IBTS-77-RP-1000
Mécanismes de la perception visuelle
Perception des tailles
Taille relative :L’indice de taille relative est étroitement corrélé à l’indice de perspective. Etant donné que la perspective converge vers un ou plusieurs points de fuite positionnés sur la ligne d’horizon, donc à une distance visuelle assimilée à l’infini, la taille des objets observés sera perçue relativement plus petite lorsque la profondeur de l’objet augmente. Ainsi, par simple analyse de la taille de l’objet, il est possible de situer sa position en profondeur.
Phénomène de constance de taille :La perception des tailles fait également intervenir un traitement cognitif de l’information visuelle. Lorsque l’objet observé est familier et ses dimensions connues par l’observateur, peu importe sa distance et sa taille angulaire, celui-ci sera perçu de taille constante quelle que soit sa profondeur. L’observateur prendra conscience de la distance d’observation, mais la taille de l’objet ne lui semblera pas différente. La dimension familière de l’objet domine la perception de sa dimension par l’indice de taille relative. Ainsi, pour apprécier visuellement la taille des objets, il semble qu’il existe en permanence un compromis entre le traitement perceptif, préféré pour des objets de taille angulaire petite, et le traitement cognitif, plus performant pour des angles visuels plus grands.
Perception de la profondeur
Informations binoculaires
Convergence :La convergence est le mécanisme de rotation des yeux, grâce aux muscles oculomoteurs, pour s’orienter vers la cible à observer. D’après (Cutting & Vishton, 1995), au-delà de 6 mètres, l’angle de vergence est trop petit pour être utilisé comme indice de distance. Plus restrictif, (Gogel, 1961) démontre que la vergence contribue à la perception des distances, lorsque celles-ci sont inférieures à la longueur du bras.
Entre ces deux extrêmes, (Richards & Miller, 1969 ; Von Hofsten, 1976) confirment l’influence de la vergence dans la perception des distances jusqu’à 2 mètres. Dans tous les cas, le poids de cet indice reste relativement faible. Il baisse lorsque l’indice de vergence est combiné avec d’autres indices de perception de distance : en particulier, la diversité des indices exclusivement visuels fait baisser le poids de la vergence, de même que l’augmentation des conflits entre la vergence et les autres indices visuels. Pour finir, l’augmentation de la distance de fixation tend à réduire le poids de la vergence.
Accommodation :L’accommodation définit le mécanisme de mise au point de la projection de l’objet observé sur la rétine. Les objets alentours qui ne sont pas à la même profondeur apparaissent alors flous. Pour accommoder, le rôle des muscles ciliaires est primordial : ils agissent sur le cristallin en faisant varier sa courbure, donc sa focale, afin d’obtenir une projection nette sur la rétine. L’accommodation est couplée entre les deux yeux de l’observateur. On observe une variation de l’effort d’accommodation en fonction de la distance d’observation. D’après (Fisher & Ciuffreda, 1988), l’accommodation atteint sa limite d’efficacité lorsque la distance de l’objet observé est inférieure à 2 mètres. De plus, cet indice ne permet pas d’appréhender la distance relative des objets, dans la mesure où les objets positionnés plus loin et plus proches de la distance d’accommodation sont identiquement flous. Il n’est donc pas possible de comparer la distance relative de ces objets à la distance focale sur la base unique de l’indice d’accommodation.
Informations monoculaires
Occlusions :L’occlusion visuelle est un indice de perception de la profondeur qualitatif. Il permet de fournir une information spatiale topologique de la position des objets de la scène sur l’axe de la profondeur. Lorsque l’observateur est en mouvement, l’occlusion cinétique permet d’établir une stratégie motrice pour améliorer l’efficacité, ou lever l’ambiguïté, de l’occlusion statique.
Perspective :La perspective visuelle est une transformation d’une portion du monde spatial tridimensionnel vers une projection bidimensionnelle courbe, sur la rétine. C’est l’indice qui favorise le plus la compréhension de la troisième dimension (la dimension de profondeur) sur une image 2D. La perspective répond à un ensemble de lois géométriques, telles que le parallélisme des segments verticaux de la scène observée, ou le positionnement des points de fuite sur la ligne d’horizon, qui permet d’identifier la position du sol dans la scène visuelle. D’ailleurs, dans les environnements virtuels, la présence du sol permet de mieux tirer parti des informations de perspective, donc de disposer d’un indice de perspective plus fiable (Sinai & al, 1998).
Résolution spatiale du toucher
La résolution spatiale du toucher est la distance minimale entre deux points cutanés stimulés par contact et perçus isolément. Cette distance est également appelée « seuil de discrimination tactile », elle varie en fonction de la zone du corps stimulée . La résolution spatiale la moins fine est identifiée au niveau du dos, où deux stimulations tactiles doivent être distantes d’au moins 40 mm pour être perçues distinctement. À l’inverse, à l’extrémité des doigts, deux stimuli séparés de 3 mm seulement peuvent être identifiés distinctement : c’est la zone du corps où la résolution spatiale est la plus fine. La précision de la résolution spatiale du toucher est directement liée à la densité des mécanorécepteurs présents dans chaque zone du corps. Dans le cas de la main, la résolution spatiale de l’extrémité des doigts, plus richement innervés en récepteurs de Merkel et Meissner, est supérieure à celle des phalanges et de la paume. Ce résultat implique une corrélation directe entre la proportion de mécanorécepteurs présents dans une zone de la peau et la résolution spatiale du toucher dans la zone en question (Vallbo & Johansson, 1978).
Intégration haptico-proprioceptive : perception active
Le système perceptif haptico-proprioceptif peut appréhender presque toutes les capacités auxquelles accède la vision. Cette modalité est très bien adaptée à la perception des propriétés matérielles (surtout la texture) des objets, tandis qu’elle est sensiblement moins performante que la vision dans le domaine spatial (dimension, orientation).
Deux types de perceptions haptiques sont distinguées : tout d’abord, la perception passive, résulte de la stimulation tactile d’une partie du corps immobile ; ensuite, bien plus complexe et riche en informations sensorielles, la perception active consiste à explorer activement un objet avec la main pour en percevoir la forme, la texture, la souplesse… Intervient alors une intégration sensorielle haptique et proprioceptive pour faire émerger la forme de l’objet exploré tactilement. Contrairement aux autres modalités, qui disposent uniquement une fonction perceptive, la modalité haptique possède une spécificité unique puisque la main est dotée à la fois d’une fonction perceptive et motrice. Dès lors, il apparait que perception et action sont étroitement liées dans le cas de la modalité haptique, plus que dans toute autre modalité sensorielle.
Perception des orientations : effet d’oblique
Dans la perception haptique des orientations, l’axe vertical et l’axe horizontal sont privilégiés, car ils correspondent respectivement à des valeurs de référence, qui sont la direction de la gravité et à celle de l’horizon visuel. La combinaison de ces axes forme un cadre de référence dans un espace bidimensionnel où toutes les autres orientations sont dites obliques. Globalement, la perception des orientations est plus précise en vision qu’en haptique (Gentaz & al, 2001). Si l’effet d’oblique a été largement démontré pour la perception visuelle, son existence dans le cas de la perception haptique a souvent été débattue dans la littérature. La première hypothèse sur le sujet, lancée par (Lechelt & al, 1976, 1980), prône l’existence d’un effet d’oblique intrinsèque au système haptique, identique à celui observé pour le système visuel. Cette hypothèse est invalidée par (Appelle & al, 1985, 1986), pour qui l’effet d’oblique dans la perception haptique dérive d’une part de l’effet d’oblique visuel, et d’autre part du processus d’exploration – reproduction des orientations en conditions controlatérales, dans la mesure où le système épaule-main n’est pas symétrique pour les orientations obliques, alors qu’il l’est pour les orientations verticales et horizontales. Plus récemment, l’effet d’oblique en perception haptique a été démontré dans les plans frontal et sagittal, en condition ipsilatérale ou controlatérale de reproduction des orientations par (Gentaz & Hatwell, 1995, 1996, 1998), d’après lesquels cette anisotropie serait également due à l’influence de l’effort gravitationnel qui s’exerce sur le système épaule-main.
Perception de la courbure
La perception haptique d’une courbure, sans l’aide de la vision, se dégrade avec l’augmentation de la taille du stimulus. La précision est idéale lorsque le stimulus est inférieur à la taille du doigt, car l’exploration tactile ne fait pas intervenir des mouvements du système épaule-main (Gordon & Morison, 1982). Sachant que l’exploration active de la forme d’un objet s’appuie sur des indices géométriques et des indices de force ; lorsque des sujets, immergés dans un environnement virtuel, passent le doigt sur une forme de bosse, ils s’attendent à ressentir une force dont la direction et l’amplitude sont corrélées avec la pente de la bosse (plus la pente est raide, plus la résistance opposée au doigt est grande). Cependant, en l’absence de retour visuel sur la géométrie de l’objet, lorsqu’une bosse est présentée avec les indices de force d’un trou, les sujets perçoivent la géométrie d’un trou. Inversement, lorsqu’un trou est présenté avec les indices de force d’une bosse, les sujets perçoivent la géométrie d’une bosse. Par conséquent, les indices de force, même erronés, peuvent dominer la géométrie réelle des objets lors d’une exploration haptico-proprioceptive active (Robles-de-la-Torre & Hayward, 2001).
Sur la base de cette observation, on peut transposer l’exercice à la perception de la courbure d’une arche par exploration active à l’aide d’un bras à retour d’effort . Les résultats confirment l’intégration sensorielle qui s’opère chez les sujets entre les indices de position et de force du doigt explorant une arche. Par exemple, la perception de la géométrie des arches hautes, plus convexes, s’appuie davantage sur les indices de position du doigt, tandis que pour des arches basses, plus concaves, ce sont les indices de force qui semblent prépondérants (Drewing & Ernst, 2006). De plus, pour une géométrie donnée, la modification de l’amplitude ou de la direction des forces (modification de la friction) exercées sur le doigt fait évoluer, sur la base de leur fiabilité, la pondération des indices de force et de position intégrés par les sujets pour évaluer la courbure de l’arche (Drewing & al, 2008).
Intégration visuo-haptique
Evolution avec l’âge
Etant donné la différence indiscutable qui existe entre l’image rétinienne d’un objet vu par l’œil et sa perception visuelle proprement dite, qui inclut les notions de forme, de taille, de profondeur et d’orientation ; tout portait à croire dès le 18ème siècle qu’un nouveau né doit apprendre à voir à la naissance. Sur ces observations, il fut proposé que la source d’apprentissage la plus probable était le sens du toucher, donc qu’un enfant apprenait à voir en s’aidant de la représentation tridimensionnelle des objets que lui procurait sa perception tactile.
Dans les années 60, une série d’expérimentations tente d’apporter des réponses aux observations contradictoires qui entourent la perception de la vision et du toucher. En effet, la reconnaissance de forme par le toucher parait bien imprécise pour servir de base à la construction de la perception visuelle. De plus, il a été démontré que la vision est déjà très développée juste après la naissance. Les bébés ont une bonne perception des profondeurs et les enfants perçoivent les tailles et les formes aussi bien que les adultes. Sur ces observations, (Rock & Harris, 1967) mènent une série d’expériences, dans lesquelles ils provoquent des conflits entre les perceptions visuelle et haptique. Les sujets doivent évaluer la taille d’un objet par le toucher, tandis que la perception visuelle de la taille de l’objet est altérée par des lentilles ou des prismes déformants.
Les résultats démontrent que la vision domine largement le toucher. Ainsi, lors d’un conflit sensoriel, si le toucher donne une information qui n’est pas cohérente avec la vision, c’est l’information visuelle qui détermine la perception finale. Ce phénomène illusoire s’appelle la « capture visuelle », il est également présent chez les enfants de 4 à 5 ans et évolue peu avec l’âge (McGurk & Power, 1980 ; Warren & Pick, 1970).
Domination de la vision dans la perception du corps
L’analyse neurologique du cortex pré-moteur d’un singe montre que la perception de la position du bras émerge de la somme des indices, visuels d’une part et haptico-proprioceptifs d’autre part, qui convergent vers les mêmes neurones. Que le bras soit visible, ou caché et représenté par une maquette, ces neurones en définissent systématiquement la position en adéquation avec les informations visuelles, poussant le singe à s’approprier la maquette en lieu et place de son propre bras (Graziano,1999).
Sur des sujets humains, l’illusion dite de la main en caoutchouc permet de mettre en évidence l’influence dominante de la vision sur la proprioception dans la représentation mentale de notre propre corps. Lorsque la main d’un sujet et une main en caoutchouc sont stimulées tactilement par la caresse d’un pinceau, de façon synchronisée, le sujet peut percevoir la main en caoutchouc comme faisant partie de son propre corps. Si la main factice est remplacée par un bâton en bois, l’illusion disparait, ce qui montre l’importance du réalisme de la stimulation visuelle. De plus, il apparait que la synchronisation spatiotemporelle de la stimulation tactile entre les deux mains est une condition nécessaire mais pas suffisante à l’apparition de l’illusion (Tsakiris & Haggard, 2005). En cas de désynchronisation d’orientation entre la main du sujet et la main en caoutchouc, on s’aperçoit que le phénomène de d’appropriation persiste jusqu’à un certain seuil. En particulier, pour de faibles différences d’orientation entre la main du sujet et la main en caoutchouc, tant que l’orientation des stimulations reste synchronisée dans le référentiel de la main, l’illusion persiste, et ce même si l’orientation des stimulations n’est plus synchronisée dans le référentiel extérieur. Il apparait donc que, la perception tactile se fait dans un référentiel centré sur la main, dont l’origine est réévaluée lorsque celle-ci est en mouvement (Costantini & Haggard, 2007). Ces deux expérimentations suggèrent que l’appropriation du corps dépend d’abord d’une représentation mentale de ce dernier.
Perception et action des conducteurs
Fonctionnement d’une assistance électrique au volant
La direction assistée électrique compense les efforts nécessaires au braquage des roues du véhicule. Plus la vitesse du véhicule est élevée, plus l’assistance est faible, car la remontée d’effort issue des frottements au sol lors du changement de direction des roues diminue avec la vitesse. De plus, le retour d’effort au volant doit être d’autant plus grand que la vitesse est élevée afin d’assurer un contre-effort au volant capable d’assurer une bonne stabilité de la direction, donc une bonne maitrise de la trajectoire à grande vitesse. Quoi qu’il arrive, le volant renvoie toujours un couple opposé au couple conducteur, et toujours inférieur, afin qu’il puisse continuer à braquer s’il le souhaite.
Le couple d’assistance est fourni à l’aide d’un moteur électrique. Ce couple est transmis aux pignons de la crémaillère par un réducteur. Il s’additionne au couple appliqué par le conducteur au volant.
La force exercée par le conducteur sur le volant est transmise mécaniquement à la crémaillère via les pignons. Ce couple conducteur est mesuré par l’intermédiaire d’un capteur de couple et envoyé au calculateur de direction assistée.
Le calculateur alimente le moteur d’assistance du volant en fonction : De l’angle appliqué au volant; Du couple conducteur; De la vitesse du véhicule.
Méthode du « tangent point » en conduite
C’est (Land & Lee, 1994) qui observent en premier cette propriété des conducteurs, qui consiste à fixer le regard sur le point tangent à la courbe intérieure de la route, lors de manœuvres de prise de virage. Cette méthode est baptisée « tangent point », c’est l’une des stratégies visuelles employées par les conducteurs pour planifier leur trajectoire en courbe.
Lors d’une expérimentation, ils font conduire à des sujets, un véhicule équipé d’un dispositif pour enregistrer l’angle au volant, et d’une caméra pour enregistrer la direction du regard des conducteurs. Ils s’aperçoivent que les angles de direction du regard et de direction de lacet du véhicule évoluent de façon corrélée. De plus, en analysant la dispersion des points de fixation, on s’aperçoit que les conducteurs fixent, pendant 80% de la durée expérimentale, le « tangent point ». Afin d’expliquer ce comportement, les auteurs suggèrent que le « tangent point » fournit une mesure très facile de la courbure d’un virage. En effet, en connaissant l’angle entre la direction du regard et la direction de lacet du véhicule, il est très facile de déduire la courbure de la route, par quelques règles trigonométriques de base.
D’après les résultats de cette expérimentation, c’est probablement le calcul fait par notre cerveau pour évaluer l’évolution de la courbure d’un virage. En outre, l’angle mesuré par le « tangent point » semble être proportionnel à l’angle qui est appliqué au volant.
Dans une revue d’articles, (Land, 2001) suggère que le « tangent point » pourrait avoir une propriété supplémentaire qui le rend si intéressant. En effet, la zone au sol autour du « tangent point » est la seule zone du champ visuel où le flux visuel est stationnaire . C’est donc la seule zone où les yeux peuvent se reposer sans subir en permanence le réflexe opto-cinétique, propre à l’observation des flux visuels latéraux.
|
Table des matières
Partie 1 :Contexte et approche
1 Approche scientifique
1.1 Sujet et problématique
1.2 Le laboratoire Le2i
2 Approche industrielle
2.1 Problématiques industrielles
2.1.1 Démultiplication de la direction du véhicule
2.1.2 Assistance à l’éco-conduite
2.2 Le centre Technique de Simulation (CTS) de Renault
2.2.1 Simulateurs statiques
2.2.2 Simulateurs dynamiques
2.3 Cadre administratif et projets
2.3.1 Projet IViMA
2.3.2 Projet ARiVA²
2.3.3 Projet geDriver
Partie 2 :Bibliographie
3 Modalité visuelle
3.1 Physiologie
3.1.1 L’œil
3.1.2 La rétine
3.1.3 Les voies visuelles
3.2 Mécanismes de la perception visuelle
3.2.1 Perception des tailles
3.2.2 Perception de la profondeur
4 Modalité haptique
4.1 Les récepteurs
4.1.1 Mécanorécepteurs cutanés
4.1.2 Récepteurs musculaires et articulaires
4.2 Résolution spatiale du toucher
4.3 Perception de la force : force absolue ou effort musculaire
4.4 Intégration haptico-proprioceptive : perception active
4.4.1 Perception des orientations : effet d’oblique
4.4.2 Perception de la courbure
4.4.3 Perception des longueurs
5 Intégration visuo-haptique
5.1 Evolution avec l’âge
5.2 Domination de la vision dans la perception du corps
5.3 Introduction à la méthode psychophysique
5.4 Perception des tailles
5.5 Perception de la raideur
5.6 Perception de la profondeur
5.7 Perception des orientations
5.8 Conclusion
6 Perception et action des conducteurs
6.1 Fonctionnement d’une assistance électrique au volant
6.2 Méthode du « tangent point » en conduite
6.3 Le contrôle moteur en conduite
6.3.1 Théorie des modèles internes
6.3.2 Boucle ouverte, boucle fermée
6.3.3 Stratégies d’adaptation sensorimotrice
6.4 Conclusion
7 Les systèmes embarqués
7.1 Généralités
7.2 Workload en conduite
7.2.1 Workload et expérience du conducteur
7.2.2 Workload et tâche secondaire
7.2.3 Workload et complexité du trafic
7.3 Interfaces visuelles d’assistance à la conduite
7.4 Interfaces haptiques d’assistance à la conduite
7.4.1 Généralités : perception haptique du pied
7.4.2 Application au suivi de véhicules
7.4.3 Application à la limitation de vitesse
Partie 3 :Expérimentations
8 Comparaison d’assistance visuelle et haptique à l’éco-conduite
8.1 Objectifs
8.2 Bibliographie
8.2.1 Assistance par retour visuel
8.2.2 Assistance par retour haptique
8.2.3 Assistance à l’éco-conduite
8.3 Dispositif expérimental
8.3.1 Le simulateur CARDS
8.3.2 Loi d’éco-conduite
8.3.3 La pédale d’accélérateur à retour d’effort
8.4 Protocole
8.4.1 Tâche expérimentale
8.4.2 Participants
8.4.3 Conditions
8.4.4 Données calculées
8.5 Résultats
8.6 Discussion
8.6.1 Apport des consignes à l’éco-performance
8.6.2 Apport supplémentaire des systèmes d’aide à l’éco-conduite
8.6.3 Apports de la pédale haptique
8.6.4 Intégration visuo-haptique
8.7 Conclusion et perspectives
9 Couplage visuo-haptique au volant
9.1 Objectifs
9.2 Bibliographie
9.2.1 Direction à démultiplication variable
9.2.2 Adaptation sensorimotrice
9.3 Dispositif expérimental
9.4 Tâche expérimentale
9.5 Protocole
9.6 Résultats
9.7 Discussion
9.7.1 Analyse qualitative
9.7.2 Rééquilibrage des modalités : visuelle et haptique
9.7.3 Adaptation sensorimotrice aux gains de démultiplication et de couple
9.7.4 Adaptation consciente ou inconsciente ?
9.8 Conclusion et perspectives
Synthèse et perspectives
Références bibliographiques
Télécharger le rapport complet
