CHAPITRE II: Vision humaine et computer vision
Article 1: Comprendre le mécanisme de la vision dans notre cerveau en 4 étapes.
[Bienvenue dans la série “Brain & AI”: une série qui confronte le point de vue des neurosciences à celui de l'intelligence artificielle! La série sera composée de plusieurs chapitres avec différents articles. Chaque article peut être lu de manière indépendante.]
Vous voici au sein du premier article (" Comprendre le mécanisme de la vision dans notre cerveau en 4 étapes") du second chapitre de cette série "Vision humaine et computer vision".
A travers ce premier article, vous comprendrez les fondamentaux du système visuel humain. Le deuxième article de ce chapitre confrontera les techniques d’intelligence artificielle relatives à la vision (computer vision) à notre système visuel humain.
Dans ce premier article, je vous expliquerai les différentes étapes parcourues au sein de notre système visuel pour nous permettre de percevoir un objet et de le localiser dans l’espace.
Pour ce faire, nous suivrons l’histoire de “Dédé”, humain moyen avec toutes ses capacités cognitives. Nous nous immiscerons dans ses yeux et dans son cerveau pour comprendre les mécanismes de la vision et du traitement de l’image.
Il était une fois...
...Dédé et ses amis au bar.
Dédé commande une tisane. Le serveur lui apporte sa commande sur la table. Seulement, pour boire sa boisson, Dédé va devoir percevoir cette dernière et la situer dans l’espace. C’est là que son système visuel entre en action…
Une des premières choses à comprendre est que le système visuel de Dédé est limité. La lumière étant une onde électromagnétique, Dédé ne peut percevoir que les ondes comprises au sein du spectre visible. Ce spectre visible englobe l’ensemble des couleurs que les humains peuvent percevoir (400 à 700 nm). Les infrarouges ou les UVs sont par exemple des ondes imperceptibles pour l'œil humain. Ainsi, Dédé peut premièrement boire sa tisane car les objets compris dans sa scène visuelle (tisane, mug, table, etc) reflètent des ondes comprises dans le spectre visible. Cette vérité étant posée, nous pouvons commencer notre chemin vers les organes de Dédé...
Image 1: Le spectre visible des humains.
Etape 1: L'oeil humain
Pour que Dédé puisse percevoir un objet, par exemple le mug de sa tisane, il doit traiter les informations de son champ visuel. Chaque oeil va traiter conjointement une partie du champ visuel droit et une partie du champ visuel gauche. Pour traiter ces informations, Dédé a besoin de sa “rétine”: une membrane tapissée au fond de chaque oeil chargée de cellules neurales responsables de transmettre l’information à notre cerveau. Parmi ces cellules neurales, nous comptons les photorécepteurs: des cellules responsables de convertir l’information lumineuse en signal électrique compréhensible pour son cerveau. Ainsi, en regardant son mug, Dédé active ses cellules photoréceptrices, stimulées par la lumière qui rentre dans son oeil. Il existe plusieurs types de cellules photoréceptrices mais nous nous concentrerons sur deux types de cellules particulières: les “bâtonnets” et les “cônes”.
Image 2: Deux types de cellules photoréceptrices: les bâtonnets et les cônes.
Etape 2: Les cellules de la rétine
Les bâtonnets ont pour but de traiter l’intensité lumineuse. Ces cellules ne sont pas capables de percevoir les couleurs. L’information de l’intensité lumineuse est donc essentiellement perçue comme un niveau de gris. Grâce à ces cellules, Dédé peut distinguer des formes mais avec une mauvaise précision. A contrario, les cônes sont des cellules capables de traiter la couleur et ce, de manière très précise. On distingue les cônes “bleus”, les cônes “verts” et les cônes “rouges”. En conséquence, c’est grâce aux bâtonnets qu’il perçoit la forme de son mug et c’est grâce aux cônes qu’il perçoit les couleurs de son mug.
Par ailleurs, la répartition des bâtonnets et des cônes n’est pas régulière. Logiquement, il y a majorité de cônes à l’endroit où le point focal est le plus précis de l'œil - un point qui se nomme la fovéa.
Image 3 : Deux cellules photoréceptrices avec deux fonctions différentes
- BONUS -
Nos cellules photoréceptrices sont ultra spécialisées!
Les cônes n’ont pas seulement pour but de percevoir la lumière. En effet, certains cônes peuvent distinguer le centre de la périphérie de notre champ de vision. Autrement dit, en plus des couleurs, chaque cône a une spécialité “centre” ou “périphérie”. Un cône “centre” va donc s’activer et transmettre un message nerveux seulement si le centre de notre champ récepteur (le champ visuel spécifique à notre cellule) est stimulé. Inversement, si le champ récepteur périphérique est stimulé, les cônes “périphérie” transmettront un signal nerveux.
Etape 3: La transmission vers notre cerveau
Une fois les cellules photoréceptrices activées, Dédé doit communiquer l’information perçues par ces cellules à son cerveau afin d’être conscient de ce qu’il voit. Comme chaque humain, il a un nerf optique: un ensemble de neurones partant de l'oeil qui ont pour but d’envoyer le signal de la rétine vers l’arrière de notre cerveau. Ainsi, l'oeil droit va transmettre l'information du nerf optique droit en partant de l'hémisphère droit et inversement pour l'oeil gauche. L'ensemble des informations seront transmises dans le cortex occipital, et plus précisément dans le cortex visuel primaire.
Image 4 : Représentation de la transmission du signal lumineux de la rétine en un signal électrique dans notre cerveau.
NB: Attention, j'ai volontairement simplifié le trajet de la transmission des informations nerveuses dans notre cerveau. Pour être plus précise, l'information du champ visuel droit sera traitée par le cortex visuel gauche tandis que l'information du champ visuel gauche sera traitée par le cortex visuel droit.
Etape 4: Savoir "où" et "quel" object percevons-nous
L’information va par la suite être relayée dans deux régions différentes de son cerveau: du cortex visuel elle va être acheminée dans le cortex temporal - c’est ce qu’on appelle la voie ventrale - et dans le cortex pariétal - c’est ce qu’on appelle la voie dorsale. La voie ventrale lui permettra de reconnaître sa tisane tandis que la voie dorsale lui donnera la possibilité de la localiser dans l’espace. Ce traitement conjoint est essentiel pour élaborer de futures actions ! Par exemple, une des régions de la voie dorsale, appelée l’aire V5/MT, est responsable des mouvements. Une lésion dans cette région provoque une perte de perception du mouvement (akinétopsie).
Image 5: Les voies ventrales et dorsales du cerveau humain.
Ainsi, Dédé pourra tranquillement distinguer la bière de son ami à son mug grâce à la voie ventrale et s’empressera d’attraper sa boisson grâce à la voie dorsale. Nous lui souhaitons une bonne dégustation.
- BONUS -
Comment pouvons-nous distinguer les bords d’un objet?
Chez le primate (donc, entre autres, chez le singe et l’Homme), des cellules présentes au sein de notre cortex visuel primaire réagissent en fonction de l’orientation des objets. Par exemple, certaines cellules vont seulement être activées si l’orientation est verticale, oblique ou horizontale. Dans une scène complexe, les bords d’un objet présent dans notre champ visuel pourront donc être différenciés grâce à l'activité de ces cellules. Ainsi, il est possible de créer une carte de l’image perçue en fonction des cellules activées.
A très vite pour le deuxième article sur la computer vision !
Lydia.
BIBLIOGRAPHIE
Neurosciences - D.Purves et al, 4eme édition (2012)
Plongée au coeur du cerveau - National Geographic (2019)
Sections d’images:
Visible spectrum - Image 1: https://possibility.teledyneimaging.com/how-deep-is-your-light-imaging-across-the-spectrum/
Image 2: oeil et cellules photoréceptrices sans Dédé: https://www.ophtalmique.ch
Absorbance spectrum - Image 3: ResearchGate. ‘Figure 4 : Spectre d’absorption Des Photorécepteurs. Les Courbes En...’ Accessed 24 June 2021. https://www.researchgate.net/figure/Spectre-dabsorption-des-photorecepteurs-Les-courbes-en-trait-plein-representent-le_fig4_278642780.