance de taille

45. Constance temporelle de taille • Un objet qui change de taille semble garder sa taille fixe et changer de distance • L’effet est plus fort si on enlève des indices 3D qui sont en conflit • Si la taille semble aussi changer, c’est une sous-constance

46. Les objets ne sont pas obligés d’être identiques Le contexte n’est pas indispensable – mais ça aide Constance spatiale de taille Merci à Stuart Anstis

47. Constance spatiale de taille • Ce qui arrive lorsque la taille dans l’image est constante

48. Panne de constance de taille,ou : les effets du contexte • Chambre d’Ames • Constance de taille en conflit avec la constance de forme

49. Constance de forme (statique) • On ne voit pas directement les formes 3D, mais seulement leurs projections 2D • Lorsque les objets se déplacent d’une façon rigide (rotations, translations), leurs images projetées subissent des déformations • On ne perçoit pas ces déformations, mais plutôt les formes 3D rigides sous-jacentes • Comment ça pourrait marcher ? Merci à Stuart Anstis

50. La perspective linéaireExemple complexe • A cause de la projection, les lignes réellement parallèles ne le sont pas dans l’image • La vision chercherait des plans, compatibles avec la projections, où les lignes seront parallèles