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INTRODUCTION A LA PSYCHOPHYSIQUE* Andrei Gorea *La science régulant le choix des stimuli, des méthodes et des plans expérimentaux permettant de répondre.

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1 INTRODUCTION A LA PSYCHOPHYSIQUE* Andrei Gorea *La science régulant le choix des stimuli, des méthodes et des plans expérimentaux permettant de répondre à une question précise en rapport avec les processus sous-jacents aux sensations/perceptions induites par le monde extérieur. *The science regulating the choice of stimuli, the methods and experimental designs meant to answer specific questions concerning the mechanisms/processes underlying the sensations/perceptions evoqued by external events.

2 Le cours présente les stimuli élémentaires typiquement utilisés en psychophysique visuelle et leur caractérisation, les méthodes psychophysiques et quelques paradigmes classiques. Il introduit les notions de seuil et de fonction psychométrique et présente des rudiments de la Théorie de la Détection du Signal.

3 (I. Histoire) II. Stimuli & Méthodes Stimuli élémentaires et leurs paramètres Visibilité, enveloppe spatio-temporelle de la visibilité Autre stimuli, autres problématiques Seuil, Bruit, Fonction Psychométrique et Transduction III. Méthode de mesure de seuils Classification des méthodes et des tâches Fonction psychométrique Paradigmes oui/non et choix forcé Méthodes de mesure de seuil Méthodes des limites Ajustement Stimuli constants Fonction psychométrique Méthodes adaptative Scaling et magnitude estimation Plans expérimentaux Quelques paradigmes classiques IV. Un peu de pratique V. Théorie de la Détection du Signal PLAN DU COURS

4 I. UN PEU DHISTOIRE

5 1. Les Origines Philosophiques Antiquité Hippocrate (–460 - –377) Héraclite (–5me s) Protagoras (–5me s) Platon (–429 - –346) Les stoïques (4 ème -3 ème s) Zénon (–335 - –264) Herophilos Galen (-200) Renaissance et Lumières LÉcole Française Descartes ( ) Rousseau ( ) LEmpirisme britannique précoce Hobes (1651) Locke1690 Berkeley (1709, 1710) Hume ( ) Hartley (1749) LÉcole Ecossaise Thomas Reid (1764) Dugald Stewart ( ) Thomas Brown (1820) James Mill (1829) Bain (1856) Kant ( )

6 2. Les Origines Neuro-Physiologiques, Anatomiques et Cytologiques Antiquité Hippocrate (–460377) Galen (–200) Descartes ( ), etc. Neuro-physiologie Swammerdam (1737) Haller ( ) Magendie (1822) cf. Bell Charles Bell ( ). Johanes Müller ( ) Helmholtz ( ) Emil du Bois-Raymond ( ) Sherrington ( ) Anatomie & Cytologie Purkynë, 1837 Hannover, 1840 Deiters, 1865 Golgi Cajal Franz Nissl ( ) Gall, Brodmann (1909), Von Econnomo etc. Localisationisme (+) vs. Holisme (-) Lésions +Gall ( ) –Flourens ( ). +Bouillaud ( ) & Aubertin ( ) +Broca ( ). +Wernicke (1874) –Goltz (1892 +,–Jackson (1864). +Le cas de Phineas Gage (1848) – Munk (1881), von Monakow (1914), Bucy (1934) +Brodmann (1909) – Lashley (1929) – Goldstein (1939) Stimulation électrique +Hitzig ( ) & Fritsch ( ) +Ferrier ( ) –Grünbaum ( ) & Sherrington ( ) Split-brain studies +van Wagenen & Yorke Herren (1940) +Sperry & coll (50s)

7 3. Les Sources Modernes de la Psychologie en général et de la Psychophysique en particulier Les physiciens : Newton, Young, Fechner, Weber, Mach, Maxwell, Helmholtz; Fechner-Weber-Stevens : le transducteur, fonctions TvC, la fct. Psychométrique, d' Les neuro-anatomistes et les physiologistes (Golgi, 1903 ; Cajal, 1904 ; Müller*, Sherrington*, Pavlov, Hartline*, Kuffler, Barlow, Mountcastle, Hubel & Wiesel, etc.) Les pathologistes et les neurologues (Broca, Wernicke, etc.) Les développementalistes (Binet, Piaget) Les médecins (Charcot, Freud) Les psychologues de la personnalité et les psychosociologues (à partir de Freud: Young, Adler, Eriksen, Roger, etc.) Les associassonistes* et les connexionistes* (Pavlov, Skinner, Hebb, Rosenblatt, etc.) La Gestalt* (Wertheimer, Koffka, Kohler ; depuis les « champs électromagnétiques » : aux attracteurs des réseaux de neurones) Watson (1913) et le behaviorisme Gibson* (la vision écologique) Marr* et la vision computationnelle

8 4. Les Premiers Psychophysiciens Lapproche « dure » Wundt (1874). 1 er Handbook de Psy. Exp., Helmholtz (Acoustique – 1863 – et Optique Physiologique, ) Weber et Fechner mesurent la sensation. Fechner (1860) : Psychophysique. Concept de j.n.d.. Külpe et Titchner décomposent la sensation en attributs. Hering ( ) pose (avec les nativistes) que létendue et la durée sont des données a priori élémentaires ne relevant donc pas du sensoriel au sens physiologique. Théorie des couleurs. Lotze (1852) : Théorie du Signe Local. Les phénoménologistes : La Gestalt Wertheimer (1912), Kofka (1915), Köhler (1920) : la Loi de la Pregnantz Von Ehrenfels (1890) : Lécole de la Qualité-Forme Titchners (1909) : Théorie du Contexte Tolman (1918) : contexte et comportement adéquat William James et lintrospection Le Behaviorisme Watson (1913) remplace la sensation par le comportement discriminatoire.

9 Lon veut tester la loi de Weber ( I/I = k). Comment procède-t-on ? Du point de vue de STIMULI Du point de vue de la MESURE / MÉTHODE Performance Temps de Réponse Du point de vue du PLAN EXPERIMENTAL Niveaux/catégories tirés au hasard vs. Ordonnés Règle despacement des niveaux/catégories (linéaire/log)

10 II. STIMULI « ELEMENTAIRES » En Psychophysique, le Stimuli doivent être précisément définis… …leur forme, leur taille, leur couleur, leur orientation, leur contraste (intensité)… …leur fréquence temporelle/spatiale, leur disparité binoculaire, leur vitesse…

11 Rule of the thumb: = 57.3/d Visual Angle T/2 T/2 T

12 The Snellen charts (1862)

13 L0L0 L 0 - L L 0 + L Dots and Bars Webers Contrast C WEBER = L L0L0

14 LOLO L 0 + L L L x C WEBER = L L0L0 Gaussian blobs Webers Contrast G [ ]

15 dB dB = 20log 10 ( I / I) I = I 10 dB/20 1dB I/I = 1.122

16 Vernier Acuity Pierre Vernier ( ) mathématicien français x x Seuil = 5

17 Minimum separabile x x Seuil 36

18 Spatial Frequency (Gratings) Michelson Contrast Amplitude L MAX L min L0L0 C Michelson = L MAX - L min L MAX + L min A L0L0 = SF [cycles/degree] L(x,t) = L 0 [1 + mcos(2 f x 2 t )]

19 Elements of Fourier Analysis 2A fxfx fyfy 0

20 fxfx fyfy 0 1f, A 3f, A/3 fxfx fyfy 0

21 fxfx fyfy 0 fxfx fyfy 0 1f, 2A3f, 2A/35f, 2A/5

22 Dans un système linéaire, mesurer lamplitude du signal de sortie du système pour une amplitude dentrée constante (lapproche de lingénieur) équivaut à mesurer lamplitude entrante requise afin dobtenir un signal de sortie constant (le seuil; lapproche du psychophysicien). Constant Input amplitude Variable Output amplitude Output amplitude Frequency (c/deg) Fonction de transfert dune lentille Low-pass Band-pass Low-pass Band-pass

23 C SF The Human Contrast Transfer Function (CSF) 36 Classical acuity minimum separabile ( 50 c/deg) S (= 1/C ) INHIBITION ?

24 Speed deg/s Direction deg Velocity = Speed + Direction Speed [deg/s] = Space [deg] Time [s] = TF [cycles/s] SF [cycles/deg] Gratings move… Direction, speed, velocity

25 THJRESHOLD & SENSITIVITY Kelly, 1978 Sensitivity = 1/Threshold Temporal Frequency cycles/s Hz 1 Hz 6 Hz 16 Hz 22 Hz 0.5 c/° 4 c/° 22 c/° Robson, c/°

26 Equiluminant gratings Examples of gratings with S-cone positive (left) and S-cone negative (right) contrast.

27 Chromatic grating & sensitivity Contrast sensitivities as a function of spatial frequency for a blue- yellow grating (; 470, 577 nm) and a red- green grating (; 602, 526 nm). Contrast sensitivity as a function of spatial frequency for the red-green grating (; 526, 602 nm) and a green monochromatic grating (; 526 nm). Contrast sensitivity as a function of spatial frequency for the blue-yellow grating (; 470, 577 nm) and a yellow monochromatic grating (; 577 nm). Mullen, K.T. (1985) J. Physiol. 359,

28 Color vision tests Isihara plates

29 FILTRAGE MULTIECHELLE Face SF Face SF + Ori

30 Luminance x Mach bands Brightness

31 Mach bands

32 An illusion by Vasarely, left, and a bandpass filtered version, right.

33 (b) Fourier transform of the image (1-D Fourier spectrum) (a) Image 1-D luminance profile (c) Human SF sensitivity (d) Dot product of (b) & (c) (e) Reconstructed image 1-D luminance profile (inverse Fourier transform)

34

35 Incoming light Photoreceptors Neurons Axons RECEPTIVE FIELD PHYSICAL SPACE Recording site RETINOTOPICAL SPACE Recording site Photoreceptors Neurons Axons PHYSICAL SPACE IMPULSE RESPONSE RETINOTOPICAL SPACE Incoming light The RF is equivalent to the systems Impulse Response Dans un système linéaire rétinotopique, La représentation dun ensemble de points (image) par un seul neurone est strictement identique à la représentation dun point dans lespace physique par lensemble des neurones qui le traitent.

36 Champ récepteur Réponse impulsionnelle CONVOLUTION E(X) = Entrée (fct. de X) S(X) = Sortie (fct. de X) CR = h(x) = Réponse Implle (fct. de x)

37 Gabors: cos(x) Gauss(x) Spatial Frequency (c/deg) Orientation Carrier (porteuse) c/deg, phase contrast Envelope, deg (deg) L(x,t) = L 0 [1 + mcos(2 f x 2 t )]

38 Plaids (tartans) ++ fxfx fyfy 0fxfx fyfy 0fxfx fyfy 0fxfx fyfy 0fxfx fyfy 0fxfx fyfy 0 fxfx fyfy 0

39 Speed [deg/s] = Space [deg] Time [s] = TF [cycles/s] SF [cycles/deg] Plaids in motion

40 Pink noise or 1/f noise is a signal or process with a frequency spectrum such that the power spectral density is proportional to the reciprocal of the frequency. For pink noise, each octave carries an equal amount of noise power. The name arises from being intermediate between white noise (1/f0) and red noise (1/f2, more commonly known as Brownian noise) S(f) 1 / f 0 = k S(f) 1 / f 1 White noisePink noise Amplitude (dB) Frequency (Hz or c/deg) Appearance 1-D Fourier spectrum

41 Filtered noise Appearance2-D Fourier spectrum 1-D Fourier spectrum White Filtered with a 0.5 octave* isotropic filter * Octave: Frequency doubling

42 Figure 4. Illustration of spatial whitening. (a) A natural image whose amplitude spectrum, plotted in (c), falls approximately as 1/F on log–log axes with a slope of j1.4. Whitening the amplitude spectrum produces an image (b) that appears sharpened, but otherwise structurally quite similar. (d) The amplitude spectrum of the whitened image has approximately the same amplitude at all spatial frequencies and a resultant spectral slope close to 0. The rms contrasts of the source and whitened images have been fixed at Bex, Solomon & Dakin, (2009). Journal of Vision, 9(10):1, 1–19.

43 White noiseNatural Image Root mean square Contrast

44 rms Contrast (root mean square)

45 Contraste au Seuil Noise rms Contrast Élévation du Seuil Equivalent Noise Seuil « absolu » SF gratings in Noise Assessing the internal noise

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47 A visual assessment chart consisting of letters in noise that is designed to test for some neural deficits while being unaffected by optical deficits. Denis Pelli (NYU, USA) & John Hoepner (Depart. of Opthalmology, Health Science Center, Syracuse, NY, USA.) ?field=keywords&op=contains&value1=nois e&template=thumbs_details&join=or&field2 =imageDescription&op=contains&value2=n oise&sorton=Filename&catalog=proto1&su bmit2.x=0&submit2.y=0&submit2=Search

48 I. Create a random dot image. II. Copy image side by side. III. Select a region of one image. IV. Shift (horizontally) this region and fill in the blank space left behind with the random dots to be replaced ahead. The Random Dot Stereogram is ready. To reveal the hidden square the brain presumably computes the cross-correlation between the 2 images. Random Dots Stereograms (RDS – Julesz, 1961)

49 Figure 1. The binocular fusion problem: in the simple case of the diagram shown on the left, there is no ambiguity and stereo reconstruction is a simple matter. In the more usual case shown on the right, any of the four points in the left picture may, a priori, match any of the four points in the right one. Only four of these correspondences are correct, the other ones yielding the incorrect reconstructions shown as small grey discs Binocular disparity Binocular disparity x – x [deg] P p x x p

50 Amplitude Modulation (AM) Contrast- Contrast (2nd order modulations) x Amplitude C MAX C min rtWeb.dll?field=keywords&op=con tains&value1=second+order+moti on&template=thumbs_details&join =or&field2=imageDescription&op= contains&value2=second+order+ motion&sorton=Filename&catalog =proto1&submit2.x=41&submit2.y =12&submit2=Search CC Michelson = C MAX - C min C MAX + C min _contrast-contrast/index.html

51 Amplitude Modulation (AM) Contrast-Contrast

52 Other stimulus types

53 Other approaches… other stimuli…

54 Lois dorganisation

55 Rubin, 1915 Figure-Fond

56

57 Necker cube Luis Albert Necker, 1832

58 Sort commun, Mouvement et Forme 2D HIDDEN IMAGE

59 Biological motionOptic flaw

60 Hollow Mask

61 Light from above

62 Illusions

63 INTENSITY RESPONSE SEUIL 0 PERFORMANCE p I THE CONCEPT OF THRESHOLD (SEUIL) Threshold Noise

64 % Detected Stimulus Intensity P(RI) Internal Response THRESHOLD THE CONCEPT OF SENSORY NOISE

65 % Detected Stimulus Intensity P(IR) Internal Response SEUIL THE CONCEPT OF SENSORY NOISE & THE PSYCHOMETRIC FUNCTION

66 THE PSYCHOMETRIC FUNCTION Stimulus Intensity % Detected P(IR) Internal Response SEUIL PENTE

67 I0I0 I1I1 = cst. log (I) slope = 1 NO Weber s Law I = k k Input R = kI p(R) I I1 R I I0 R TRANSDUCTION

68 I0I0 I1I1 I I1 R I I0 R = cst. p(R) log (I) slope = 1 Weber s Law I = kI TRANSDUCTION

69 I0I0 I1I1 I I0 R p(R) R I I1 log (I) slope > 1 Weber s Law I = kI TRANSDUCTION


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