Percezione del movimento

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1 Corso di Principi e Modelli della Percezione Prof. Giuseppe Boccignone Dipartimento di Scienze dell Informazione Università di Milano boccignone@di.unimi.it L impressione percettiva che un oggetto nel nostro campo visivo si è mosso o si sta muovendo Perchè è importante il movimento? Quali sono le basi neurobiologiche? Come è rilevato (motion detection)? Come possiamo modellarlo?

2 //importanza Segregazione di figura e sfondo: il moto relativo identifica oggetti //importanza Navigazione

3 //importanza Strutture tridimensionali: effetto cinetico di profondità //importanza Il tipo di movimento congruo allo spostamento di agenti biologici (i.e., umani, animali)

4 //movimento del prim ordine di un oggetto dovuta a un cambiamento di luminanza rispetto allo sfondo //movimento del prim ordine: moto apparente E l illusoria impressione di un movimento creata dalla accensione in tempi diversi ed in rapida successione di luci statiche Scoperto da Sigmund Exner (1875) I circuiti neurali deputati all analisi del moto non necessitano di un moto reale per attivarsi

5 //movimento del prim ordine: moto apparente Fenomeni beta e phi: movimento apparente dovuto a impulsi luminosi in sequenza E la base del cinema: ad un certo frame-rate (12 fps) si inizia a percepire il //movimento del prim ordine: moto apparente Il problema generale è quello del movimento apparente (movimento illusorio che ha luogo quando nulla si muove fisicamente, ovvero non vi è movimento reale). Vari fenomeni tra cui il movimento stroboscopico (cambiamenti discreti e successivi delle posizioni dello stimolo che inducono una precezione del movimento continuo): è l'esempio più rilevante, tanto da diventare sinonimo di movimento apparente, ed è la base della percezione del movimento nel cinema. La condizione più semplice è rappresentata da due luci in posizione A e B A!! < >!!!B A si accende e B si spegne e viceversa. Se le condizioni spaziotemporali (frequenza di spegnimento accensione e distanza d(a,b) ) sono appropriate si percepisce un movimento A -> B.

6 //movimento del prim ordine: moto apparente Wertheimer aveva distinto diversi stadi: se il ritmo di alternanza è troppo elevato!da movimento apparente si passa a movimento simultaneo (si percepiscono due luci che si accendono in locazioni diverse) aumentando l'intervallo di tempo, si passa attraverso vari stadi: movimento parziale!-> movimento ottimale (beta) -> movimento puro (fenomeno \phi) -> successione delle due luci che si accendono alternativamente. si puo' ottenere ottenere movimento apparente fino ad una d(a,b)= 18 (gradi di angolo visivo), dove per produrre movimento ottimale l'intervallo di tempo deve crescere al crescere di d(a,b) Il termine \phi dovrebbe essere riservato all'illusione per cui ha luogo un movimento mentre niente si muove. Attualmente lo si usa per tutte le forme di movimento stroboscopico e il fenomeno \phi in senso stretto viene indicato come "\phi puro", che ha luogo con un tempo un po' piu' lungo di quello che produce movimento ottimale. Il movimento \beta è sinonimo di movimento apparente ottimale : //rilevare il movimento del primo ordine Come è possibile costruire un detettore per il movimento? Va considerato il cambiamento di posizione nel tempo Quindi è un buon inizio considerare due recettori adiacenti divisi da una distanza stabilita e fissa

7 //livello neurofisiologico Come è possibile costruire un detettore per il movimento? Va considerato il cambiamento di posizione nel tempo Quindi è un buon inizio considerare due recettori adiacenti divisi da una distanza stabilita e fissa //livello neurofisiologico: il detettore di Reichardt

8 //livello neurofisiologico: il detettore di Reichardt stimolo filtro passa basso filtro passa alto // il detettore di Reichardt come filtro spazio-temporale

9 //livello neurofisiologico: il detettore di Reichardt Il modello di Reichardt è stato costruito per la mosca Cosa succede nel nostro cervello? //la corteccia striata: selezione informazione Via magnocellulare: localizzazione e movimento (dove) Vie parvicellulare- blob: percezione dei colori e parvicellulare-interblob: analisi delle forme (cosa) Vie binoculari tridimensionalità dell oggetto

10 //rappresentazione X-Y-T E rappresentabile come un pattern continuo spazio-temporale in coordinate (x,y,t) o (x,t) Rappresentazione X-Y-T //la corteccia striata: selezione informazione Qual è la risposta impulsiva di questi neuroni? Via magnocellulare: localizzazione e movimento (dove)

11 //la corteccia striata: modello di Adelson-Bergen Idea: se il moto è un pattern orientato in X-Y-T, l analisi del movimento è come l analisi dell orientazione (vedi Gabor) La risposta dei neuroni sensibili al movimento è modellata come la risposta impulsiva di filtri spaziotemporali //la corteccia striata: modello di Adelson-Bergen La risposta dei neuroni sensibili al movimento è modellata come la risposta impulsiva di filtri spaziotemporali Questi possono essere visti come somma nel tempo di filtri spaziali di Gabor

12 //la corteccia striata: modello di Adelson-Bergen La risposta dei neuroni sensibili al movimento è modellata come la risposta impulsiva di filtri spaziotemporali Questi possono essere visti come somma nel tempo di filtri spaziali di Gabor Essendo filtri lineari sono separabili nelle varie componenti spaziali e temporali (ovvero si ottengono moltiplicando le varie componenti //la corteccia striata: modello di Adelson-Bergen La risposta dei neuroni sensibili al movimento è modellata come la risposta impulsiva di filtri spaziotemporali Questi possono essere visti come somma nel tempo di filtri spaziali di Gabor Essendo filtri lineari sono separabili nelle varie componenti spaziali e temporali (ovvero si ottengono moltiplicando le varie componenti

13 //la corteccia striata: modello di Adelson-Bergen La risposta di questi può essere combinata per ottenere la risposta impulsiva di neuroni sensibili per il movimento verso destra o verso sinistra //la corteccia striata: modello di Adelson-Bergen Energia orientata

14 //la corteccia striata: modello di Adelson-Bergen Rappresentazione X-Y-T Opponenza di movimento //la corteccia striata: modello di Adelson-Bergen Non distingue tra moto a destra e sinistra e dipende dalla fase Distingue tra moto a destra e sinistra e dipende dalla fase Distingue tra moto a destra e sinistra e non dipende dalla fase Contrasto di movimento = opponenza

15 //la corteccia striata: modello di Adelson-Bergen //Reichardt vs. Adelson-Bergen

16 //la corteccia striata: evidenze empiriche Evidenze sperimentali nella V1 //la corteccia striata: selezione informazione Via magnocellulare: localizzazione e movimento (dove)

17 //Post illusione di movimento //Post illusione di movimento

18 //Post illusione di movimento //Post illusione di movimento

19 //Post illusione di movimento //Post illusione di movimento L illusione del movimento di un oggetto stazionario dopo una prolungata esposizione ad un movimento reale L esistenza di tale illusione implica l esistenza di processi di opponenza per la percezione del movimento tipo quelli attivi per la percezione del colore

20 //movimento del second ordine Movimento di primo ordine: Movimento di un oggetto definito da differenze di luminanza Movimento di secondo ordine: Il movimento di un oggetto definito da cambiamenti di contrasto o texture ma non di luminanza //movimento del second ordine Movimento di secondo ordine: Il movimento di un oggetto definito da cambiamenti di contrasto o texture ma non di luminanza Il modello di Adelson e Bergen non è in grado di rilevarlo

21 //movimento del second ordine Movimento di secondo ordine: Il movimento di un oggetto definito da cambiamenti di contrasto o texture ma non di luminanza Il modello di Adelson e Bergen non è in grado di rilevarlo //movimento del second ordine: soluzione Movimento di secondo ordine: Il movimento di un oggetto definito da cambiamenti di contrasto o texture ma non di luminanza Il modello di Adelson e Bergen non è in grado di rilevarlo Occorre introdurre una non linearità per rilevare la tessitura

22 //movimento del second ordine: soluzione //il problema dell apertura Apertura: L apertura è una fessura che permette solamente una visione parziale dell oggetto.

23 //il problema dell apertura Apertura: L apertura è una fessura che permette solamente una visione parziale dell oggetto. Il problema della corrispondenza (di moto): Il porblema affrontato dai detettori di movimento per sapere quale feature presente in un frame N, corrisponde ad una particolare feature del frame N-1 Il problema dell apertura: Riguarda il fatto che quando un oggetto in movimento è visto attraverso una fessura, localmente (a livello dell analisi di un detettore cioè) la direzione del movimento può risultare ambigua //il problema dell apertura

24 //il problema dell apertura Apertura: L apertura è una fessura che permette solamente una visione parziale dell oggetto. Il problema della corrispondenza (di moto): Il porblema affrontato dai detettori di movimento per sapere quale feature presente in un frame N, corrisponde ad una particolare feature del frame N-1 Il problema dell apertura: Riguarda il fatto che quando un oggetto in movimento è visto attraverso una fessura, localmente (a livello dell analisi di un detettore cioè) la direzione del movimento può risultare ambigua Poiché i neuroni di V1 vedono il mondo attraverso piccole finestre (i loro campi recettivi) questo porta al ben noto problema dell apertura //Detezione del movimento globale

25 //Detezione del movimento globale Abbiamo degli indizi per individuare la posizione nel sistema percettivo dei detettori di moto globale: Lesioni negli strati magnocellulari del Corpo Genicolato Laterale rendono deficitaria la percezione di oggetti grandi ed in movimento rapido Lobo Temporale mediale: Gioca un ruolo molto importante nella percezione del movimento La maggior parte dei neuroni in MT sono sensibili ad una particolare direzione di movimento //Detezione del movimento globale

26 //Detezione del movimento globale Lobo Temporale mediale: Gioca un ruolo molto importante nella percezione del movimento La maggior parte dei neuroni in MT sono sensibili ad una particolare direzione di movimento //Detezione del movimento globale Il paradigma di Newsome e Pare

27 //Detezione del movimento globale Da esperimenti sulle scimmie (Newsome e Pare, 1988) Utilizzavano scimmie addestrate a percepire il movimento di punti correlati Le aree MT delle scimmie venivano lesionate Risultati: Le scimmie necessitavano di un livello di segnale (in termini di robustezza del movimento in una direzione dei pallini) 10 volte più alto rispetto a prima Svantaggi dell usare i metodi di lesionamento selettivo per lo studio del moto: Sono metodi invasivi Le lesioni possono essere incomplete o danneggiare altre aree oltre a quelle di interesse //Detezione del movimento globale

28 //Detezione del movimento globale: risultato Ci sono prove molto robuste sia fisiologiche che comportamentali a sostegno dell idea che l area MT sia coinvolta nella percezione globale del movimento