On salience and non-accidentalness : comparing human vision to a contrario algorithms

par Samy Blusseau

Thèse de doctorat en Mathématiques

Sous la direction de Jean-Michel Morel.

Soutenue le 22-09-2015

à Cachan, Ecole normale supérieure , dans le cadre de École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne) , en partenariat avec Centre de Mathématiques et de Leurs Applications - ENS Cachan (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Saillance et non-accidentalité : la vision humaine comparée à des algorithmes a-contrario


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous comparons la vision humaine à des algorithmes de vision par ordinateur, basés sur un modèle mathématique appelé théorie a-contrario. Pour cela, nous nous concentrons sur deux taches visuelles dont la modélisation d'une part, et l'expérimentation psychophysique d'autre part, sont simples. Celles-ci consistent dans le groupement perceptuel d'éléments orientés appelés patchs de Gabor. Dans la première tache il s'agit de détecter des alignements, et dans la seconde des courbes, soit des configurations plus générales d'éléments en bonne continuation. Dans les deux cas, des expériences psychophysiques ont été menées afin de collecter des données sur la perception visuelle humaine dans un contexte de masquage.Le principe de non-accidentalité désigne le fait que les relations spatiales entre des éléments prennent un sens pour la perception lorsqu'il semble invraisemblable qu'elles soient le fruit du hasard. Ce principe trouve une formalisation dans la théorie a-contrario, qui est utilisée en vision par ordinateur pour déterminer des seuils de détection en accord avec la non-accidentalité. Dans cette thèse, les méthodes a-contrario sont appliquées dans l'implémentation de deux algorithmes conçus pour détecter respectivement des alignements et des courbes non-accidentels. Ces algorithmes ont joué le role de sujets artificiels dans nos expériences.Les données expérimentales des sujets humains ont donc été comparées aux algorithmes sur les memes taches, conduisant à deux principaux résultats. Premièrement, le Nombre de Fausses Alarmes (NFA), qui est la mesure scalaire de non-accidentalité dans la théorie a-contrario, est en forte corrélation avec les taux de détection obtenus par lessujets humains sur un large éventail de stimuli. Deuxièmement, les réponses des algorithmes ressemblent précisément à celles de la moyenne des sujets humains.La contribution de cette thèse est donc double. D'une part, elle valide de façon rigoureuse la pertinence des méthodes a-contrario dans l'estimation de seuils perceptuels, et leur application en vision par ordinateur. D'autre part, elle souligne l'importance du principe de non-accidentalité dans la vision humaine.Dans le but de rendre ces recherches reproductibles, les méthodes décrites dans la thèse ont été publiées dans le journal IPOL. Ces publications fournissent le détail des algorithmes, leur code source commenté, ainsi qu'une démonstration en ligne pour chacun d'eux.


  • Résumé

    The present dissertation compares the human visual perception to computer vision algorithms based on a mathematical model called a-contrario theory. To this aim, it focuses on two visual tasks that are at the same time easy to model and convenient to test in psychophysical experiments. Both tasks consist in the perceptual grouping of oriented elements, namely Gabor patches. The first one is the detection of alignments and the second one extends to curves, that is to say to more general arrangements of elements in good continuation. In both cases, alignments and curves, psychophysical experiments were set up to collect data on the human visual perception in a masking context.The non-accidentalness principle states that spatial relations are perceptually relevant when their accidental occurrence is unlikely. The a-contrario theory is a formalization of this principle, and is used in computer vision to set detection thresholds accordingly. In this thesis, the a-contrario framework is applied in two practical algorithms designed to detect non-accidental alignments and curves respectively. These algorithms play the part of artificial subjects for our experiments.The experimental data of human subjects is then compared to the detection algorithms on the very same tasks, yielding two main results. First, this procedure shows that the Number of False Alarms (NFA), which is the scalar measure of non-accidentalness in the a-contrario theory, strongly correlates with the detection rates achieved by human subjects on a large variety of stimuli. Secondly,the algorithms' responses match very well the average behavior of human observers.The contribution of this thesis is therefore two-sided. On the one hand, it provides a rigorous validation of the a-contrario theory's relevance to estimate visual thresholds and implement visual tasks in computer vision. On the other hand, it reinforces the importance of the non-accidentalness principle in human vision.Aiming at reproducible research, all the methods are submitted to IPOL journal, including detailed descriptions of the algorithms, commented reference source codes, and online demonstrations for each one.


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